汽輪機(jī)主控制系統(tǒng)的前饋控制研究

汽輪機(jī)主控制系統(tǒng)的前饋控制研究

協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)通過(guò)主電機(jī)控制器控制主蒸汽的壓力和機(jī)組的負(fù)荷，并通過(guò)間接平衡機(jī)爐的供應(yīng)能量來(lái)控制。隨工況的變化單元機(jī)組鍋爐側(cè)的動(dòng)態(tài)特性變化較大,且主蒸汽壓力和機(jī)組負(fù)荷具有非線性、強(qiáng)耦合性等特點(diǎn)。因此,單純采用IEB協(xié)調(diào)控制策略,在機(jī)組變動(dòng)工況運(yùn)行時(shí)難以取得較好的控制品質(zhì)。為此,本文采用汽包鍋爐動(dòng)態(tài)模型,結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),在傳統(tǒng)的IEB控制系統(tǒng)(爐跟機(jī)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(diǎn),并由此給出了控制參數(shù)的在線整定方法。通過(guò)優(yōu)化前饋控制策略和對(duì)機(jī)爐主控制器參數(shù)的整定,使得在不同幅值的變負(fù)荷工況下,顯著改善了機(jī)組的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)。1協(xié)調(diào)控制對(duì)象的非線性利用已建立受控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)受控系統(tǒng)或受控過(guò)程的實(shí)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(guò)程特性的數(shù)學(xué)模型,得出汽包鍋爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制對(duì)象的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型(圖1)。由圖1可見(jiàn),協(xié)調(diào)控制對(duì)象的非線性主要在于鍋爐側(cè)的主蒸汽壓力和熱負(fù)荷,以及不同主蒸汽壓力下汽輪機(jī)通流量和汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開(kāi)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(yùn)行方式下的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度與通流量的關(guān)系線性化,在爐跟機(jī)協(xié)調(diào)控制方式下機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速率較快,負(fù)荷由汽輪機(jī)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(diǎn)在于鍋爐主控對(duì)主蒸汽壓力的控制,其具有較強(qiáng)的大慣性、非線性和強(qiáng)耦合性?；谄仩t協(xié)調(diào)控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型構(gòu)建爐跟機(jī)協(xié)調(diào)控制模型(圖2),在對(duì)鍋爐主控PID進(jìn)行變參數(shù)處理的同時(shí),加入前饋增益K的控制邏輯,以解決汽包鍋爐在爐跟機(jī)協(xié)調(diào)控制方式下難以控制主蒸汽壓力的問(wèn)題。2實(shí)際機(jī)組測(cè)試協(xié)調(diào)控制對(duì)象采集試驗(yàn)選擇的工況區(qū)應(yīng)盡量靠近工況的線性區(qū)。對(duì)于大唐同煤塔山電廠2×600MW機(jī)組,選擇350MW和500MW工況點(diǎn)進(jìn)行汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為2.5%和5%的階躍擾動(dòng)試驗(yàn),得到擬合后的主蒸汽壓力響應(yīng)傳遞函數(shù)Fcn3和機(jī)組負(fù)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(jìn)行燃料量為15t/h和25t/h的階躍擾動(dòng)試驗(yàn),得到對(duì)應(yīng)的主蒸汽壓力的傳遞函數(shù)Fcn1和從主蒸汽壓力到機(jī)組負(fù)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(yàn)和機(jī)組實(shí)際變負(fù)荷試驗(yàn)的結(jié)果表明,以爐跟機(jī)的協(xié)調(diào)控制方式對(duì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)功能有利。主蒸汽壓力作為反映機(jī)爐能量平衡的標(biāo)量,存在較大慣性和強(qiáng)耦合性,IEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在完成對(duì)參數(shù)整定的同時(shí),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(fù)荷前饋和能量需求圖3、圖4分別為負(fù)荷和主蒸汽壓力需求的前饋控制策略,前饋增益K為負(fù)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(fù)荷,以滿(mǎn)足汽輪機(jī)側(cè)對(duì)負(fù)荷快速響應(yīng)的需求。負(fù)荷需求的前饋主要由負(fù)荷指令三角函數(shù)Nk1、燃料量基準(zhǔn)函數(shù)Nk2和功率變化速率需求Nk3組成。Nk1用于負(fù)荷大幅度擾動(dòng)時(shí)少量的補(bǔ)償燃料量,以快速提高或降低主蒸汽壓力。Nk2體現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷和燃料量的基本平衡,由機(jī)組負(fù)荷變化量直接增、減燃料量,機(jī)組負(fù)荷變化速率需求可以補(bǔ)償不同負(fù)荷變速率對(duì)燃料量的需求。主蒸汽壓力的需求前饋由汽輪機(jī)能量需求基準(zhǔn)煤量函數(shù)ptk1、汽輪機(jī)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(jìn)直接能量平衡(DEB)協(xié)調(diào)控制策略的能量需求信號(hào)p1×psp/pt。在機(jī)組負(fù)荷變化期間,該信號(hào)能夠及時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償汽輪機(jī)對(duì)鍋爐蓄能的瞬態(tài)需求,達(dá)到超前控制目的。4機(jī)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(jī)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(guò)變負(fù)荷試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)。依據(jù)主蒸汽壓力對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)曲線Fcn3整定機(jī)跟蹤方式的參數(shù);依據(jù)主蒸汽壓力對(duì)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(jī)組負(fù)荷對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)曲線Fcn4整定汽輪機(jī)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(fù)荷響應(yīng)時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于主蒸汽壓力響應(yīng)時(shí)間常數(shù)的特性;投入?yún)f(xié)調(diào)控制方式,優(yōu)化汽輪機(jī)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(jī)組投入?yún)f(xié)調(diào)控制方式且定負(fù)荷運(yùn)行工況下,進(jìn)行變壓力擾動(dòng)試驗(yàn)。依據(jù)擾動(dòng)量整定ptk2、Ptk3和ptk4;在機(jī)組投入?yún)f(xié)調(diào)控制方式且定壓運(yùn)行工況,進(jìn)行變負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn),整定Nk1和Nk3;在機(jī)組投入?yún)f(xié)調(diào)控制方式且滑壓運(yùn)行工況下,整定Nk2和ptk1的前饋,由于p1×psp/pt靜態(tài)時(shí)與負(fù)荷成定比例關(guān)系,若能夠較準(zhǔn)確整定ptk1參數(shù),可將Nk2的前饋忽略。同時(shí),為了使在大階躍連續(xù)變負(fù)荷工況下快速增加鍋爐的蓄熱,可以適當(dāng)加入Nk1的前饋,平衡各項(xiàng)參數(shù),以提高主蒸汽壓力調(diào)節(jié)品質(zhì)。在機(jī)組協(xié)調(diào)控制方式且前饋控制投入的工況下,負(fù)荷基準(zhǔn)燃料量的前饋?zhàn)饔貌灰诉^(guò)強(qiáng),以防止燃料量增減過(guò)量,其剩余量可由燃料量控制回路自行補(bǔ)償,并依據(jù)變負(fù)荷試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化各項(xiàng)參數(shù)。5機(jī)組負(fù)荷變化情況機(jī)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(fù)荷速率為2%且機(jī)組滑壓運(yùn)行工況下進(jìn)行負(fù)荷響應(yīng)試驗(yàn)。大唐同煤塔山電廠2×600MW機(jī)組負(fù)荷由430MW升至530MW和華潤(rùn)曹妃甸電廠2×300MW機(jī)組負(fù)荷在50%～100%范圍內(nèi)變化時(shí)機(jī)組各主要參數(shù)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5、圖6。試驗(yàn)過(guò)程中,主蒸汽壓力最大動(dòng)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(chǎng)采集數(shù)據(jù)對(duì)前饋控制的設(shè)計(jì)和參數(shù)整定基于汽包鍋爐動(dòng)態(tài)模型,依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù),對(duì)IEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的前饋控制策略進(jìn)行了優(yōu)化,并給出了各控制參數(shù)的整定方法,實(shí)現(xiàn)了機(jī)爐協(xié)調(diào)加前饋的復(fù)合控制。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型,可進(jìn)一步構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型,實(shí)現(xiàn)參數(shù)的離線整定。但是,對(duì)模型辨識(shí)具有較高要求,受到機(jī)組運(yùn)行工況及狀態(tài)、