660 MW超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化

殷 喆， 張明法，張洪濤，劉 健

(1.河北省電力研究院，石家莊 050021；2.河北國華定洲發(fā)電有限責任公司,河北 保定 073000；3.河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊 050031)

1 概述

河北國華定洲發(fā)電有限責任公司(簡稱“定洲電廠”)二期工程三四號機組為國產(chǎn)超臨界空冷機組。鍋爐為SG-2080/25.4-M969的超臨界參數(shù)變壓運行直流爐，采用定-滑-定運行方式，單爐膛、四角切向燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風、固態(tài)排渣、半露天布置、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)的∏型鍋爐。采用中速磨冷一次風機正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺爐配6臺HP型中速磨煤機，其中1臺備用。汽輪機為超臨界、單軸、二缸二排汽、高中壓合缸、一次中間再熱、直接空冷凝汽式汽輪機，型號為CLNZK660-24.2/566/566。發(fā)電機為水氫氫冷卻汽輪發(fā)電機，型號為QFSN-660-2。機組的輔機配置主要包括：2臺空氣預熱器、6臺磨煤機(5臺磨煤機可帶MCR負荷)、2臺送風機(單臺帶50%額定負荷)、2臺引風機(單臺帶50%額定負荷)、2臺一次風機(單臺帶50%額定負荷)、3臺電動給水泵(可帶35%額定負荷)。熱工控制系統(tǒng)(DCS)采用SPPA- T3000分散控制系統(tǒng)，機組模擬量控制系統(tǒng)(MCS)是分散控制系統(tǒng)的功能之一，對鍋爐、汽輪機主要系統(tǒng)及設(shè)備進行連續(xù)閉環(huán)控制， 保證機組主要參數(shù)穩(wěn)定，滿足安全啟、停及定壓、滑壓及正常運行的要求。模擬量控制系統(tǒng)分為上、下級控制，上級為單元機組負荷控制級(協(xié)調(diào)級)，下級為基本控制級。汽輪機數(shù)字式電液控制系統(tǒng)(DEH)采用OVATION控制系統(tǒng)。機組協(xié)調(diào)級控制系統(tǒng)中包括自動發(fā)電控制(AGC)功能。在DEH側(cè)和協(xié)調(diào)控制回路均設(shè)計有一次調(diào)頻回路，快速響應電網(wǎng)頻率波動，穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。

2 協(xié)調(diào)控制策略

定洲電廠2臺660 MW 超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要包括汽輪機主控回路(TM)、鍋爐主控回路(BM)、負荷指令設(shè)定、主蒸汽壓力設(shè)定、協(xié)調(diào)方式切換、輔機故障減負荷(RUNBACK)、頻率校正、熱值校正等功能回路。對應于汽輪機、鍋爐主控回路，通常有4種運行控制方式：機爐協(xié)調(diào)方式(鍋爐主控系統(tǒng)自動，汽輪機主控系統(tǒng)自動)，汽輪機跟隨方式(鍋爐主控系統(tǒng)手動，汽輪機主控系統(tǒng)自動)，鍋爐跟隨方式(鍋爐主控系統(tǒng)自動，汽輪機主控系統(tǒng)手動)，機爐手動方式(鍋爐主控系統(tǒng)手動，汽輪機主控系統(tǒng)手動)。定洲電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式。爐跟機協(xié)調(diào)方式下，鍋爐主控系統(tǒng)負責維持機前壓力，汽輪機主控系統(tǒng)用于控制機組負荷，機組的負荷響應速度快、負荷控制精度較高，但機前壓力波動幅度較大，按照調(diào)度部門對機組投入AGC運行指標的要求，在這種協(xié)調(diào)方式下機組最適合投入AGC運行，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)[1]設(shè)計見圖1。

圖1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意

2.1 機組負荷指令與主蒸汽壓力定值處理回路

負荷指令回路的主要任務是：根據(jù)機組可以接受的各種外部負荷指令，處理后作為負荷給定值，分別送到鍋爐主控系統(tǒng)和汽輪機主控系統(tǒng)，有3個子回路：負荷控制站，最大、最小限制回路，變化率限制回路[2]。設(shè)計了定壓、滑壓2種壓力運行方式。在滑壓方式時，根據(jù)負荷-主蒸汽壓力設(shè)定值曲線確定機前壓力定值。主蒸汽壓力設(shè)定值變化時，按給定的壓力變化速率進行限速。滑壓設(shè)定值偏執(zhí)和定壓設(shè)定值可以在操作員畫面上進行設(shè)定。

2.2 鍋爐主控回路

鍋爐主控回路是負荷指令回路或壓力回路與燃燒控制系統(tǒng)之間的接口，即通過該回路將經(jīng)過修正的機組負荷指令或壓力指令發(fā)送到風量控制回路及燃料控制回路，以協(xié)調(diào)鍋爐出力與負荷指令之間的匹配關(guān)系[3]。鍋爐主控有2種工作模式：非鍋爐跟蹤(即CCS模式)，鍋爐跟隨(即BF模式)。該機組的協(xié)調(diào)控制是以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的，即汽輪機側(cè)控制負荷，鍋爐主要維持主蒸汽壓力。在CCS模式下，鍋爐主控調(diào)節(jié)器主調(diào)信號為壓力偏差反饋，同時在前饋回路接受機組負荷指令。前饋是粗調(diào)，反饋是細調(diào)。

2.3 汽輪機主控回路

汽輪機主控回路相當于負荷指令回路與汽機控制器之間的接口，有汽輪機跟隨(TF)和機爐協(xié)調(diào)(CCS)2種運行方式[4]。汽輪機跟隨方式是指鍋爐主控系統(tǒng)在手動，汽輪機主控系統(tǒng)在自動的方式，即用汽輪機調(diào)門來控制汽壓。采用這種方式的特點是壓力控制響應快，主蒸汽壓力很容易穩(wěn)定在給定值上，但在煤種變化大時，負荷波動較大。汽輪機調(diào)門開度指令的大小完全決定于主蒸汽壓力偏差信號的PID控制運算，汽輪機負荷則隨調(diào)門開度的大小而變化。在煤種變化比較大而鍋爐燃燒不穩(wěn)定的工況下，采用汽輪機跟隨方式有利于鍋爐穩(wěn)定燃燒。而在機爐協(xié)調(diào)控制方式下，汽輪機主控系統(tǒng)按照功率偏差控制汽輪機調(diào)門的開度，保證機組實際功率滿足負荷要求。

3 存在的問題與優(yōu)化策略

3.1 存在的問題

3.1.1 鍋爐特性差

調(diào)試期試驗發(fā)現(xiàn)，單純加煤，壓力反應延遲大概20 min以上；保持煤水比，加煤同時加水，壓力純延遲3 min左右，但慣性時間長達20 min以上；單純加煤，分離器出口焓值純延遲時間2 min，慣性時間達20 min以上。由以上試驗數(shù)據(jù)可以看出該鍋爐反應極慢，采用常規(guī)的PID控制要達到中調(diào)要求的1.5%速率，這對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)提出了高要求。

3.1.2 被控參數(shù)之間的耦合關(guān)聯(lián)性強

對于超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)來說，煤、水、調(diào)門開度(溫度、壓力、功率)耦合性非常強。要滿足中調(diào)要求的變負荷速率，變負荷時只能靠水的快速響應來滿足功率及壓力的要求，以升負荷為例，燃煤與給水快速上升，給水保證初期的功率響應及壓力跟蹤設(shè)定值，但由于煤對溫度響應的滯后，分離器出口焓值就會迅速下降，并在較長時間內(nèi)才回到設(shè)定值，這是焓值控制回路及煤的作用造成的，這期間水的變化也會引起功率及壓力的不穩(wěn)定。由于煤的大延遲大慣性，鍋爐主控PID調(diào)節(jié)器參數(shù)過慢，會導致壓力長時間出現(xiàn)偏差，PID參數(shù)稍快，又會導致壓力不穩(wěn)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.2 優(yōu)化策略

3.2.1 制粉系統(tǒng)燃燒自動調(diào)節(jié)

為加快鍋爐動態(tài)響應特性，在各磨入口一次風熱風調(diào)節(jié)門的設(shè)定值中加入鍋爐主控輸出的微分。原邏輯中熱風調(diào)節(jié)門維持磨的一次風量，該設(shè)定值為本磨煤機煤量的函數(shù)，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，鍋爐主控輸出增加10 t/h時，假設(shè)4臺磨投入自動則每臺磨的煤量增加2.5 t/h，根據(jù)煤量-風量對應函數(shù)，每臺磨的一次風量設(shè)定值大約多出1 t/h，在一次風量設(shè)定值疊加上鍋爐主控微分，以1.5%速率升負荷為例，每臺磨的一次風量會較原來增加5 t/h，這就可以保證所加煤量能夠快速進入爐膛，提高鍋爐動態(tài)響應。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，啟、停磨對壓力、溫度的影響較大，因此加入啟、停磨校正回路。如有磨啟動，則在鍋爐主控輸出上疊加-1.5%的煤量，持續(xù)1 min，以消除起磨導致壓力升高的影響，停磨所疊加作用與起磨相反。加入該回路后，很好的控制了啟、停磨對壓力及溫度的影響。

3.2.2 優(yōu)化鍋爐動態(tài)前饋

a.負荷指令微分信號。在各負荷區(qū)間進行升降負荷時取不同的系數(shù)，使其更加符合機組特性，另外，可以對升降負荷加以區(qū)分。

b.滑壓運行方式下壓力設(shè)定值微分。將滑壓曲線產(chǎn)生的壓力設(shè)定值加入三階慣性環(huán)節(jié)，并對慣性時間進行調(diào)整，以達到一定的解耦目的。

c. 定壓方式下壓力設(shè)定值微分。單純靠鍋爐主控的PID調(diào)節(jié)就可以保證壓力較為快速的響應及穩(wěn)定，因此將該部分前饋舍去。

d. 各前饋作用減弱為非AGC方式下的0.9倍左右。由于AGC方式下，可能會出現(xiàn)中調(diào)反復升降負荷指令的情況，動態(tài)前饋過強容易引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以AGC方式下，各前饋作用減弱為非AGC方式下的0.9倍左右。

3.2.3 加入穩(wěn)態(tài)壓力偏差校正回路

由于機組鍋爐側(cè)反應過慢，所以鍋爐主控的PID控制器中的積分作用選擇較慢，當鍋爐提供的能量與汽輪機功率相匹配時，壓力偏差不易消除，因此加入穩(wěn)態(tài)壓力偏差校正回路。當壓力偏差大于0.3 MPa時，煤量增加(或減少)1%～2%，持續(xù)1 min恢復。根據(jù)煤水-壓力的延遲時間，該回路每3 min起一次作用。該回路加入后可有效抑制動態(tài)壓力偏差過大。

3.2.4 將煤水比函數(shù)進行動靜分離

煤與水的對應函數(shù)作為靜態(tài)前饋送至給水調(diào)節(jié)回路中，由于煤與水對溫度的響應特性不同，為了溫度的穩(wěn)定，一般的處理方法為煤水比函數(shù)加入2到4階慣性環(huán)節(jié)以匹配煤水響應，達到解耦及穩(wěn)定目的。由于該機組鍋爐響應較慢，負荷及壓力變化要求給水能較快響應，因此該慣性環(huán)節(jié)慣性時間設(shè)置較短，但較短的慣性時間在穩(wěn)態(tài)時又不利于壓力的穩(wěn)定，所以變負荷期間采用較短的慣性時間以維持快速響應，非變負荷時采用正常的慣性時間以維持分離器出口焓值及溫度的穩(wěn)定。

4 現(xiàn)場投運情況

在試運期間機組負荷在300～600 MW以1.5%速率變化，并且經(jīng)過AGC方式下功率指令反復升降的考驗，壓力動態(tài)偏差最大一次0.7 MPa，其余均在0.5 MPa以內(nèi)，并能迅速穩(wěn)定，非變負荷時壓力偏差基本不超過0.2 MPa，調(diào)節(jié)效果良好，變負荷時功率及壓力響應曲線見圖2。

圖2 變負荷時功率及壓力響應曲線

5 結(jié)束語

由于660 MW超臨界機組壓力等級高，導致工作介質(zhì)剛性提高，動態(tài)過程加快；另外鍋爐為直流鍋爐，蓄熱能力小，各子系統(tǒng)的相互聯(lián)系更加緊密，機爐之間，給水、燃燒、汽溫之間等各系統(tǒng)的控制是一個相互耦合的過程，因此在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計中要統(tǒng)籌全局，合理解耦，采用靜態(tài)、動態(tài)前饋，引入汽輪機側(cè)壓力拉回回路，鍋爐側(cè)加快響應，充分利用鍋爐蓄熱，才能提高機組的負荷適應性和運行經(jīng)濟、穩(wěn)定性。通過對定洲電廠2臺660 MW機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的邏輯及參數(shù)進行優(yōu)化，該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能較好，可以長期可靠投入，為機組的穩(wěn)定、經(jīng)濟運行打下了基礎(chǔ)。

參考文獻：

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