汽輪機主控制系統(tǒng)的前饋控制研究

協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)通過主電機控制器控制主蒸汽的壓力和機組的負荷，并通過間接平衡機爐的供應(yīng)能量來控制。隨工況的變化單元機組鍋爐側(cè)的動態(tài)特性變化較大,且主蒸汽壓力和機組負荷具有非線性、強耦合性等特點。因此,單純采用IEB協(xié)調(diào)控制策略,在機組變動工況運行時難以取得較好的控制品質(zhì)。為此,本文采用汽包鍋爐動態(tài)模型,結(jié)合工程經(jīng)驗,在傳統(tǒng)的IEB控制系統(tǒng)(爐跟機協(xié)調(diào))基礎(chǔ)上,提出了適應(yīng)于汽包鍋爐特性的前饋控制策略,分析了該前饋的控制特點,并由此給出了控制參數(shù)的在線整定方法。通過優(yōu)化前饋控制策略和對機爐主控制器參數(shù)的整定,使得在不同幅值的變負荷工況下,顯著改善了機組的動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)。1協(xié)調(diào)控制對象的非線性利用已建立受控系統(tǒng)的數(shù)學模型,根據(jù)受控系統(tǒng)或受控過程的實際輸入輸出數(shù)據(jù),確定了一定工況下(協(xié)調(diào)控制范圍)能代表該系統(tǒng)或該過程特性的數(shù)學模型,得出汽包鍋爐單元機組協(xié)調(diào)控制對象的簡化數(shù)學模型(圖1)。由圖1可見,協(xié)調(diào)控制對象的非線性主要在于鍋爐側(cè)的主蒸汽壓力和熱負荷,以及不同主蒸汽壓力下汽輪機通流量和汽輪機調(diào)節(jié)閥開度。數(shù)字式電液控制系統(tǒng)(DEH)中的閥位-流量曲線已將定壓運行方式下的調(diào)節(jié)閥開度與通流量的關(guān)系線性化,在爐跟機協(xié)調(diào)控制方式下機組負荷響應(yīng)速率較快,負荷由汽輪機主控回路控制,從而使得DEH控制精度較高。協(xié)調(diào)控制的難點在于鍋爐主控對主蒸汽壓力的控制,其具有較強的大慣性、非線性和強耦合性。基于汽包鍋爐協(xié)調(diào)控制對象數(shù)學模型構(gòu)建爐跟機協(xié)調(diào)控制模型(圖2),在對鍋爐主控PID進行變參數(shù)處理的同時,加入前饋增益K的控制邏輯,以解決汽包鍋爐在爐跟機協(xié)調(diào)控制方式下難以控制主蒸汽壓力的問題。2實際機組測試協(xié)調(diào)控制對象采集試驗選擇的工況區(qū)應(yīng)盡量靠近工況的線性區(qū)。對于大唐同煤塔山電廠2×600MW機組,選擇350MW和500MW工況點進行汽輪機調(diào)節(jié)閥開度為2.5%和5%的階躍擾動試驗,得到擬合后的主蒸汽壓力響應(yīng)傳遞函數(shù)Fcn3和機組負荷響應(yīng)傳遞函數(shù)Fcn4:Fcn3=?0.15e?8s/(1800s2+90s+1)(2)Fcn4=13.49e?3s/(25s2+10s+1)(2)Fcn3=-0.15e-8s/(1800s2+90s+1)(2)Fcn4=13.49e-3s/(25s2+10s+1)(2)進行燃料量為15t/h和25t/h的階躍擾動試驗,得到對應(yīng)的主蒸汽壓力的傳遞函數(shù)Fcn1和從主蒸汽壓力到機組負荷的傳遞函數(shù)Fcn2。Fcn1=0.08e?60s/(22500s2+300s+1)(3)Fcn2=26.3/(30s+1)(4)Fcn1=0.08e-60s/(22500s2+300s+1)(3)Fcn2=26.3/(30s+1)(4)上述試驗和機組實際變負荷試驗的結(jié)果表明,以爐跟機的協(xié)調(diào)控制方式對實現(xiàn)自動發(fā)電控制(AGC)功能有利。主蒸汽壓力作為反映機爐能量平衡的標量,存在較大慣性和強耦合性,IEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在完成對參數(shù)整定的同時,加入前饋增益K,超前控制燃料量,將大大改善主蒸汽壓力的控制品質(zhì)。3負荷前饋和能量需求圖3、圖4分別為負荷和主蒸汽壓力需求的前饋控制策略,前饋增益K為負荷前饋控制輸出Nk與主蒸汽壓力前饋控制輸出ptk之和與PID控制器聯(lián)合控制鍋爐的熱負荷,以滿足汽輪機側(cè)對負荷快速響應(yīng)的需求。負荷需求的前饋主要由負荷指令三角函數(shù)Nk1、燃料量基準函數(shù)Nk2和功率變化速率需求Nk3組成。Nk1用于負荷大幅度擾動時少量的補償燃料量,以快速提高或降低主蒸汽壓力。Nk2體現(xiàn)機組負荷和燃料量的基本平衡,由機組負荷變化量直接增、減燃料量,機組負荷變化速率需求可以補償不同負荷變速率對燃料量的需求。主蒸汽壓力的需求前饋由汽輪機能量需求基準煤量函數(shù)ptk1、汽輪機側(cè)能量需求微分函數(shù)ptk2、主蒸汽壓力設(shè)定變化率需求ptk3、壓力偏差微分需求ptk4組成。引進直接能量平衡(DEB)協(xié)調(diào)控制策略的能量需求信號p1×psp/pt。在機組負荷變化期間,該信號能夠及時動態(tài)補償汽輪機對鍋爐蓄能的瞬態(tài)需求,達到超前控制目的。4機組投入?yún)f(xié)調(diào)控制方式整定協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的機爐主控器參數(shù),以保證系統(tǒng)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性;依據(jù)各環(huán)節(jié)需求量,逐一調(diào)整前饋增益;通過變負荷試驗進一步優(yōu)化參數(shù)。依據(jù)主蒸汽壓力對汽輪機調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)曲線Fcn3整定機跟蹤方式的參數(shù);依據(jù)主蒸汽壓力對燃料量的響應(yīng)曲線Fcn1整定爐跟蹤方式的參數(shù);依據(jù)機組負荷對汽輪機調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)曲線Fcn4整定汽輪機主控系統(tǒng)的參數(shù),以適應(yīng)爐跟蹤協(xié)調(diào)控制方式下負荷響應(yīng)時間常數(shù)遠小于主蒸汽壓力響應(yīng)時間常數(shù)的特性;投入?yún)f(xié)調(diào)控制方式,優(yōu)化汽輪機主控系統(tǒng)的參數(shù),完成爐主控系統(tǒng)PID參數(shù)的整定。在機組投入?yún)f(xié)調(diào)控制方式且定負荷運行工況下,進行變壓力擾動試驗。依據(jù)擾動量整定ptk2、Ptk3和ptk4;在機組投入?yún)f(xié)調(diào)控制方式且定壓運行工況,進行變負荷擾動試驗,整定Nk1和Nk3;在機組投入?yún)f(xié)調(diào)控制方式且滑壓運行工況下,整定Nk2和ptk1的前饋,由于p1×psp/pt靜態(tài)時與負荷成定比例關(guān)系,若能夠較準確整定ptk1參數(shù),可將Nk2的前饋忽略。同時,為了使在大階躍連續(xù)變負荷工況下快速增加鍋爐的蓄熱,可以適當加入Nk1的前饋,平衡各項參數(shù),以提高主蒸汽壓力調(diào)節(jié)品質(zhì)。在機組協(xié)調(diào)控制方式且前饋控制投入的工況下,負荷基準燃料量的前饋作用不宜過強,以防止燃料量增減過量,其剩余量可由燃料量控制回路自行補償,并依據(jù)變負荷試驗參數(shù)進一步優(yōu)化各項參數(shù)。5機組負荷變化情況機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用IEB加前饋的復(fù)合控制方式,變負荷速率為2%且機組滑壓運行工況下進行負荷響應(yīng)試驗。大唐同煤塔山電廠2×600MW機組負荷由430MW升至530MW和華潤曹妃甸電廠2×300MW機組負荷在50%～100%范圍內(nèi)變化時機組各主要參數(shù)的變化趨勢見圖5、圖6。試驗過程中,主蒸汽壓力最大動態(tài)偏差<0.35MPa,表明該控制系統(tǒng)具有較好的控制品質(zhì)。6現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)對前饋控制的設(shè)計和參數(shù)整定基于汽包鍋爐動態(tài)模型,依據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù),對IEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的前饋控制策略進行了優(yōu)化,并給出了各控制參數(shù)的整定方法,實現(xiàn)了機爐協(xié)調(diào)加前饋的復(fù)合控制。依據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)構(gòu)建的數(shù)學模型,可進一步構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型,實現(xiàn)參數(shù)的離線整定。但是,對模型辨識具有較高要求,受到機組運行工況及狀態(tài)、