摘要：本文以某電廠2×300MW機組DEB設計和運行情況為背景，闡述并分析了采用直接能量平衡策略的協調控制系統技術原理、工程實現、過程實際響應以及運行效果。結果表明：DEB協調控制策略的控制目標直接、明確，使用方便、靈活，而且具有適應性強、穩定性好等特點。

關鍵詞：直接能量平衡；協調控制；火電機組

0 前言

大型火力發電機組由于機組容量大、運行參數高，若運行操作不當將對機組本身甚至電網的安全帶來很大的危害，故對自動控制的要求和依賴越來越高。發電機組自動控制的最終目標是安全快速地滿足電網的負荷需求并保證電力品質，由于組成火力發電機組的鍋爐和汽輪機對負荷響應特性的差異很大，所以在設計機組級控制時必須充分考慮這兩個對象的不同特性，使鍋爐和汽輪機協調地運轉，以機組實際最大能力來滿足電網的要求。協調控制系統CCS（CoordinatedControlSystem）的任務是協調鍋爐和汽輪機兩個不同的工藝系統共同來滿足電力負荷需求。因此，協調控制系統的設計應將鍋爐和汽輪機作為一個整體來考慮，使機組在實際能力下，能最大限度地滿足電網要求的發電數量（功率）和質量（頻率），確保發電機組安全、穩定、經濟地運行，這是協調控制的基本要求。

協調控制系統在理論上可以有許多方法來實現，但對于一個特定的發電機組來說，當主設備和工藝系統確定以后，應該選擇一種最適合該機組特定條件的技術方案作為控制系統設計的基本策略。隨著分散控制系統（DCS）應用的不斷成熟，為火電機組實現復雜的協調控制創造了技術和物質的基礎。本文闡述的是DEB直接能量平衡控制系統的設計思路、控制策略以及機組在協調控制方式下的實際負荷響應情況，采用的系統硬件是MAX1000分散控制系統。

1  DEB原理分析[1]

直接能量平衡（DirectEnergyBalance；DEB）協調控制系統是由美國原Leeds&Northrup公司創立的專有技術（現由美國metsoMAX公司繼承此項技術，上海自動化儀表股份有限公司通過技術引進獲得使用許可）。其著名的表達式為[1]

(1)式中PTS為機前壓力設定值；P1為汽機一級壓力；PT為機前壓力；PD為汽包壓力；Cb為鍋爐蓄熱系數。在等式的左邊是汽機的能量需求信號，等式的右邊是鍋爐的熱量信號。

DEB實質上是以鍋爐跟隨為基礎的協調控制，汽機側控制功率，同時以汽機的能量需求作為鍋爐負荷指令，直接同鍋爐的熱量信號相平衡，而滿足這種平衡的控制手段是調節輸入鍋爐的燃料量，因此在燃料調節器入口代表燃料量的熱量信號直接同汽機能量需求信號相比較。

在動態的調節過程中，比例積分作用的燃料調節器通過反饋調節總是要讓入口偏差趨向于零，故此時燃料調節器入口的誤差ef為：由上述關系可知，能量需求信號與熱量信號平衡的結果能使機前壓力PT自然地維持在設定值PTS，從而證明了DEB控制策略確實能保持機爐的能量平衡。根據DEB固有的維持機前壓力為定值的特性，可以取消機前壓力校正調節器。

2  DEB功能設計

一個完整實用的協調控制系統，設計時必須考慮在各種工況下實現系統之間和設備之間的目標負荷與實際能力的匹配，具體包括：

①電網要求負荷與機組出力的匹配；

②汽機要求能量與鍋爐出力的匹配；

③鍋爐要求出力與輔機能力的匹配。當上述“要求”和“能力”之間的關系匹配合適時，機組的運行是安全經濟的，且控制系統是穩定的。圖1所示為應用直接能量平衡原理的單元機組協調主控示意框圖。

圖1直接能量平衡協調主控示意框圖

整個協調主控系統是由機組指令處理回路、汽機主控回路和鍋爐主控回路三個部分組成。下面分別闡述采用直接能量平衡策略的協調控制系統各個回路的工程實現。

2.1機組指令處理

機組指令處理回路負責實時地向機爐下達功率指令，最大限度地滿足電網對機組的負荷要求，當機組運行異常時及時地對機組目標指令實施限制，避免異常工況進一步擴大，在保證安全的前提下以機組實際能力繼續承擔發電負荷。機組指令處理回路的具體任務是：

(1)根據機組運行的狀態及電網負荷控制的要求，選擇適合機組當時條件的負荷控制指令方式。

(2)對目標指令進行處理，使之與機爐的動態特性及負荷變化能力相適應，生成實際功率指令。

機組負荷指令方式有二種，即運行員設定的手動負荷指令和電網AGC系統來的自動調度指令，由T1選擇機組負荷指令的來源。T1提供了機組和電網AGC系統的接口，當機組運行于協調控制方式且AGC指令和運行員指令跟蹤良好時，若電網調度所要求機組接受AGC控制，機組收到AGC請求命令后，運行人員在DCS的CRT“機組主控”畫面上按下AGC按鈕，T1就選擇AGC指令。而在AGC方式時，運行員可隨時將機組指令切換成人工手動指令。機組指令處理回路在完成指令選擇的同時還承擔向電網AGC系統發送機組實時能力和狀態信息，配合網控中心對機組實現遙測、遙控。

當T1選擇了指令的來源和控制方式后，再綜合進頻差信號就形成了機組的目標負荷指令。機組指令處理回路的下一個任務是將目標指令處理成機組可接受的實際功率指令，使機組的實際出力在設備許可的能力下匹配電網要求。

當連續運行的機組某些設備或系統發生異常，出力或穩定出了問題，機組就不可能達到初始的負荷變化幅度，此時設備及過程限制邏輯計算出機組的實時負荷能力，通過指令閉鎖邏輯回路對目標指令進行實時的方向閉鎖，將指令限制在機組能力允許的范圍內，同時根據不同情況修正指令的變化率限制值。

當設備故障或過程出現問題，發生機組側強制增/減負荷時，此時機組指令處理回路將使指令跟蹤實發功率，使得強制增/減負荷過程結束后不發生指令擾動。

2.2汽機主控制

從圖1中汽機主控回路可以看出，這是個功率-壓力串級加指令前饋控制回路。汽機直接控制功率，故系統對功率指令的響應速度快，而功率指令的前饋控制所起的加速調節作用，有利于系統克服中間再熱機組的再熱器容積滯后，更進一步提高了響應速度。在功率串級回路的輸出通過T2并列了一個機前壓力調節器，當T2選擇了機前壓力調節器時，系統就由汽機調功率轉成汽機調壓力，當汽機控制汽壓時機組的功率由鍋爐決定。T2的切換在正常工況時由協調方式控制邏輯決定。

汽機主控回路和汽機的控制接口是汽機數字電液控制器（DEH），因DEH具有良好的汽機閥門管理功能（閥門特性線性化處理），所以機組的功率控制回路可獲得良好的調節品質。汽機主控回路與DEH的控制接口采用脈沖調頻的方式，用硬接線連接。采用脈沖調頻的方式接口具有很高的安全性，即使在控制信號連接線短路的情況下，汽機控制也不會誤動作。

2.3鍋爐主控制

由圖1可見，在鍋爐主控回路沒有機前壓力調節器，汽機的能量需求信號直接作為鍋爐指令以前饋的方式加入鍋爐控制。當汽機的功率控制作用到汽機調門后，能量需求信號立刻要求燃料調節器調整鍋爐的燃料輸入，使鍋爐的輸入與當時的汽機需求相匹配。這個匹配（平衡）過程雖然直接又迅速，然而鍋爐的能量轉換過程存在較大的滯后，為了克服這個滯后加快鍋爐的響應速度，在DEB的工程設計中對能量指令（需求）進行動態補償

，通過燃料的動態超調來加強鍋爐燃燒率的變化幅度，促使鍋爐加快響應。圖2為工程實用的汽機能量指令功能框圖。經動態補償后形成的鍋爐指令信號，能大大地改善機組在定壓或滑壓運行時汽機和鍋爐動態過程的能量匹配。

圖2能量指令功能框圖

在DEB控制中，壓力比信號能靈敏地反映汽機的調門開度，在這同時壓力比對信號噪聲的反應也非常靈敏，在經過超前補償后信號的噪聲將進一步放大，所以必須對能量指令進行有效的濾波。工程中常規的濾波方法一般采用慣性濾波，慣性濾波在克服噪聲的同時也犧牲了信號的靈敏性。為了既能有效地濾去噪聲又不延滯信號，我們在設計中采用了限幅濾波ALF（AmplitudeLimitingFilter）法[1]。對于壓力比信號其噪聲的幅度是比較均勻的，ALF通過設定一個基于信號均值的濾波幅值，形成一條浮動于信號的噪聲濾波帶，使在濾波帶幅度內的噪聲得到有效克服，而大于濾波帶幅度的有用信號變化量獲得真實反映。ALF的濾波幅值整定在工程上是非常容易的，只要記錄并測量出信號噪聲的平均幅度就可以確定該整定值。

電站鍋爐是個非常復雜的工藝系統，鍋爐的煤、風、水等系統的組成設備和過程協調地運行維持著鍋爐的正常運轉，確保出力滿足汽機的要求。當鍋爐的局部設備或過程系統發生問題，將影響鍋爐的整體能力。如果在局部子系統帶“病”運行時，必須對鍋爐指令進行限制，使鍋爐所帶負荷水平不超出帶病運行的子系統所具有的能力。如果鍋爐的局部系統或設備發生故障，不能滿足鍋爐當前的負荷水平，則必須強制改變鍋爐出力至局部系統的實際能力，避免局部故障的擴大。

鍋爐實時能力處理回路根據鍋爐子系統調節偏差、設備運行極限狀態、輔機跳閘情況對鍋爐指令實施以下三種處理：增/減方向閉鎖；迫升/迫降（RUNUP/RUNDOWN）；快速減負荷（RUNBACK）。

當鍋爐發生指令方向閉鎖時，鍋爐實時能力處理回路同時以相同方向閉鎖機組指令，使得機組的實際負荷指令不超出鍋爐的實時能力。

當迫升/迫降或快速減負荷發生時，在鍋爐側減負荷的同時，實時能力處理回路將汽機側的T2切換到汽機調壓方式，由汽機控制主汽壓力，使機-爐協調同步地到達機組實時負荷能力，而不破壞系統的平衡。

3 DEB協調方式下機組實際響應分析

采用DEB策略的協調控制系統在某電廠2×300MW機組已獲得了成功的運行，并完成了所設計的各種跳閘條件下的RUNBACK試驗，AGC控制投入。以下通過分析某電廠#1機組在協調方式下功率響應實時曲線和RUNBACK試驗曲線，來驗證DEB策略的實際應用效果。

3.1DEB方式機組實際響應分析

圖3機組在DEB方式下實際響應曲線

機組滿負荷（300MW）時，在機組主控站設定目標負荷為250MW瞬間向CCS發出，階躍擾動達16.7，指令變化率限制在約4/min（見曲線4）。機組實際響應情況為，實發功率（曲線3）在DEB控制下非常好地跟蹤了功率指令，僅僅滯后于指令30秒，當實發功率到達目標值以后無超調和振蕩。

在鍋爐側，為了保證動態過程機-爐的能量平衡，鍋爐主控對能量指令信號實施了有力的動態補償，其結果反映在煤量的變化上（見曲線7），煤量的實際變化大，超調量高達96，在鍋爐內的燃燒發生了強烈的變化，從而動態地補償了鍋爐能量轉換的滯后。

在如此強烈的燃燒變化過程中，維持鍋爐的燃燒和運行穩定是CCS重要的任務。曲線9、曲線6分別記錄了煙氣含氧量和爐膛壓力的變化，記錄反映了這二個參數很穩定，從而證明了在上述動態過程中爐膛的燃燒是穩定的；煙氣含氧量的穩定更說明系統保證了動態過程的燃燒經濟性。由曲線5、曲線1所記錄的汽包水位和主蒸汽溫度的變化過程可以證明汽-水系統的運行也是穩定的。

上述動態過程中機-爐能量的平衡情況可由主汽壓力來反映（見曲線2），在整個過程中主汽壓力發生的最大偏差僅為0.08MPa，且未見控制的過度過程。主蒸汽溫度（曲線1）未受到明顯的干擾，變化在正常的波動范圍內。由此證明了動態過程中機爐能量的供求是非常平衡的，主蒸汽品質得到了保證。

3.2機組RUNBACK實際響應

圖4為一臺引風機跳閘的機組RUNBACK響應曲線，當引風機跳閘時，SCS聯跳一臺送風機、一臺磨煤機（直吹式制粉系統）。RUNBACK目標負荷150MW。結果BUNBACK成功，汽壓偏差0.68MPa。

圖4引風機跳閘RB響應曲線

圖5空預器跳閘RB響應曲線
圖5為一臺空預器跳閘的機組RUNBACK響應曲線，當空預器跳閘時，SCS聯跳一臺磨煤機。RUNBACK目標負荷180MW。結果BUNBACK成功，汽壓偏差0.64MPa。

3.3存在問題和解決方案

由圖4和圖5可見，系統雖自動地完成了RUNBACK，但這過程的主汽壓力偏差過大，分析原因主要是CCS和DEH的接口方式影響了DEH對CCS指令的響應速度。前文已經介紹了CCS和DEH的接口采用“脈沖調頻”法，以脈沖個數來表示功率指令的增/減量，在正常工況下CCS發出DEH功率指令能轉換成“指令脈沖”被正確收發，而在類似于RUNBACK的工況，由CCS發出的指令變化率很大，使得接口脈沖收發過程丟失了幾個“指令脈沖”，從而影響了DEH的調節速度。可以采用另一種CCS和DEH的接口方案—“脈沖調寬”法，即用脈沖的占/空比來指令的變化幅度，而脈沖頻率固定。這樣既可避免脈沖丟失，又可提高CCS對DEH的調節強度。

4結論

文中詳細分析了采用直接能量平衡策略的協調控制系統技術原理、工程實現、過程實際響應以及運行效果。由現場記錄的機組主要參數的響應曲線充分證明：直接能量平衡控制策略的正確性和方案的可行性，在DEB控制下機組的調節品質是良好的，因此DEB是個優秀的協調控制策略。同時也證明了該發電廠DEB協調控制策略的設計是成功的。

參考文獻

1MetsoAutomationMAXControls,Inc.MAX1000Relatedapplicationbulletinsandproductspecifications,P-204-U,A-701-U,A-702-U,A-703-U,A-704-U,A-705-U.

2滕衛明，王春利，高海東，等.應用于機爐協調控制的能量平衡與主汽壓力調節相結合的控制策略[J].熱力發電.2005,6,42-44.

3林青.DEB系統對單元機組動態特性的補償[J].南京工程學院學報,2005,3(4):14-18.