协调控制系统中直接能量平衡公式的另类理解

协调控制系统中直接能量平衡公式的另类理解

作者：韩志民

摘要：

随着电网调度自动化要求的进一步提高，大部分发电机组相继投入机炉协调控制系统(CCS)，并在自动发电控制(AGC)方式下运行。CCS一般设计成以"炉跟机"或"机跟炉"为主的两种类型。随着"违约电量考核"这种新的电量管理模式的推行，调峰机组的协调控制系统一般设计为炉跟机为主，以便准确及时地调节机组功率，减少违约电量的发生。同时发电厂为了提高机组的经济性，对CCS控制指标的要求也越来越高，因而炉跟机为主的协调控制系统一般采用以直接能量平衡(DEB)为基础的控制策略，以提高控制系统对这两方面要求的适应性。

一、直接能量平衡控制策略的两种典型公式

直接能量平衡协调控制系统一般有两种典型公式(式(1)、式(2))，各个控制系统在实际设计中只是在此基础上增加了部分提高控制系统性能的动态补偿功能。

式中P1——速度级进口压力；

P T——机前压力；

P TSP——机前压力设定值；

K——热量释放信号系数；

P d——汽包压力；

TEF——总能流信号。

式(1)左侧代表汽轮机能量需求(能量命令)信号，右侧代表锅炉热量释放(熟量)信号。传统的理解为:p1/p T代表汽轮机调节阀开度信号，快速响应汽轮机的能量需求;d Pd/dt为汽包压力的微分信号，代表锅炉热负荷与汽轮机负荷的平衡关系。由于速度级压力p1在机组50%～100%额定负荷范围内与主汽流量及汽轮机负荷基本保持良好的线性关系，同时为更准确地代表汽轮机能量需求，将之折算成总能流信号TEF(主蒸汽流量的焓或主汽流量与给水流量的焓差)代替速度级进口压力p1，构成式(2)。

二、汽轮机能量需求和锅炉热量信号的不同作用

锅炉燃烧工况变化时，由于锅炉热负荷与汽轮机热负荷的需求存在差异引起锅炉汽包压力变化，从而引起锅炉热量信号变化，可通过燃烧调节器改变锅炉燃烧率;当汽包压力稳定后，锅炉与汽轮机的热负荷基本相等，d pd/dt锅炉热量信号就等于速度级进口压力p1或总能流信号TEF。若机前压力与机前压力设定值存在偏差，通过燃烧调节器改变锅炉燃烧率，使机前压力逐渐接近机前压力设定值;同理，当机前压力等于机前压力设定值后，汽轮机能量需求信号等于速度级进口压力p1或总能流信号TEF。因此，锅炉热量信号主要通过保证锅炉热负荷与汽轮机热负荷的平衡，从而保持汽包压力包括机前压力的稳定;汽轮机能量需求信号主要通过调整锅炉蓄热总量，保证机前压力等于设定值。

通过上述分析，可把式(2)改写成式(3)和式(4):

三、有关问题的讨论

3.1 负荷不同但压力偏差相同时汽轮机对锅炉蓄热量变化要求基本相同

锅炉的蓄热能力主要与锅炉有效水容积及受热面有效金属质量有关。由于锅炉炉墙储热量不大且吸热及放热比较缓慢，其蓄热对于快速变动的工况可以不考虑，蓄热总量体现了锅炉抗负荷扰动的能力，在扰动过程中蓄热总量变化的大小，仅与汽包压力的变化幅度有关。由饱和水、蒸汽参数表可知，在一定范围内饱和水的焓值增量与压力增量的比值(△h＇/△pd)、饱和水温度增量与压力增量的比值(△ts/△pd)基本保持不变。机组正常运行中锅炉有效水容积基本不变，因此炉水总质量基本不变(排除密度影响)。锅炉炉水和受热面金属释放和吸收的总热量与汽包压力变化引起的炉水焓值变化量和饱和温度的变化量成正比，因此当汽包压力变化相同时，锅炉蓄热总量的变化量基本相等。某300MW机组运行数据见表1，其CCS投入范围50%MCR～l00%MCR，机组采用定压运行方式(机前压力16.8MPa)和定压一滑压一定压运行方式(50%MCR～85%MCR～l00%MCR，机前压力13.5MPa～16.8MPa～16.8MPa);CCS的考核指标为稳态±0.2MPa(稳定负荷)、动态±0.5MPa(l0%MCR扰动，速率5MW/min)。因此，在整个机组正常运行范围(50%MCR～l00%MCR)，可把锅炉热量释放信号系数K设定为常数。当锅炉汽包压力变化幅度相同时，蓄热总量的变化量基本相等，热量信号的大小仅取决于汽包压力的变化速度。锅炉蓄热总量的变化体现在汽包压力的变化上。锅炉蓄热总量的增加和降低导致汽包压力的升高和降低。

3.2 压力偏差量相同时汽轮机能量需求信号对锅炉蓄热量变化的要求因负荷不同而不同

由式(4)可知，当汽轮机主控系统在功率运行方式时，在不同汽轮机负荷(或TEF)下，相同机前压力偏差产生的汽轮机能量需求信号的幅度不同:对于机前压力调节的增益而言，100%负荷与50%负荷相比滑压运行方式时前者是后者的1.5倍左右，而定压运行方式时，前者是后者的2倍。

四、汽轮机能量需求信号的另类理解

通过上述分析发现，消除相同的机前压力或汽包压力偏差时锅炉需要的蓄热量变化量基本相等，它与汽轮机能量需求信号对锅炉蓄热量变化量的要求存在明显差异，这也是低负荷时机前压力调节速率低于满负荷时的原因。对于自动调节系统，一般希望整个调节系统的增益保持相对不变，这样，采用一套参数就能适应全部运行范围，并保证调节品质基本不变。因此，无论对于锅炉热力系统本身，还是自动调

节系统，都希望在不同汽轮机负荷(TEF)时，由相同的机前压力偏差所产生的汽轮机能量需求信号的增量基本相同。同时，为了满足机组滑压运行时对锅炉蓄热变化量的更大需求，在汽轮机能量需求信号中引入机前压力变化率信号及单独的调整系数，以增加系统调整的灵活性。根据以上理由，本文提出下示的汽轮机能量需求信号公式:

式中K1——汽机能量需求信号系数1；

K2——汽机能量需求信号系数2；

K3——锅炉热量释放信息系数。

五、汽轮机能量需求信号的整定

汽轮机能量需求信号系数l(K1)，用于调整汽轮机能量需求信号中机前压力偏差的增益，可在

50%MCR～l00%MCR之间调整也可根据调节试验实际情况在更大的范围内确定;汽轮机能量需求信号系数2(K2)，用于调整汽轮机能量需求信号对于滑压工况的适应性，可在定压运行工况调试完毕后，针对特定的机前压力设定值变化率，在机前压力设定值的扰动试验中确定，以保证滑压运行时CCS的调节品质。

六、结语

众所周知，对于自动调节系统，优化调节系统参数虽然很重要。但正确、合理地设计调节系统的控制策略更为重要。在某300MW机组CCS试验中发现，采用式(5)为基本结构的汽轮机能量需求信号，不但在调节系统参数整定方面具有很大的灵活性，而且在调节系统快速性、稳定性指标以及调节参数的适应性方面均有较大程度的提高。