一種直流鍋爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電廠自動(dòng)控制領(lǐng)域，特別涉及一種直流鍋爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)由制粉系統(tǒng)、直流鍋爐、汽輪機(jī)、功率傳感器、壓力傳感器、焓值傳感器、3個(gè)PI控制器和解耦補(bǔ)償器組成，解耦補(bǔ)償器由8個(gè)PID控制器組成；該設(shè)計(jì)方法通過(guò)機(jī)理分析，建立結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有解析形式的超超臨界機(jī)組簡(jiǎn)化非線性動(dòng)態(tài)模型；利用小偏差方法對(duì)單元機(jī)組模型進(jìn)行線性化，將其核心模型求逆后得到了解耦補(bǔ)償器，建立直流鍋爐單元機(jī)組三輸入三輸出協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；可實(shí)現(xiàn)鍋爐側(cè)和汽輪機(jī)側(cè)、燃料側(cè)和給水側(cè)間的解耦，解決了目前控制方法中依賴燃水比系數(shù)的難題。
【專利說(shuō)明】一種直流鍋爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電廠自動(dòng)控制領(lǐng)域，特別涉及一種直流鍋爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及 其設(shè)計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的推進(jìn)，具有高效率、低排放以 及負(fù)荷適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)的超（超）臨界直流爐機(jī)組成為我國(guó)火力發(fā)電主力機(jī)組。由于其 單機(jī)容量大等特點(diǎn)，這些機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行是大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。
[0003] 直流鍋爐單元機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)象結(jié)構(gòu)模型通常簡(jiǎn)化為一個(gè)三輸入三輸出 系統(tǒng)，其輸入量為給水量、燃燒量和汽輪機(jī)調(diào)門開(kāi)度，其輸出量為中間點(diǎn)溫度（比焓）、主汽 壓力和汽輪機(jī)功率，在輸入輸出變量間存在交叉的關(guān)聯(lián)和強(qiáng)耦合現(xiàn)象。
[0004] 直流鍋爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，最主要的是給水量調(diào)節(jié)和燃料量調(diào)節(jié)，通過(guò) 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正確協(xié)調(diào)動(dòng)作與配合，使鍋爐的負(fù)荷達(dá)到要求，也使主蒸汽溫度保持穩(wěn)定。由于 燃料量和給水量的變化都對(duì)輸出功率產(chǎn)生明顯影響，目前普遍采用調(diào)整燃水比系數(shù)控制中 間點(diǎn)溫度（比焓），將三輸入三輸出的直流鍋爐機(jī)組模型簡(jiǎn)化為雙輸入雙輸出的模型，因此 在實(shí)際工程應(yīng)用中存在兩種不同的方案：1.以煤為基礎(chǔ)的水跟煤控制，通過(guò)燃料量調(diào)節(jié)負(fù) 荷或主汽壓力，給水量調(diào)節(jié)中間點(diǎn)溫度（比焓）；2.以水為基礎(chǔ)的煤跟水控制，通過(guò)給水量 調(diào)節(jié)負(fù)荷或汽壓，燃料量調(diào)節(jié)微過(guò)熱段噴水減溫器前后溫差，保證燃水比，實(shí)現(xiàn)過(guò)熱汽溫粗 調(diào)。然而兩種方案各有利弊，由于給水比燃料調(diào)節(jié)快得多，水跟煤的控制方案有利于主蒸汽 溫度的控制，但是主蒸汽壓力的波動(dòng)會(huì)很大，而煤跟水的控制方案有利于主汽壓力的控制， 不利于主蒸汽溫度的保持。此外，由于煤質(zhì)頻繁變化時(shí)，燃水比系數(shù)很難保證，在機(jī)組運(yùn)行 過(guò)程中往往出現(xiàn)參數(shù)波動(dòng)幅度大，機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)性差等問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出的一種直流鍋爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由制粉系統(tǒng)、直流 鍋爐、汽輪機(jī)、功率傳感器、壓力傳感器、焓值傳感器、3個(gè)PI控制器和解耦補(bǔ)償器組成；其 中，直流鍋爐分為受熱段和過(guò)熱段；制粉系統(tǒng)和直流鍋爐中的受熱段相連，受熱段和過(guò)熱段 相連，過(guò)熱段和汽輪機(jī)相連；
[0006] 功率傳感器一端和汽輪機(jī)相連，另一端和第一 PI控制器的輸入端相連，將檢測(cè)到 的當(dāng)前汽輪機(jī)功率NE和初始汽輪機(jī)功率NE(I -起送到第一 PI控制器的輸入端；第一 PI控 制器的輸出端和解耦補(bǔ)償器的第一輸入端相連，解耦補(bǔ)償器的第一輸出端和汽輪機(jī)的調(diào)節(jié) 門相連，其輸出的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)門開(kāi)度U t用于控制汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)門開(kāi)度；
[0007] 壓力傳感器一端和直流鍋爐的過(guò)熱段與汽輪機(jī)的中間點(diǎn)相連，另一端和第一 PI 控制器的輸入端相連，將檢測(cè)到的當(dāng)前主汽壓力Pt和初始主汽壓力Pt(l -起送到第二PI控 制器的輸入端；第二PI控制器的輸出端和解耦補(bǔ)償器的第二輸入端相連，解耦補(bǔ)償器的第 二輸出端和直流鍋爐受熱段的給水控制端相連，其輸出的給水量I。用于控制直流鍋爐給 水量；
[0008] ptO焓值傳感器一端和直流鍋爐的受熱段與過(guò)熱段的中間點(diǎn)相連，另一端和第三 PI控制器的輸入端相連，將檢測(cè)到當(dāng)前中間點(diǎn)比焓hm和初始中間點(diǎn)比焓hm(l -起送到第三 PI控制器的輸入端；第三PI控制器的輸出端和解耦補(bǔ)償器的第三輸入端相連，解耦補(bǔ)償器 的第三輸出端和制粉系統(tǒng)燃燒量控制端相連，其輸出的燃料指令u B用于控制制粉系統(tǒng)的燃 燒量控制。
[0009] 所述解耦補(bǔ)償器由8個(gè)PID控制器組成，分別是P1控制器、P2控制器、P3控制器、 P4控制器、D1控制器、D2控制器、PD1控制器、PD2控制器這八個(gè)控制器；其中，解耦補(bǔ)償器 的第一輸入端和P1控制器、P2控制器、P3控制器的輸入端相連，解耦補(bǔ)償器的第二輸入端 和P4控制器、D1控制器、D2控制器的輸入端相連，解耦補(bǔ)償器的第三輸入端和PD1控制器、 PD2控制器的輸入端相連；P1控制器、P4控制器的輸出端和解耦補(bǔ)償器的第一輸出端相連， P2控制器、D1控制器、PD1控制器的輸出端和解耦補(bǔ)償器的第二輸出端相連，P3控制器、D2 控制器、PD2控制器的輸出端和解耦補(bǔ)償器的第三輸出端相連。
[0010] 本發(fā)明提出的一種直流鍋爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，具體步驟包括：
[0011] 步驟1、以汽水分離器出口為界，將直流鍋爐機(jī)組分為制粉系統(tǒng)、鍋爐受熱段、鍋爐 過(guò)熱段和汽輪機(jī)四部分，建立各部分的動(dòng)態(tài)特性方程，并推導(dǎo)出直流鍋爐機(jī)組的三輸入三 輸出的動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化模型如下式，
[0012]

【權(quán)利要求】
1. 一種直流鍋爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)由制粉系統(tǒng)、直流 鍋爐、汽輪機(jī)、功率傳感器、壓力傳感器、焓值傳感器、3個(gè)PI控制器和解耦補(bǔ)償器組成；其 中，直流鍋爐分為受熱段和過(guò)熱段；制粉系統(tǒng)和直流鍋爐中的受熱段相連，受熱段和過(guò)熱段 相連，過(guò)熱段和汽輪機(jī)相連； 功率傳感器一端和汽輪機(jī)相連，另一端和第一 PI控制器的輸入端相連，將檢測(cè)到的當(dāng) 前汽輪機(jī)功率NE和初始汽輪機(jī)功率NE(I -起送到第一 PI控制器的輸入端；第一 PI控制器 的輸出端和解耦補(bǔ)償器的第一輸入端相連，解耦補(bǔ)償器的第一輸出端和汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)門相 連，其輸出的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)門開(kāi)度U t用于控制汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)門開(kāi)度； 壓力傳感器一端和直流鍋爐的過(guò)熱段與汽輪機(jī)的中間點(diǎn)相連，另一端和第一 PI控制 器的輸入端相連，將檢測(cè)到的當(dāng)前主汽壓力Pt和初始主汽壓力Pt(l -起送到第二PI控制器 的輸入端；第二PI控制器的輸出端和解耦補(bǔ)償器的第二輸入端相連，解耦補(bǔ)償器的第二輸 出端和直流鍋爐受熱段的給水控制端相連，其輸出的給水量I。用于控制直流鍋爐給水量； 焓值傳感器一端和直流鍋爐的受熱段與過(guò)熱段的中間點(diǎn)相連，另一端和第三PI控制 器的輸入端相連，將檢測(cè)到當(dāng)前中間點(diǎn)比焓hm和初始中間點(diǎn)比焓hm(l -起送到第三PI控制 器的輸入端；第三PI控制器的輸出端和解耦補(bǔ)償器的第三輸入端相連，解耦補(bǔ)償器的第三 輸出端和制粉系統(tǒng)燃燒量控制端相連，其輸出的燃料指令U B用于控制制粉系統(tǒng)的燃燒量控 制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述解耦補(bǔ)償器由8個(gè)PID控制器組成，分 別是P1控制器、P2控制器、P3控制器、P4控制器、D1控制器、D2控制器、PD1控制器、PD2 控制器這八個(gè)控制器；其中，解耦補(bǔ)償器的第一輸入端和P1控制器、P2控制器、P3控制器 的輸入端相連，解耦補(bǔ)償器的第二輸入端和P4控制器、D1控制器、D2控制器的輸入端相連， 解耦補(bǔ)償器的第三輸入端和PD1控制器、PD2控制器的輸入端相連；P1控制器、P4控制器的 輸出端和解耦補(bǔ)償器的第一輸出端相連，P2控制器、D1控制器、PD1控制器的輸出端和解耦 補(bǔ)償器的第二輸出端相連，P3控制器、D2控制器、PD2控制器的輸出端和解耦補(bǔ)償器的第三 輸出端相連。
3. -種直流鍋爐單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法具體步驟 包括： 步驟1、以汽水分離器出口為界，將直流鍋爐機(jī)組分為制粉系統(tǒng)、鍋爐受熱段、鍋爐過(guò)熱 段和汽輪機(jī)四部分，建立各部分的動(dòng)態(tài)特性方程，并推導(dǎo)出直流鍋爐機(jī)組的三輸入三輸出 的動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化模型如下式，
其中，其輸入量為燃料指令UB、給水流量隊(duì)。和汽輪機(jī)調(diào)節(jié)門開(kāi)度ut，輸出量為中間點(diǎn)焓 值hm、主汽壓力pt和汽輪機(jī)功率NE ;rB為進(jìn)入鍋爐的燃料量，單位kg/s ;Q為鍋爐的有效吸 熱量，單位kj/s ;kf為制粉環(huán)節(jié)慣性時(shí)間，單位s ;ki、k2和k3分別為燃料環(huán)節(jié)、管道傳遞環(huán) 節(jié)和汽輪機(jī)做功的增益系數(shù)；D t為主蒸汽流量，單位kg/s ;he。為省煤器入口給水比焓，單位 kj/kg ;&、C2為鍋爐蒸發(fā)受熱段和過(guò)熱段的蓄熱系數(shù)；n = (ht-hmV(hm-hJ，即工質(zhì)在過(guò)熱 系統(tǒng)中的焓增與蒸發(fā)系統(tǒng)中焓增的比值，也代表了鍋爐受熱過(guò)程中熱能的分配比；h t為過(guò) 熱蒸汽比洽，單位kj/kg ; 步驟2、不考慮制粉系統(tǒng)純遲延環(huán)節(jié)而考慮到直流鍋爐單元機(jī)組在額定工況下的小擾 動(dòng)特性，對(duì)步驟1中得到的模型方程中各項(xiàng)兩端取增量，得到超超臨界單元機(jī)組的傳遞函 數(shù)模型
其中，Ahm為中間點(diǎn)焓值偏差信號(hào)、APtS主汽壓力偏差信號(hào)和八乂為汽輪機(jī)功率偏 差信號(hào)，Λ隊(duì)。為給水量偏差信號(hào)、ΛB為燃燒量偏差信號(hào)和Λ μ t為汽輪機(jī)調(diào)門開(kāi)度偏差信 號(hào)，
為制粉環(huán)節(jié)慣性時(shí)間，h為燃料環(huán)節(jié)增益系數(shù)；
其中中間變量
為傳遞函數(shù)通過(guò)拉氏變換法將 時(shí)域的微分方程變化為復(fù)域的代數(shù)方程中的復(fù)域；
分別為給水側(cè)與中間點(diǎn)比焓、主汽壓力以及機(jī)組功率之間的傳遞函數(shù)；G 12、 G22、G32分別為燃料側(cè)與中間點(diǎn)比焓、主汽壓力以及機(jī)組功率之間的傳遞函數(shù)；G23、G 33分別為 汽輪機(jī)調(diào)門與主汽壓力以及機(jī)組功率之間的傳遞函數(shù)； 步驟3、對(duì)步驟2中得到的& (s)求逆，加入制粉系統(tǒng)的逆t時(shí)，不再考慮系統(tǒng)中的慣 性環(huán)節(jié)，只把燃燒增益系數(shù)添加進(jìn)去，得到由8個(gè)PID控制器實(shí)現(xiàn)的機(jī)組解耦補(bǔ)償器W，
Spin、SpD2、SD1、SD2、SP1、S P2、SP3、SP4 分別表示 8 個(gè)不同的 PID 控制器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法將主汽壓力偏差信號(hào)Λ Pt 引入至汽輪機(jī)側(cè)，用來(lái)補(bǔ)償給水側(cè)和燃料側(cè)擾動(dòng)所引起的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器動(dòng)作，由于主汽壓 力和功率對(duì)燃料和給水?dāng)_動(dòng)響應(yīng)曲線形狀相似，使得主汽壓力偏差信號(hào)△ Pt變化與汽輪機(jī) 功率偏差信號(hào)△ NE的變化相互抵消，保證汽輪機(jī)調(diào)門開(kāi)度在鍋爐側(cè)擾動(dòng)時(shí)保持不變。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法將汽輪機(jī)功率偏差信號(hào) ΛΝΕ作為汽輪機(jī)側(cè)擾動(dòng)的補(bǔ)償信號(hào)引入到給水側(cè)和燃料側(cè)，當(dāng)汽輪機(jī)側(cè)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，由于 功率和中間點(diǎn)比焓的變化方向相反，保證燃料側(cè)指令不變的同時(shí)，加速給水側(cè)動(dòng)作來(lái)保證 主汽壓力P t的穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)能力；把主汽壓力偏差信號(hào)引入汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器， 能夠起到穩(wěn)定主汽壓力的作用。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法將中間點(diǎn)比焓偏差信號(hào) Ahm和主汽壓力偏差信號(hào)的APt微分信號(hào)同時(shí)引入給水側(cè)和燃料側(cè)，能減弱或者消除給水 側(cè)和燃料側(cè)之間的耦合，使得系統(tǒng)的整定變得容易；同時(shí)也相當(dāng)于在鍋爐側(cè)增加了一個(gè)快 速的反饋回路，能補(bǔ)償汽輪機(jī)側(cè)的擾動(dòng)，提高了機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速度，增強(qiáng)了系統(tǒng)克服擾動(dòng) 的能力。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK104062905SQ201410317275
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】秦志明, 劉吉臻, 張欒英, 谷俊杰 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)（保定）