王 林，胡 哲 ，張捍東

(1.神華神皖安徽安慶皖江發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 安慶246000；2.安徽工業(yè)大學(xué) 電氣信息學(xué)院,安徽 馬鞍山 243000)

1 研究背景

近年來，我國電力工業(yè)持續(xù)發(fā)展，發(fā)電量已多年位居全球前列。伴隨著我國發(fā)電單元機(jī)組整體控制水平的不斷提高，特別是其自動化控制水平，可以預(yù)見的是火電廠熱工自動化的功能必將會與調(diào)度自動化系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)進(jìn)行控制，最終實現(xiàn)整體電廠能夠自動進(jìn)行相關(guān)的發(fā)電控制。

但是，由于計算機(jī)自身僅僅只是一部機(jī)器，只能按照人工的設(shè)定，依據(jù)一定的控制邏輯程序進(jìn)行必要的操作，而實際發(fā)電機(jī)組運行情況是一個復(fù)雜、隨機(jī)的過程。所以，不能夠完全依靠相關(guān)的自動化控制系統(tǒng)。因此，如何通過合理的設(shè)計的過程，降低相關(guān)工作人員不必要的勞動，就由顯重要。那么也就要求我們設(shè)計人員通過設(shè)計一個合理的控制系統(tǒng)，以最大限度的降低這種勞動的數(shù)量，最終實現(xiàn)生產(chǎn)力的解放。所以，以下將以某一電廠實際建設(shè)過程為背景，利用MaxDNA控制系統(tǒng)，結(jié)合相關(guān)控制算法，展開對整個控制系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計，在保證完成相關(guān)工藝要求的基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)最大程度的降低相關(guān)工作人員的工作強度。

2 系統(tǒng)設(shè)備簡介

火力發(fā)電的過程就是一個能量轉(zhuǎn)換的過程，也就是將燃料(如煤炭、石油、天然氣等)中的化學(xué)能通過鍋爐燃燒轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為高溫蒸汽中的熱能，通過水蒸氣的流動帶動汽輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，然后通過帶動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動發(fā)電，實現(xiàn)火力發(fā)電過程。由此可見，火力發(fā)電的這一過程之中，鍋爐、汽機(jī)和發(fā)電機(jī)這三個部件在電廠所有設(shè)備中的重要性。

我們使用的是上海鍋爐廠有限公司的鍋爐。該鍋爐亞臨界自然循環(huán)汽包鍋爐，是一種單爐膛、四角切向燃燒、一次中間再熱、平衡通風(fēng)系統(tǒng)、燃燒器擺動調(diào)節(jié)溫度、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)的固態(tài)鍋爐。

汽輪機(jī)機(jī)組采用的是上海汽輪機(jī)有限公司的汽輪機(jī)型式，這是一種單軸、反動式、雙缸雙排汽、一次中間再熱的凝汽機(jī)組。該機(jī)組可以做為常規(guī)發(fā)電機(jī)組,在某些特定情況下可作為調(diào)峰機(jī)組使用,可以輕松的實現(xiàn)對于定壓和滑壓這兩者運行方式,能夠?qū)崿F(xiàn)基本的發(fā)電運行方式。

發(fā)電機(jī)組采用的是上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司的發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的具體為型號：QFSN-300-2，發(fā)電機(jī)勵磁方式采用無刷勵磁方式。各個部分的冷卻方式為定子繞組采用的是水內(nèi)冷方式,轉(zhuǎn)子繞組采用的是氫內(nèi)冷方式,定子鐵芯采用的是氫冷方式。

輔機(jī)設(shè)備包括有一次風(fēng)機(jī)兩臺、送風(fēng)機(jī)兩臺、引風(fēng)機(jī)兩臺、送風(fēng)機(jī)兩臺和空氣預(yù)熱器兩臺，具體型號在此不做過多的說明了。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

火力發(fā)電機(jī)組集散控制控制系統(tǒng)中，它的主要控制功能可分為以下幾大塊，依次為鍋爐爐膛安全監(jiān)控部分(FSSS)、數(shù)據(jù)采集部分(DAS)、模擬量控制部分(MCS)、順序控制部分(SCS)、汽機(jī)旁路控制部分(TBC)、鍋爐吹灰控制部分(SBC)和電氣控制部分(ECS)。

結(jié)合以往的設(shè)計經(jīng)驗，其中主要以鍋爐爐膛安全監(jiān)控部分(FSSS)、順序控制部分(SCS)、模擬量控制部分(MCS)這三個部分最為重要，它們的設(shè)計工作量幾乎占到了整體軟件設(shè)計全部，因此主要以這三個部分展開分析。

3.1 順序控制部分

順序控制部分是對火力發(fā)電機(jī)組各單元機(jī)組的熱力系統(tǒng)和輔機(jī)的啟停進(jìn)行自動控制，包括發(fā)電機(jī)、閥門、擋板等設(shè)備。由于順序控制部分(SCS)的涉及面很廣，系統(tǒng)中有大量的需要邏輯判斷的功能和需要輸入、輸出信號的部分。特別是隨著控制系統(tǒng)的巨型化的發(fā)展，以及對于具體控制系統(tǒng)的控制參數(shù)數(shù)目的提高，此外輔機(jī)數(shù)量和熱力系統(tǒng)的復(fù)雜程度也較以往有了很大的增加，例如對于我們設(shè)計的系統(tǒng)中，一臺上海電氣的300MW機(jī)組，約有輔機(jī)、電動、氣動執(zhí)行器等各種設(shè)備兩百多臺套。

順序控制部分主要是與熱工設(shè)備的啟、停、開、關(guān)等操作有關(guān)。計算機(jī)直接根據(jù)被控設(shè)備的狀態(tài)、生產(chǎn)過程的工況和生產(chǎn)工藝的要求等條件，依據(jù)預(yù)先設(shè)定好的次序，依次完成啟、停、開、關(guān)被控設(shè)備。

其中，為了防止回轉(zhuǎn)式空預(yù)器轉(zhuǎn)子受熱不均而膨脹變形，保證鍋爐在負(fù)壓下長期運行，各功能子組順序控制要求如圖1和圖2所示：

圖1冷態(tài)啟動順序圖

圖2 熱態(tài)停止順序圖

通過以上的順序控制思路，能夠在保證機(jī)組設(shè)備安全的基礎(chǔ)之上，長期可靠運行，提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 鍋爐爐膛安全監(jiān)控部分

鍋爐爐膛安全監(jiān)控部分在鍋爐運行的各個階段,連續(xù)不間斷地監(jiān)測鍋爐的各部分運行參數(shù)，結(jié)合防爆規(guī)程所規(guī)定的安全條件等要求，不間斷地進(jìn)行邏輯判斷、運算與分析，通過控制相應(yīng)聯(lián)鎖裝置，保證燃燒設(shè)備依據(jù)既定程序完成必要操作，尤其是避免爆炸性的氣體(空氣與燃料混合氣)在爐膛及煙道內(nèi)累計。更為重要的是，當(dāng)發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)危及鍋爐安全的工況時，能夠迅速切斷進(jìn)入爐膛的所有燃料，及時當(dāng)相關(guān)氣體排除，防止?fàn)t膛爆炸事故的發(fā)生，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。爐膛安全監(jiān)控部分有兩項非常重要作用，依次是鍋爐安全保護(hù)作用、鍋爐安全管理作用。

其中，主燃料跳閘(MFT)是其中非常重要的組成部分。主燃料跳閘，其是鍋爐安全監(jiān)控系統(tǒng)的一個重要組成部分，決定了鍋爐是否能夠安全可靠運行。它通過連續(xù)不斷的監(jiān)測事先預(yù)定的各種安全運行條件是否滿足要求，當(dāng)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)可能會危及鍋爐或整體系統(tǒng)安全運行的危險情況時，能夠快速準(zhǔn)確的切斷進(jìn)入爐膛的燃料的通道，防止鍋爐熄滅后發(fā)生爆燃情況，從本質(zhì)上避免發(fā)生人身傷亡事故和設(shè)備的損壞，或者防止生產(chǎn)事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。表1主燃料跳閘就是一個系統(tǒng)跳閘條件表。

表1 主燃料跳闡條件

其中，為了保證不是因為不必要的誤操作，提高發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益，我們采用延遲觸發(fā)這一技術(shù)手段，提高系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確性。

3.3 模擬量控制部分

模擬量控制主要包括機(jī)組協(xié)調(diào)控制、鍋爐給水控制、燃燒控制、風(fēng)量控制、爐膛負(fù)壓控制、汽溫控制、除氧器凝汽器水位等幾部分組成。其中，以機(jī)組協(xié)調(diào)控制為重心，以下將主要以該方面展開對于這部分的設(shè)計的過程。

圖3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框圖

使用傳感器測得功率信號P實和主汽壓信號N實，送到DPU控制器——汽機(jī)調(diào)節(jié)器和鍋爐調(diào)節(jié)器 。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定工況下，機(jī)組實際發(fā)電功率應(yīng)等于功率設(shè)定值P額，而機(jī)前壓力也等于壓力設(shè)定值N額。圖1就是該系統(tǒng)的控制框圖。但是當(dāng)要求增加負(fù)荷時，系統(tǒng)將會將出現(xiàn)一個正的功率偏差信號(實際功率P實應(yīng)減功率設(shè)定值N實)，直接通過汽機(jī)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥，增大機(jī)組機(jī)組實際發(fā)電功率。與此同時，通過網(wǎng)絡(luò)將這個信號也作用到鍋爐調(diào)節(jié)器，使給煤量增加，增大給水量，從而增加蒸汽總量。但是當(dāng)調(diào)節(jié)閥開大時，就會馬上造成機(jī)前壓力下降，即使此時鍋爐部分已經(jīng)開始增加給煤量，但是由于慣性作用(燃料和機(jī)前壓力通道之間，就會造成控制的滯后)，這種情況仍將不可避免。在以上情況下，將會仍有正的壓力偏差信號存在，情況嚴(yán)重時會造成系統(tǒng)的超調(diào)，影響系統(tǒng)的控制效率，為此我們引入前饋-反饋控制。這樣的話，該信號將會仍然按照正方向作用到鍋爐調(diào)節(jié)器，繼續(xù)增加燃料量，但是由于前饋的作用，會反方向作用到汽機(jī)調(diào)節(jié)器之上，力圖將汽壓迅速的恢復(fù)到正常數(shù)值水平。由于正功率偏差信號與的負(fù)壓力偏差信號之間的相互作用，就會使得調(diào)節(jié)閥開大到一定程度后自動停止增大，維持恒定。雖然此時汽機(jī)實際發(fā)電功率沒有達(dá)到我們設(shè)定的功率給定值，但是這種狀態(tài)只能是暫時的，很快就會消失。此外，為了防止負(fù)壓力偏差信號對于調(diào)節(jié)閥的影響，必須引入反饋的控制，消除負(fù)壓力偏差信號對于系統(tǒng)的影響，從而提高系統(tǒng)的控制效果。因此以上過程，就是負(fù)的汽壓偏差信號和正的功率偏差信號兩者同時作用，通過鍋爐調(diào)節(jié)器使鍋爐增加給煤量，同時隨著機(jī)前壓力逐漸恢復(fù)，測量得到的壓力偏差信號將會逐漸減小，在正的功率偏差信號持續(xù)作用下，汽機(jī)調(diào)節(jié)閥繼續(xù)開大，提高實際發(fā)電功率，最終實現(xiàn)功率和主汽壓等于設(shè)定值，這時機(jī)組也就達(dá)到了新的穩(wěn)定狀態(tài)，完成整個機(jī)組協(xié)調(diào)控制的過程。此外， 依次是被控對象和解耦傳遞函數(shù)。

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

通過對系統(tǒng)關(guān)鍵部位的軟件之后，本節(jié)將主要對于系統(tǒng)硬件配置展開分析。主要包括有輸入輸出點(I/O)配置、DPU機(jī)柜布置和系統(tǒng)硬件配置等幾部分。為了保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，硬件系統(tǒng)中采用了現(xiàn)行通用的處理方法——冗余配置。

4.1 輸入輸出點統(tǒng)計

該系統(tǒng)總共使用的輸入輸出點點數(shù)為8212點，其中包括了單元機(jī)組和公用系統(tǒng)兩個部分，為了實現(xiàn)冗余配置，實際使用過程中一共配置了輸入輸出點點數(shù)為10721點，通過點數(shù)冗余量約為30.55%，具體如表2所示。

表2 輸入輸出點統(tǒng)計表

4.2 工作站配置

根據(jù)實際需求，整個發(fā)電機(jī)組一共配置11臺工作站，依次是2臺工程師站、1臺歷史站、1臺LINK通訊站、1臺SIS站、5操作員站、1臺大屏顯示站和1臺值長站等。通過這些工作站的配置，協(xié)調(diào)各工作站之間的工作，合理的對它們進(jìn)行配置，就可實現(xiàn)對于模擬流程圖顯示、工藝曲線趨勢顯示、參數(shù)列表顯示、工藝報警、日志和事件查詢、控制調(diào)節(jié)和參數(shù)整定和點詳細(xì)顯示等功能。同時，為了方便報表的輸出，系統(tǒng)中設(shè)計了3臺打印機(jī)，提供打印輸出存檔等服務(wù)，提高系統(tǒng)工作效率。

5 運行結(jié)果分析

以下將主要對整體控制系統(tǒng)在某電廠實際運行情況展開分析與說明，以驗證該控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。主要以穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)和故障三種情況為列，結(jié)合實際監(jiān)控畫面的運行效果圖，展開運行結(jié)果的分析。

其中，各參數(shù)的設(shè)定值依據(jù)公式1和公式2進(jìn)行實時計算，調(diào)節(jié)各變量的設(shè)定值，以保證機(jī)組的穩(wěn)定運行。

(1)

(2)

公式具體變量的意義如下所示：

EDS(S)表示的是鍋爐能量的需求大??；

HD(S)表示的是鍋爐能量的輸入大??；

Pd、P1、PT分別表示的是汽包壓力、調(diào)節(jié)級壓力和機(jī)前壓力的大小；

Kd、K1、KT分別代表的是前者的放大系數(shù)；

Td、T1、TT分別代表前者的微分時間常數(shù)，S為微分算子。

實際使用時，主要依據(jù)公式1和公式2計算所得的設(shè)定值，給出系統(tǒng)中的部分變量的設(shè)定值，以滿足發(fā)電機(jī)組的發(fā)電要求，提高機(jī)組控制質(zhì)量。

5.1 穩(wěn)態(tài)分析

圖4 穩(wěn)態(tài)功率曲線

圖4為穩(wěn)態(tài)功率曲線圖，從圖中可知，可以清楚分辨出發(fā)電機(jī)機(jī)組的輸出功率持續(xù)穩(wěn)定在310MW的水平上，即使有波動，也是很小的，誤差小于1%，可以忽略不計，。因此，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的控制目標(biāo)，也就是保證輸出穩(wěn)定在設(shè)定的某一數(shù)值之上(也就是圖中的設(shè)定功率線上)。

圖5 穩(wěn)態(tài)主汽壓曲線圖

圖5為穩(wěn)態(tài)主汽壓曲線圖，根據(jù)其可以清晰的看出，穩(wěn)態(tài)時，主蒸汽壓力基本保持不變，波動量很小，幾乎不發(fā)生變化，實際運行過程中，誤差小于0.1Mpa。即使部分時刻出現(xiàn)了不穩(wěn)定的情況，也可以迅速地按照設(shè)定值的變化，最終穩(wěn)定在設(shè)定值的附近。

圖6 穩(wěn)態(tài)爐膛負(fù)壓曲線圖

圖6為穩(wěn)態(tài)爐膛負(fù)壓曲線圖，從中可以看出，主蒸汽壓力隨著設(shè)定值的變化而變化，能夠滿足負(fù)荷的變化而變化。由于系統(tǒng)的波動性，即使與設(shè)定值有一定的偏差(±0.1之間)，但是誤差還是在可以接受的范圍之內(nèi)的，符合工藝的要求。其中，爐膛的壓力穩(wěn)定在微負(fù)壓的狀況下，保證了機(jī)組的安全可靠的運行。

圖7 穩(wěn)態(tài)氧量曲線圖

圖7為穩(wěn)態(tài)氧量曲線圖，根據(jù)其可以看出，氧量供應(yīng)基本穩(wěn)定在設(shè)定值附近，雖然有所波動，但是基本穩(wěn)定在設(shè)定值附近，誤差小于10%。因此保證的氧量供應(yīng)的基本穩(wěn)定，也就保證了發(fā)電機(jī)組在穩(wěn)態(tài)下的穩(wěn)定燃燒，同時，更為重要的是保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定的長期運行。

5.2 暫態(tài)分析

圖8為暫態(tài)功率和爐膛壓力曲線圖，從圖中可發(fā)現(xiàn)，實際功率能夠迅速的隨著設(shè)定值的變化而變化，保證了變負(fù)荷條件下的控制要求。同時，圖中還反映了爐膛壓力的設(shè)定值的變化情況，再次說明機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略的優(yōu)越性，利用該種控制策略，保證了機(jī)組穩(wěn)定隨著輸出功率降低而變化，維持了整體發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性，提高了發(fā)電機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)性。

圖8 暫態(tài)功率和爐膛壓力曲線

5.3 故障分析

圖9 給水泵I故障時汽包水位波動曲線

圖9是給水泵I故障時汽包水位波動曲線圖，從圖中可以看出，某一時刻，給水泵I由于故障造成了設(shè)備停機(jī)，這時報警系統(tǒng)自動運行，直接啟動備用泵，保證了給水泵在斷流前，其能夠穩(wěn)定的切入到了系統(tǒng)之中，保證了汽包水位在設(shè)定值附近的穩(wěn)定，同時也保證了爐膛供水流量的穩(wěn)定。雖然這一過程中，存在著一定的超調(diào)，但是還是保證了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行的質(zhì)量。

6 結(jié)語

經(jīng)過以上的分析，通過對系統(tǒng)的設(shè)計，基本實現(xiàn)了相關(guān)的火力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定工作狀態(tài)下的工藝要求。通過引入?yún)f(xié)調(diào)控制策略，保證系統(tǒng)的運行效率。使得機(jī)組的控制系統(tǒng)更加智能化，保證了無論是從機(jī)組的變負(fù)荷性能，還是穩(wěn)定性方面，又或是經(jīng)濟(jì)性等多方面都達(dá)到了比較滿意的的效果，得到了相關(guān)工作人員的認(rèn)可。

系統(tǒng)在硬件設(shè)計方面上，實現(xiàn)了對于控制器、網(wǎng)絡(luò)、電源、機(jī)組保護(hù)和重要檢測點等部分的冗余，保證了系統(tǒng)在某些部分出現(xiàn)故障的情況下，依舊可以實現(xiàn)對于關(guān)鍵部位的檢測與控制，防止連鎖事故的發(fā)生，提高了整體系統(tǒng)的可靠性和安全性。在軟件設(shè)計方面，根據(jù)現(xiàn)場工藝要求，通過相關(guān)的組態(tài)程序?qū)崿F(xiàn)了鍋爐爐膛安全監(jiān)控、順序控制和模擬量控制部分的組態(tài)，以及人機(jī)界面的搭建。為了有關(guān)工作人員操作的方便，引入了趨勢圖，以方便工作人員在工作站上的操作，降低了勞動強度。

同時，對于該系統(tǒng)的整體的設(shè)計思路和過程，可以給相關(guān)設(shè)計人員在類似火力機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計的過程中，帶來一種好的思路與有益的借鑒。

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