制粉系统动态特性对协调控制系统的影响
随着用电结构改变和风电等扰动性电源规模化并网,电网日益依赖于火电机组的调峰、调频能力来消除各种扰动。提高机组对负荷指令的响应速率,降低负荷控制偏差是当前优化机组协调控制系统的核心目标。改善火电机组负荷-压力对象大惯性、大迟延特性是提高协调控制系统品质的难点。由于控制系统的稳定裕量很小,因此易造成因控制器参数整定不当而导致系统振荡,另外为了使被控变量迅速响应设定值变化,需要在控制输入端施加很大的动态过调量,从而使得输出指令超出执行机构的动作范围[1-3]。
机组负荷-压力对象的惯性和迟延主要来自于锅炉制粉系统。对于正压直吹式制粉系统,其纯迟延时间在25 s以上,惯性时间在150 s以上。当机组掺烧灰分、水分较大的劣质煤或煤矸石时,纯迟延时间和惯性时间均会进一步增加[1-2]。优化调整一次风煤配比和增加燃料量使一次风量动态过调是减小制粉系统的迟延和惯性对协调控制系统影响的常用方法。为此,本文对制粉系统控制效果和机理进行分析,为相关先进控制算法的仿真研究提供技术支持,并为同类机组协调控制系统设计提供借鉴。
1 特性分析
某典型600 MW机组负荷-压力简化非线性动态模型微分方程[4-6]为:
模型输入变量有:锅炉燃料量uB,t/h;汽轮机调节阀开度uT,%。输出变量有:汽轮机前压力pt, MPa;机组发电负荷NE,MW。中间变量有:燃烧量rB,t/h;实际进入磨煤机煤量rM,kg/s;汽包压力pd,MPa。
为了满足负荷响应性能指标要求,目前火电机组协调控制系统多采用以炉跟机为基础的反馈控制加负荷指令前馈控制的复合控制策略。在Matlab环境下设计的协调控制系统仿真模型如图1所示。其控制策略为:燃料量控制机前压力,汽轮机调节阀开度控制机组负荷;负荷指令前馈包括静态比例前馈和动态微分前馈,静态比例前馈对应单位发电负荷所需要的燃料量,动态微分前馈用于补偿负荷变化过程中对象动态环节储能的变化量。
图1 典型协调控制系统仿真模型Fig．1 Simulation model of the typical coordinated control system
机组在额定负荷、压力(600 MW,16．7 MPa)且定压运行方式下以2%/min速率下降60 MW,进行仿真试验,以分析制粉系统模型参数扰动对协调控制系统控制器参数及控制品质的影响。模型参数扰动包括2种工况:1)将制粉系统迟延及惯性时间减少30%;2)将制粉系统迟延及惯性时间增加30%。其中,锅炉侧PID控制器参数及前馈环节动态微分参数的整定原则为:汽轮机前压力响应曲线为大小波形式,与设定值的偏差尽量小;锅炉燃料量变化速率小于36(t/h)/min,以保证燃烧稳定。负荷、压力响应曲线及燃料量变化曲线如图2所示。在机组对负荷指令响应性能相同的情况下,对比发现:工况1较基准工况汽轮机前压力波动幅度减小0．09 MPa,而燃料量最大过调量减小12 t/h;工况2较基准工况机前压力波动幅度增加0．11 MPa,燃料量最大过调量增加13 t/h。
图2 不同工况下负荷指令扰动时的仿真曲线Fig．2 Simulation curves of load instruction disturbance experiment under different load conditions
不同工况下控制系统反馈与前馈环节参数对比见表1。当制粉系统迟延及惯性时间比较小时,锅炉主控可以采用更强的比例、积分作用,以快速消除压力偏差,同时可以减小锅炉主控微分作用和负荷指令动态前馈的微分作用,以减少燃料量的波动。
表1 不同工况下控制器参数对比Table 1 Comparison of controller parameters under different operation conditions参数工况1基准工况工况2锅炉主控比例系数46 41 37锅炉主控积分时间/s 7 11 16锅炉主控微分时间/s 3 600 4 600 5 000动态前馈微分时间/s 53 80 106
2 制粉系统模型
大容量机组普遍采用正压直吹式制粉系统,采用N＋1台磨煤机并列冗余方式运行[7]。其典型控制方式为:燃料主控制器将总燃料指令平均分解为各运行给煤机的给煤量指令,通过调节给煤机给煤量控制进入各磨煤机的煤量;根据磨煤机对应的给煤量指令折算得到磨煤机总一次风量指令,由磨煤机入口一次热风挡板控制风量;磨煤机出口一次风粉温度由磨煤机入口一次冷风挡板控制。由于一次风量跟踪给煤量变化,所以机组负荷-压力模型一般不单独将一次风量作为1个输入,而是与给煤量组合统称为燃料量。
从静态角度分析,过量风量并不会产生热量,改变一次风量不会明显影响机组负荷和压力。从动态角度分析,正常运行过程中磨煤机内总是具有一定的存粉量,当给煤量不变一次风量突然增加时,可将部分存粉吹出,使进入锅炉炉膛内的煤粉量增加,从而影响机组负荷和压力。
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