智慧电厂干货｜助力APS的锅炉超前加速控制BIR

北极星电力网新闻中心 来源:北极星电力网 作者:王立地 2020/4/24 15:01:48 我要投稿

北极星火力发电网讯:燃煤锅炉、汽轮机发电机组的热工自动控制对象具有非常强的非线性和扰动性，锅炉燃料、风量和给水等参数作为系统输入，机组负荷、主汽压力和主汽温度等作为系统输出，构成了多输入和多输出的复杂控制系统。600MW等级及以上容量的机组，大约有110个模拟量调节回路，用以平衡控制系统输入和输出之间的偏差，维持热力系统压力、温度、流量等各种参数运行在设计规定的正常范围内。在电网和机组负荷变化动态过程中，锅炉和汽轮机各自对负荷变化的反应存在着差别，锅炉滞后于汽轮机，滞后时间以分钟计，锅炉制粉、燃烧和主汽温度更为明显，被归类为“大滞后”被控对象。所以，应用了机炉协调控制（Coordinated Control System-CCS）力图缩短锅炉的滞后时间，在控制方面也采取了“反馈+前馈”的策略。可面对无法建模的非线性、随机发生的强扰动，传统PID调节的确应对乏术，CCS也缺少全过程控制机炉运行工况的能力，并且随着机组容量增大参数变高矛盾也越来越突出。多年来，国内、外在燃煤电厂机炉燃烧和主汽温度调节方面也见到过采用神经元网络、自适应控制、模糊控制（Fuzzy Control）等方法尝试改进调节品质，但真正用于电厂商业运行这些方案还有很长的路要走。而“锅炉超前加速控制”（Boiler Input Rating- BIR）仍以传统PID（Proportional Integral Differential，比例积分微分）和函数（Function）算法为主，采用了全新的控制理念和实用技术，比较好的解决了锅炉反应滞后的难题，保障了APS的成功应用。

图1 机组负荷调节BIR实况趋势记录

一、 BIR趋势曲线分析

图1是运行机组BIR趋势记录曲线，从中可以读出许多技术内涵。

1.仔细比较“目标功率”和“实发负荷”两条曲线的变化斜率拐点时刻，实发负荷的变化曲线几乎和目标功率信号同步，看不出有明显滞后现象。这表明，锅炉的反应已经足够快速。

2.功率给定信号或者由人工手动给定或者AGC给定，图1的功率目标给定（MW SET）曲线来自电网AGC信号，无论升、降，幅度大小基本上都是阶跃变化的波形。

3.机炉主控器中设定的目标功率（MW DEM）则是按照一定斜率升、降。

4.机组升、降负荷都有BIR信号产生，变化方向相反，升负荷时BIR信号为正值，降负荷时BIR信号为负值。BIR幅度跟随功率给定的阶跃高度变化，功率给定的阶跃幅度高，BIR的幅度随之变高，反之变低。BIR信号作用的起始时刻和幅度是实现锅炉加速的关键，图1上BIR参数整定得恰到好处。

5.功率给定的阶跃幅度越高，BIR的作用时间（宽度）也越长，反之变短，BIR持续宽度几乎与目标功率升降爬坡时间相同。不过，动态负荷下，BIR波形接近于矩形波，而目标功率波形为斜波，实际作用在各个自动调节回路中的BIR信号应该是前强后弱，强化负荷变化初期的加速能力，体现在曲线上就是机组实发负荷与目标功率变化曲线几乎相同。

6.目标功率与功率给定相等时，进入新的稳定负荷状态，BIR信号归零。BIR只在动态工况时起作用，运行工况稳定时BIR保持静默。

7.BIR负荷斜率曲线是发往锅炉制粉系统的信号，给出的是BIR的绝对值，所以不管机组负荷升降，BIR变化曲线都是正向的，只起调节速率的作用。

这段曲线虽然记录的是机组负荷中段以上的变化趋势，但在机组低负荷区间同样适用，这为APS的应用提供了有力支持，唯一的差别是机组低负荷时为确保锅炉燃烧稳定、符合锅炉升温升压的技术规范，机组目标功率变化率降至最低值。

二、锅炉超前加速

BIR控制策略，简单来说就是在机组负荷开始变化，上升或下降的初始时刻给出适当的提前量，负荷变化过程中全面加速锅炉燃烧、减温和给水调节，稳定在新的负荷之前，适时降低调节强度，防止过调。BIR只能在CCS控制的CC（协调）方式下应用，因此，我们也可以定义BIR为“机炉协调锅炉超前加速”。

图2 BIR原理图

图3 燃料送风给水减温调节回路BIR

图2是BIR最基本的控制思路。假定处在负荷稳态运行状态下的机组，功率目标给定（MWD SET）突然阶跃上升到新的目标值，机组做出响应开始变负荷，机组目标功率（MWD）在变负荷区间，将按一定速率（MWD CHANGE RATE）从起点（CHANGE START）上升到终点（CHANGE FINISH）。机组目标功率的斜率（MWD CHANGE RATE）与负荷的幅度（LOAD LEVEL）经过特定的逻辑运算，得出动态过程调节的超前加速值（V≯ output）。

BIR的作用虽然是加速锅炉出力变化，但最终调节的还是机组功率的反应速率，所以锅炉超前加速输出（V≯ output）是以机组目标功率（MWD）为信号源，通过逻辑运算得出BIR输出，作为前馈信号分别加到燃料、给水、风量、主汽温度等回路的调节指令上。各回路的 BIR 信号可根据机组负荷上升和下降单独调节强度。由于要维持锅炉富氧燃烧， BIR风量控制信号总是增加的方向。这些 BIR参数以锅炉运行试验结果为依据，可以实现既按各自特性又能整体协调动态加速锅炉燃料、风量、给水、减温水等参数的变化，提高锅炉对负荷变化速率的反应效能。

图4就是实现这种控制思路的逻辑原理，虚线框内是BIR主控逻辑（Common logic for all BIR），微分器（D）的动态参数按机组目标功率（MWD）增、减变化方向前馈输出，机组负荷变化率（Load change rate）经负荷变化增益（Gain for load change width）函数修正运算得出超前加速BIR主控值。图4虚线框外是调节回路BIR信号生成逻辑，由升负荷（BIR for load increasing）和降负荷（BIR for load decreasing）两部分组成。BIR主控值经双向限幅（≯≮）后再与BIR校正系数（BIR quantity）相乘输入斜波发生器（V≯）。斜波发生器（V≯）设有两种变化速率，BIR投入（Rate for BIR in）和BIR退出（Rate for BIR out），都是机组目标功率（MWD）的函数。升负荷BIR与降负荷BIR代数相加输出调节回路BIR，作为前馈信号分发至燃料（BIR Fuel Flow）、送风（BIR Air Flow/AA）、给水（BIR Feed Water）、给煤/减温（GD/BT）等控制回路，实现锅炉调节的全面超前加速。

图4 BIR功能原理图

三、 BIR主控逻辑

BIR应用的首要条件是机炉协调控制系统必须工作在CC方式，参照BIR主控逻辑的原理图5。BIR信号由两部分组成，一路是机组目标功率（MW DEM）经过微分器（D）形成 “负荷动态超前”信号经切换器（TR）到乘法器的输入端X1。微分器的特性是输出值反映输入值的变化量，持续宽度取决于微分器设定的微分时间，给定微分时间越长微分作用越强，微分幅度由设定的微分增益确定。另一路由机炉协调主控器功率目标给定（MW SET）值减去经外给定斜波发生器（V≯）处理后的机组目标功率（MW DEM），其偏差值通过BIR校正函数（FX）转换成MW DEM的“动态校正系数”，再经±50的双向限幅（≯≮）后输入到乘法器（×）的X2端，是决定BIR最终作用宽度与幅度的重要因素。X1与X2的乘积即为BIR的主控指令。

图5 BIR主控逻辑原理图

外给定斜波发生器带有外给定值投、切控制逻辑，外给定斜波发生器的通行字TP=“0”时，输出等于输入X（MW DEM）乘以外部给定斜率RI（上升斜率）或RD（下降斜率）。MW DEM与MW SET的偏差小于±1时，表示机组负荷稳定无变化，TP=“1”，斜波发生器转为跟踪状态，输出等于输入。机组负荷稳态下，MW SET若发生变化且稳定到一个新的给定值，与MW DEM的偏差就会突然增大，因为MW SET新的设定值可以阶跃变化，而MW DEM（已经机炉协调控制目标功率给定逻辑斜波运算）是按照规定斜率变化的，在MW SET变化到新设定值的瞬间，MW DEM仍基本保持在原值，斜波发生器的TP= “0”，外部给定斜率开始起作用，这里的斜率无论上升还是下降都在0%，等于说斜波发生器输出始终跟随着MW DEM变化。随着MW DEM按照斜率升降，MW SET与MW DEM的偏差Δ也由最大趋近到零，函数按照图5的趋势变化。当MW SET与MW DEM的偏差Δ＜±1时，为防止BIR参数的临界波动，斜波发生器的通行字TP延迟1秒钟后才从“0”变为“1”，BIR功能也同时被终止。

BIR针对不同控制对象特性采取不同的输出控制方式。

1.具有输出限幅的升（LD（H）0～100％）、降（LD（L）0～－100％）输出指令分别向锅炉燃烧、风量、过热减温、再热减温、磨煤机一次风等调节回路发出控制信号。

2.输出不限幅的升（LD（H2））和降（LD（L2））控制指令发送给磨煤机旋风分离器、锅炉燃尽风（SOFA）、火下风等回路。

3.不做校正的变负荷前馈速率，发往锅炉主汽压力给定2和A～F给煤机给煤控制。

四、 BIR的应用

1BIR超前加速控制回路

BIR主控逻辑向21个锅炉调节回路（详见表1、表2）发出超前加速信号后，各调节回路还需要根据机组的运行状态和各自的调节特性进行二次运算。从BIR信号分配可以看出，BIR具有全方位前馈控制的能力，影响锅炉反应滞后的燃烧、主汽/再热汽温度、制粉系统等都纳入了BIR加速控制，甚至过燃风、火下风这些细节同样受到关注，有效地提升了锅炉对机组负荷变化的反应速度。根据使用经验，应用BIR的燃煤发电机组在负荷中段以上大跨度连续负荷变化率（中间包括启动锅炉制粉系统）超过国内相关规程规定的2%ECR/min。

表1 BIR升/降负荷超前加速指令

表2 BIR给煤超前加速指令

2锅炉燃料调节BIR

一个实际应用的例子，图6的逻辑原理图是锅炉燃料调节的BIR指令信号（FIR FF），针对三种不同煤质，一种是设计煤种，另外两种是生产中经常应用的煤种，被设置成B和C煤种，可以通过DCS系统操作员站上的操作面板进行选择，确认设计煤种、B煤种（COAL B SELSECT）或C煤种（COAL C SELSECT）来改变锅炉燃烧热值校正逻辑回路入炉煤的基准热值。根据机组技术规范，机组目标功率（MW DEM）指令经过相应函数转换成能体现锅炉滑压运行（HYBRID PRESS MODE）和机组正常调节两种特性的初始信号，利于BIR FF在锅炉运行中全工况应用。其他调节回路BIR信号生成的总体框架与燃料调节回路基本一致，区别在于函数曲线不同。这是个典型的函数控制逻辑，在一个逻辑回路中有14个表述锅炉特性和煤质的函数模块，图中外置双给定斜波发生器（V≯）的外部给定同样采用了函数赋值，使BIR FF输出更具针对性。

图6 锅炉燃料调节BIR控制输出

五、结语

BIR具有三方面的技术特点，第一，控制的全面性，不同于某些设计，仅在个别调节回路中加入前馈信号，BIR一经动作立即全面发动，锅炉燃烧、减温调节多至21个回路参与。第二，调节的针对性，每个调节回路设计有的放矢地调节控制对象，各自不同，但为实现整体目标又都异曲同工。第三，数据的实践性，大量应用函数构建控制策略框架，这些函数源于现场经过验证的试验结果。也正是这些实用性的特点，为发挥电厂多专业协作提供了有利条件。

锅炉超前加速（Boiler Input Rating，BIR）控制在锅炉设备硬件不做改变的前提下，利用热工控制策略动态加快锅炉适应不同运行工况，充分应用DCS的软实力，缩短锅炉出力、压力和温度反应时间，与汽轮机工作更加协调，有助于火力发电厂燃煤机组提高供电质量，是一种经济实用的技术。国外先进工业国家对BIR的应用研究已经做得非常深入和细致，既有理论指导，更有现场实践，获得广泛应用。

多年前，我国电厂DCS已经是标配的控制装置，就硬件而论，早就跻身世界先进行列，但在机组控制策略软件以及释放DCS功能方面还需花大力气踏实研究奋起直追。

《火电燃煤机组程序自动启停系统（APS）与智能控制》作者：王立地

可供大型火力发电厂、电力研究院、电力设计院、DCS生产厂家、火电安装调试等单位从事热工自动化、节能优化运行、智能电厂规划等专业的技术人员在生产培训、工程设计、系统调试、软件组态时借鉴应用，也可作为大专院校相关专业的辅助教材。