1、引言
火電機組輔機組故障減負(fù)荷（RUNBACK，簡稱RB），是針對機組主要輔機故障采取的控制措施，現(xiàn)代大型火電機組 RB過程一般通過DCS系統(tǒng)實現(xiàn)。RB過程要求過程參數(shù)不超過機組跳閘值、能將機組安全過渡到跳閘輔機允許的目標(biāo)負(fù)荷范圍以內(nèi)，過渡過程盡可能平穩(wěn)，RB的成功對保證機組穩(wěn)定可靠運行具有重要的意義。
RB過程中燃料流量和給水流量動、靜態(tài)是否匹配，是RB過程是否成功的標(biāo)志之一；RB過程中，燃料流量迅速減少，與之配合的給水流量控制是否能夠穩(wěn)定可靠，是RB是否成功的關(guān)鍵。
目前，各試驗研究部門、發(fā)電企業(yè)從輔機跳閘后如何保證機組不停機、不停爐的角度對機組RB功能及相關(guān)鍋爐控制方面進行了大量的仿真和試驗研究。對600MW機組給水泵RB試驗過程進行了詳盡的分析，對機組全協(xié)調(diào)RB狀態(tài)下控制策略進行了優(yōu)化和探討。
本文針對1000MW超超臨界機組，對發(fā)生輔機故障減負(fù)荷時的鍋爐給水控制進行分析，提出采用前饋+PID的方法對鍋爐給水流量回路進行調(diào)節(jié)的新型控制策略，給出前饋信號在給水泵投入臺數(shù)發(fā)生變化時的無擾處理方法。海門電廠1000MW超超臨界機組RB試驗結(jié)果表明，本文提出的RB過程給水流量控制策略對給水的控制穩(wěn)定、準(zhǔn)確，對其他同類機組RB過程實施時給水流量的控制具有一定的參考價值。
2、給水流量控制原理
2.1 鍋爐給水指令生成
如圖1所示，鍋爐主指BD經(jīng)過一個曲線函數(shù)FX后，形成了與鍋爐負(fù)荷靜態(tài)匹配的給水指令，稱為給水指令的靜態(tài)部分。機組變負(fù)荷過程中，靜態(tài)給水指令疊加上CCS系統(tǒng)發(fā)出的加速給水BIR信號后，形成總的給水指令，如圖1中的Ⅱ部分所示。為了協(xié)調(diào)燃料、給水系統(tǒng)之間不同的時間特性，總的給水指令增加慣性環(huán)節(jié)LAG后，再經(jīng)過一個最小流量值限制后，最終形成給水流量設(shè)定信號。協(xié)調(diào)燃料、給水時間特性的LAG的慣性時間根據(jù)機組升/降負(fù)荷過程、RB過程自動進行修改，以適應(yīng)機組不同工況過程的時間協(xié)調(diào)如圖1中的Ⅲ部分所示。在鍋爐進入直流方式后，給水控制還需要兼顧主汽溫調(diào)節(jié)和中間點溫度的調(diào)節(jié)任務(wù)，為此設(shè)計有汽溫調(diào)節(jié)聯(lián)動給水控制的回路，如圖1中的Ⅳ部分所示，汽溫聯(lián)動給水回路根據(jù)中間點溫度和噴水減溫的情況，動態(tài)地輸出給水指令校正信號，控制給水與減溫調(diào)節(jié)相互協(xié)調(diào)。鍋爐給水BIR、汽溫調(diào)節(jié)聯(lián)動給水輸出的校正信號，稱為給水指令的動態(tài)部分。
2.2 給水主控
給水主控完成鍋爐給水流量的調(diào)節(jié)，如圖1中的Ⅴ部分所示。
2.2.1 前饋+PID的結(jié)構(gòu)
鍋爐給水流量控制對象本身是快速響應(yīng)的，時間常數(shù)小，但由于控制系統(tǒng)環(huán)節(jié)較多，經(jīng)過鍋爐給水流量調(diào)節(jié)回路、給水泵出口流量調(diào)節(jié)回路、MEH轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路，再加上控制系統(tǒng)的延遲，造成整個給水流量調(diào)節(jié)存在純遲延環(huán)節(jié)，如果控制參數(shù)調(diào)整不好，易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，甚至引發(fā)給水流量的發(fā)散性振蕩、給水泵搶水、鍋爐MFT等事故[2]。采用設(shè)定值前饋的方法，能夠提高閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，可以有效解決該問題。
圖1中的Ⅴ部分中，給水流量設(shè)定值經(jīng)過給水泵投入臺數(shù)校正后，送到PID的前饋輸入端FF，給水主控成為一個前饋+PID結(jié)構(gòu)。
2.2.2 前饋信號的無擾處理
給水主控的輸出就是各臺給水泵出口流量指令，在不同數(shù)量的給水泵自動是不同的。單臺泵自動時，給水主控輸出的變化量與鍋爐給水流量的變化量是相等的；兩臺泵自動時，給水主控的輸出時送到兩臺給水泵，給水主控輸出的變化量只需達(dá)到鍋爐給水流量需求變化量的一半即可；兩臺泵自動情況也相似。因此，不同數(shù)量的給水泵自動時，前饋量是不同的，必須對前饋信號進行增益自動校正，而這種校正對于前饋信號來說是一種擾動。
在給水泵投入/退出自動時，前饋量都會發(fā)生突然的變化，對系統(tǒng)造成擾動，本文提出了采用PID暫時保持的方法，利用PID內(nèi)部的跟蹤運算，實現(xiàn)了前饋信號的無擾處理。如圖1的Ⅴ，當(dāng)前饋信號需要發(fā)生突變時，都會產(chǎn)生一個0.2秒脈沖信號（兩個運算周期），使PID跟蹤保持0.2秒的時間，在這0.2秒時間內(nèi)，完成前饋增益的校正，之后回到正常的PID運算。采用此種控制策略后，雖然前饋信號發(fā)生了突變，但給水主控的輸出是保持不變的，這種處理只需要2個運算周期的時間，對系統(tǒng)調(diào)節(jié)不會有任何影響。
2.2.3 給水流量調(diào)節(jié)的加速
給水流量調(diào)節(jié)采用變積分參數(shù)Ti的方式，實現(xiàn)各種工況下的給水調(diào)節(jié)速率，正常調(diào)節(jié)時，采用一個正常Ti參數(shù)，當(dāng)需要加快調(diào)節(jié)速率時，采用一個較小的Ti參數(shù)。主要包括：
（1）在并泵、退泵過程中，需要快速消除給水流量控制偏差；
（2）發(fā)生給水泵跳閘RB時，需要迅速增加給水主控的輸出；
（3）給水流量控制偏差大，需要快速消偏差時。為了控制的穩(wěn)定，必須在各臺給水泵出口流量控制跟蹤得上的情況下，給水主控的加速才能起作用。
2.2.4 并、退泵時的流量偏置前饋
給水泵自動并入、退出時，設(shè)計有一個流量平衡回路。當(dāng)有給水泵需要并入時，并入的給水泵出口流量由0t/h開始增加，同時其它給水泵則相應(yīng)地減少出口流量，維持總的鍋爐給水流量不變。給水泵并、退時，給水主控的輸出會根據(jù)并/退的泵的出口流量變化相應(yīng)地改變，該過程由前饋來實現(xiàn)，如圖1中的Ⅴ部分所示。
2.3 給水泵出口流量調(diào)節(jié)
通常給水主控的輸出為各臺泵的轉(zhuǎn)速指令直接送到MEH系統(tǒng)，這種設(shè)計少串了一個給水泵出口流量調(diào)節(jié)回路，結(jié)構(gòu)簡單。但由于各泵出水流量不相等，容易造成各臺泵出力不平衡，不利于全程自動的實現(xiàn)。因此，各臺給水泵設(shè)計一個出口流量調(diào)節(jié)回路，如圖1中的Ⅵ部分所示。
2.3.1 前饋+PID的結(jié)構(gòu)
與給水主控相似，給水泵出口流量控制也采用前饋+PID的結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)整個給水控制的穩(wěn)定。泵出口流量與轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系由一個曲線函數(shù)FX來實現(xiàn)，并用給水母管壓力進行修正。
2.3.2 給水泵出口流量信號計算
給水泵工藝上并沒有設(shè)計有泵出口流量信號的測點，只設(shè)計有泵入口流量，為此，需要通過計算得到泵出口流量信號，由泵入口流量、再循環(huán)門開度、和給水泵出口壓力和除氧器壓力等信號計算，從而得到給水泵出口流量信號，用于給水泵出口流量調(diào)節(jié)。
2.3.3 流量偏置回路
設(shè)計有一個給水泵出口流量設(shè)定值偏置回路，給水泵在手動方式時，設(shè)定值偏置自動跟蹤，實現(xiàn)泵出口流量設(shè)定值的跟蹤。在進行并、退泵控制時，也是通過改變設(shè)定值偏置來增大、減小泵的出口流量，同時這個流量偏置也送到給水主控，實現(xiàn)其它泵的協(xié)同動作，給水流量無擾切換。
2.3.4 并/退泵時的升/降速回路
設(shè)計有并/退泵時的升/降速回路，實現(xiàn)并/退泵過程的升速/降速控制。如進行并泵控制時，需要先提升該泵的轉(zhuǎn)速，等該泵有出水并且出水量達(dá)到一定的穩(wěn)定值（如100t/h），再進入流量平衡控制；退泵過程時，由流量平衡回路將該泵降到?jīng)]有出水后，一般泵的轉(zhuǎn)速還比較高，需要由降速回路將該泵降到最低轉(zhuǎn)速，再進行解列。
3、RB過程給水流量控制
RB過程中，給水流量是迅速減小的，這個過程給水流量控制必須緊跟設(shè)定值變化，否則會引起給水流量的較大擾動，當(dāng)各泵的再循環(huán)門開啟時間不同步時，容易造成給水泵搶水，引發(fā)機組停機事故。因此，必須重視RB過程的給水流量控制。
3.1 非給水泵RB過程
發(fā)生不是由于給水泵跳閘的RB過程，如送、引風(fēng)RB、一次風(fēng)RB等過程時。鍋爐指令BD以1000MW/min的速率迅速減小，磨煤機也按相應(yīng)的順序快速跳閘，鍋爐燃料量迅速減小，此時需要給水流量也需要相應(yīng)地迅速減少，以實現(xiàn)與燃料的匹配。協(xié)調(diào)給水與燃料特性的滯后時間LAG也要相應(yīng)地減少，具體LAG時間值可以通過磨煤機RB試驗來確定。
進行磨煤機RB試驗，模擬其它條件的RB過程的跳磨順序和間隔，手動打閘磨煤機，若RB過程中汽溫穩(wěn)定、中間點溫度穩(wěn)定，則LAG合適，否則需要調(diào)整LAG時間。一般LAG時間在正常時的1/10~1/5之間合適，過小的LAG時間，給水指令的快速變化，相當(dāng)于一個大的設(shè)定值階躍擾動，有可能會對給水系統(tǒng)造成較大的擾動。RB過程中，由于主汽壓力的迅速降低，給水流量調(diào)節(jié)特性發(fā)生較大的變化，增加了不穩(wěn)定的因素。給水主控和泵出口流量均采用前饋+PID的結(jié)構(gòu)，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在給水泵再循環(huán)控制策略上，應(yīng)考慮到各臺泵再循門打開起始時間不同步的情況，此時極易引起給水泵搶水，再循環(huán)的控制策略應(yīng)有在給水泵發(fā)生搶水后的自動安全恢復(fù)功能，保證不會發(fā)生MFT事故。
3.2 給水泵RB過程
兩臺給水泵并列運行，一臺給水泵跳閘后，實際給水流量會瞬間減少將近一半。由給水主控原理可以知道，給水主控的輸出并不會發(fā)生變化，此時在運行的給水泵若不在最高轉(zhuǎn)速下運行，則需要迅速提高給水主控的輸出，提高鍋爐給水流量?？梢圆捎贸Y控制方法，迅速提升運行泵到最高轉(zhuǎn)速值。
由于實際給水流量已經(jīng)瞬間減少了一半，協(xié)調(diào)給水與燃料特性的滯后時間LAG只需要穩(wěn)定運行泵在最高轉(zhuǎn)速運行即可，因此，LAG盡可能在大些，否則在給水指令的迅速下降過程中，由于前饋的作用，反而會降低給水泵的轉(zhuǎn)速。
4、RB試驗過程給水流量控制過程分
給水泵出口流量前饋量設(shè)為0，并將給水主控的加速回路去除，進行一次磨煤機RB試驗，RB過程給水控制如圖2所示，RB發(fā)生后，給水流量指令迅速下降，實際給水流量下降則非常緩慢，跟蹤不上，造成較大的偏差。給水主控輸出則降低很多，但A、B泵兩泵的出口流量下降非常緩慢，也跟蹤不上，存在較大的偏差。到后來，隨著主汽壓力的下降，A、B泵兩泵的出口流量迅速下降，A泵出口流量下降到再循環(huán)門打開，B泵搶水，A泵出口流量瞬間降為0t/h，在A泵出口流量調(diào)節(jié)的作用下，A泵迅速提升轉(zhuǎn)速，A泵出水流量迅速提升，在再循環(huán)門的配合下，A泵并列成功。恢復(fù)給水泵出口流量前饋，再次進行RB試驗，RB過程給水控制如圖3所示，在前饋的作用下，給水流量控制過程平穩(wěn)，沒有發(fā)生波動的現(xiàn)象?？梢?，前饋+PID的結(jié)構(gòu)能立即提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
一次給水泵B跳閘的RB過程如圖4所示，給水泵B跳閘后，在給水主控的加速回路作用下，A泵迅速提升到最高轉(zhuǎn)速，待給水流量指令下降到與實際給水流量相等時，給水流量隨即跟隨設(shè)定值，整個過程給水流量控制穩(wěn)定，各項參數(shù)過渡平穩(wěn)。
圖2 給水泵出口流量調(diào)節(jié)不設(shè)前饋時RB過程
圖3 給水泵出口流量調(diào)節(jié)設(shè)前饋時RB過程
圖4 給水泵B跳閘時RB過程
5、結(jié)語
RB過程中燃料量和給水流量動、靜態(tài)匹配，給水流量控制是否能夠穩(wěn)定可靠，成為RB是否成功的關(guān)鍵之一。本文針對1000MW超超臨界機組，對發(fā)生輔機故障減負(fù)荷時的鍋爐給水控制進行分析，討論的采用前饋的控制策略來實現(xiàn)鍋爐給水流量控制，通過增加系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，保證了給水流量控制的穩(wěn)定，給出前饋信號在給水泵投入臺數(shù)發(fā)生變化時的無擾處理方法。海門電廠1000MW超超臨界機組RB試驗結(jié)果表明，本文提出的RB過程給水流量控制策略對給水的控制穩(wěn)定、準(zhǔn)確，對其他同類機組RB過程實施時給水流量的控制具有一定的參考價值。
