周建玉，樂(lè)凌志，吳 科

(南京國(guó)電南自維美德自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 210023)

一種火電機(jī)組變負(fù)荷仿真研究方法

周建玉，樂(lè)凌志，吳 科

(南京國(guó)電南自維美德自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 210023)

對(duì)火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，指出了目前火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了基于“算法+模型”的火電機(jī)組動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真研究方法。該方法主要通過(guò)Simulink平臺(tái)中的算法和機(jī)組的傳遞函數(shù)模型，構(gòu)建與分散控制系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)控制邏輯相一致的控制方式。通過(guò)在Simulink平臺(tái)中動(dòng)態(tài)仿真的方式,研究火電機(jī)組的動(dòng)態(tài)過(guò)程變化特性。特別是通過(guò)對(duì)變負(fù)荷過(guò)程中機(jī)組主蒸汽壓力和實(shí)發(fā)功率的精度和變化趨勢(shì)進(jìn)行仿真，研究了機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。通過(guò)比較機(jī)組主蒸汽壓力和實(shí)發(fā)功率表明，該方法可以仿真機(jī)組的變負(fù)荷過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性?！八惴?模型”的研究方法提供了如何提高機(jī)組控制精度和負(fù)荷響應(yīng)速率的研究思路。該方法既避免了在真實(shí)運(yùn)行過(guò)程中火電機(jī)組由于變負(fù)荷試驗(yàn)帶來(lái)機(jī)組運(yùn)行安全的風(fēng)險(xiǎn)，又可以進(jìn)一步研究火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制邏輯和控制系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題。

火電機(jī)組; 鍋爐； 分散控制系統(tǒng); 非線性控制； 傳遞函數(shù); 動(dòng)態(tài)特性仿真

0 引言

火力發(fā)電機(jī)組是一個(gè)復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。從電網(wǎng)的角度看，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是連接發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)的紐帶，是自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control,AGC)在發(fā)電側(cè)的執(zhí)行者，是電網(wǎng)綜合自動(dòng)化的基礎(chǔ)。從單元機(jī)組的角度看，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中能量供需矛盾的協(xié)調(diào)者，它能夠綜合運(yùn)用多種控制手段，克服機(jī)爐間存在的動(dòng)態(tài)特性差異，使鍋爐-汽輪機(jī)系統(tǒng)成為一個(gè)有機(jī)的整體。從局部控制回路的角度看，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是確保機(jī)組整體性能的指揮者，它經(jīng)歷電能產(chǎn)生的整個(gè)過(guò)程(化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，能夠從全局的高度審視機(jī)組的運(yùn)行狀況，指導(dǎo)燃燒控制、汽溫控制、給水控制等子系統(tǒng)，以更恰當(dāng)?shù)姆绞絽⑴c工作。因此，研究火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)于提高機(jī)組響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)節(jié)速率以及維持機(jī)組運(yùn)行至關(guān)重要。

1 目前研究所存在的問(wèn)題

單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)被控對(duì)象中包含多變量、強(qiáng)耦合、大遲延、非線性、不確定干擾、多目標(biāo)優(yōu)化等控制領(lǐng)域熱點(diǎn)研究問(wèn)題，引起了研究者的廣泛興趣[1-2]。通過(guò)研究近10年來(lái)國(guó)內(nèi)相關(guān)課題，發(fā)現(xiàn)側(cè)重于理論方法研究的有模糊多模型控制、模糊內(nèi)?？刂?、多變量魯棒控制、自適應(yīng)控制、遺傳算法PID參數(shù)優(yōu)化等[2-4]。余煉、谷俊杰等通過(guò)機(jī)理建模，利用虛擬分散處理單元(virtual distributed processing unit,VDPU)建立激勵(lì)式火電機(jī)組仿真系統(tǒng)，進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的研究[5-6]。這些方法大多利用對(duì)象模型進(jìn)行仿真，從而研究先進(jìn)控制算法與傳統(tǒng)PID控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)，但對(duì)前饋控制邏輯基本沒(méi)有考慮[7-8]。宋新立、房方等利用負(fù)荷/壓力增量預(yù)測(cè)控制、柔性控制、基于PID的解耦、魯棒、內(nèi)?？刂频雀倪M(jìn)算法來(lái)研究協(xié)調(diào)控制問(wèn)題[9-11]。這些控制算法在工程應(yīng)用方面存在一些困難，實(shí)際控制效果往往很難超越傳統(tǒng)的工程方法，實(shí)際應(yīng)用與仿真結(jié)果存在較大差距。

雖然從整體上說(shuō)，近些年控制理論的研究取得了飛速發(fā)展，新型控制方法層出不窮，但在多年的電廠調(diào)試和生產(chǎn)實(shí)際中，DCS傳統(tǒng)的“PID反饋+前饋”的經(jīng)典控制仍占主導(dǎo)地位[11-13]。雖然也有基于內(nèi)模的解耦控制和某些先進(jìn)控制模塊在少數(shù)電廠應(yīng)用的文獻(xiàn)報(bào)道，但對(duì)于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)而言，“PID反饋+前饋”的結(jié)構(gòu)仍然是主流。

鍋爐在燃燒正常、給水正常和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)正常工作的前提下，亞臨界機(jī)組鍋爐-汽輪機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模型可簡(jiǎn)化為一個(gè)具有強(qiáng)耦合的雙輸入雙輸出系統(tǒng)。機(jī)組協(xié)調(diào)控制模型如式(1)所示。

(1)

式中：N為機(jī)組的輸出電功率；PT為汽輪機(jī)前主蒸汽壓力；μ為汽機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度指令；β為給煤量的給定值；G11(s)為汽輪機(jī)調(diào)門(mén)與機(jī)組負(fù)荷之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；G12(s)為給煤量與機(jī)組負(fù)荷之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；G21(s)為汽輪機(jī)調(diào)門(mén)與主蒸汽壓力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；G22(s)為汽輪機(jī)調(diào)門(mén)與機(jī)組負(fù)荷之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

本文在綜合前人研究的基礎(chǔ)上，從仿真平臺(tái)和實(shí)際應(yīng)用兩個(gè)方面入手，采用“算法+結(jié)構(gòu)”的方式搭建協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)仿真模型。機(jī)組協(xié)調(diào)控制仿真模型如圖1所示?；痣姍C(jī)組動(dòng)態(tài)特性為通過(guò)試驗(yàn)得到的傳遞函數(shù)模型的特性，爐側(cè)前饋和機(jī)側(cè)前饋為DCS中所設(shè)計(jì)的前饋邏輯，鍋爐主控和汽機(jī)主控為一個(gè)反饋控制回路。鍋爐側(cè)通過(guò)蒸汽壓力來(lái)控制給煤量，汽機(jī)側(cè)通過(guò)功率指令來(lái)控制汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度。

圖1 機(jī)組協(xié)調(diào)控制仿真模型示意圖

2 仿真平臺(tái)的搭建

本文將借助機(jī)組協(xié)調(diào)控制仿真模型，采用“算法+模型”的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)仿真?；痣姍C(jī)組模型采用雙輸入雙輸出的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)，分別為燃料擾動(dòng)下的壓力特性傳遞函數(shù)、燃料擾動(dòng)下的功率特性傳遞函數(shù)、調(diào)門(mén)擾動(dòng)下的壓力特性傳遞函數(shù)以及調(diào)門(mén)擾動(dòng)下的功率特性傳遞函數(shù)。單元機(jī)組雙輸入雙輸出模型如圖2所示。

圖2 單元機(jī)組雙輸入雙輸出模型示意圖

Simulink平臺(tái)中的協(xié)調(diào)控制仿真模型如圖3所示。

圖3 Simulink平臺(tái)中的協(xié)調(diào)控制仿真模型示意圖

協(xié)調(diào)控制仿真平臺(tái)的主要功能是仿真在AGC指令變化的情況下機(jī)組負(fù)荷和主蒸汽壓力的變化情況。為了便于研究，不考慮協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的模式切換邏輯。在Simulink仿真平臺(tái)中，必須要保證所搭建的算法、控制邏輯與火電機(jī)組DCS所使用的算法和邏輯相一致。在Simulink中所搭建的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包含負(fù)荷指令生成回路、主汽壓力設(shè)定回路、鍋爐主控回路、汽機(jī)主控回路等。

負(fù)荷處理回路的任務(wù)是將電網(wǎng)下達(dá)的AGC目標(biāo)負(fù)荷指令處理成機(jī)組的實(shí)際負(fù)荷指令，實(shí)現(xiàn)AGC速率限制的計(jì)算以及主蒸汽壓力設(shè)定值的計(jì)算。負(fù)荷處理回路如圖4所示。

圖4 負(fù)荷處理回路示意圖

負(fù)荷、主蒸汽壓力設(shè)定值和給煤量如表1所示。主蒸汽壓力經(jīng)過(guò)慣性處理后，得到其設(shè)定值，其中慣性時(shí)間由f2(x)求得。

表1 負(fù)荷、主蒸汽壓力設(shè)定值和給煤量關(guān)系表

鍋爐主控回路根據(jù)負(fù)荷和主汽壓力的需求來(lái)控制燃料量，采用“PID反饋+前饋”控制的結(jié)構(gòu)。PID反饋回路采用主蒸汽壓力設(shè)定值與實(shí)際值的差值。鍋爐主控的前饋控制回路包括靜態(tài)前饋和動(dòng)態(tài)前饋，具體如圖5所示。

PID反饋的設(shè)定值為主蒸汽壓力設(shè)定值，被控量為主蒸汽壓力。其中，主蒸汽壓力設(shè)定值為負(fù)荷指令下的期望值，因此可通過(guò)負(fù)荷指令與正蒸汽壓力的函數(shù)關(guān)系來(lái)計(jì)算，本文采用的是負(fù)荷與主蒸汽壓力設(shè)定值的折線函數(shù)。鍋爐前饋包含動(dòng)態(tài)前饋和靜態(tài)前饋：鍋爐主控的靜態(tài)前饋為負(fù)荷指令對(duì)應(yīng)的給煤量函數(shù)；動(dòng)態(tài)前饋模塊則包含主蒸汽壓力設(shè)定值的微分、主蒸汽壓力偏差的微分以及經(jīng)過(guò)主蒸汽壓力偏差的修正函數(shù)f3(x)后的負(fù)荷指令的微分這三部分。靜態(tài)前饋函數(shù)f4(x)采用表1中負(fù)荷指令與給煤量的折線函數(shù)。

圖5 鍋爐主控回路示意圖

汽輪機(jī)主控仿真模型如圖6所示。系統(tǒng)相當(dāng)于負(fù)荷指令處理回路與汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)之間的接口。它既能夠以自動(dòng)方式工作(對(duì)應(yīng)于機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式，或者汽輪機(jī)跟隨負(fù)荷控制方式)，也能夠以手動(dòng)方式工作(對(duì)應(yīng)于鍋爐跟隨負(fù)荷控制方式或者基本控制方式)。汽輪機(jī)主控系統(tǒng)與鍋爐主控系統(tǒng)一起完成單元機(jī)組在各種工況下的控制功能，協(xié)調(diào)汽輪機(jī)出力與負(fù)荷指令之間的匹配關(guān)系。汽機(jī)前饋由兩部分組成，其中功率偏差對(duì)應(yīng)的函數(shù)f7(x)與主蒸汽壓力函數(shù)f5(x)對(duì)應(yīng)的調(diào)門(mén)經(jīng)過(guò)壓力拉回函數(shù)f6(x)修正后，共同組成汽機(jī)的前饋。

圖6 汽輪機(jī)主控仿真模型示意圖

3 協(xié)調(diào)控制仿真效果

為了達(dá)到指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行的效果，根據(jù)圖2～圖6所設(shè)計(jì)的“算法+結(jié)構(gòu)”方式，在Simulink中搭建仿真平臺(tái)。為了模擬變負(fù)荷情況，本文模擬電網(wǎng)調(diào)度指令階段增、階躍減變化的機(jī)組實(shí)發(fā)功率和主蒸汽壓力的變化情況。網(wǎng)調(diào)階躍指令通過(guò)速率限制轉(zhuǎn)化為斜坡指令，一般電網(wǎng)要求的負(fù)荷變化率為7.5 MW/min。

降負(fù)荷時(shí)，負(fù)荷指令從400 MW遞減至360 MW，每次降幅為20 MW。通過(guò)上述仿真平臺(tái)，得出降負(fù)荷工況下主蒸汽壓力和機(jī)組功率曲線如圖7所示。

圖7 降負(fù)荷工況曲線

機(jī)組的主蒸汽壓力變化趨勢(shì)和功率變化趨勢(shì)能夠反映實(shí)際的變負(fù)荷過(guò)程。其中主蒸汽壓力的最大動(dòng)態(tài)偏差為0.914 8 MPa；機(jī)組功率動(dòng)態(tài)偏差為14 MW，但是在穩(wěn)定后有穩(wěn)態(tài)偏差。這是由于變負(fù)荷初期，鍋爐由于滯后的特性，所設(shè)計(jì)的給煤量前饋跟不上汽機(jī)能量需求的變化，導(dǎo)致機(jī)組在變負(fù)荷初期功率變化慢。仿真結(jié)果表明，采用Simulink仿真平臺(tái)，能夠模擬機(jī)組的變負(fù)荷過(guò)程。升負(fù)荷工況曲線如圖8所示。

圖8 升負(fù)荷工況曲線

升負(fù)荷時(shí)，負(fù)荷指令從360 MW遞增至400 MW，每次增幅為20 MW。采用圖2～圖6的仿真模型進(jìn)行模擬研究。升負(fù)荷工況下，仿真的功率變化速率較慢，說(shuō)明鍋爐主控的前饋設(shè)計(jì)不合理。

為了增加負(fù)荷的響應(yīng)速率，在鍋爐前饋中增加了對(duì)煤量的修正函數(shù)。負(fù)荷偏差和修正系數(shù)如表2所示。

表2 負(fù)荷偏差和修正系數(shù)

壓力變化的趨勢(shì)能夠反映實(shí)際的參數(shù)變化過(guò)程，且最大的動(dòng)態(tài)偏差為0.890 1 MPa；機(jī)組功率動(dòng)態(tài)偏差為6.65 MW，且沒(méi)有穩(wěn)態(tài)偏差。機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速率有了很大的提升。仿真研究表明，通過(guò)對(duì)仿真模型進(jìn)行優(yōu)化，可以提高機(jī)組協(xié)調(diào)控制的調(diào)節(jié)性能，達(dá)到指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的邏輯優(yōu)化的效果。

通過(guò)升負(fù)荷和降負(fù)荷的仿真模擬研究標(biāo)準(zhǔn)，采用本文所述的仿真平臺(tái)和算法模型能夠比較準(zhǔn)確地模擬機(jī)組的變負(fù)荷過(guò)程協(xié)調(diào)控制效果，證明了該研究方法的有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)利用Simulink系統(tǒng)中的傳遞函數(shù)模型，搭建與實(shí)際DCS中運(yùn)行相一致的邏輯，構(gòu)建了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)。通過(guò)該仿真平臺(tái)，模擬電網(wǎng)調(diào)度指令連續(xù)正向、反向變化的情況下，機(jī)組主蒸汽壓力和機(jī)組負(fù)荷的變化趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)這種方法可以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制的仿真研究。下一步可以通過(guò)該平臺(tái)，進(jìn)行火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的邏輯優(yōu)化和控制參數(shù)優(yōu)化。該方法對(duì)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行具有指導(dǎo)、優(yōu)化作用。

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A Simulation Method for Variable Load of Coal-Fired Power Unit

ZHOU Jianyu,LE Lingzhi,WU Ke

(Nanjing SAC Valmet Automation Co.,Ltd.,Nanjing 210023,China)

The current status of the research on coordinated control for coal-fired power unit is analyzed,the advantages and disadvantages of the research methods for coordinated control are pointed out,and the simulation research method based on model + algorithm for dynamic process of coal-fired power unit is put forward.Through the algorithm in Simulink platform and the transfer function model of power unit,this method constructs the control mode which is consistent with the coordinated control logic in distributed control system.The dynamic process variation characteristics of power unit is researched through dynamic simulation in Simulink platform,especially the precision and trends of main steam pressure and actual generated power in variable load process of the unit are simulated to research the regulation performance of the coordinated control system (CCS) of the unit.The main steam pressure and actual generate power are compared,the result indicates that this method can simulate the dynamic response characteristics of unit in variable load process.The research method based on model + algorithm provides the research ideas on how to improve the control precision and the response speed of the unit.By this method,the risk of load change test in the real operation of the coal-fired power unit on the safe operation can be avoided,and the optimization of control logic and control system parameters of CCS can be researched in further.

Coal-fired power unit;Boiler; Distributed control system; Nonlinear control; Transfer function; Dynamic characteristic simulation

周建玉(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事智能發(fā)電過(guò)程控制系統(tǒng)、先進(jìn)控制算法、火電機(jī)組過(guò)程控制、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用等方向的研究。E-mail:jianyu-zhou@sac-valmet.com。

TH7;TP29

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705012

修改稿收到日期：2017-01-18