1 000 MW超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略分析

孫月亮，董 澤，亢 猛

(華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

近幾年，超超臨界機(jī)組相繼投產(chǎn)運(yùn)行，大容量、高效率機(jī)組已經(jīng)成為火電機(jī)組發(fā)展的主流趨勢。超超臨界機(jī)組效率比超臨界機(jī)組效率提高2%～3%，進(jìn)一步降低煤耗、節(jié)約能源的同時,大大節(jié)省了電廠的運(yùn)行成本，并減少了相同電量污染物的排放，對于響應(yīng)國家“節(jié)能減排”策略具有重要意義。目前，國內(nèi)對超超臨界機(jī)組的協(xié)調(diào)控制策略的研究仍處于發(fā)展和完善階段，以下對1 000 MW超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略現(xiàn)狀及存在的問題進(jìn)行分析。

1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)介紹

超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制對象是由直流鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組成的整個機(jī)組。機(jī)組特性表現(xiàn)為復(fù)雜多變的多輸入、多輸出對象，且隨著負(fù)荷變化，機(jī)組的動態(tài)特性隨之大幅度變化，同時具有強(qiáng)烈的非線性、強(qiáng)耦合、大慣性和純滯后等特性。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)由給水、燃燒、汽溫、送風(fēng)、引風(fēng)、一次風(fēng)等子系統(tǒng)構(gòu)成，這些子系統(tǒng)交叉限制，在控制過程中相互影響。

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)接收負(fù)荷指令、機(jī)組實發(fā)功率、機(jī)前壓力設(shè)定值和機(jī)前壓力，經(jīng)運(yùn)算后分別送往鍋爐主控回路和汽輪機(jī)主控回路。鍋爐主控回路經(jīng)過處理后送往給水、燃燒、汽溫、送風(fēng)、引風(fēng)、一次風(fēng)等子系統(tǒng)；汽輪機(jī)主控回路作為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CCS)和汽輪機(jī)數(shù)字式電液控制系統(tǒng)(DEH)的接口則用來控制汽輪機(jī)調(diào)門的開度、機(jī)爐協(xié)調(diào)動作，在保持機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，滿足負(fù)荷指令的要求。

2 協(xié)調(diào)控制策略分析

CCS是指通過控制回路協(xié)調(diào)鍋爐和汽輪機(jī)的工作狀態(tài)，同時給鍋爐自動控制系統(tǒng)和汽輪機(jī)自動控制系統(tǒng)發(fā)出指令，穩(wěn)定參數(shù)的同時，達(dá)到快速響應(yīng)負(fù)荷變化的目的，最大可能發(fā)揮機(jī)組的調(diào)頻、調(diào)峰能力[1]。一般協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運(yùn)行方式分為機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式、鍋爐跟隨控制方式、鍋爐輸入控制方式、鍋爐手動控制方式[2]。其中機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式又可分為爐跟機(jī)協(xié)調(diào)和機(jī)跟爐協(xié)調(diào)。在爐跟機(jī)協(xié)調(diào)方式下，鍋爐主控回路負(fù)責(zé)維持機(jī)前壓力，汽輪機(jī)主控回路負(fù)責(zé)控制機(jī)組負(fù)荷；在機(jī)跟爐協(xié)調(diào)方式下，汽輪機(jī)主控回路負(fù)責(zé)維持機(jī)前壓力，鍋爐主控回路控制機(jī)組負(fù)荷。以下就浙江華能玉環(huán)電廠(簡稱“華能玉環(huán)”)1 000 MW超超臨界機(jī)組和上海外高橋第三電廠(簡稱“上海外高橋”)1 000 MW超超臨界機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。由于機(jī)跟爐方式難以滿足快速響應(yīng)自動發(fā)電控制(AGC)指令的要求，因此上述機(jī)組均采用以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式。

在機(jī)爐協(xié)調(diào)方式下，鍋爐主控指令和汽輪機(jī)主控指令都處于自動狀態(tài)，機(jī)組的目標(biāo)負(fù)荷是由運(yùn)行人員手動設(shè)定的，或接受電網(wǎng)調(diào)度中心AGC指令。除采用機(jī)爐協(xié)調(diào)方式外，還要自動跟蹤發(fā)電機(jī)實際功率，以保證無擾切換。華能玉環(huán)超超臨界機(jī)組的負(fù)荷設(shè)定回路主要完成目標(biāo)負(fù)荷指令形成升、降負(fù)荷速率及負(fù)荷閉鎖增、減等功能限制，并參與一次調(diào)頻，且目標(biāo)負(fù)荷經(jīng)過高、低負(fù)荷限制后輸出機(jī)組功率需求信號。上海外高橋超超臨界機(jī)組的負(fù)荷設(shè)定回路中機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷經(jīng)速率限制，負(fù)荷上、下限限制和負(fù)荷指令增、減閉鎖等運(yùn)算后送往汽輪機(jī)、鍋爐主控系統(tǒng)，并將頻率校正的部分分別在汽輪機(jī)主控回路和鍋爐主控回路中實現(xiàn)。

2.1 鍋爐主控回路

華能玉環(huán)1 000 MW超超臨界機(jī)組鍋爐主控回路示意見圖1。在協(xié)調(diào)方式下，鍋爐輸入需求(BID)信號由功率需求信號、功率偏差校正信號和主蒸汽壓力修正信號組成。機(jī)組采用定-滑-定運(yùn)行方式，定壓運(yùn)行時，壓力由運(yùn)行人員手動設(shè)定；滑壓運(yùn)行時，壓力為功率需求信號的函數(shù),2種方式可以無擾切換。

圖1 華能玉環(huán)鍋爐主控回路示意

上海外高橋1 000 MW超超臨界機(jī)組鍋爐指令由四部分疊加而成：基本指令，即經(jīng)過頻差修正的機(jī)組負(fù)荷指令，使鍋爐主控指令對應(yīng)于負(fù)荷及頻率的改變有一個絕對變化量；機(jī)組負(fù)荷指令與頻差信號的動態(tài)補(bǔ)償信號，主要考慮在負(fù)荷與頻率變化時對鍋爐蓄熱量變化的基本補(bǔ)償；壓力調(diào)節(jié)器輸出信號；壓力偏差對鍋爐蓄熱的動態(tài)補(bǔ)償信號[3]。鍋爐主控回路示意見圖2。

圖2 上海外高橋鍋爐主控回路示意

綜合2種鍋爐主控策略可知，2種鍋爐主控回路中都有功率偏差的校正信號，可在變負(fù)荷時提高鍋爐側(cè)的響應(yīng)速度，減小鍋爐側(cè)的慣性，適應(yīng)負(fù)荷指令的需求。頻差和壓差的動態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)直接作用于鍋爐主控回路起到動態(tài)前饋的作用，同樣達(dá)到加快鍋爐反應(yīng)速度的目的。2種控制策略中都使用了負(fù)荷(或需求功率)的前饋信號，直接作用于鍋爐主控回路，使鍋爐風(fēng)、煤、水相對于負(fù)荷都有一個基本變化量，這是最基礎(chǔ)、最直接、最快速的比例控制。

2.2 汽輪機(jī)主控回路

華能玉環(huán)1 000 MW超超臨界機(jī)組在協(xié)調(diào)方式下，汽輪機(jī)主控指令將跟隨機(jī)組主控指令和功率控制(發(fā)電機(jī)實際負(fù)荷)，以便使實際功率與功率設(shè)定值相匹配[4]，實現(xiàn)功率控制。同時考慮用主蒸汽壓力偏差修正實際功率，并設(shè)置汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器的超馳功能，汽輪機(jī)主控回路示意見圖3。

圖3 華能玉環(huán)汽輪機(jī)主控回路示意

上海外高橋1 000 MW超超臨界機(jī)組，在CCS方式下，汽輪機(jī)主控指令負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)機(jī)組實際功率，功率設(shè)定值由機(jī)組負(fù)荷指令及其動態(tài)前饋、頻差信號、壓力拉回回路三部分疊加而成，即經(jīng)過死區(qū)特性和限幅特性的壓力偏差信號，汽輪機(jī)主控回路示意見圖4。

圖4 上海外高橋汽輪機(jī)主控回路示意

由上面2種汽輪機(jī)主控策略可知，選擇汽輪機(jī)主控方式下的主要控制負(fù)荷，機(jī)組響應(yīng)負(fù)荷速度快，負(fù)荷控制精度高。按照調(diào)度部門對機(jī)組投入AGC運(yùn)行指標(biāo)的要求，這種控制方式更能快速滿足AGC的負(fù)荷目標(biāo)。

2種方式都考慮了汽壓限制的作用，因為在爐跟機(jī)方式下，當(dāng)負(fù)荷變化時機(jī)前壓力波動幅度比較大。當(dāng)機(jī)前壓力偏差超出鍋爐主控回路的預(yù)測范圍時，汽輪機(jī)主控回路不再調(diào)功，而是參與調(diào)壓，二者共同作用使機(jī)前壓力調(diào)整到允許范圍內(nèi)，使得壓力控制不再影響汽輪機(jī)主控回路正常的功率調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)快速響應(yīng)動態(tài)過程，并穩(wěn)定鍋爐輸入和汽輪機(jī)輸出的平衡。根據(jù)各機(jī)組的具體特點，可在汽壓限制環(huán)節(jié)函數(shù)曲線上設(shè)置調(diào)壓作用的強(qiáng)弱，完成汽輪機(jī)與鍋爐間的解耦。此外，上海外高橋1 000 MW超超臨界機(jī)組使用了負(fù)荷的動態(tài)前饋環(huán)節(jié)，當(dāng)負(fù)荷變化時，在允許機(jī)前壓力有一定波動的前提下，為了能最大限度的利用鍋爐蓄熱，加快機(jī)組初期響應(yīng)負(fù)荷的執(zhí)行速度，利用前饋環(huán)節(jié)使汽輪機(jī)調(diào)門提前動作。

2種控制方式可概括為：將“以汽輪機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式”和“以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式”的優(yōu)點結(jié)合在一起的全協(xié)調(diào)控制方式，是穩(wěn)態(tài)時“解耦”，動態(tài)時“協(xié)調(diào)”的柔性控制策略，鍋爐主控回路和汽輪機(jī)主控回路都沒有絕對的控制。

2.3 給水量、給煤量和給風(fēng)量與負(fù)荷的關(guān)系

直流鍋爐汽水是一次性完成的，因此燃料量和給水量都將對鍋爐的蒸發(fā)量起到?jīng)Q定性影響。煤水比的配合是與超超臨界機(jī)組負(fù)荷控制緊密相連的；而維持煤水比恒定又是直流爐汽溫的主要調(diào)節(jié)手段，風(fēng)煤比的適中是燃燒經(jīng)濟(jì)性的體現(xiàn)。因此，在協(xié)調(diào)方式下，要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)這三者與負(fù)荷的關(guān)系，以最大限度達(dá)到機(jī)組的穩(wěn)定性、快速性和經(jīng)濟(jì)性。

華能玉環(huán)1 000 MW超超臨界機(jī)組，鍋爐主控指令并行送到給水控制子系統(tǒng)和燃燒控制子系統(tǒng)，即鍋爐指令直接送到給水主控回路，形成給水量設(shè)定值；而經(jīng)過燃水比修正的鍋爐主控指令送往燃燒控制子系統(tǒng)，形成燃料指令，燃料指令乘以風(fēng)煤比送往風(fēng)量控制子系統(tǒng)。采用這種煤水比控制方式能迅速有效的調(diào)整燃水比，避免鍋爐出口蒸汽超溫；但由于給水量的變化，在調(diào)整初期容易對機(jī)組負(fù)荷和主蒸汽壓力造成很大波動，使得機(jī)組穩(wěn)定性變差。

上海外高橋1 000 MW超超臨界機(jī)組，總風(fēng)量指令=鍋爐主控指令×風(fēng)煤比函數(shù)×氧量校正輸出;燃料量指令=鍋爐主控指令+焓值調(diào)節(jié)的動態(tài)解耦;給水流量指令=延遲的鍋爐主控指令/焓值調(diào)節(jié)器的輸出。

基于比值控制的系統(tǒng)，在穩(wěn)定工況下，維持燃料量/給水量、給水量/主蒸汽流量、噴水流量/給水流量為常數(shù)可保證過熱器出口溫度為設(shè)定值；在變工況下，上述3個比值按照一定規(guī)律變化。

上海外高橋機(jī)組煤水比控制方式與華能玉環(huán)機(jī)組煤水比控制方式相反，燃料指令變化在前，給水指令變化在后。由于燃料控制相對給水控制存在很大遲延，對機(jī)組負(fù)荷和主蒸汽壓力的影響較為平緩，但對于外界擾動調(diào)節(jié)緩慢，容易因煤水比失配造成主蒸汽超溫。

這2種煤水比控制方式都采用了并行前饋控制，相對于絕對的“煤跟水”和“水跟煤”控制方式來說，極大的提高了鍋爐的響應(yīng)特性，達(dá)到了盡量揚(yáng)長避短的目的。

3 存在的問題與建議

直流鍋爐在不同工況下，表現(xiàn)出不同的蓄熱特性。同時，外界因素的干擾對機(jī)組動態(tài)特性也有很大影響。例如，煤炭資源緊張，考慮電廠經(jīng)濟(jì)性原因，很難保證一直供給設(shè)計煤種。尤其對我國那些主要參與調(diào)峰的超超臨界燃煤大機(jī)組來說，煤質(zhì)的變化一定程度上影響機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和AGC的投入品質(zhì)。因此，為使機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行并能快速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷要求，在控制設(shè)計中多考慮靜態(tài)、動態(tài)前饋控制技術(shù)，以及大范圍的使用變參數(shù)、變定值，同時針對不同工況，結(jié)合變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，滿足不同動態(tài)特性的要求。

現(xiàn)代控制理論中的很多方法已被運(yùn)用到單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化中，如自適應(yīng)模糊控制、基于狀態(tài)觀測器的方法、動態(tài)特性補(bǔ)償?shù)萚5]。這些設(shè)計思想已在超臨界機(jī)組上得到很好的應(yīng)用，1 000 MW超超臨界機(jī)組可以借鑒、吸收其控制經(jīng)驗，使協(xié)調(diào)控制策略更加完善。

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