D-E-B400直接能量平衡控制策略

1、D-E-B/400直接能量平衡控制策略來自能量控制中心發(fā)電功率控制發(fā)電機能量需求信號需求限制調節(jié)器節(jié)流壓力控制過量空氣校正放熱量計算鍋 爐汽輪機去燃料輸入去空氣輸入D-E-B/400鍋爐 汽輪機控制鍋爐-汽輪機控制思想 - 23 - 總體概念D-E-B/400在正常運行時采用爐跟機的協調方式，而在故障時采用機跟爐的方式。正常運行時，發(fā)電功率的控制直接施加到汽機調速器，以獲得最佳的功率響應。這種方案是通過采用一種獨特的算法實現的。該算法產生一個正確的能量需求信號（Energy Demand Signal）來協調爐跟機的運行。能量需求信號通過計算汽機第一級壓力與機前壓力之比（P1/Pt）求得。這個

2、壓力比體現了汽機控制閥的有效開度，而P1/Pt與節(jié)流壓力設定值（Ps）的乘積則代表汽機的能量需求。在負荷變化期間，這個信號的動態(tài)補償增加了改變鍋爐儲能所需的瞬態(tài)能量需求?？偟哪芰啃枨蟊凰偷饺剂虾涂諝饪刂葡到y(tǒng)。P1/Pt 能對汽機閥門開度最微小的變化作出反應，不管這個變化是由調速器速度元件還是由負荷控制系統(tǒng)或是由手操引起的。與蒸汽信號不同的是壓力比不受鍋爐擾動的影響，壓力比總是代表正確的汽機能量需求，而且在鍋爐或燃料擾動時仍是一個穩(wěn)定的前饋信號。燃料和空氣量對公共的能量需求信號作出響應。測到的空氣流量與需求相匹配，實際燃燒的燃料量（放熱量）也同能量需求保持一致。由于測量到的燃料量和空氣量與公共的

3、能量需求信號平衡，所以燃料空氣比能得到有效的調節(jié)，燃料量與空氣量相互保持平衡。不管在固定負荷還是變負荷運行時，對燃料空氣比的控制總是連續(xù)的。由于燃料熱值改變以及其它因素引起燃料量的變化，都可以由燃料控制器直接檢測和校正，因此燃料空氣比的控制是有效的。這使得過量空氣與其它主要變量包括功率、機前壓力和溫度等一起保持穩(wěn)定。D-E-B/400與常規(guī)控制策略相比，它在變負荷時響應得到改善，而在固定負荷時運行更穩(wěn)定。由燃料控制器直接平衡能量需求與放熱量（Heat Release）信號，穩(wěn)定了機前壓力。這種精確的能量平衡可以防止在負荷作斜坡變化時機前壓力的超調，因而它能調整得比通常采用獨立的壓力控制器使機前

4、壓力更快的恢復。在鍋爐任一輸入受到限制而不能跟隨需求信號時，需求限制調節(jié)器（Demand Limit Regulator）通過向汽機和鍋爐施加適當的校正作用，保持汽機和鍋爐之間以及鍋爐各輸入之間的平衡。鍋爐不能滿足發(fā)電功率需求時，機前壓力將出現過量偏差，這將通過對汽機適當控制得到校正。值得注意的是D-E-B/400系統(tǒng)與任何形式的發(fā)電功率控制相兼容，其中包括汽機手動調節(jié)。唯一需要的接口是在鍋爐出力受限制的條件下，對汽機調速器進行監(jiān)督調節(jié)。因此，D-E-B/400是一個對鍋爐進行控制和對汽機進行監(jiān)督的系統(tǒng)，它能在各種運行條件下保證安全運行。優(yōu)點概述D-E-B/400是一種綜合的、行之有效的控制策

5、略。它為電廠運行帶來如下重要好處：1、 發(fā)電功率與負荷需求相匹配。2、 有效的燃料空氣比控制。3、 穩(wěn)定主要變量。4、 保安控制。D-E-B/400帶來上述優(yōu)點的主要因素概述如下：n 發(fā)電功率與負荷需求相匹配。在正常固定負荷運行、負荷需求變化以及燃料或鍋爐擾動等各種情況下，通過應用一個獨特的能量需求信號使鍋爐和汽機協調運行。采用D-E-B/400，汽機調節(jié)器自由地使電功率輸出與負荷需求匹配。n 有效的燃料空氣比控制。這是因為無論在固定負荷還是變負荷需求變化和燃料擾動過程中，都是對爐膛中的實際放熱量進行計算，并且直接讓它與能量需求相匹配。n 穩(wěn)定主要變量。D-E-B/400對主要變量電功率MW、

6、含氧量O2、機前壓力以及蒸汽溫度能穩(wěn)定地控制，這是由于燃料控制器同時兼有燃料控制和機前壓力控制兩個功能，從而消除了通常采用獨立的汽壓控制器所產生的不穩(wěn)定影響。主要變量的穩(wěn)定也由于計算的是實際放熱量，這使得供給能量的任何變化立即被校正。最后，由于燃料擾動會使基于蒸汽流量前饋的控制不穩(wěn)定，而能量平衡協調信號則不受燃料擾動的影響，因而控制穩(wěn)定。由于D-E-B/400使主要變量穩(wěn)定，從而提高了電廠和設備的壽命。D-E-B/400用MAX來實現D-E-B/400可以由MAX分散控制系統(tǒng)精確而又方便地實現。MAX為D-E-B/400的控制思想提供了可靠-安全-有效的實施。MAX利用一個先進的操作員/工程師

7、站來強化對電廠的監(jiān)督，該站提供由簡單鍵盤功能進行選擇的彩色圖形和多變量的趨勢。L&N公司開發(fā)了專門的算法以方便地實現其D-E-B/400。例如：能量需求、放熱量以及需求限制調節(jié)器都分別由一種算法實現。D-E-B/400直接能量平衡控制策略P1PT÷×××SPd/dt節(jié)流壓力設定值動態(tài)補償能量需求燃料量需求空氣量需求燃料 / 空氣比能量需求信號能量平衡采用D-E-B/400時，能量平衡是通過直接控制輸入爐膛的能量使之與能量需求信號相匹配而實現的。汽機的能量需要通過改變汽機控制閥的開度獲得，所需的儲能改變由動態(tài)補償提供，送入鍋爐的能量是通過對鍋爐放熱

8、量的連續(xù)計算確定的，直接能量平衡由燃料控制器維持。壓力比汽機的能量需要由兩個部分組成。第一部分是汽機第一級壓力與節(jié)流閥入口壓力（即節(jié)流壓力）之比。這兩個壓力之比測定了節(jié)流閥的有效開度，在節(jié)流壓力設定值為常數時，壓力比正比于汽機需要的能量。壓力比不受送入爐膛能量擾動的影響，因為當送入爐膛的能量變化時，節(jié)流壓力和第一級壓力測量值都與之成比例變化，因而它們的比值并不改變。與之相反，單單基于第一級壓力的前饋信號（即汽機蒸汽流量）在燃燒側擾動時是正反饋信號，它將使得燃燒朝著錯誤的方向改變，從而使機組控制趨向不穩(wěn)定，使主要變量發(fā)生很大波動?；赑1 和Pt的能量平衡信號，使得在鍋爐擾動的情況下控制穩(wěn)定。例

9、如，如果由于鍋爐供給能量的自發(fā)性減少而使得第一級壓力降低，這時功率控制系統(tǒng)將開大汽機閥門，使之與機組輸出設定值相適應。這將使得壓力比增加，從而使鍋爐輸入能量相應增加。壓力比前饋信號的使用使控制穩(wěn)定，從而使主要被控制變量穩(wěn)定。汽機能量需求的第二個部分是節(jié)流壓力設定值。壓力比乘以這個設定值提供了負荷與汽機閥門位置之間正確的增益值。汽機能量需求表示為：(P1 / Pt )* Ps 其中P1 為汽機第一級壓力Pt 為實際機前壓力PS 為節(jié)流壓力設定值動態(tài)補償鍋爐儲能隨負荷增加而增加。如果當負荷改變時，燃料率除適應負荷改變外，再增加儲能改變所需的量，則蒸發(fā)量將更加緊密地適應能量需求，而蒸汽壓力將更加緊密

10、地趨近設定值。動態(tài)補償提供了所需要的過燃（overfiring）。在定壓運行時，動態(tài)補償基于汽機能量需求的變化率。動態(tài)補償使燃料率的改變量與鍋爐儲能的改變量相等。這個鍋爐儲能的改變量是由于蒸汽流量變化引起的。P1PT÷××SPd/dt能量需求算法能量需求能量需求信號能量需求信號基于壓力比與機前壓力設定值的乘積，再加上動態(tài)補償以適應負荷改變所引起鍋爐儲能改變的需要。在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)過程中，能量需求均要求所需要的精確的能量輸入。能量需求信號無論在穩(wěn)定負荷或負荷變化過程中以及在燃料和鍋爐擾動過程中均提供對鍋爐和汽機的有效協調。能量需求信號的精確而又簡單的構成在MAX分散控制

11、系統(tǒng)中，一個功能很強的算法庫用于實現系統(tǒng)組態(tài)和精確實現鍋爐控制策略。能量需求信號只用一個算法實現。D-E-B/400直接能量平衡控制策略P1PD×d/dt能量需求燃料量需求空氣量需求燃料 / 空氣比d/dt燃料控制第一級壓力汽包壓力放熱量放熱量算法放熱量放熱量計算輸入能量必須同能量需求相匹配。有很多變量影響輸入的能量，例如當燃煤時：n 燃煤的熱值會發(fā)生變化。n 磨煤機的響應不恒定。n 爐膛中實際能量釋放發(fā)生在輸入燃料流量變化被觀察到之后。油和天然氣的流量測量儀表可以準確測量送入爐膛的燃料流量，然而儀表不能辨認在穩(wěn)態(tài)或動態(tài)能量輸送過程中慣性的變化。由于這些原因，Leeds &

12、Northrup采用了放熱量計算。爐膛中放熱量可以由兩個測量值導出，其中一個測量值是輸入汽機的能量，而另一個是儲能的變化。這兩個測量值的總和就是輸入能量。汽機第一級壓力與輸入汽機的能量成正比，因此第一級壓力的測量值為放熱量中的穩(wěn)態(tài)成分儲能的變化可以由汽包壓力變化率確定，當儲能增加時汽包壓力變化率為正值，降低時則相反。當儲能穩(wěn)定時汽包壓力的變化率等于零。因此，放熱量為：P1+ PD其中P1 為第一級壓力 PD為汽包壓力變化率L&N已經把基于放熱量測量的控制方法應用于200多臺鍋爐-汽輪機機組上，這些機組使用各種形式的燃料，包括煤、油、天然氣和廢氣。L&N放熱量計算的優(yōu)點：n 測量

13、所有燃燒的燃料量。n 能辨認和校正燃料質量的變化。n 在穩(wěn)定負荷和在負荷變化過程中均能維持燃料-空氣比。n 測量實際燃燒的燃料量而與燃料輸送系統(tǒng)的響應無關。實現采用MAX分散控制系統(tǒng)，放熱量計算可以方便地由一個控制算法實現。D-E-B/400直接能量平衡控制策略P1PT÷×SPd/dt節(jié)流壓力設定值PDP1燃料控制節(jié)流壓力汽機第一級壓力能量需求 = 放熱量汽包壓力汽機第一級壓力圖1機前壓力控制目標D-E-B/400控制思想目標是以一種反應迅速而又穩(wěn)定的方式，使鍋爐燃料輸入與汽機能量需求相匹配，并且不會產生機前壓力的超調或振蕩。常規(guī)鍋爐控制系統(tǒng)在持續(xù)的負荷變化下會出現超調和振

14、蕩，這是因為機前壓力控制器和燃料控制器是以串級控制的方式工作的。任何持續(xù)的節(jié)流壓力偏差（在負荷變化過程中會出現）都會導致機前壓力控制器輸出飽和。D-E-B/400則能消除這個缺點，從而提高了整個電站控制的性能。能量需求=放熱量P1*PS / PT = P1+ PDP1汽機第一級壓力PD汽包壓力變化率PT節(jié)流壓力PS節(jié)流壓力設定值圖2能量平衡當機組裝備了特別適合于經濟調度控制的D-E-B/400控制系統(tǒng)后，機組的實際發(fā)電功率將緊密地與計劃發(fā)電功率保持一致。放熱量計算在全負荷范圍內都是線性的。這使得裝備D-E-B/400系統(tǒng)的機組更適于周期性運行和低負荷運行。由于放熱量計算準確而且具有動態(tài)校正，因

15、此空氣流量能夠更準確地與燃料需求相匹配，易于實現恒定的過量空氣。這就使得機組可以在較低的過量空氣下運行，從而提高了鍋爐熱效率，并使蒸汽溫度控制得到顯著的改善。運行如圖1所示，D-E-B/400使放熱量計算值與能量需求相匹配。能量需求信號已在“能量需求信號”應用說明書中討論。概括地說，能量需求可以表示為汽機第一級壓力與機前壓力之比與機前壓力設定值的乘積。放熱量計算已在“放熱量計算”應用說明書中討論。放熱量計算是由汽機第一級壓力（代表輸入汽機的能量）加上汽包壓力變化率（代表鍋爐儲能的改變）組成。能量平衡燃料控制器將汽機能量需求的計算與鍋爐放熱量計算值相比較。圖2表示燃料控制器的功能。等號右邊的放熱

16、量計算同等號左邊的能量需求信號相比較。如果機前壓力低于它的設定值，則比值PS / PT將大于1。由于第一級壓力P1 出現在方程式兩邊，因此只有獲得汽包壓力的正向變化率，方程式才能平衡。換句話說，要恢復機前壓力必須過燃（即燃燒率過調）。注意只要過燃量使關系式平衡，即使存在機前壓力偏差，控制器仍能保持平衡。當機前壓力接近它的設定值時，過燃量即減少，這意味著該結構是自阻尼的。當機前壓力等于設定值時，這時就不存在過燃，鍋爐在沒有超調、沒有任何震蕩（這里指壓力和功率）的情況下穩(wěn)定在設定值運行。D-E-B/400直接能量平衡控制策略空氣流量放熱量空氣流量控制燃料控制燃料 / 空氣比空氣量需求燃料量需求節(jié)流

17、壓力設定值d/dtSP×××÷PTP1過量空氣校正過量空氣校正送入爐膛的燃料不能完全燃盡就會降低鍋爐的效率，然而過多的過量空氣將增加煙氣量和排煙損失，這也會使鍋爐的效率降低。當蒸汽溫度與設計值保持一致時，總體能量可以得到提高。為了達到最佳的蒸汽溫度，需要頻繁的設定過量空氣的設定值，所以對應于最高效率的合適的過量空氣量是許多因素的函數。一旦確定了希望的過量空氣校正值，重要的問題就是要使得實際的過量空氣量與需求值緊密地保持一致。由于放熱量計算保證了對燃料精確的動態(tài)調節(jié)，因此能量需求信號可以作為空氣流量的需求，過量空氣校正加到這個能量需求信號上，這個校正將煙氣

18、中的氧量或 一氧化碳含量維持在設定值。D-E-B/400獨特的燃料輸入測量方法保證對過量空氣的“緊”控制，“緊”控制可以使得機組在接近理想的狀態(tài)連續(xù)運行，這樣就提高了機組的整體效率，即使在機組負荷變化過程中也是這樣。最小空氣流量國家防火協會(NFPA)要求最小的空氣輸入量為滿負荷的25%。D-E-B/400能自動維持這個最低值，并保持過量空氣校正的平衡和跟蹤，這就保證了自衡無擾切換。當低于最小空氣流量運行時，過量空氣自動校正即被禁止。D-E-B/400直接能量平衡控制策略SP需求限制調節(jié)器（DLR）需求限制調節(jié)器去汽機調速器需求鍋爐需求ffaaLHOROR 鍋爐需求去汽機調速器faa能量限制調

19、節(jié)器×空氣流量放熱量空氣流量控制燃料控制燃料 / 空氣比空氣量需求燃料量需求×節(jié)流壓力設定值d/dt×÷PTP1需求限制調節(jié)器D-E-B/400通過需求限制調節(jié)器在異常情況下保持鍋爐各輸入流量以及鍋爐和汽機之間的平衡，從而提高了設備的安全性和可靠性。這種附加的保護適合于應付諸如失去風機或其它影響輸入必要的燃料和空氣進入鍋爐的能力的情況，這個保護是通過直接測量不平衡來實現的，而不是通過設備的限位開關或狀態(tài)觸點。在正常運行工況下，燃料和空氣的輸入流量與能量需求信號相平衡，從而它們之間相互平衡。在異常工況下，當被控設備受到限制時就不可能調節(jié)流量使它與需求平衡，

20、這時就必須調節(jié)需求使它與受限制的能量相匹配。在這種方式下，所有的流量都與限制的流量相平衡。當流量的大小和變化率由于某種原因而受限制或者由于輔機跳閘而失去時，這種保護是必不可少的。當任一流量偏差值達到允許的界限時，需求限制調節(jié)器（DLR）的輸出就立即改變至與受限制的流量相匹配，使偏差限制在允許界限內。這個動作也去調節(jié)其它相關的流量使之與受限制的流量相平衡?？梢杂靡粋€例子來說明這種平衡保護。假定由于某個風門擋板被卡住而使空氣流量不能增加，當這個流量限制導致空氣流量與燃料量偏差達到預先設定的允許界限時，需求限制調節(jié)器就去控制燃料量使之與受限制的空氣流量相匹配。當發(fā)生了由于一臺風機跳閘而使空氣流量大量

21、減少這一個更嚴重的情況時，DLR將隨著實際空氣流量的減少而降低需求信號，使燃料流量降至與實際空氣流量相適應，燃料流量減少的速率與空氣流量減少的速率是相同的。在上述各種情況下，前面所討論的僅限于在鍋爐異常情況下多個鍋爐輸入流量之間的相互平衡。另一個最基本的要求是要在各種運行工況下，即無論是正常工況還是異常工況下，使鍋爐與汽機保持平衡，以及當出現鍋爐某個輸入流量受到限制的異常工況時，DLR也能保持鍋爐/汽機的平衡。在正常運行工況下，需求限制調節(jié)器對那里沒有影響。然而當由于鍋爐輸入流量受限制而由DLR建立需求信號時，汽機將按照使能量需求信號等于由DLR建立的鍋爐流量受限制的需求信號的要求運行。這樣，

22、在正常運行工況下鍋爐/汽機的平衡是通過對鍋爐的調節(jié)維持的。而在異常工況下，即當鍋爐流量受限制時，鍋爐/汽機的平衡是通過調節(jié)汽機維持的。該系統(tǒng)的獨到之處在于它不是依靠設備的限位開關或狀態(tài)觸點提供保護性限制和自動減負荷（run-back）動作，它對任何阻止燃料、空氣或給水跟隨相應的需求信號的限制提供保護。D-E-B/400直接能量平衡控制策略發(fā)電功率控制和汽機閥門的線性化圖1“以前”-僅采用常規(guī)浮動的控制的發(fā)電功率響應50 100 150 200 250 300 350 MW起始9:23 AM停止10:15 AM起始10:42停止11:00保持3小時11分2:31PM開始下降3:24PM停止要點l

23、 優(yōu)化汽機響應l 消除電功率超調l 補償鍋爐擾動l 維持按計劃發(fā)電l 減少鍋爐擾動l 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性問題大多數能量管理中心（Energy Management Center）通過向被控的汽機發(fā)出增加/減少脈沖信號改變負荷，這些脈沖信號發(fā)送到汽機參考負荷（轉速變換器，同步器）馬達，直到已觀察到希望的發(fā)電功率變化。這種浮動控制方式具有多個缺點。首先，汽機閥門實際位移與負荷參考馬達的位移是不一致的，它與死區(qū)、閥門工作和滯后等因素有關。因此發(fā)電功率的實際變化與給出的控制脈沖也不一致，而且無法預測。其次，當負荷參考馬達移動后，要經過相當長的延遲，發(fā)電功率才達到最終穩(wěn)態(tài)值。該延遲對于有中間再熱器的機組則更

24、為顯著。發(fā)電功率響應的延遲引起超調，從而可能把不穩(wěn)定因素引入電網和鍋爐控制。第三，在負荷變動時，當節(jié)流壓力偏離設定值而后的恢復過程中，會造成發(fā)電功率的過校正。一個采用浮動控制方式的機組的典型發(fā)電功率響應如圖1所示。這種不應有的動作降低機組的熱功率，并使得按電力系統(tǒng)計劃發(fā)電更為困難。建立發(fā)電功率需求汽機調速器的非線性影響可通過加入發(fā)電功率控制進行補償，如圖2所示。從能量管理中心來的加/減脈沖被累計后產生一個期望的發(fā)電功率值，它與由操作員調整的最高、最低負荷限值進行比較，然后再與設定的最大變化速率相比較。這些限值是為了保證發(fā)電功率的改變保持在機組及其輔機的變負荷能力范圍之內。系統(tǒng)頻率偏差是以與調速

25、器的不等率特性一致的方式引入，這個頻率偏置能防止功率控制超弛正常調速器的作用，從而使得機組仍能按參考頻率調節(jié)。在某些裝置中，對最大變化率進行動態(tài)控制，使之與瞬態(tài)工況相匹配。例如蒸汽壓力和溫度的偏離可以施加一個預先選定的較慢的變化率直到偏離消除。此外，在某些裝置中，操作員設定的限值可以通過遠方終端單元（Remote Terminal）送到能量管理中心。125MW鍋爐需求150MW最高負荷限制50MW最低負荷限制18MW/分125MW實際發(fā)電功率汽 機鍋 爐增加減少發(fā)電功率需求信號系統(tǒng)頻率從能量管理中心來的脈沖信號圖2 發(fā)電功率需求信號的產生汽機閥門的線性化實際的發(fā)電功率通過常規(guī)的三功能控制器的作

26、用與發(fā)電功率需求相匹配。三功能控制器參數可以通過校準而與機組響應相匹配。需求信號作為一個很強的前饋信號以保證汽機閥門的快速響應。發(fā)電功率控制器輸出作為第一級壓力控制的設定值，第一級壓力控制器根據需要移動汽機閥門以獲得合適的過程反饋。汽機閥門的任何非線性都被克服了，汽機可直接改變到要求的負荷。這種控制有效地將汽機閥門組件變成如同一個簡單的線性閥門。汽機閥門線性化的結果為圖4所示，它是真實的現場測試數據，所測試的調速器就是圖1中所用的那個。圖4 “以后”- 與圖1同一系統(tǒng)，但采用了L&N線性化控制后的發(fā)電功率響應50 100 150 200 250 300 MW起始9:55 AM11:07

27、開始下降11:47停止PIDTPI發(fā)電功率需求汽機跟蹤方式汽機第一級壓力機組發(fā)電功率去負荷參考馬達的脈沖信號汽機閥門驅動器圖3 汽機閥門線性化的實現圖3 汽機閥門線性化的實現去負荷參考馬達的脈沖信號機組發(fā)電功率汽機第一級壓力汽機跟蹤方式D-E-B/400直接能量平衡控制策略P1PT÷×SPd/dt節(jié)流壓力設定值×燃料量需求空氣量需求燃料 / 空氣比燃料控制空氣流量控制放熱量空氣流量×需求限制調節(jié)器aaf去汽機調速器鍋爐需求d/dt負荷動態(tài)補償PT變壓運行圖1 D-E-B/400控制儲能管理（如圖2）所示當機組在恒定的節(jié)流壓力下運行時，負荷每變化1%，鍋爐

28、的汽包壓力必須改變3個PSI（磅寸2）（節(jié)流壓力為2500PSI）。然而，當機組在變壓方式運行時，負荷每改變1%，汽包壓力必須改變40PSI，而且要求必須迅速達到，以使負荷需求斜坡改變，結束時不造成超調。一個有效的控制策略變壓運行時的D-E-B/400控制策略如圖1。節(jié)流壓力的設定值根據負荷確定。操作員能夠對斜率、最低限值和最高限值的設定值進行調整。一個增加的壓力斜坡信號需要較大量的過熱。對于一個下降的壓力斜坡信號則相反。過燃量的大小取決于要求的壓力變化率以及過程時間常數。需要對鍋爐的能量輸入進行適當的控制，以防止在壓力斜坡改變時過度地超調，既要使得節(jié)流壓力維持在要求的斜坡設定值，同時要提供適

29、當的功率響應是困難的。因此，如何組織控制系統(tǒng)使它能夠避免在斜坡信號結束時壓力超調，這一點很重要。D-E-B/400具有在變壓和定壓運行下優(yōu)化動態(tài)補償的能力。取消常規(guī)的節(jié)流壓力調節(jié)器可以避免在斜坡結束時壓力超調。節(jié)流壓力由燃料控制器控制，該控制器能夠使放熱量始終直接與能量需求相匹配。流體和熱量分布的管理根據未加控制的蒸汽溫度在節(jié)流壓力斜坡變化時的特性，單采用常規(guī)的反饋控制技術不能滿足要求。在壓力斜坡變化時，與之相關的未加控制的蒸汽溫度如圖3所示。要控制這個溫度必須采用強的和合理選擇的前饋信號。在起始段，過熱會使得蒸汽溫度上升，然而，當斜坡信號繼續(xù)作用時，飽和蒸汽的潛熱和焓值的減少將比過熱的影響更

30、大，其結果使得蒸汽溫度長時期降低。蒸汽溫度前饋信號的效果D-E-B/400通過引入節(jié)流壓力設定值變化率和汽包壓力等主要前饋信號，改善了主蒸汽溫度的控制。這些前饋控制信號及其對蒸汽控制的效果如圖4所示。小結D-E-B/400為變壓運行提供1. 鍋爐與汽機的最佳協調2. 發(fā)電功率與能量需求的匹配3. 穩(wěn)定節(jié)流壓力控制4. 改善蒸汽溫度控制 直接能量平衡法（DEB）協凋控制系統(tǒng)分析 中國電力科學研究院 李希武 摘要：從單元機組控制系統(tǒng)設計的基本方法和思路出發(fā)，介紹DEB協調控制系統(tǒng)的結構、基礎概念和主要特性，通過系統(tǒng)的動態(tài)行為分析，闡述單向解耦、主蒸汽壓力穩(wěn)定性和負荷適應性的機理，認為DEB這一控制

31、策略是火電廠自動化的基礎，對于保證機組穩(wěn)定、可靠、安全經濟運行，提高利用率和延長壽命都有很重要意義，經濟效益明顯。 關鍵問：協調控制；直接能量平衡；負荷要求；熱量信號隨著電網容量擴大和對電能質量要求的提高，對電力系統(tǒng)自動發(fā)電控制（AGC）的要求日益迫切。圓滿解決AGC問題的基礎在于單元機組負荷控制。單元制結構引入火電廠半個多世紀以來，其自動控制一直是關注的焦點。但最巧妙、最完滿的解決方案是MCS公司（即前LN公司）發(fā)明的、聞名于世的直接能量平衡（DEB）協調控制系統(tǒng)。它于1957年由L&N首次提出，經20多年改進和完善，最終的DEB系統(tǒng)稱DEB/400，于80年代初形成?，F在DEB/5

32、00則把協調范圍擴大到整個發(fā)電機組的異常工況和啟仃工況。除滿足電力系統(tǒng)發(fā)電控制需要外，更為了滿足發(fā)電機組運行的可靠性、安全性、運行壽命和最佳化要求及環(huán)境保護要求?，F在，為解決發(fā)電廠自動化問題，過程工程師們擁有2套強大的工具：第1套是實現自動化的物質手段，是硬件，即DCS；第2套是一種控制策略，是軟件，即DEB。這2D技術是半個世紀以來，在火電廠自動化領域取得的最大成就，它們構成了當前火電廠自動化的基礎。關于DCS的應用，幾年來已有較多文章介紹并已普遍接受；關于DEB的認識，還遠遠未達到應有的高度。本義在這方面提供一些分析，拋磚引玉，以期對火電廠自動化發(fā)展起到一定的促進作用。1 單元機組協調控制

33、系統(tǒng)設計的基本思路保持運行參數穩(wěn)定是保證發(fā)電機組運行安全性和經濟性的基本措施，采用能量（物質）平衡方法是設計控制系統(tǒng)的主要途徑，而其實現方案可以在保持兩兩平衡的基礎上輔之以校正信號或漸衰信號。單元機組控制系統(tǒng)設計的困難，在于它是一個具有強烈交叉影響的雙輸入雙輸出系統(tǒng)，負荷和主蒸汽壓力控制相互依賴、相互制約，很難達到雙滿意。古典控制理缺乏多變量系統(tǒng)綜合的直接方法。解決問題的途徑有2種基本思路：一是實現“汽輪機跟蹤”或“鍋爐跟蹤”以達到能量平衡；二是采用補償陣解耦的方法（前補償陣或后補償陣），變多變量系統(tǒng)為單變量系統(tǒng)，達到自治。仿真分析和應用研究表明，2種思路都是可行的，但也存在較大缺點?！板仩t跟

34、蹤”系統(tǒng)的負荷適應性較好，但主蒸汽壓力的穩(wěn)定性無法保證；相反，“汽輪機跟蹤”可保持主蒸汽壓力穩(wěn)定，但負荷適應性較差。采用前補償器的系統(tǒng)，被調參數可保持得較穩(wěn)定，但控制機構動作頻繁、幅度較大；相反，后補償器系統(tǒng)控制機構動作較穩(wěn)定，但被調參數不一定能保持。所以最終方法是在上述2種思路的2種方案基礎上增加輔助信號，實現控制作用的組合、協調或再采用某些極限限制措施，通稱為協調控制，實質是一種折衷的解決方案?？梢哉J為，這2種系統(tǒng)設計思路的方向是明確的、但缺乏確切的量化概念，具有較多的技巧成分和一定的主觀隨意性，系統(tǒng)的調試整定變成一種漫長的、不斷摸索、改進的過程。隨著現代控制理論的發(fā)展，人們嘗試采用最佳控

35、制理論的方法。例如，一種帶有觀察器的、具有前饋、反饋信號的綜合系統(tǒng)，一種具有動態(tài)補償器的極點配置設計方造及其他一些最佳控制方法都被提出來，也獲得了一定結果。但這種解決方案過于復雜，并不直觀簡捷，也不便于掌握應用，不是真正實用的解決方案。2 基礎概念 雖然DEB這一名稱和其所采用的方法仍是能量平衡，但這里所說的能量平衡具有更深刻的機理。它是建立在下述3個基本概念基礎之上的。第一，P1/PT，汽輪機第1級汽壓對主蒸汽壓力之比作為調速器閥門開度的有效測量值。實驗證明，這一比率在汽輪機運行范圍內具有線性特性，而且由于這一測量值直接取自汽輪機工藝機理本身，而不是人為構成的閥位信號，不會受到閥門本身的非線

36、性和其他機械問題影響，也不會受鍋爐側的任何擾動或燃料系統(tǒng)存在問題的影響，因為在這種擾動下，第1級的汽壓和主蒸汽壓力變化是成比例的，比值不變。第二， PS·P1/PT，汽壓比值乘以主蒸汽壓力定值，表示汽輪機向鍋爐索求能量的需求信號。這一信號建立了汽輪機負荷和調速門開度之間正確的比例關系，不受鍋爐側擾動影響、不論在恒定負荷或負荷改變時還是常壓運行或滑壓運行時，都是正確的，它為鍋爐和汽輪機之間的協凋提供了一種有效手段。在DEB系統(tǒng)中，它用作燃料控制器的給定值。PI2DPI1BDQDQ=P1+ dPd / dt-+-PSNSNPTDT=P1 / PT圖2 DEB協調控制系統(tǒng)動態(tài)方框圖PI調節(jié)

37、器； D=d/dt-微分器；相應部分的動態(tài)環(huán)節(jié)第三，P1+dPd/dt，熱量釋放信號或簡稱熱量信號，它用第1級汽壓P1加上鍋爐蓄能變化（用汽包壓力Pd 的微分表示）來測量，間接代表了進入鍋爐的燃料量（和相應風量）測量。不管燃用何種燃料，這種測量都是正確的，它可反映燃料數量的改變，同時也反映出燃料成份的改變，包括其發(fā)熱量的改變。燃料輸送系統(tǒng)的機械故障也可獲得快速反映。正像能量需求信號必須免除鍋爐擾動的影響一樣，熱量信號也必須免除汽輪機側擾動的影響，以確切表述鍋爐供應的能量。事實情況也正如此，汽門開大時，P1升高，汽包壓力卻在減少，兩者正好平衡，熱量信號不變，這表示汽輪機閥門的動作對熱量信號沒有影

38、響。PID/dtPIDPID×÷PIDD/dtSPSPMINMAXROC發(fā)電功率第一級汽壓需求功率系統(tǒng)頻率需求負荷第一級汽壓主汽壓力動態(tài)補償頻率偏置熱量釋放汽包壓力空氣流量PID第一級汽壓脈沖LDO煙氣含氧量汽輪機負荷給定值去燃料調節(jié)機構去送風調節(jié)機構圖1 DEB協調控制系統(tǒng)原理圖這3個概念的提出不單是豐富實際經驗的總結升華，也是對過程機理深刻分析的理論創(chuàng)新。所謂“直接能量平衡”（DEB）正是指的鍋爐“熱量釋放”應該和機組能量需求相平衡，即P1+dPd/dt = PS·P1/PT (1)這一公式是DEB協調控制系統(tǒng)的核心內容和設計基礎。LN公司最終推薦的DEB協調

39、控制系統(tǒng)示于圖l，稱為DEB/400。正像該圖所示的那樣，汽輪機負荷控制系統(tǒng)和送風控制系統(tǒng)兩者都采用了串級結構，包括粗調控制層和細調校正層2級。至于燃料控制系統(tǒng)，除具有式(1)表述的基本內容外，還有2個特點：第一，它沒有引入PT這一細調控制校正信號，對此在下面的分析中再作說明；第二，系統(tǒng)中增加了一個“能量需求”的微分信號，它是作為“動態(tài)補償”用的。負荷增加時，鍋爐蓄能也將增大，所以必須加強燃燒，滿足這種蓄能變化需要。此外，在DEB/400中還有一負荷限值調節(jié)器（DLR），在圖上未表示，它在機組處于異常工況時對關鍵控制回路進行協調以保證運行的安全性。3 動態(tài)行為分析單元機組和其DEB控制系統(tǒng)的連

40、接用圖2所示的動態(tài)結構框圖表示。機理分析和試驗研究表明，單元機組的工藝流程可分解為燃料輸送、燃燒和傳熱過程，鍋爐汽包，過熱器和管道的蓄熱過程及再熱器蓄熱過程等環(huán)節(jié)。鍋爐釋熱量或熱量信號DQ以往常用 D+Pd/dt表示，D的測量具有平方關系，且還有參數校正問題。在DEB系統(tǒng)中，它用P1+dPd/dt測量，P1的變化與負荷成正比，可相當正確地代表負荷量。為獲得數量概念，現把望亭發(fā)電廠燃油直流鍋爐300MW單元機組動態(tài)特性試驗數據擬合的傳遞函數列舉如下： dDQ/dB = k1/(1+20S)； dPT /dDQ = k2/(1+100S)； dPT/d=-k3(1+20S)/(1+100S)； d

41、DT/dDQ=1/(1+100S)； dDT/d= k5100S/(1+100S)； dN/dDT =k6(1+3.4S)/(1+100S)； dDQ/d=0環(huán)節(jié)中均有一個時間常數為100S，汽包鍋爐蓄熱容量較大，這一時間常數可能達到130S，甚至150S。對于燃煤鍋爐，環(huán)節(jié)中可能會含有25S。的煤量輸送延遲。第一，從形式上看，燃料控制系統(tǒng)的控制對象是鍋爐熱負荷，不是主蒸汽壓力PT，系統(tǒng)中也無單獨存在的PT信號，但實質上，這一控制回路是為控制PT服務的，能最終保持PT恒定。該控制器的任務是保證式（l）成立，由此PS·P1/PT-(P1+dPd/dt)=0，在穩(wěn)態(tài)下，dPd/dt=0，

42、故PS·P1/PT= P1/PT(PS-PT)=0即PT=PS 。而且PT的偏差信號還乘了一個與負荷成正比的系數P1/PT，這表示控制作用將與負荷成正比變化，這有利于PT控制的進一步穩(wěn)定。第二，框圖中環(huán)節(jié)特性表明燃料控制B和汽輪機閥門控制同時對負荷N和PT都有強烈的作用，即相互間有強烈的交叉影響。但在DEB的燃料控制回路中沒有引入PT信號，而對DQ信號卻毫無影響。這表明對燃料控制回路不產生任何作用，從而實現了單向解耦，更進一步，這一單向解耦把一個具有雙輸入雙輸出的多變量系統(tǒng)化解為一個以燃料控制器為內環(huán)，以負荷控制器為外環(huán)的雙回路串級系統(tǒng)，這一化解對實際工作具有重要意義，使得DEB系統(tǒng)

43、的整定變得非常簡單、明確、快捷。?，F單變量系統(tǒng)的方法可繼續(xù)采用，對DEB系統(tǒng)，它包括下列4個步驟：第1步，調整熱量信號P1+dPd/dt，方法是調整兩者的關系，使在汽輪機閥門擾動下，該信號動態(tài)為0；第2步，整定內環(huán)；第3步，調整微分信號d(PS·P1/PT)/dt，使PT的動態(tài)偏差盡可能小，而燃料的過調又仍未超出設備條件所允許的范圍；第4步，整定外環(huán)，外環(huán)的等效控制對象包括在圖2虛線之內的部分，可看成一階非周期環(huán)節(jié)。無論內環(huán)或外環(huán)的等效控制對象都相當于一個快速反映的一階非周期環(huán)節(jié)，而信號d(PS·P1/PT)/dt則不包含在燃料控制系統(tǒng)的閉合回路之內，所以系統(tǒng)的調整、整定將

44、是直觀、方便的，不存在任何困難。 第三，單元機組的協調控制系統(tǒng)的主汽壓穩(wěn)定性和負荷適應性這一對最基本、最主要的矛盾在DEB系統(tǒng)獲得取完滿的解決。 主蒸汽壓力的穩(wěn)定性是依賴于燃料控制器這一快速反映的回路得到保證的。它的控制過程很短，早早就可結束，這時主蒸汽壓力的變化過程還遠遠沒有結束，但負荷達到平衡，大局已定，完全可以不必再去操心主蒸汽壓力，任憑它自然地、緩緩地恢復，最后達到給定值。鍋爐蓄熱過程（時間參數達到 100S或更長）就像一個強大的高頻、濾波器，對PT的變化起一個平滑作用。當燃料系統(tǒng)側有任何擾動時，不等PT發(fā)生變化，燃料控制器就自動地、及時將它們消除，這就是主蒸汽壓力穩(wěn)定機理。汽輪機閥門

45、跳躍變化會直接導致主蒸汽壓力的微小跳躍變化，這一客觀存在的特性，任何控制器都來不及去克服，所以在實際運行中，要求負荷增減只能按一定速率變化，不允許跳躍改變。至于負荷適應性的提高，除得到快速反映的燃料系統(tǒng)保證外，還有賴于下述2個動態(tài)環(huán)節(jié)的作用，一個是在方框圖中環(huán)節(jié)所代表的鍋爐蓄熱的利用；另一個就是要求負荷PS·P1/PT的微分信號所引發(fā)的鍋爐強化燃燒，而且這一微分信號的整定參數可視主蒸汽壓力控制的需要和鍋爐燃燒條件允許范圍按意愿選擇?？梢哉f，以上3點DEB系統(tǒng)構思的獨到之處，都是在實施式(1)這一控制策略后所產生的效果，式(1)是DEB系統(tǒng)的核心。4 功能擴展 DEB系統(tǒng)把內在聯系非常

46、緊密的汽輪機負荷需求和鍋爐熱量釋放兩者在概念上進行了清晰區(qū)分，在實施上又非常巧妙地找到了測量這2個量的具體方法，兩者之間沒有相互干擾影響。有負荷改變要求時，通過這2個信號的傳遞，把汽輪機負荷要求迅速反映到鍋爐；沒有負荷改變要求時，各自的內擾由各控制器自行消除達到自治，系統(tǒng)工作平衡。 鍋爐和汽輪機間的能量平衡是單元機組一切平衡的基礎，主蒸汽壓力穩(wěn)定是機組一切關鍵參數（包括主蒸汽溫度、汽包水位、煙氣含氧量等）穩(wěn)定的基礎。大局平衡、穩(wěn)定是單元機組運行的核心問題和主要矛盾。DEB系統(tǒng)解決了單元機組運行這一主要矛盾，所以它是單元機組自動化的基礎。運行和參數穩(wěn)定了，機組運行的可靠性和經濟性都可大大提高。D

47、EB系統(tǒng)不但保證正常運行范圍內的協調，而且還通過DLR保證異常工況下的協調。必要時可根據自身條件控制負荷增減，以保持各種條件下的平衡，包括運行方式改變、輔機撤出運行的負荷限制、甩負荷等，毋需運行人員干預，實現無擾自動切換。 DEB/500則更進一步把鍋爐汽輪機的協調整合為全廠范圍的控制策略，除以上介紹的內容外，還包括以下3個主要方面；（l）電廠評估監(jiān)視，提供設備“健康水平在線校核”及運行性能評估；（2）過程限制協調，計算暫態(tài)過程最高和最低負荷限值，負荷變化最大允許速率限值，實時計算設備的可用率；（3）電廠啟停自動化協調，提供用于電廠主要輔機啟動和停機的、具有專家水平的運行經驗指導，包括風機、水

48、泵、磨煤機和小汽輪機等?；谝陨戏治龊蜌w納可看出，DEB系統(tǒng)已從單純作為負荷和主蒸汽壓力控制協調的基礎上擴展到整個運行范圍，從正常運行工況到異常運行工況及啟停工況，以保持機組健康水平和優(yōu)化運行，提高機組可用率和延長運行壽命。5 經濟效益估計 DEB系統(tǒng)的實現將從下列幾方面帶來經濟效益，即提高機組效率，降低燃料費用；提高機組可用率；提高負荷適應性；延長設備壽命；降低運行費用。 MCS公司提供的經濟分析表明：一臺周期啟停運行的500NW單元機組采用DEB系統(tǒng)改進控制后，每年運行費用的節(jié)省可達80150萬美元?，F對國產300MW機組的運行情況進行類似分析，從下列3方面著手進行：(1) 關鍵參數穩(wěn)定和

49、風煤比的有效控制。以望亭電廠14號機組（300MW）獲得的數據作為例子。熱耗計算的經驗公式為：HR2,185+49,847/Nkcal/(kw·h)假定負荷因子為80%，其熱耗或煤耗將為：HR2,18549,847/(300x0.8) 2,392.7341.8l g(kw·h） 降低過熱汽溫和再熱汽溫的控制誤差各5，提高允許的運行溫度各5時，對機組熱耗的改善分別為0.103和0.107%。降低主蒸汽壓力控制誤差，提高其定值1kg/cm2?？筛纳茩C組熱耗約0.0467。在符合環(huán)保要求條件下，降低煙氣含氧量1%，可改善機組熱耗約0.215。4項合在一起的熱耗降低為0.472，由

50、此可計算出每年標準煤的節(jié)省約為3,391.2 t，按市價標準煤的價格可估計為500元/ t，由此每年燃料費的節(jié)省大約為170萬元。(2)降低事故停機時間，提高機組可用率。設每年累計多運行1d，即每年累計多發(fā)電量720萬kw·h，按電價0.40元/(kw·h）計算，則每年增發(fā)電量的經濟效益為288萬元。(3)降低在負荷急劇變化下暫態(tài)過程的熱應力，以保護設備，延長運行壽命。一臺300MW發(fā)電機組的造價假定15億元，設計壽命為30a，延長壽命1a相當于減少設備消耗的經濟效益為5,000萬元。按30a平均，每年設備費的節(jié)省約167萬元。從以上3方面衡量，DEB協調控制系統(tǒng)采用后，一

51、臺300MW機組年經濟效益約為625萬元。6 結束語DEB協調控制系統(tǒng)是通過對單元機組運行機理的深刻分析。在豐富的實踐經驗基礎上總結提出的一種綜合控制策略，解決了機組運行大局和平衡大局穩(wěn)定問題，既保證了主蒸汽壓力穩(wěn)定，又大大提高了機組負荷快速跟蹤的適應性，是單元機組實現自動化的基礎和核心內容。而且，從保證機爐能量平衡協調運行開始，擴展到全部關鍵控制回路的協調，從正常運行工況擴展到異常運行工況和啟停工況的協凋。這一協調控制策略符合單元機組運行的自然規(guī)律，對于保持設備健康水平，延長壽命和保持最佳運行工況，提高經濟性都十分有利，經濟效益明顯。參考文獻：1 李希武單元機組協調控制系統(tǒng)的分析與綜合R保

52、定：華北電力學院19832 H C GeryThe Evolution of Coordinated ControlCISA Symposium on Instrumentation in the Power Industry， 19883 鄭 旭，曹在基DEB協調控制系統(tǒng)JI動力工程19894 LI XiwuSynthesis of Multivariable Control System for Boiler Turbine UnitCInternational Conference on Power System Technology19915 李希武火電廠自動化的現狀及其發(fā)展C中國自動

53、化學會成立三十周年暨第三屆學術年會1991大型火電機組協調控制策略及RB功能實用化研究安徽省電力試驗研究所 陳勝利摘要：本文闡述了 DEB400協調控制策略的基本原理與特點；介紹了銅陵電廠在該策略下的 RB功能試驗，并結合試驗對RB功能的實用化進行探討。關鍵詞：DEB/400 協調控制 RB 實用化1 前言 現代電網對大型火電機組可靠地投入AGC運行以參與調峰穩(wěn)定電網運行的要求日益提高，這就要求各火電機組協調控制系統(tǒng)具有快速且穩(wěn)定的負荷響應，并且具有較靈活的運行方式。而鍋爐一汽輪機單元機組是一個相互耦合的多變量控制對象，鍋爐、汽機的動態(tài)特性相差很大。協調控制系統(tǒng)就是將其作為一個整體進行控制，共

54、同參與負荷控制、維持機前壓力穩(wěn)定；并且當機組在運行過程中出現故障（即主、輔機或子回路控制受到限制）的異常情況下，協調控制系統(tǒng)應自動聯鎖切換運行方式，將其“按需要控制”變成“按可能控制”。2 DEB/400協調控制 DEB/400協調控制系統(tǒng)在機組正常運行時實質上是以爐跟機為基礎的協調控制系統(tǒng)，而在機組故障時采用機跟爐方式。正常運行時，由汽機控制機組功率，這樣可提高負荷的響應速率，而鍋爐側則采用“汽機所需能量信號”及采用獨特的前饋控制技術處理后的復合信號作為鍋爐指令（BD）去控制燃料、送風、引風及給水系統(tǒng)。 DEB400采用獨特的算法模塊NRGD產生能量需求信號EDS（Energy Demand Signal）來協調爐跟機的運行。 EDSP1/ PT·PSl+KD1TD1 S·(P1/PT·PS )+ KDTD S·PS P1 / PT 體現了汽機閥門的有效開度，能對汽機閥門開度最微小的變化作出反應，不論這個變化是由負荷自動控制系統(tǒng)調節(jié)還是由手操引起的，其不受鍋爐內擾影響。在負荷變化期間，EDS中的動態(tài)補償增加了改變鍋爐蓄能所需的瞬態(tài)能量需求，DEB/400采用燃料控制