300MW循环流化床锅炉主汽温控制系统优化调试.docx

1、300MW循环流化床锅炉主汽温控制系统优化调试吴玉平:300MW 循环流化床锅炉主汽温控制系统优化调试第4期电力自动化300M W 循环流化床锅炉主汽温控制系统优化调试吴玉平(四川白马循环流化床示范电站有限责任公司,四川内江641005摘要:法国ALSTOM 公司设计的300MW 循环流化床(CFB 锅炉汽水系统流程复杂,主汽温自动控制是一个难点。在白马示范电站引进的国内首台此类型CFB 锅炉机组试运行期间,采用常规串级PID 调节方案控制主汽温不能取得满意的效果。针对主汽温大纯滞后、外部扰动频繁的动态特性,设计了状态变量控制和常规PID 相结合的控制方案,在前馈回路增加了惯性环节,调整了PI

2、D 调节器的参数。实践证明:主汽温自动控制经优化调试后,在30%的负荷变动及锅炉蒸汽吹灰等过程中,主汽温波动幅度均能控制在设定值6的范围内。关键词:循环流化床;主汽温;状态观测;外置床中图分类号:TK323;TK223.7+3文献标识码:B文章编号:1004-9649(200804-0075-04收稿日期:2007-08-11;修回日期:2008-01-15作者简介:吴玉平(1975-,男,四川内江人,工程师,从事300MW 循环流化床锅炉检修维护的技术研究及管理工作。E -mail :wyp0引言300M W CFB 锅炉增加了4个外置床,在其中布置有低温、中温过热器和高温再热器。机组运行中

3、,为控制床温和再热汽温,外置床的进灰量经常发生变化,将对高温过热器出口汽温(以下简称主汽温造成扰动1。另外,主汽压力变化、锅炉吹灰(采用蒸汽吹灰,吹灰蒸汽从高温过热器入口抽取及辅机故障减负荷(RB 工况都对主汽温控制提出了更高要求。白马CFB 示范电站引进法国ALSTOM 公司的国内首台300M W CFB 锅炉机组的主汽温控制采用状态观测、状态反馈与常规PID 控制相结合,达到了理想的效果。实践证明,稳定工况下主汽温波动幅度在2以内;变负荷及吹灰时,波动幅度也能控制在6以内。1300MW CFB 锅炉过热汽温控制系统根据锅炉受热面布置情况,过热汽温控制系统分为左右两侧,每侧设计了3级喷水减温

4、:在低温过热器出口至中温过热器1入口布置一级喷水减温,其喷水量占总设计喷水量的19%;在中温过热器1出口至中温过热器2入口布置二级喷水减温,其喷水量占总设计喷水量的46%;在中温过热器2出口至高温过热器入口布置末级喷水减温,其喷水量占总设计喷水量的35%。另外,吹灰蒸汽从高温过热器入口抽取。1.1一级过热汽温控制采用常规串级PID 调节器,目的是控制中温过热器1出口和中温过热器2入口的汽温差。为防止中温过热器1入口汽温太接近饱和值,设计有温度保护逻辑,保护定值为汽包压力下的饱和温度加上15,若汽温低于此值,减温水调门将逐渐关闭。1.2二级过热汽温控制采用常规串级PID 调节器,目的是控制高温过

5、热器入口汽温。为避免中温过热器2出口汽温太接近饱和值,引起高温过热器入口蒸汽带水,同样设置有温度保护逻辑,保护定值也为汽包压力下的饱和温度加上15,若汽温低于此值,减温水调门将逐渐关闭。1.3主汽温控制机组运行中,外置床灰控阀要用来控制床温和再热汽温,因此随着灰控阀的位置变化,外置床进灰量也会发生变化,从而引起低温、中温过热汽温波动,造成高温过热器入口汽温波动。另外,由于高温过热器管道长,其本身的汽温被控对象的滞后很大,这样,常规串级控制系统对主汽温的控制不能获得理想的品质。对此,特别设计了引入状态变量控制的PID 串级主汽温控制系统,现重点对此进行介绍。中国电力ELECTRIC POWER第

6、41卷第4期2008年4月Vol.41,No.4Apr.2008 第41卷中国电力电力自动化2采用状态变量控制的主汽温控制由于喷水被控对象惯性很大,常规的串级控制方案中调节器参数必须整定得慢一点,才能保证主汽温控制系统的稳定。但锅炉实际运行中,扰动量对主汽温的影响很快,又需要调节器动作快一点,才能有效避免主汽温的超调。这两者本身就是矛盾的,因此,主汽温采用常规串级控制不能取得理想的效果。而引入状态变量控制的主汽温控制系统,能有效补偿汽温动态特性的滞后,克服稳定性和快速性之间的矛盾,获得良好的控制品质。控制方案如图1所示。如图1所示,该控制系统以高温过热器出口汽温为被调量。高温过热器出口汽温的偏

7、差信号送入主PID调节器,调节器输出经燃料量和主汽流量的前馈运算后,再加上状态反馈控制的补偿信号,送入两侧副调节器,作为高温过热器入口汽温的设定值,经PI运算后控制左右侧的2个减温水调节阀。2.1基于状态变量的设计要实现调节器的快速动作,必须提前观测到参数的变化。高温过热器管道很长,由于测量手段及工艺原因等限制,不可能沿管道各处装设温度测点,必须通过可测到的过热器入口和出口汽温,利用DCS软件技术进行推测,虚拟温度测点来模拟实际温度,这种虚拟称为状态观测。将状态观测得到的各温度测点值乘以一个系数后反馈到控制系统中,以构成闭环控制,这即状态反馈。图2为利用DCS软件技术重新构置的状态变量控制原理

8、图。图2中,F是状态观测矩阵,它将整个高温过热器分成6段,虚拟出6个温度测点。因为每个测点间的过热器相对较短,所以可将其假设为一阶惯性环节。状态观测矩阵确定了状态观测器的状态跟踪系统实际状态的速度。K是状态反馈矩阵,它决定了系统的动态性能。通过选择一组状态反馈系数Ki(i=1,2,6,可使补偿的对象具有较理想的动态特性。状态反馈矩阵和状态观测矩阵可根据对象实际情况单独配置,但应互相配合,使对象既有较小的惯性和滞后,又不产生震荡。高温过热器入口汽温乘以系数K7,直接进入状态观测器输出的加法器,可以加快系统的响应速度。K8是一个修正系数,确保在系统稳定时,状态变量控制的输出为0。状态变量参数的具体

9、调整原则是:增大Tp、F i及K i均可加快系统的响应速度,但会使系统的稳定性下降,可能造成系统振荡。实际使用的参数值为:Tp=22.27s;F1=8、F2=8、F3=4、F4=4、F5=1、F6=0;K1=-0.6857、K2=-0.7347、K3=-0.4198、K4=-0.1350、K5=-0.0231、K6=-0.0017;K7=1;K8=0.79。需要特别说明的是,在所使用的DCS中,模拟量输入(AI、输出(AO点均被转换成01的数值进行运算,0代表量程低限,1代表量程高限。图3为状态变量控制的响应曲线。图3中,主汽温由0650转换为01,图中显示量程为0.8260.838,即536

10、.9544.7;高温过热器入口汽温由0600转换为01,图中显示量程为0.74140.7588,即444.8455.3;K1显示量程为-0.520-0.509;K2显示量程为-0.574-0.565;K3显示量程为-0.3376-0.3338;K4显示量程为-0.1104-0.1091;K5显示量程为-0.01920-0.01894;状态变量控制器综合输出显示量程为-0.0153-0.0038,其控制效果为改变副调节器设定值约0.01600=6(。由于K1、K2、K3、K4、K5、K6均为负数,其输出的变化方向和实际蒸汽温度是相反的,看其变化趋势要反过来看。从图3中可看出,K1、K2、K3、K

11、4、K5的输出依次超前于主汽温、滞后于高温过热器入口温度,其变化过程介图1主汽温控制系统Fig.1Main steam temperature control system图2状态变量控制原理Fig.2Control principle of state variables 吴玉平:300MW循环流化床锅炉主汽温控制系统优化调试第4期电力自动化于二者之间,因此可将其视为在高温过热器上依次安装的测点。状态变量控制的效果可以理解为:当高温过热器入口汽温变化时,首先由K1感觉到,输出控制指令去改变减温水量;然后是K2、K3、K6,这些控制指令均超前于主汽温变化后PID调节器输出的控制指令,因此可加快

12、调节速度,取得更好的调节品质。2.2燃料量和主汽流量的前馈作用影响主蒸汽温度控制的因素很多,最主要的干扰量还包括主蒸汽流量和给煤量。当这些扰动量变化时,应及时改变减温水量以克服这些干扰,提高主蒸汽温度的调节品质。因此,加入了总燃料量和主蒸汽流量的变化量作为控制系统的前馈信号,相应整定惯性环节时间Tp和前馈增益f(x。3主汽温控制系统投运效果主汽温控制系统控制效果如图4所示。图4是升负荷过程中主汽温的变化曲线。其中,主汽流量量程为01100t/h;给煤量量程为0240t/h;减温水流量量程为0160t/h;状态变量控制输出量程为-4%4%;主汽温量程为400600;高温过热器入口汽温量程为350

13、550。在升负荷过程中,主汽温设定值为538,主汽温测量值最高升到542,最低降到534,波动范围为4,控制品质非常好。4主汽温自动控制调试中遇到的问题4.1PID方案的选择原设计方案中,主调节器采用PI调节器,经调试观察,认为加入微分作用可取得更好的调节效果,因此将PI调节改为PID调节器(见图1。4.2前馈方案的调整原设计方案未考虑主汽温对燃料量和主汽流量图3状态变量控制曲线Fig.3Curve of state variable control图4升负荷过程中主汽温变化曲线Fig.4Curve of main steam temperature in load rise 第41卷中国电力

14、电力自动化Optimization commissioning of main steam temperature control system for300MW CFB boilerWU Yu-ping(Sichuan Baima CFB Demonstration Power Plant Co.,Ltd.,Neijiang641005,ChinaAbstract:The steam water system in300MW CFB boiler,which is designed by Alstom,France,is very complicated;as a result,it is

15、diffi-cult to control the main steam temperature.During the trial operation of the first introduced CFB boiler in Baima Demonstration Power Plant, the control effect was not so favorable by using conventional cascade PID regulation.Considering the specific dynamic characteristics of main steam tempe

16、rature,such as large lag and frequent exterior disturbances,the control mode combining state observer with conventional PID controller was designed,inertia section was added in feedforward loop,and the parameters of PID controller were adjusted.The practical application shows that the fluctuation of

17、 main steam temperature can be controlled within6in case of the load variation within30%and steam sootblowing of boiler,in the light of automatic control for main steam temperature.Key words:CFB;main steam temperature;state observer;external bed变化的响应速度,在燃料量或主汽流量变化时立即改变减温水量,反而容易引起汽温波动。因此,在前馈环节中加入了相应的

18、惯性环节(见图1。4.3状态变量控制器的品质问题主汽温控制逻辑中,过热汽温测量值、状态观测和状态反馈逻辑构成了一个闭环。停机后如果曾经拆开过热汽温测量元件接线进行检修工作,则由于温度元件开路,DCS会将此温度测点判断成坏点,此坏点将把坏品质传入状态变量环,造成坏品质的循环传递,使状态变量控制失去作用。因此,每次开机时相关人员均应对状态变量控制程序进行检查。5结语状态观测器对受控对象的动态数学模型要求不高,可方便地应用于大纯滞后的受控对象,克服PID调节器的弱点,增强系统的可控性和快速性。白马示范电站锅炉主汽温控制的工程实践表明:采用状态变量控制的主汽温控制系统能有效克服300M W大型循环流化

19、床锅炉主汽温大滞后特性及剧烈外扰的影响,将主汽温控制在理想的水平。目前的主汽温控制中没有引入灰控阀的开度值来对控制输出进行修正,如果引入,调节效果是否会更好?另外,由于增加了外置床,300M W CFB锅炉过热蒸汽减温水量非常大,能否从调整锅炉燃烧上想些办法,减少减温水量,提高机组经济性。这些问题有待在今后的运行中继续探索、实践,以进一步提高主汽温的控制品质。参考文献:1吴玉平,周嗣林.300MW循环流化床锅炉床温控制系统J.中国电力,2007,40(1:74-76.WU Yu-ping,ZHOU Si-lin.Bed temperature control of300MW CFBboiler

20、J.Electric Power,2007,40(1:74-76.(责任编辑吕玲电力科技信息南方电网供电量逐渐增加各省电网负荷提升南方电网公司科学安排,精心部署,精心协调,各省区负荷和供电量正在逐渐增加。2008年2月12日,南方电网负荷增加348万kW,最高负荷为4676万kW,电量增加5511万kWh,全网供电量为83739万kWh。其中广东、广西、贵州、云南的电量分别增加4215、461、261、300万kWh,相应达到了45809、13708、8828、13130万kWh。南方电网公司充分发挥南方电网大平台作用,根据各省区受灾情况、蓄水、存煤需要及春节前后负荷特性,按照春节期间广东支援

21、西部、春节过后西部支援广东的思路,继续对网间送受电进行调整。2008年2月12日,广东负荷逐步回升,基本不再倒送西部,广东高峰受西电84万kW,广西总受入54万84万kW,较前日大幅减少,贵州仍受入20万30万kW,云南受入18万kW,龙滩、天生桥出力较前日大幅增加。目前,南方电网公司系统共组织6.6万人、6084台车辆投入电网抢修。其中贵州电网28355人、3538台车辆(其中其他单位支援队伍5855人,部队1500人;广西电网公司18100人、1343台车辆(其中部队和政府2252人;云南电网公司7700人、309台车辆;广东电网公司11845人、829台车辆。南方电网公司深入贯彻落实胡锦涛总书记、温家宝总理在南方电网公司视察时的重要指示精神,在实地深入考察的基础上,全网一盘棋,科学安排,精心部署,精心协调,重新排出抢修复电进度,全网2008年3月5日以前全部修复受损的220kV和110kV电网,基本恢复灾区供电;只要天气好转,争取提前2个月、在3月底以前修复500kV电网,修复西电东送主通道,全面恢复正常供电。