摘要 通过对火电厂主汽压采用不同的控制信号、控制规律和平衡信号进行控制所取得的效果进行分析比较，并根据实践经验，提出针对不同的机组制粉系统和一次设备的可控性情况，采用不同的主汽压控制信号、控制规律和平衡信号的控制方案，以取得较佳的控制效果。
关键词 主汽压 控制信号 控制规律 直接能量平衡 模糊控制 前馈
分类号 TK323 TP273
(Zhejiang Test and Research Institute of Electrical Power,Hangzhou 310014,China)
Abstract The effects of power plant main-steam pressure control are analyzed and compared with different control signals,rules and balance signals and according to experience in order to obtain the better control effect,for several main-steam pressure control modes are put forward different combustion systems and control ability of field facilities of different power plant uNIts.
Keywords main-steam pressure; control signal; control rule; direct energy balance; fuzzy control; feed forward
0 前言
当前国内已投入运行的含制粉系统的火电机组容量档次很多，最大的有600 MW，最小的25 MW，从总体来看制粉系统可划分为二类：一类是中间储仓式制粉系统，一般容量为200 MW以下的国产机组，也有少量的300 MW机组；另一类是直吹式制粉系统，一般容量为300 MW以上的国产或引进机组，也有少量的200 MW国产机组。
中间储仓式制粉系统的优点是响应相对较快，因而主汽压相对容易控制，其原因是中间环节少，主汽压控制偏差直接控制给粉机的转速来控制锅炉所需的煤粉量，煤粉经炉膛燃烧，去影响主汽压，达到使主汽压与设定值保持一致的控制目的。试验表明，此过程需30～50 s(随负荷而定，负荷高时响应快，负荷低时响应慢)。其缺点是在同等负荷工况下，能耗高、噪声大、经济性差，而且制粉系统对象较复杂，控制参数多，较难进行自动控制。
直吹式制粉系统优点是在同等负荷工况下，能耗低、噪声小、经济性好，而且制粉系统对象较简单，控制参数少，较易实现自动控制。但缺点是响应相对较慢，因而主汽压相对难控制，其原因是中间环节相对较多，主汽压控制偏差直接控制给煤机的转速来控制锅炉所需的煤量，经磨煤机制粉、炉膛燃烧，去影响主汽压，达到使主汽压与设定值保持一致的控制目的。试验表明，此过程需120～180 s左右(大小随负荷而定，但机组容量的大小也有关系)。
由于上述二种制粉系统的控制特点和现场一次设备的可控性各不相同，因而主汽压控制采用不同的控制信号、控制规律和平衡信号所取得的效果相差较大。下面把主汽压控制的几种控制信号、控制规律和平衡信号进行分析与比较。
1 控制信号
目前，国内无论是国产机组还是引进机组，主汽压的控制信号主要有二种：①主汽压偏差，即主汽压与设定值的偏差作为控制信号；②直接能量平衡，即机组外界所需的能量信号与锅炉的热量信号的偏差作为控制信号。
1.1 主汽压偏差
主汽压偏差控制信号主要有二种类型：①主汽压偏差，即主汽压设定值减主汽压测量值(PTS-PT)，偏差作为控制信号；②引入汽包压力微分前馈，汽包压力微分前馈有的加在主汽压偏差上(PTS-PT)-Kd×(dPD/dt)作为控制信号，有的加在主汽压控制器的输出位置。
1.1.1 主汽压偏差特点
优点：控制信号回路简单，参数少，而且回路系数容易设置和参数整定方便。
缺点：控制响应速度相对较慢，原因在于只有当主汽压产生偏差时，才进行煤量或粉量调节，无预调节功能。因而，无法及时反映锅炉侧煤量和煤种的变化情况，当锅炉侧发生煤量扰动和煤种变化时容易造成主汽压的较大波动，同时也无法及时反映汽机侧的能量需求变化，克服扰动能力较差。另外，当机组协调控制系统采用此方式进行主汽压控制时，必须增加BTU校正回路，因而增加了控制回路的复杂性。
1.1.2 引入汽包压力微分前馈的主汽压偏差特点
优点：控制信号回路简单，需整定的参数也很少，容易根据需要设置回路系数，参数整定方便。与主汽压偏差控制相比， 更能及时反映锅炉侧煤量和煤种的变化情况，对抑制主汽压的超调和波动起到积极的作用。
缺点：控制响应速度与主汽压偏差控制相比虽然相对快了一些，但与直接能量相比仍然相对较慢，因为它无法及时反映汽机侧的能量需求变化。
1.2 直接能量平衡
直接能量平衡控制信号主要有二种类型：①直接能量平衡，即汽机侧的能量需求信号减锅炉侧的热量信号(P1/PT)×PTS-［P1+KD×(dPD/dt)］，偏差作为控制信号；②引入调门开度微分前馈，调门开度微分前馈有的加在直接能量平衡控制偏差上［(P1/PT)×PTS-(P1+KD×(dPD/dt))］+［KP1×(dP1/dt)-KPT×(dPT/dt)］作为控制信号，有的加在主汽压控制器的输出位置。
1.2.1 直接能量平衡特点
优点：直接能量平衡控制不仅能及时反映汽机侧的能量需求变化，而且也能及时反映锅炉侧的热量变化，根据能量偏差变化情况及时去控制燃料和空气控制系统，改变相应的燃料量和空气量，满足外界负荷变化的需求。另外，采用热量信号与能量需求信号平衡，使燃烧控制器同时兼有燃料控制和机前压力控制功能，可加速控制回路的调节速度，从而可以防止和消除在负荷变化过程中机前压力超调和不稳定的影响，比通常采用独立的压力控制器更快地恢复机前压力，同时消除由于供给能量的任何变化(煤量和煤种的变化)所引起的主汽压和负荷的扰动，从而可使机组协调控制系统取消BTU校正回路(煤量校正回路)，使控制回路进一步简化。
缺点：控制信号回路相对复杂，所以需要设置和整定的参数比较多，因而在调试过程中参数整定相对麻烦。
1.2.2 引入汽机调门开度微分前馈的直接能量平衡控制特点
优点：与直接能量平衡控制相比，除了具有直接能量平衡控制优点外，重要的是能及时反映汽机侧的能量需求变化，并进一步加速锅炉侧的煤量调节，更加有效地抑制主汽压的超调和波动，使主汽压更加稳定。
缺点：控制信号回路比较复杂，所需设置和整定的参数比较多，因而调试过程中参数整定相对麻烦。
2 控制规律
目前工程上常用的主汽压控制规律主要有三种：①PID控制规律；②P，I，D分离控制规律；③Fuzzy(模糊)-PID复合控制规律。
2.1 PID控制规律
优点：参数少，调试过程中参数整定方便。
缺点：①由于PID控制器只有三个调节参数：比例带、积分时间、微分时间，在调节过程中相互影响，而且微分时间不仅仅代表本身，同时代表微分强度。在改变微分时间同时也影响了微分强度的作用，因而很难同时满足机组在不同负荷工况下对二者的不同要求，无法实现变参数控制，因此灵活性差。②调节速度慢。如图1所示，若加快调节速度，就容易超调，造成主汽压的较大波动；若要主汽压的稳定，则调节过程过渡时间就很长，而且在实际应用中很难达到较理想的控制效果(理想控制效果是煤量调节起始量很大，而后煤量逐渐回调到主汽压或负荷所对应的值，这样主汽压一次稳定，而且调节速度最快)，容易引起主汽压的超调和波动。③对现场一次设备可控性要求较高，对控制对象的适应能力较差，范围小。
图1 PID控制
2.2 P，I，D分离控制规律
优点：①参数少，调试过程中参数整定方便。②调节速度快。如图2所示，煤量调节起始很大而后逐渐回到某一值，使其在实际应用中能基本上接近理想的控制效果，因而起始响应快，调节过程短。③灵活性好。各参数可相互独立调节，互不影响，而且积分可采用分离控制技术实现在大控制偏差范围内抑制积分作用，使主汽压变为PID控制规律进行控制，加速主汽压的调节速度，快速减小控制偏差；在小控制偏差范围内投入积分作用，消除控制偏差，实现无差控制。另外，微分时间和微分强度分开调节，可以满足机组在不同负荷工况下和不同负荷升、降速率下的控制要求，实现变参数控制。这样，使主汽压控制更加快速稳定，对抑制其超调和波动起到积极作用。
图2 P，I，D分离控制
缺点：与PID控制规律相比，控制回路相对复杂一点，对控制对象和一次设备可控性的适应能力与PID控制规律一样相对较差。
2.3 Fuzzy(模糊)-PID复合控制规律
优点：①调节速度如图3所示，介于上述二种控制规律之间，比PID控制规律要快得多，比P，I，D分离控制规律要慢一点，在实际应用中能基本上接近理想的控制效果，起始响应较快，调节过程短；②适应能力强，即对控制对象和一次设备可控性要求低，适应范围大；③灵活性好，各参数可相互独立调节，互不影响，整定灵活；④主汽压在大偏差范围内采用模糊控制器进行控制，小偏差范围内采用PID控制器控制，充分利用模糊控制器动态性能好和PID控制器稳态性能好的特点，二者优势互补，不仅提高了主汽压的调节速度，而且增强了主汽压的稳定性，对抑制其超调和波动起到了积极作用。
图3 Fuzzy-PID复合控制
缺点：与PID和P，I，D分离控制规律相比，控制参数相对较多，回路相对复杂，因而在调试过程中参数整定相对麻烦。
3 平衡信号
主汽压控制的平衡信号主要有二种：①总煤量或总粉量信号；②热量信号。
3.1 总煤量或总粉量信号
优点：能及时反映锅炉侧总煤量或总粉量的变化，平衡总煤量或总粉量指令，使总煤量或总粉量调节迅速稳定，有利于主汽压的稳定。
缺点：无法及时反映锅炉侧煤种的变化，因而当锅炉侧煤种(煤发热量)发生变化时，容易引起主汽压的波动，不利于主汽压的稳定。
3.2 热量信号
优点：不仅能及时反映锅炉侧总煤量或总粉量的变化，而且能及时反映锅炉侧的煤种变化，使总煤量或总粉量迅速与指令平衡，并能及时克服锅炉侧的内扰所引起的对主汽压的影响，有利于主汽压的稳定。
缺点：控制回路比较复杂，参数整定相对麻烦。另外，不适用于做主汽压采用直接能量平衡控制的控制回路平衡信号。
4 建议
根据实践经验，针对火电机组配备不同的制粉系统和现场一次设备可控性不同，对主汽压控制提出几点建议。
4.1 对于配备中间储仓式制粉系统的火电机组
这类机组制粉系统本身响应相对较快，迟延时间较短，主汽压相对容易控制，根据现场一次设备可控性情况，主汽压可选择相应的控制方案。
(1) 一次设备可控性好，如给粉机采用变频调节，主汽压的控制信号可选择为引入汽包压力微分前馈的主汽压偏差，控制规律选择P，I，D分离控制规律，平衡信号选择总粉量信号。这种控制方案，主汽压控制不仅调节速度快，而且调节过程短，并能及时反映锅炉侧的粉量或煤种的变化，克服锅炉侧内扰所引起的对主汽压的影响，主汽压控制较稳定。同时，采取相应措施，也能较快地反映汽机侧的能量需求变化情况，从而加速锅炉侧的粉量调节速度，有效地抑制主汽压的超调和波动。另外，需整定的参数较少，因而在调试过程中参数整定非常方便、灵活，能够满足机组在不同负荷工况和不同负荷升、降速率下的控制要求，实现变参数控制，取得较佳的控制效果。
(2) 一次设备可控性差，如给粉机仍采用滑差调节，主汽压的控制信号和平衡信号选择不变，控制规律最好选择Fuzzy(模糊)-PID复合控制规律。这种控制方案，主汽压控制对控制对象和现场一次设备可控性要求不高，适应范围大，不仅能及时反映锅炉侧的粉量或煤种的变化，克服锅炉侧内扰所引起的对主汽压的影响，而且采取相应措施，也能快速反映汽机侧的能量需求变化情况，加快锅炉侧的粉量调节速度，有效抑制主汽压的超调和波动，因而调节速度较快，调节过程短，有利于主汽压的控制和稳定，能取得较理想的控制效果。但控制回路相对复杂，控制参数较多，因而参数整定相对麻烦。
4.2 对于配备直吹式制粉系统的火电机组
这类机组制粉系统响应相对较慢，迟延时间较长，主汽压相对难控制，根据现场一次设备可控性情况，主汽压可选择以下控制方案。
(1) 给煤机可控特性较好，主汽压可选择引入调门开度微分前馈的直接能量平衡作为控制信号，控制规律选择P，I，D分离控制规律，平衡信号选择总煤量信号。这种控制方案，主汽压控制不仅调节速度快，而且调节过程短，能及时反映锅炉侧的粉量或煤种的变化，克服锅炉侧内扰所引起的对主汽压的影响，主汽压控制较稳定。同时，也能及时反映汽机侧的能量需求变化情况，加速锅炉侧的粉量调节速度，有效抑制主汽压的超调和波动。另外，需整定的参数相对较少，因而在调试过程中参数整定方便、灵活，能够满足机组在不同负荷工况和不同负荷升、降速率下的控制要求，实现变参数控制，取得较理想的控制效果。
(2) 给煤机可控特性较差，主汽压的控制信号和平衡信号选择不变，控制规律最好选择Fuzzy(模糊)-PID复合控制规律。这种控制方案，主汽压控制对控制对象和现场一次设备可控性要求不高， 适应范围大，不仅能及时反映锅炉侧的粉量或煤种的变化，克服锅炉侧内扰动所引起的对主汽压的影响，而且也能及时反映汽机侧的能量需求变化情况，加速锅炉侧的粉量调节速度，有效抑制主汽压的超调和波动，因而调节速度较快，调节过程短，能取得较理想的控制效果。但控制回路相对复杂，控制参数较多，因而参数整定比较繁锁。
5 结论
上述几种主汽压控制方案，是在实践的基础上，根据经验，在保证调节品质的前提下，控制回路尽量简单、整定参数尽量少和整定方便的原则，针对不同的制粉系统和现场一次设备可控性情况而推荐的，而且在不同电厂机炉协调控制系统中得到应用，取得了较理想的控制效果。
