350 MW機(jī)組DEB協(xié)調(diào)控制對(duì)AGC的適應(yīng)性分析

趙振書，祝海光

(1.華能上安發(fā)電廠 檢修部，河北 上安 050300;2.華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003)

350 MW機(jī)組DEB協(xié)調(diào)控制對(duì)AGC的適應(yīng)性分析

趙振書1，2，祝海光1

(1.華能上安發(fā)電廠 檢修部，河北 上安 050300;2.華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003)

對(duì)火電機(jī)組采用的直接能量平衡 (DEB)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以及發(fā)電自動(dòng)控制 (AGC)方式的響應(yīng)特性及其影響因素進(jìn)行分析，指出了采用AGC對(duì)火電機(jī)組進(jìn)行控制與優(yōu)化時(shí)應(yīng)注意的問題，并提出了進(jìn)一步提高負(fù)荷響應(yīng)速度的主要途徑，對(duì)華能上安電廠一單元2×350 MW機(jī)組分析與優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的DEB控制方式達(dá)到了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)快速性和穩(wěn)定性的要求。

直接能量平衡;協(xié)調(diào)控制;自動(dòng)發(fā)電控制;負(fù)荷適應(yīng)性

0 引言

單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)CCS(Coordinate Control System)根據(jù)負(fù)荷控制的特點(diǎn)，把鍋爐和汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組作為一個(gè)整體進(jìn)行控制，使其同時(shí)按照電網(wǎng)負(fù)荷需求指令和內(nèi)部主要運(yùn)行參數(shù)的偏差要求協(xié)調(diào)運(yùn)行。其任務(wù)是使機(jī)組負(fù)荷緊密跟蹤外界負(fù)荷的要求，并保持機(jī)前汽壓穩(wěn)定。隨著電網(wǎng)容量擴(kuò)大和對(duì)電能質(zhì)量要求的提高，對(duì)電力系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)電控制的要求日益迫切。采用自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)AGC(Automatic Generation Control)控制方式對(duì)提高負(fù)荷調(diào)度能力和電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性、確保電網(wǎng)供需平衡和穩(wěn)定運(yùn)行及為用戶提供優(yōu)質(zhì)的電能有著重要的意義，也是電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化水平的突出標(biāo)志［1，2］。

目前國(guó)內(nèi)不少單元機(jī)組的負(fù)荷控制實(shí)現(xiàn)了AGC，但投運(yùn)效果并不十分理想，突出表現(xiàn)在對(duì)外界負(fù)荷響應(yīng)的滯后時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)負(fù)荷的響應(yīng)速率較慢，負(fù)荷適應(yīng)性差［3～5］。針對(duì)華能上安電廠一期2×350 MW機(jī)組原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用間接能量平衡 (IEB)負(fù)荷控制品質(zhì)差，調(diào)節(jié)過程負(fù)荷響應(yīng)慢、主蒸汽壓力和汽包水位波動(dòng)大、主蒸汽溫度和再熱汽溫超溫等現(xiàn)象，對(duì)原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，新的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用了前饋和直接能量平衡 (DEB)相結(jié)合的控制方式，解決了因燃煤品質(zhì)變化大而使機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)性差的問題。

1 自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)

AGC是根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷指令，直接控制發(fā)電機(jī)功率的自動(dòng)控制系統(tǒng)。以電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)和電廠發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過兩者間實(shí)時(shí)閉環(huán)運(yùn)行，控制發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行功率隨時(shí)跟蹤電網(wǎng)的負(fù)荷變化，并迅速平穩(wěn)地將系統(tǒng)頻率偏差及聯(lián)絡(luò)線功率偏差調(diào)整在規(guī)定的范圍內(nèi)。

火電廠ACC控制系統(tǒng)主要由電網(wǎng)調(diào)度中心實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、信息傳輸通道、遠(yuǎn)動(dòng)控制裝置 (RTU)、單元機(jī)組控制系統(tǒng)組成。電網(wǎng)調(diào)度中心利用控制軟件對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的用電負(fù)荷情況、機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視，然后對(duì)掌握的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)電廠的機(jī)組進(jìn)行負(fù)荷分配，產(chǎn)生ACC指令。ACC指令通過信息傳輸通道將此指令傳送到電廠的RTU裝置。同時(shí)，電廠將機(jī)組的運(yùn)行狀況及相關(guān)信息通過RTU裝置和信息傳輸通道送至電網(wǎng)調(diào)度中心的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中去。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 AGC控制結(jié)構(gòu)框圖Fig．1 AGC control structure

ACC指令是電網(wǎng)調(diào)度中心的計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的被控機(jī)組的目標(biāo)功率，按RTU的通信規(guī)定組裝成AGC遙調(diào)報(bào)文輸送給電廠RTU，RTU裝置將接收到的ACC控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA的信號(hào)送至發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)。同時(shí)，功率變送器將發(fā)電機(jī)組有功功率轉(zhuǎn)換成4～20 mA信號(hào)，送到電網(wǎng)調(diào)度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中。

2 DEB協(xié)調(diào)控制及其影響因素分析

直接能量平衡 (DEB)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用能量平衡信號(hào)作為鍋爐主控能量需求信號(hào)，鍋爐燃燒釋放的熱量作為反饋信號(hào)，以機(jī)組的能量平衡為出發(fā)點(diǎn)，以能量需求和能量釋放為控制信號(hào)的控制系統(tǒng)［6］。實(shí)際上是一種運(yùn)用了前饋控制技術(shù)的以鍋爐跟蹤為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

PS×P1/PT稱為能量平衡信號(hào)或能量指令信號(hào)，反映了汽機(jī)對(duì)鍋爐的能量需求。其中PS為給定值，P1/PT為汽輪機(jī)第一級(jí)汽壓對(duì)主蒸汽壓力之比，線性代表了汽機(jī)的有效閥位，提供了實(shí)際調(diào)節(jié)閥開度的精確測(cè)量。(P1+CB×dPd/dt)稱為熱量釋放信號(hào)或簡(jiǎn)稱熱量信號(hào)，用第一級(jí)汽壓P1加上鍋爐蓄能變化 (用汽包壓力Pd的微分表示)來(lái)表示，間接代表了進(jìn)入鍋爐的燃料量的測(cè)量，其中CB為鍋爐蓄熱系數(shù)。當(dāng)鍋爐和汽機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，兩者應(yīng)達(dá)到平衡，即:

進(jìn)入鍋爐燃料入口能量偏差信號(hào)為:

其中ΔPt=PS－PT為壓力偏差。靜態(tài)工況下dPd/dt=0，即Δe=ΔPt×P1/PT，燃料調(diào)節(jié)器的積分作用總是消除調(diào)節(jié)器入口偏差，使Δe最終等于零。由于P1/PT恒不等于零，所以需使ΔPt=0，即機(jī)前壓力PT等于給定值PS。可見此系統(tǒng)中的燃料調(diào)節(jié)器具有維持機(jī)前壓力PT等于壓力給定值的能力，而無(wú)需另加壓力校正調(diào)節(jié)器。

隨著電網(wǎng)的負(fù)荷分配采用AGC方式，要求機(jī)組在確保穩(wěn)定的前提下，具有更快的負(fù)荷響應(yīng)。然而火電機(jī)組常常難以滿足負(fù)荷快速調(diào)度要求。具體影響機(jī)組AGC運(yùn)行的主要因素有以下幾方面。

2.1 鍋爐響應(yīng)的遲延特性

火電機(jī)組在能量產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換過程中存在著較大的遲延，對(duì)負(fù)荷響應(yīng)的遲延主要取決于鍋爐在接到負(fù)荷指令后，改變?nèi)紵康秸羝髁堪l(fā)生變化所需要的時(shí)間。試驗(yàn)表明，純遲延主要發(fā)生在制粉過程，由于一次風(fēng)量和煤粉細(xì)度受運(yùn)行要求的限制，該遲延時(shí)間難以克服。

2.2 協(xié)調(diào)運(yùn)行方式

DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)從理論上有效地解決了機(jī)、爐控制模型的多參數(shù)耦合解耦設(shè)計(jì)問題，但從實(shí)際運(yùn)行情況看，該系統(tǒng)采用的熱量信號(hào)，受鍋爐燃燒工況、受熱面導(dǎo)熱系數(shù)等多種因素的影響。增加了熱量信號(hào)轉(zhuǎn)換過程與鍋爐實(shí)際燃燒工況不一致帶來(lái)的隱患。

另外一個(gè)問題是燃燒控制系統(tǒng)的參數(shù)整定比較困難。由于DEB控制方案中，控制效果好壞的關(guān)鍵在于鍋爐蓄熱系數(shù)CB的整定。而CB的整定方法，則是機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)的情況下，機(jī)組運(yùn)行人員給汽機(jī)調(diào)門一個(gè)階躍變化后，調(diào)整CB，使熱量信號(hào)的代數(shù)和保持不變。由于整定CB時(shí)要多次較大幅度地變更機(jī)組的運(yùn)行狀況，加之做實(shí)驗(yàn)及辨識(shí)方法的不準(zhǔn)確性，給CB的最佳化整定帶來(lái)了困難。

2.3 滑壓運(yùn)行及鍋爐蓄熱

滑壓運(yùn)行有利于機(jī)組快速啟動(dòng)及變負(fù)荷運(yùn)行，但是滑壓運(yùn)行對(duì)負(fù)荷的適應(yīng)性產(chǎn)生不利的因素。機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)在滑壓運(yùn)行階段 (30%～80%MCR)，鍋爐蓄熱能力將隨參數(shù)的變化而變化，變化方向恰好與負(fù)荷需求方向相同:當(dāng)需要增加負(fù)荷時(shí)，鍋爐同時(shí)需要吸收一部分熱量來(lái)提高參數(shù)，使其蓄熱能力增加;反之，在降低負(fù)荷時(shí)，參數(shù)降低，釋放蓄熱。這兩種結(jié)果都阻礙機(jī)組對(duì)外界負(fù)荷需求的響應(yīng)，降低了負(fù)荷響應(yīng)的速率。在實(shí)際試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)曲線出現(xiàn)了負(fù)荷升降的遲延平臺(tái)，如圖2所示，其中P為壓力，N為功率，B為煤量。

圖2 負(fù)荷升降遲延示意Fig．2 Load control signal delay

3 提高火電機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)性的途徑

華能上安電廠一單元1號(hào)、2號(hào)機(jī)組為2×350 MW機(jī)組是全套引進(jìn)的國(guó)外機(jī)組。鍋爐為加拿大B＆W公司生產(chǎn)的CAROCINA“W”型亞臨界壓力一次再熱自然循環(huán)輻射爐。汽輪發(fā)電機(jī)組為美國(guó)GE公司提供的亞臨界一次中間再熱、雙缸、雙排冷凝式機(jī)組，并配置了30%流量的旁路裝置，該裝置由瑞典EUR-CONTROL公司提供。機(jī)組控制設(shè)備主要采用美國(guó)貝利公司的infi-90分散控制系統(tǒng)。為提高機(jī)組負(fù)荷的適應(yīng)性，必須在分析AGC特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出具體的提高負(fù)荷響應(yīng)速度的途徑。

3.1 充分利用鍋爐的蓄熱能力

鍋爐是一個(gè)巨大的蓄熱裝置，盡管大型鍋爐的蓄熱能力相對(duì)較小，但必須利用這部分蓄熱，這是加快機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)的先決條件。要利用好鍋爐蓄熱，關(guān)鍵是協(xié)調(diào)好鍋爐負(fù)荷指令和汽輪機(jī)負(fù)荷指令，并協(xié)調(diào)好鍋爐快速性和穩(wěn)定性間的矛盾。通過調(diào)試熱量信號(hào)P1+CB×dPd/dt選擇合適的蓄熱系數(shù)CB使熱量信號(hào)能更加準(zhǔn)確地反映鍋爐的實(shí)際發(fā)熱量。當(dāng)升負(fù)荷之初允許主汽壓力適當(dāng)下降，開始降負(fù)荷時(shí)則允許主汽壓力適當(dāng)上升。一般認(rèn)為對(duì)于配備直吹式制粉系統(tǒng)機(jī)組而言，允許主壓力偏差在0.0～0.3 MPa之間。

3.2 協(xié)調(diào)控制方式的改進(jìn)

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制策略，關(guān)鍵在于處理機(jī)組的負(fù)荷適應(yīng)性與運(yùn)行的穩(wěn)定性這一矛盾。對(duì)汽機(jī)控制既要充分利用鍋爐蓄能，滿足機(jī)組負(fù)荷要求，又要?jiǎng)討B(tài)超調(diào)鍋爐的能量輸入，補(bǔ)償鍋爐蓄能。同時(shí)要對(duì)前饋環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。必須加快鍋爐煤量的調(diào)節(jié)，包括加快磨煤機(jī)一次風(fēng)的流量調(diào)節(jié)，以便吹出磨煤機(jī)中的少量存粉，加快鍋爐的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。增強(qiáng)煤量和一次風(fēng)量的前饋?zhàn)饔?利用負(fù)荷變化的前饋信號(hào)，迅速改變給煤量，使鍋爐的燃燒率發(fā)生變化，適應(yīng)負(fù)荷變化需要。試驗(yàn)證明，綜合利用上述兩種前饋?zhàn)饔每蛇_(dá)到較為理想的效果。

另外取消風(fēng)煤間的交叉限制。目前通用的燃料和送風(fēng)控制中一般都設(shè)計(jì)有風(fēng)煤交叉限制邏輯，即升負(fù)荷時(shí)先加風(fēng)后加燃料，減負(fù)荷時(shí)先減燃料后減風(fēng)。在機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)中，此功能往往成為制約機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度的一個(gè)因素。由于變負(fù)荷時(shí)燃料和送風(fēng)系統(tǒng)往往同時(shí)動(dòng)作，而燃料一般都會(huì)滯后于風(fēng)量，鍋爐一般不會(huì)出現(xiàn)欠風(fēng)運(yùn)行。實(shí)際上燃煤鍋爐一般都采用較大的過量空氣系數(shù)，而近年來(lái)新投產(chǎn)機(jī)組一般都投入了氧量自動(dòng)，使得風(fēng)煤交叉限制失去了現(xiàn)實(shí)意義。

3.3 在AGC調(diào)節(jié)負(fù)荷范圍內(nèi)，升降負(fù)荷采用定壓方式

滑壓升降負(fù)荷存在著鍋爐蓄熱能力變化對(duì)負(fù)荷調(diào)度的負(fù)面效應(yīng)，而采用定壓方式不改變鍋爐蓄熱能力，可消除對(duì)負(fù)荷響應(yīng)的負(fù)面影響。因而在AGC調(diào)節(jié)負(fù)荷的范圍內(nèi)，可以轉(zhuǎn)入定壓運(yùn)行，增強(qiáng)對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性。實(shí)際運(yùn)行中可根據(jù)機(jī)組實(shí)際狀況選擇定壓或滑壓運(yùn)行方式。

其他優(yōu)化包括提高機(jī)組自動(dòng)化控制水平，完善機(jī)組的RB功能，對(duì)遲延較大的主設(shè)備 (如煤粉制備)運(yùn)行中采取特殊措施等來(lái)提高機(jī)組的響應(yīng)能力。

3.4 優(yōu)化后升降負(fù)荷曲線分析

華能上安電廠一單元350 MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化后，機(jī)組降負(fù)荷過程主要參數(shù)曲線如圖3所示。該時(shí)間段內(nèi)采用滑壓運(yùn)行方式，負(fù)荷先下降然后上升。由圖可知優(yōu)化后變負(fù)荷過程實(shí)際負(fù)荷跟隨負(fù)荷定值迅速及時(shí)，負(fù)荷變化過程壓力跟隨定值迅速平穩(wěn)，壓力和定值曲線基本平行，壓力偏差很小，給煤量調(diào)節(jié)比較迅速及時(shí)，水位波動(dòng)較小，在允許的范圍內(nèi)。

圖3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化后機(jī)組升降負(fù)荷過程負(fù)荷壓力曲線Fig．3 CCS optimized load-pressure process curve of load control

優(yōu)化后的主汽壓力跟隨給定值較好，二者基本平行，主汽壓力在大范圍負(fù)荷波動(dòng)仍能在允許范圍內(nèi)，主汽壓力波動(dòng)明顯小于優(yōu)化前。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，優(yōu)化后的DEB控制方式成功實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷變化的要求，確保了運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定，達(dá)到了CCS快速性和穩(wěn)定性的要求。

4 結(jié)論

大型火電廠AGC為保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。AGC的實(shí)施成為電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵組成部分之一。本文分析了電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化和機(jī)組運(yùn)行自動(dòng)化之間實(shí)現(xiàn)AGC及其優(yōu)化的途徑，針對(duì)華能上安電廠一單元350 MW機(jī)組，詳細(xì)分析討論了DEB控制方式及其影響因素，并提出了優(yōu)化方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的優(yōu)化方案既有良好的升降負(fù)荷適應(yīng)能力，又能保證機(jī)組參數(shù)穩(wěn)定。

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Analysis of the AGC Adaptability Based on the DEB Coordinated Control Method

Zhao Zhenshu1，2，Zhu Haiguang1
(1.Huaneng Shang'an Power Plant，Shang'an 050300，China;2.North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

The response characteristics and influencing factors of the direct energy balance(DEB)coordinated control system of automatic generation control(AGC)in fossil-fired generating unit have been analyzed．At the same time，the paper pointed out the questions on the AGC controlling in fossil-fired generating unit and the main methods to further raise load response speed．The experiment results show that the DEB control method reached the requirements of the load speed rate and stability of the 350 MW unit in Shangan power plant．

direct energy balance(DEB);coordinated control;automatic generation control(AGC);load adaptability

TM76

A

2011－01－02。

趙振書 (1969－)男，工程師，從事火電熱工自動(dòng)化工作，E-mail:zzs_12345@163．com。