主汽壓控制系統理論分析
一、前言
鍋爐主蒸汽壓力作為表征鍋爐運行狀態的重要參數，不僅直接關系鍋爐設備的安全運行，而且汽壓是否穩定反映了燃燒過程中的能量供需關系。在單元制運行狀態下，鍋爐的蒸汽壓力值與機組的運行狀態及運行方式有關，即鍋爐的汽壓控制與汽輪機的負荷控制是相互影響的。而且，就鍋爐而言，燃燒過程控制的主要任務是維持汽壓穩定，其關聯參數還有維持燃燒過程經濟性的氧量信號和關系鍋爐安全運行的負壓參數，這三個參數的調節互相影響。所以說，影響主汽壓穩定的因素是多方面的，本文的分析是以給煤量擾動為主，其它送引風有關量作響應變化，汽輪機耗汽量（代表負荷）作為外部負荷擾動，以此作為主汽壓控制系統的設計和分析依據。在我廠實踐中，主汽壓系統作為協調控制系統的一部分，還要注意到負荷因素，以構成一個完善的主汽壓控制系統。
二、主汽壓被控對象數學模型
汽壓調節對象生產流程如圖1所示，其對象由五個環節組成（本文只簡單介紹各環節的特性規律）。
1．燃燒環節
給煤量M與釋放熱量Q的傳遞函數為：
從式中可以看出此過程為純遲延環節，K為燃燒環節系數。
2．吸熱蒸發環節
此環節中鍋爐總吸熱量包括兩部分，一部分被過熱器帶走（D），一部分為鍋爐蓄熱的增量（Pb），其傳遞函數為：
式中Cb——蓄熱系數，反映鍋爐的蓄熱能力；
Pb——汽包蓄熱，為汽包壓力的函數；
D——主汽流量帶走的熱量；
Dq——總吸熱量。
3．受熱面阻力環節
此環節的傳遞函數為：
4.蒸汽流量環節
此環節為主汽壓力Pm與鍋爐蒸發量D及汽機總耗汽量Dt之間的物質平衡關系環節傳遞函數為：
5．主汽壓與耗汽量關系環節
我廠的DEH系統中，因采用功率控制以維持汽機功率為給定值，所以耗汽量只與負荷有關而與主汽壓力無關，即負荷變化對于主汽壓力來說是一個外部擾動，公式如下：
式中，Dt為主汽流量；Pt為主汽壓力。
綜合以上環節，便可得到主汽壓力被控對象的框圖，如圖2所示。液調時的控制對象在此不做介紹。
圖2中，M為給煤量；P為主汽壓力：Q為機組負荷。
三、主汽壓力被控對象動態特性分析
由以上對主汽壓力對象的分析可知，引起主汽壓力變化的主要擾動為給煤量擾動和汽輪機負荷擾動，現分別加以分析。
1．給煤量擾動下主汽壓力被控對象的動態特性
分析給煤擾動時，假設負荷不變，其對象傳遞函數為：
由此式可知，給煤量擾動下主汽壓力被控對象（以下簡稱主汽對象）為有遲延的積分環節，其遲延時間τm約為40～60s，是無自平衡能力對象，其階躍響應曲線如圖3。汽壓對象的積分速度為Km／Cb，與鍋爐蓄熱系數Cb成反比。當給煤量上升時，主汽壓力上升，而DEH將關小調速汽門開度，以維持功率不變，這樣造成主汽壓力更要上升。因而，給煤量擾動造成能量不平衡，多余的能量全部積蓄在鍋爐管道內，使主汽壓力成積分特性上升，主汽壓力下降。
2．負荷擾動下主汽壓力被控對象的動態特性
由圖2可看出，當給煤量不變時主汽流量D不變，而負荷Q與主汽壓力P之間是負積分關系。由于環節4為積分，環節5為比例環節，所以主汽壓力是主汽流量與機組負荷之差的積分。傳遞函數為：
負荷擾動時，假設給煤量不變。當負荷上升時，調速汽門開大，而由于給煤量不變，蒸發量不變，調速汽門開大導致主汽壓力不斷下降。反之，主汽壓力上升。如圖4所示。
四、主汽壓力自動調節系統設計方案
1，系統概況
單元制大容量火電機組常常只帶基本負荷，而現在則要根據電網的頻率偏差和中央調度要求的負荷指令參與電網的調峰調頻，甚至在機組的某些輔機和局部發生故障的情況下（如給煤機RB），仍然要維持機組運行。對于這樣的機組，要求機組負荷的變化范圍大，能夠穩定運行的zui低負荷要低。我廠八月份調峰時負荷曾到90MW，而且在整個調峰范圍內有良好的負荷適應能力，即能承擔較高的負荷變化率，而其主要運行參數（主汽壓力）在負荷變化過程中相對穩定。我廠在協調主汽壓力自動調節系統設計過程中正是遵循了這一原則，在機組滿足變負荷要求并同時維持鍋爐主汽壓力這兩個問題時，是將機組作為一個整體來看待的。機爐通過各自的調節手段，如調速汽門開度和給煤量，來滿足電網負荷要求和保持主汽壓力的穩定。在我廠控制系統設計中，采用了負荷前饋信號和協調信號，讓機爐同時按照電網負荷的要求變化，接受負荷指令和根據主汽壓力偏差，協調地進行控制。這樣的控制系統即為協調控制系統（CCS），而主汽壓力控制系統則是CCS的鍋爐主控。
2．系統設計
在實際運行中，我廠CCS主要以爐跟機方式運行，基本框圖如圖5所示。這種協調系統的基本構成包括兩個反饋調節系統：汽輪機電液自動控制系統（DEH）和鍋爐主汽壓力自動調節系統（鍋爐主控）。其基本工作原理是：汽機的DEH系統接受LMCC給出的實際負荷指令信號作為給定值，然后用與實際負荷反饋信號進行邏輯運算處理后的微機輸出信號去控制調速汽門開度，來滿足負荷要求。鍋爐主控根據鍋爐主汽壓力與給定值的偏差，經邏輯運算后去控制給煤機轉速。主汽壓力調節系統采用功率作為前饋信號，以克服主汽壓力調節對象慣性大而帶來的遲延，加快調節過程，保持系統穩定。同時，接受給煤量信號作為內回路反饋信號，作用是消除給煤擾動對主汽壓力的影響。所以說，主汽壓力控制系統是一個帶前饋的串級調節系統，即復合調節系統。爐跟機方式的協調系統，由于具有負荷響應的快速性和主要運行參數必要的穩定性，而且調節系統的調整相對來說比較方便，因此我廠四臺機組運行中均采用此種運行方式。
五、主汽壓力調節系統分析
主汽壓力調節系統由鍋爐主控和給煤機控制兩個部分構成。
1．鍋爐主控
鍋爐主控簡圖如圖6。鍋爐主控主要由以下幾部分組成。
（1）前饋信號的形成
選擇合理的前饋信號，可以使調節品質大為改善。我廠主汽壓力調節系統的前饋信號是由調速級壓力運算后形成的：I=P1*Pts/Pt，其中P：為調速級壓力；pTS為主汽壓力給定值；Pt為主汽壓力。采用調速級壓力，能夠快速反映負荷變化，而且這一前饋信號充分考慮了主汽壓力及其給定值，能夠全面反映變動負荷與主汽壓力偏差因素，使前饋信號在系統中的作用更具有實際意義。它可以在負荷變動的工況下，在主汽壓力變化之前增加給煤量，消除負荷變化引起的擾動。在大幅度的調峰、調頻的實踐中，應用這一前饋信號，使負荷變化對主汽壓力的影響減小到zui低，保證了鍋爐的運行。
（2）壓力定值的形式
壓力設定邏輯簡圖如圖7
機組有定壓、滑壓運行兩種工況，壓力定值也不相同。F2（x）整定為滑壓運行升壓曲線，是根據負荷大小自動生成的。這一主汽壓力給定值可以實現在啟機升負荷時自動設定主汽壓力值的逐步上升，這表明主汽壓力自動調節系統在機組并網后即可實現全程自動調節。主汽壓力給定值也可手動給定，但只給出了汽機主汽壓力設定值。鍋爐主汽壓力考慮到自動主汽門（調節門）開度形成的壓差值，所以引入了主汽流量的函數來修正：P爐=F（x）*D+P機，F（x）為主汽流量與壓差的關系函數。
（3）鍋爐主控的調節功能
對主汽壓力的偏差信號進行PI（比例積分）運算，對前饋信號進行DF（微分）運算，迭加后作為主控輸出。偏差變化率大時（△p大于0．016MPa／s時），上述主控輸出還要加入偏差增益和偏差微分信號，加快調節過程，提高調節品質。計算公式如下：
偏差變化率小于0．016MPa時：Yo=KAp+∫△Pdt+PI*Pts／Pt
偏差變化率大于0．016MPa時：Yo=KAp+∫△Pdt+Pi*Pts／Pt+△P*G+TdS*△p
式中，Yo為鍋爐主控調節器輸山；△P為主汽壓力偏差。鍋爐主控調節器的輸出送到給煤機調節器。
2．給煤機控制
給煤機邏輯控制簡圖如圖8。
鍋爐主控輸出的主控信號，必須與總風量信號經過小選模塊運算，選出較小的輸出信號作為給煤量的指令信號，與給煤量信號的偏差進行PI運算，輸出送各運行給煤機，調節給煤機轉速，控制給煤量。在這里，小選處理（LS）的目的是實現鍋爐過剩空氣、燃料控制，保證氧量信號，提高燃燒的經濟性。在增負荷時先增風量后增燃料量，在減負荷時先減負荷后減風量，可以避免鍋爐冒黑煙、造成燃料的浪費。
六、協調中對主汽壓力的附加控制功能
為減小主汽壓力的波動，爐跟機運行方式下的協調系統用負荷來維持主汽壓力，如圖9。
由前面的論述知道，主汽壓力調節對象的遲延大，調節時間長，容易導致主汽壓力波動。因此在主汽壓力產生偏差時，我們用犧牲負荷的辦法維持主汽壓力，減小波動，即用調速汽門調主汽壓力。具體辦法是，將實際負荷指令加或減3MW（主汽壓力高于定值0．26MPa，低于0．56MPa），以達到加減負荷的目的，如圖9。
2．負荷禁加、禁減功能
當主汽壓力偏差進一步擴大時，為保證機組安全運行，設置了負荷禁加、禁減的功能。由主汽壓力調節對象特性可知，當加負荷時，調速汽門開大，導致主汽壓力降低，這時如主汽壓力很低時，必將威脅到機組穩定運行；反之，主汽壓力會大幅度上升，更具危險性。而這一功能可以解決這個問題。主汽壓力大于定值（我廠各機組是0．6MPa）時，圖9中的禁減指令置“1”，目標負荷如減小，高選模塊（HS）將選擇當前負荷，使負荷保持，防止因減負荷使主汽壓力進一步上升。主汽壓力小于定值時（0．7MPa），與此過程相反。
七、結束語
主汽壓力自動調節系統作為鍋爐運行的主要調節系統，其主要任務是保持主汽壓力的穩定。我廠采用日立公司HIACS-3000系統作為調節設備后，能夠對調峰、調頻等變負荷工況有很強的適應能力，同時采用DEH系統實現了機爐協調控制。系統經過多次調試己日趨完善，自動投入良好，基本適應了我廠機組各種工況的要求。
-
焦點事件
