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直接能量平衡协调控制在200MW机组DCS系统上的应用

直接能量平衡协调控制在200MW机组DCS系统上的应用

2006/10/30 9:15:00

一、概述    随着我国国民经济的不断发展和电力体制改革的不断深入,厂网分开、竞价上网已成为电力系统必然的运作模式,中、大容量机组不仅要适应带基本负荷的需要,而且要根据电网偏差和调度的负荷需求指令参与电网的调峰、调频。对于在电网中参与调峰、调频的机组,要求其负荷变化的范围要大,能够稳定运行的最低负荷要低,具有良好的负荷适应能力,同时要求其主要参数在负荷变化过程中相对稳定,从而保证机组有较高的效率。要满足这些要求,不仅取决于单元机组的机、电、炉和主要辅机的运行和控制性能,还取决于机组控制系统的设计性能。单元机组的输出电功率与负荷要求是否一致反映了机组与外部电网之间能量供求的平衡关系,而主汽压力反映了机组内部锅炉与汽轮发电机组之间能量的供求平衡关系。由于汽机、锅炉是相对独立的,它们在响应外界负荷变化时的动态特性存在很大差异,汽机负荷响应快而锅炉负荷响应相对滞后,因而在设计控制系统时要充分考虑它们的差异,采取某些措施(如引入前馈、协调信号),让机组按照外部电网负荷的指令,根据主要参数的偏差,协调机、炉两侧的控制动作,合理地保持好内外两个能量供求平衡关系,同时兼顾负荷响应性能和内部运行参数稳定两个方面,这样的控制系统称为协调控制系统。 二、直接能量平衡策略的原理    DEB/400直接能量平衡控制策略是基于火力发电厂而提出的机炉协调控制策略,是为电站单元机组协调控制而设计的一种先进的控制方案。其从能量平衡的概念出发,将锅炉和汽机作为一个有机紧密联系的整体来控制,它以锅炉跟随为基础,将汽机的能量需求作为锅炉指令,在锅炉燃料调节器入口直接同锅炉的热量信号比较,使机、炉之间的能量供求关系得到快速平衡,进而简洁且有效地实现机炉一体化协调控制。    在DEB/400直接能量平衡策略中,能量需求信号是基于汽机对能量的要求计算出来的,这个能量要求称为"能量平衡信号",它代表了在任何工况下汽机对蒸汽的需求量。"能量平衡信号"随着汽机调节阀的开度变化而变化,即使在故障或手动调节时,计算的结果也是正确的。能量平衡是通过直接控制输入炉膛的能量使之与能量需求信号相匹配而实现的,送入锅炉炉膛的能量通过对锅炉放热量的连续计算确定,直接能量平衡由燃料控制调节器维持。    能量平衡信号采用PS�P1/PT表示,其中P1为汽机调节级压力,直接反映的是进汽流量也就是机组负荷,PT为机前压力即主汽门前压力,PS为机前压力设定值,P1/PT与汽机调节阀开度成正比,无论什么原因引起的调节阀开度变化,该值都能作出灵敏的反映,所以无论在静态或动态,PS�P1/PT可以表征定压运行或滑压运行等不同运行工况下汽机的能量输入(即汽机对锅炉的能量需求)。输入能量必须同能量需求相匹配,输入的燃料量如采用给粉机转速等直接测量,易受制粉系统延迟,煤质变化等诸多因素的影响,在DEB/400直接能量平衡控制策略中,采用热量信号P1 CdPb/dt作为燃料量反馈,其中C为汽包锅炉的蓄热系数,Pb为锅炉汽包压力,其微分信号代表了锅炉蓄热量变化。热量信号提供了一个在稳态和动态工况下都适用的燃料量工程测量方法。    DEB/400协调控制系统将能量平衡信号和热量信号直接引入锅炉燃料调节器入口,进入燃料调节器入口的能量偏差信号为:    ef=PS�P1/PT-(P1 CdPb/dt)       =P1�(PS-PT)/PT-CdPb/dt       =ΔPT�P1/PT-CdPb/dt    式中:ΔPT=PS-PT为机前压力偏差。    在静态工况下,dPb/dt=0,有ef=ΔPT�P1/PT。燃料调节器的积分作用总是消除调节器入口偏差,使ef最终等于零。由于机组带负荷后,P1/PT恒不等于零,这就必须使ΔPT=0,即使机前压力PT等于给定值PS。可见,DEB/400系统的燃料调节器具有保持机前压力PT等于给定值的能力,而无需另加压力校正调节器。    在动态工况下,汽包压力的微分信号具有防止PT过调,使过程稳定的作用。例如,由于锅炉内扰作用使PT增高时,ΔPT=PS-PT成为负值,dPb/dt将为正值,燃料调节器入口的偏差信号为负值,使燃料量输入减少,校正PT的上升。当PT开始回降时,dPb/dt变为负值,使燃料量得以增加,防止PT出现过调。直接能量平衡协调控制系统同时还设有能量平衡信号的动态前馈:(PS�P1/PT)�[d(PS�P1/PT)/]dt,用以补偿机前压力设定值变化或负荷变化时锅炉蓄能的变化和机、炉动态响应的差异。定压运行时,动态前馈补偿了负荷变化时要求改变汽包压力所需的锅炉蓄能变化。负荷不变时,则补偿机前压力定值提高所需的锅炉附加蓄能。而在滑压运行时,更要补偿负荷和机前压力二者同时变化时,要求汽包压力变化所需的更多的锅炉附加蓄能。下面具体介绍我厂2�200MW机组协调控制系统。 三、200MW机组协调控制的功能    重庆发电厂现有2�200MW国产燃煤机组,过去采用常规模拟仪表控制,控制精度低,负荷适应性差,设备维护量大,在2000-2001年相继进行了热控系统改造,DCS系统采用的是美国MCS公司的MAX1000分散控制系统,其协调控制系统核心是美国L&N公司的DEB/400直接能量平衡控制策略。汽机原液压调节系统改为高压抗燃油电液调节系统DEH-ⅢA。    1、主控系统设计有手动方式、机跟炉、DEB、机基本、ADS等五种不同级别的运行方式,以适应机组不同运行工况的需要(图一)。各运行方式均可由运行人员在CRT上进行选择或由故障及限制条件通过联锁保护逻辑自动切换到安全允许的运行方式。控制系统的完整性设计保证系统在部分子回路切除自动或在其它受限制情况下均能在安全允许的运行方式下稳定运行,无需修改系统组态或整定参数。    2、系统中设计有前馈及动态补偿功能(见图二)。锅炉储能随负荷增加而增加,在负荷改变时,能量需求信号不仅要适应负荷改变,还要适应储能改变所需的量,因而能量需求信号要求有一个动态补偿,动态前馈补偿的强度取决于汽机需求能量的大小及其变化率,补偿量将有一定的过调。这个暂时的过调量使

图一   图一    CCS协调控制主画面

机炉之间的不平衡减至最小,并改善了压力控制的效果。而在燃料控制中采用了前馈作用,它使燃料控制对需求的变化响应快速。    3、协调系统中设计有需求限制调节器DLR。DEB/400通过需求限制调节器,在异常情况下保持锅炉的输入能量以及锅炉与汽机之间的平衡,从而提高了设备的安全性和可靠性。此时,系统控制方式自动切换到安全允许的运行方式,并在协调主控画面上将相应指示灯点亮,以提醒运行人员及给热控人员提供维护参考(见图一)。    4、在操作员站CRT的单元主控画面上能实现以下功能:    ⑴各种运行方式的选择和指示;    ⑵机组负荷指令的手动调整及实时负荷显示;    ⑶热量信号HR的实时显示;    ⑷负荷指令的上、下限和变化率的设定;    ⑸迫升、迫降、快速返回、闭锁增、闭锁减指示;    ⑹滑压和定压运行的选择和指示;    ⑺定压运行方式下主汽压定值的设定;    ⑻DEH参考负荷和GOV阀门位置指示;    ⑼系统一次调频回路的切投。 四、200MW机组协调控制系统的具体介绍 1.机组指令回路    协调控制系统的机组指令回路接受电网中调AGC或本机运行人员负荷指令信号,参与电网负荷自动调度和电网调频,使机组负荷能及时反映电网负荷的需要。目标负荷指令ADS(其由AGC给定或由本机给定取决于是否投入AGC)经机组实时能力识别限幅、变化速率限制等处理后,再进行频差校正输出机组实际负荷指令GEND(见图二)。    在锅炉侧,以汽机能量需求经机组实时能力识别环节处理,形成锅炉指令。在锅炉燃料调节回路中锅炉指令与热量信号相平衡,改变锅炉的燃料量,使锅炉出力快速满足汽机的能量需求。

2.机炉主控系统    2.1机跟炉方式(炉基本、机跟随)它是在锅炉出现出力不够时,为维持锅炉最大放热量采用的一种协调方式。    在机跟炉方式投入后,P1PT_CSL模块选择PT_PID输出,汽机DEH的目标负荷将围绕协调控制画面的机前压力设定值变化;机前压力值高于机前压力设定值,则自动增加DEH的目标负荷值,使机前压力值降低到机前压力设定值,反之亦然。能量需求NRGD处于手动态,锅炉负荷指令(炉指令处)及机前压力设定值可修改。修改锅炉负荷指令可以增大或减小锅炉发热量,保证汽机负荷稳定在一定的范围,修改机前压力设定值可以保证汽机经济运行。    从协调控制组态上清楚地表明,机跟炉方式的设计思想是:汽机DEH控制机前压力PT,锅炉维持、调整机组负荷。这种方式是以控制机前压力PT为主要目的,由于汽机DEH的调节性能快于锅炉的燃烧调节性能,因此机前压力PT的控制效果很好,而负荷控制的精度稍差。特别是在变负荷过程中,未能有效地利用汽包锅炉的蓄能,以致只有在燃烧率发生变化引起机前压力变化后,汽机DEH才相应地控制负荷变化。所以,机组的实际升降负荷率稍慢于设定值。    机跟炉方式的控制过程:    在机跟炉控制方式下,NRGD处于手动,其输出值为机组控制的目标负荷。机前压力PT经PT_PID偏差校正运算后,作为DEH的目标值控制汽机调速系统的相应变化,达到控制机前压力稳定的作用。    ⑴在固定负荷下,NRGD输出为定值,锅炉放热量HR=P1 C�dPb/dt。当机前压力PT升高时,PT_PID 输 出增加,P1增大;同时Pb增加,dPb/dt增加,HR增大,由于NRGD输出是不变的,FUEL_PID输出减小,PT将很快恢复到设定值。同理,当PT下降时,FUEL_PID的输出增加,PT将很快恢复到设定值。    ⑵在变负荷工况下,当升负荷时,NRGD输出按设定负荷变化率增加,FUEL_PID输出增加。在燃烧变化引起PT增加后,PT_PID 输出增加,P1增加,机组负荷才相应增加,因此是先升汽压后调功率的过程,所以实际升负荷率会稍小于设定值。当PT下降时,P

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