火力发电厂控制系统平衡回路逻辑思路与设计

余小敏，祝广场，张锷

（华电电力科学研究院中南区域中心，湖北武汉430062）

火力发电厂控制系统平衡回路逻辑思路与设计

余小敏，祝广场，张锷

（华电电力科学研究院中南区域中心，湖北武汉430062）

在电厂的热工控制系统中，平衡回路被广泛的采用。平衡回路的作用主要是针对像三大风机及给水泵等成对出现的设备。由于在电厂的热工设计中并没有针对平衡回路的设计规范，所以各个电厂的控制逻辑中平衡回路的设计都不尽相同。总结了多个电厂热工控制系统中关于平衡回路的设计，对各种不同的平衡回路的设计特点进行了归纳与总结，希望能对以后的热工设计提供参考。

平衡回路；逻辑；设计思路；火力发电厂

0 引言

火电厂设备中，受设备容量的限制和机组安全性的考虑，有一些设备往往成对出现。最常见的如引风机、送风机、一次风机等设备，俗称六大风机。还有一些设备则以更多的数量出现，例如给煤机和给水泵等。对于这些以成对或更多数量出现的设备，在热工控制系统的设计中必须有所考虑，即增加平衡回路系统，其主要的思路是:在两个设备中有一个设备处于自动而另一个处于手动状态时，当手动调整一台设备时，处于自动状态的设备能够自动调整，使得在整个过程中对系统的影响最小；当两台设备都处于自动状态时，控制系统可以根据两台设备间的出力来自行调整，或者可以由操作员根据实际情况来调整各个设备间的出力。平衡回路的设计思路中还有一点就是消除设备在手动自动切换过程中的扰动，达到无扰切换的目的。在梳理众多电厂热工控制系统逻辑后，对平衡回路的设计思路进行了总结。在对平衡回路进行了分类之后，继续分析了平衡回路与R B的关系，最后对给煤机与给水泵等特殊回路中的平衡回路进行了分析。

图1 输出平衡回路逻辑

图2 电流平衡回路逻辑

1 平衡回路的分类

平衡回路按照功能大致可以分成三类:输出平衡回路、电流平衡回路和输出与电流相结合的平衡回路。

1.1 输出平衡

在较早的热工控制系统中，平衡回路的设计大多只采用输出平衡的平衡回路。以送风机系统为例，输出平衡回路的逻辑示意图如图1所示[1]。

分析图1可以看出输出平衡回路具有以下特点:

（1）假设两台送风机中送风机A在自动状态而送风机B在手动状态，则这时平衡回路的输出T块选择N路输入，即等于送风机A与送风机B输出指令之差的一半。而平衡回路输出模块T的输出是分别与PID调节器的输出相加和相减后作为送风机A与送风机B的输出指令的。这时若操作员手动改变送风机B的输出，通过几个扫描周期后，平衡回路输出模块T将送风机B输出的手动改变量以反方向叠加在送风机A的输出上，这样处于自动状态的送风机就能够自动进行反方向同幅度调整。由于两台设备的调整量大小相同，方向相反，使得在整个过程中两台送风机的出力各自做了调整而对系统则基本没有影响。

（2）当两台送风机都处于自动状态时，可以由操作员根据实际情况来调整各个设备间的出力:当操作员在图1中送风机偏置手操站上设定偏置后，该偏置会分别作用于两台送风机上，其大小相同而方向相反，这样就使得一台送风机出力增加而另一台送风机出力减少，最终达到两台送风机出力平衡的效果。

（3）输出平衡回路的设计思路中还有一点就是消除设备在手动自动切换过程中的扰动，达到无扰切换的目的。如图1中所示，当两台风机中只有一台处于自动状态时，送风机偏置手操站跟踪两台风机输出指令之差的一半；当第二台风机也投入自动时，则释放偏置手操站，操作员可以在原有的偏置基础上进行调整从而保证了整个系统的无扰切换。

在系统的运行中往往出现一台风机处于自动状态而另一台风机因故障退出运行进行检修的情况。在这种情况下，停运风机的输出对系统不应该产生影响。故如图1中所示，若风机跳闸则将其在平衡回路中的输入切换为零，这样即使在停运风机的检修过程中风机的输出有所改变也不会对另一台风机的运行造成影响。

1.2 电流平衡

电流平衡是现在最常用的平衡回路。以送风机为例其原理图如图2所示。当两台风机同时在运行时希望它们的出力尽量一致，而风机的工作电流的大小则最能直接反映设备的出力情况。电流平衡回路的设计思想是当两台风机均处于自动控制时根据各自的工作电流的大小调整各自的出力，使得每台风机的工作电流基本一致从而达到出力一致的目的。值得注意的是电流平衡的调整量不宜过大，一般限定在5%的变化范围内，且其调节速率也比较缓慢，以免对系统造成大的扰动。

使用电流平衡回路必须注意的是平衡量引入退出时的切换问题。当两台设备只有一台处于自动控制状态或两台均处于手动时电流平衡回路是不起作用的。当两台设备均处于自动控制状态时，电流平衡回路进入工作状态，电流平衡回路PID根据两台设备的电流大小自动调节两台设备的出力。这时若有任意一台设备的电流变坏质量，则电流平衡回路不再继续计算，但是电流平衡回路偏置并不是归零，而是保持在当前值。如果有任意一台设备退出自动状态，则电流平衡回路的PID应从当前值以一定的速率缓慢变到零，这个速率一定不能设定的太快，否则会引起扰动。

1.3 输出和电流平衡

输出平衡回路与电流平衡回路分别有各自的特点，输出平衡回路使得操作员能够非常方便的对两台设备进行调整而不对整个系统产生影响；而电流平衡回路则能够在设备均处于自动的情况下对设备的出力进行随时的调整，使得两台设备之间的出力能够始终保持大致的平衡。为了结合这两种设计各自的优点，有的电厂在热工控制系统中采取了输出平衡+电流平衡回路的设计，以送风机系统为例其原理图如图3所示。

图3 输出+电流平衡回路逻辑

2 平衡回路与R B的关系

当机组由于某台重要设备跳闸而快速减负荷时（RB），为了快速弥补跳闸设备对系统造成的影响，没有发生跳闸的另一台设备需要在最快的时间内迅速翻转至允许的最大开度。以送风机为例，对于设计有输出平衡回路的系统来说，当一台风机跳闸时，其平衡回路会将该跳闸风机在跳闸前瞬间的开度迅速叠加到另一台设备上，从而使得另一台风机的输出等于两倍的PID调节器的输出。然而由于在发生RB时，机组的负荷一般较高，风机调节PID的输出一般会大于50%，而风机的最大开度不能超过100%，这样就使得仍在运行的风机开度会始终保持在100%的开度上，直到随着机组负荷的下降，风机调节PID的输出降至小于50%后，运行风机的输出才会从全开的位置逐渐关小。对整个系统而言，就产生了一种类似于积分饱和的问题，即在风机调节器PID的输出小于50%之前，风机由于始终被钳制在全开的位置从而不能参与系统的调节，这对整个系统而言是很不利的。针对这个问题，不同厂家的D CS其解决的方式有所不同。在ABBBA ILI的CO M POSER系统中，由于PID控制器的上下限是可以在线调整的，所以当发生RB时，可以将其调节控制器PID的上限减少至RB前的50%，则上诉问题可以避免，其原理图如图4所示。

而在O VA TION的控制系统中，由于PID调节器的上下限不能在线调整，所以需要增加逻辑，以送风机系统为例其原理图如图5所示。

从图中可以看出，当任一台送风机跳闸时，通过阀门产生一个脉冲，使得在短暂的脉冲时间内，切换块T块的输出切换为送风机调节器PID输出上限的一半（假使为A/2）。而这个输出在经过平衡模块后，由于平衡模块的作用会被还原为送风机调节器PID的上限值（即A）。由于O VATION控制系统具有向上跟踪的功能，所以在脉冲期间，送风机调节器PID的输出会自动跟踪切换块的输出从而保持在送风机调节器PID输出上限的一半（即A/2），当脉冲过后，则送风机调节器PID被释放，其输出可以根据被调量的情况而改变，从而避免了积分饱和的情况。

图4 平衡回路与R B-C O M PO SE R

图5 平衡回路与R B-O V ATIO N

图6 小机出力判断条件

3 给煤机与给水泵等特殊回路的设计

给煤机采用主M A站跟踪最大给煤机输出的策略。由于给煤机的台数多（一般4-6台），所以不设置平衡回路，只有单台设备的独立偏置。这种只设偏置的回路与设有平衡回路的系统的最大不同在于当加减一台处于手动状态的设备输出或者是通过改变处于自动状态的设备的偏置时，其他的设备并不会作反方向的调整从而使得对整个系统的影响最小，而是通过PID调节输出来改变其他设备的输出，最终达到总的输出不变。对于给煤机系统之所以这样设计是因为给煤机台数多，如果设计平衡回路将比较复杂，而且由于给煤系统调节十分迅速，在一台给煤机改变出力后，在给煤量调节器PID的调节作用下，其它给煤机可以非常快速的进行反方向调整，从而对系统不会造成大的影响。

现有的给水泵系统一般都设置有流量平衡回路，在两台小机都投入自动且出口流量都是好品质的情况下对两台小机的出口流量自动调整。给水泵系统由于水的刚性一般不适合设计输出平衡回路，因为若两台小机的输出差别太大容易发生抢水现象。所以很多电厂的给水控制系统中都只在流量平衡回路的基础上对每台小机再增加一个独立偏置，其作用与给煤机的独立偏置类似，主要是为了防止在小机投入自动控制时产生扰动。该偏置在小机投入自动后可以保留，也可以按一定速度收为零。

不过也有个别电厂为了操作员调整方便对给水系统设计了输出平衡回路，但需对小机的出力条件进行判断，因为小机运行后并不代表其已经对系统产生了影响。判断条件如图6所示[2]。

从图6中可以看出，判断小机是否真正并入系统的条件不仅是该小机在运行，而是要求对应小机的出口门打开且小机出口压力要稍稍大于给水母管压力。而只有在小机真正并入系统后，小机的输出指令才能进入平衡回路从而对另一台小机产生影响。

4 结语

平衡回路的设计在热工自动控制系统中具有重要的作用。纵观各个电厂，各个电厂根据自身的特点设计有不同的回路。虽然平衡回路的设计种类很多且有一些变化的形式，但在现有的文献中却很少有相关的报道。在总结各个不同型号的机组热工控制系统的基础上，对平衡回路的三种形式进行了归纳与整理，即输出平衡，电流平衡与输出+电流平衡；然后对平衡回路如何与R B逻辑配合使用的问题进行了总结。最后介绍了在给煤机与给水泵等特殊回路中如何使用平衡回路或偏置。希望能对热工人员在以后的组态设计工作中有所参考。

[1]张建江.浙江嘉兴电厂三期工程#7机组逻辑组态[R].杭州意能电力有限公司，2011.

[2]陈小强.浙江北仑电厂三期工程#6机组逻辑组态[R].杭州意能电力有限公司，2009.

Logic and Design of the Balance Loop in the Control System of Power Plant

YU Xiao-min，ZHU Guang-chang，ZHANG e
（Huadian Electric Power Research Institute of Zhongnan Branch，Wuhan 430062，China）

Balance loop is widely used in the controlsystem of the power plant.The purpose of balance loop is to balance the outputofthe equipm entsin pairlike fansand feederwaterpum p.Asthe standard forbalance loop isnotavailable, so the design for itis variable.This article sorted allthe kinds ofdesign for balance loop which is used in differentpow er plants,sum m arized the charactersofdifferentdesignswith hope thatitcan provide som e reference forthe late design.

balance loop；logic；design；power plant

TM 621.6

B

2095-3429（2017）02-0026-04

2017-02-13

修回日期:2017-03-28

余小敏（1978-），男，湖北荆州人，硕士，高级工程师，主要从事火电厂热工控制及保护方面的工作。

D O I:10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.02.006