汽輪機主控制系統的前饋控制研究

協調管理系統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能量來控制。隨工況的變化單元機組鍋爐側的動態特性變化較大,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協調控制策略,在機組變動工況運行時難以取得較好的控制品質。為此,本文采用汽包鍋爐動態模型,結合工程經驗,在傳統的IEB控制系統(爐跟機協調)基礎上,提出了適應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的在線整定方法。通過優化前饋控制策略和對機爐主控制器參數的整定,使得在不同幅值的變負荷工況下,顯著改善了機組的動態調節品質。1協調控制對象的非線性利用已建立受控系統的數學模型,根據受控系統或受控過程的實際輸入輸出數據,確定了一定工況下(協調控制范圍)能代表該系統或該過程特性的數學模型,得出汽包鍋爐單元機組協調控制對象的簡化數學模型(圖1)。由圖1可見,協調控制對象的非線性主要在于鍋爐側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節閥開度。數字式電液控制系統(DEH)中的閥位-流量曲線已將定壓運行方式下的調節閥開度與通流量的關系線性化,在爐跟機協調控制方式下機組負荷響應速率較快,負荷由汽輪機主控回路控制,從而使得DEH控制精度較高。協調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。基于汽包鍋爐協調控制對象數學模型構建爐跟機協調控制模型(圖2),在對鍋爐主控PID進行變參數處理的同時,加入前饋增益K的控制邏輯,以解決汽包鍋爐在爐跟機協調控制方式下難以控制主蒸汽壓力的問題。2實際機組測試協調控制對象采集試驗選擇的工況區應盡量靠近工況的線性區。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節閥開度為2.5%和5%的階躍擾動試驗,得到擬合后的主蒸汽壓力響應傳遞函數Fcn3和機組負荷響應傳遞函數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,得到對應的主蒸汽壓力的傳遞函數Fcn1和從主蒸汽壓力到機組負荷的傳遞函數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果表明,以爐跟機的協調控制方式對實現自動發電控制(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協調控制系統在完成對參數整定的同時,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。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控制器聯合控制鍋爐的熱負荷,以滿足汽輪機側對負荷快速響應的需求。負荷需求的前饋主要由負荷指令三角函數Nk1、燃料量基準函數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ptk1、汽輪機側能量需求微分函數ptk2、主蒸汽壓力設定變化率需求ptk3、壓力偏差微分需求ptk4組成。引進直接能量平衡(DEB)協調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補償汽輪機對鍋爐蓄能的瞬態需求,達到超前控制目的。4機組投入協調控制方式整定協調控制系統的機爐主控器參數,以保證系統調節的穩定性;依據各環節需求量,逐一調整前饋增益;通過變負荷試驗進一步優化參數。依據主蒸汽壓力對汽輪機調節閥的響應曲線Fcn3整定機跟蹤方式的參數;依據主蒸汽壓力對燃料量的響應曲線Fcn1整定爐跟蹤方式的參數;依據機組負荷對汽輪機調節閥的響應曲線Fcn4整定汽輪機主控系統的參數,以適應爐跟蹤協調控制方式下負荷響應時間常數遠小于主蒸汽壓力響應時間常數的特性;投入協調控制方式,優化汽輪機主控系統的參數,完成爐主控系統PID參數的整定。在機組投入協調控制方式且定負荷運行工況下,進行變壓力擾動試驗。依據擾動量整定ptk2、Ptk3和ptk4;在機組投入協調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;在機組投入協調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靜態時與負荷成定比例關系,若能夠較準確整定ptk1參數,可將Nk2的前饋忽略。同時,為了使在大階躍連續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,以提高主蒸汽壓力調節品質。在機組協調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,并依據變負荷試驗參數進一步優化各項參數。5機組負荷變化情況機組協調控制系統采用IEB加前饋的復合控制方式,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%范圍內變化時機組各主要參數的變化趨勢見圖5、圖6。試驗過程中,主蒸汽壓力最大動態偏差<0.35MPa,表明該控制系統具有較好的控制品質。6現場采集數據對前饋控制的設計和參數整定基于汽包鍋爐動態模型,依據現場采集數據,對IEB協調控制系統的前饋控制策略進行了優化,并給出了各控制參數的整定方法,實現了機爐協調加前饋的復合控制。依據現場采集數據構建的數學模型,可進一步構建系統仿真模型,實現參數的離線整定。但是,對模型辨識具有較高要求,受到機組運行工況及狀態、