超臨界機(jī)組智能化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究和實(shí)施

沈叢奇,單英雷,歸一數(shù),程際云

(上海明華電力技術(shù)工程有限公司,上海 200437)

1 引言

隨著國內(nèi)電力裝備制造業(yè)的跨越式發(fā)展,“上大壓小”,節(jié)能減排,600 MW等級以上超臨界機(jī)組在電網(wǎng)中的比重正在較快上升,電網(wǎng)要求超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組能調(diào)峰運(yùn)行,其控制策略應(yīng)保證機(jī)組良好的負(fù)荷響應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。

直流鍋爐作為一個多輸入、多輸出的被控對象,由于是強(qiáng)制循環(huán)且受熱區(qū)段之間無固定界限,參數(shù)間存在大量的耦合現(xiàn)象。而超臨界參數(shù)的直流鍋爐因調(diào)峰范圍內(nèi)熱力特性變化較大,其動態(tài)特性所表現(xiàn)出的滯后、時變和非線性就更強(qiáng);同時,由于超臨界鍋爐蓄能能力相對較小,發(fā)電負(fù)荷控制與鍋爐參數(shù)控制的矛盾就更為突出。

目前,由于超臨界機(jī)組仍沿用適用于汽包爐機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),故難以滿足超臨界機(jī)組的運(yùn)行要求,沒能發(fā)揮出機(jī)組的變負(fù)荷性能。另外,數(shù)字化控制系統(tǒng)(DCS)雖應(yīng)用至今已有二十多年,但控制系統(tǒng)的智能化程度較低。為此,本文介紹一些適合超臨界機(jī)組的智能化協(xié)調(diào)控制策略,與目前的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)相比,有了較大的突破。

2 超臨界機(jī)組主要對象特性分析

燃煤發(fā)電是一個把燃煤的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的過程。超臨界機(jī)組燃燒系統(tǒng)與汽包爐基本相同,其能量轉(zhuǎn)換過程是一個延遲較大的高階慣性環(huán)節(jié)。對于直流爐,煤量變化時,如給水流量、調(diào)門開度不變,燃燒產(chǎn)生的熱量,慢慢轉(zhuǎn)換成蒸汽比焓同向變化,機(jī)組功率、汽溫、汽壓隨之同步變化。對于汽包爐,燃燒產(chǎn)生的熱量,慢慢轉(zhuǎn)換成鍋爐蒸發(fā)量的變化,調(diào)門開度不變時,機(jī)組功率、汽壓隨之同步變化。

超臨界機(jī)組與汽包爐機(jī)組的主要區(qū)別在于汽水系統(tǒng)。汽包爐給水只影響汽包水位,不會影響發(fā)電功率、汽壓和汽溫。而直流爐的鍋爐蒸發(fā)量隨給水量同步變化,所以給水會直接影響發(fā)電功率、汽壓和汽溫。調(diào)門開度變化通過改變蒸汽流量改變機(jī)組發(fā)電功率,由于直流爐的蒸汽流量與給水流量隨動變化,所以調(diào)門變負(fù)荷與給水變負(fù)荷的本質(zhì)相同,只是調(diào)門布置在汽機(jī)側(cè),能更快地改變機(jī)組發(fā)電功率。

當(dāng)汽機(jī)調(diào)門變化時,由于機(jī)組蓄熱變化,機(jī)組負(fù)荷會有正向瞬時變化,主汽壓力反向慣性變化,但直流爐蓄熱低于汽包爐,尤其在超臨界工況下沒有潛化蓄熱,蓄熱量更小。超臨界機(jī)組的蓄熱主要來自受熱面的熱能。

超臨界機(jī)組汽機(jī)調(diào)門變化時,給水流量隨蒸汽流量快速變化,如果給水指令不變,給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)很快使給水流量和蒸汽流量恢復(fù)到原值,發(fā)電功率變化也快速恢復(fù),可見,超臨界機(jī)組采用調(diào)門變負(fù)荷方式好似曇花一現(xiàn),其變負(fù)荷容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于汽包爐。

通過以上分析,可以得出以下兩式:

(1)汽包爐主要對象特性 可以認(rèn)為是機(jī)組負(fù)荷N,主汽壓力P輸出對汽機(jī)調(diào)門TM,燃料量FD輸入的響應(yīng)特性,可以表示為:

式中:N——機(jī)組負(fù)荷;P——主汽壓力;W——給水量; TM——汽機(jī)調(diào)門開度;FD——燃料量。

(2)直流爐主要對象特性 該特性可以認(rèn)為是機(jī)組負(fù)荷N,主汽壓力P和分離器出口比焓h輸出,對汽機(jī)調(diào)門TM,燃料量FD,給水量WD輸入的響應(yīng)特性為:

式中:h——分離器出口比焓;WD——給水量指令。

3 傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)如圖1所示,它是由汽包爐單元機(jī)組發(fā)展而來,主要有爐跟蹤機(jī)(BF),機(jī)跟蹤爐(TF)和協(xié)調(diào)(CC)三種控制方式。

圖1 常規(guī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)原理圖

圖1中,虛線上部為汽包的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)原理,BM是控制鍋爐燃燒的指令,TM是控制汽機(jī)調(diào)節(jié)汽門的指令,F(X)為煤水比函數(shù),W 2(S)為慣性環(huán)節(jié),PID為調(diào)節(jié)運(yùn)算。(1)當(dāng)K 1和K 4取1,K 2和K 3取0時,系統(tǒng)為BF方式,此時汽機(jī)調(diào)門調(diào)節(jié)機(jī)組功率,鍋爐燃燒率調(diào)節(jié)汽壓,這種方式變負(fù)荷性能好,有利于電網(wǎng)運(yùn)行,但機(jī)組汽壓、汽溫變化較大,運(yùn)行穩(wěn)定性差。

(2)當(dāng)K1和K4取0,K2和K3取1時,系統(tǒng)為TF方式,此時汽機(jī)調(diào)門調(diào)節(jié)汽壓,鍋爐燃燒率調(diào)節(jié)機(jī)組功率,這種方式變負(fù)荷性能差,機(jī)組汽壓、汽溫變化較小,但運(yùn)行穩(wěn)定性好,有利于電廠運(yùn)行。

(3)目前系統(tǒng)一般采用CC控制方式,此時汽機(jī)調(diào)門和鍋爐燃燒率調(diào)節(jié)機(jī)組功率和汽壓的綜合偏差。K 1-K 4采用不同的設(shè)置,可以產(chǎn)生不同的協(xié)調(diào)效果。例如:K 1/K2數(shù)值大,說明汽機(jī)側(cè)重調(diào)節(jié)負(fù)荷;K 4/K 3數(shù)值大,說明鍋爐側(cè)重調(diào)節(jié)主汽壓力?？梢?TF和BF控制方式是兩種特殊情況。

不管采用哪種調(diào)節(jié)方式,都設(shè)計(jì)了功率指令到鍋爐指令(BM)的前饋,通過“PD”環(huán)節(jié)使鍋爐燃燒率準(zhǔn)確、快速地隨功率指令變化。由于鍋爐蒸汽熱負(fù)荷對燃料量響應(yīng)較慢,在變負(fù)荷時鍋爐燃燒率應(yīng)有適當(dāng)?shù)某{(diào),這是因?yàn)樵诩涌鞕C(jī)組變負(fù)荷速率的同時,增大鍋爐的蓄熱變化。圖1中K 5的作用是變負(fù)荷時加快調(diào)門的變化,提高機(jī)組功率的調(diào)節(jié)性能。

目前,超臨界機(jī)組在傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)上增加了圖1所示的給水控制部分,f(x)是煤水比函數(shù),f(t)是多階慣性環(huán)節(jié)。通過這兩個環(huán)節(jié),可以控制合適的靜態(tài)和動態(tài)煤水關(guān)系,減小變負(fù)荷時的汽溫變化。這種控制系統(tǒng)難以滿足超臨界機(jī)組的運(yùn)行要求。

如果采用TF協(xié)調(diào)控制方式,機(jī)組能穩(wěn)定運(yùn)行,汽壓汽溫變化也較小,但功率的調(diào)節(jié)性能很差,根本達(dá)不到電網(wǎng)運(yùn)行的要求,所以許多電廠采用BF協(xié)調(diào)控制方式。由于給水在變負(fù)荷時有較大的延遲性,使得機(jī)組變負(fù)荷性能達(dá)不到電網(wǎng)的運(yùn)行要求,加之汽壓變化較大,導(dǎo)致機(jī)組不能穩(wěn)定運(yùn)行,甚至?xí)＜皺C(jī)組的安全。

4 智能化協(xié)調(diào)控制策略

機(jī)組變負(fù)荷時應(yīng)采用有利電網(wǎng)運(yùn)行的控制策略,根據(jù)對超臨界機(jī)組的特性分析,汽機(jī)調(diào)門、給水量和給煤量(燃燒率)同時協(xié)同變化能發(fā)揮出最快的變負(fù)荷性能。汽機(jī)調(diào)門主調(diào)功率,給水快速變化,協(xié)助調(diào)門控制功率,給煤量(燃燒率)控制實(shí)現(xiàn)總能量的平衡,初期變負(fù)荷主要依靠汽機(jī)調(diào)門,中期變負(fù)荷主要依靠汽機(jī)調(diào)門和給水量,后期變負(fù)荷主要由給煤量和給水量來承擔(dān)。

機(jī)組穩(wěn)態(tài)時應(yīng)采用有利機(jī)組的控制策略,汽機(jī)調(diào)門側(cè)重調(diào)節(jié)汽壓,給水調(diào)節(jié)汽溫,給煤量(燃燒率)側(cè)重調(diào)節(jié)功率。直流爐智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 直流爐智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)原理圖

4.1 協(xié)調(diào)方式的智能化控制

通過以上分析可以得出:BF方式的變負(fù)荷性能最佳,TF方式則有利于機(jī)組運(yùn)行。目前采用的協(xié)調(diào)方式,從控制策略上講,如果有利于機(jī)組運(yùn)行,則電網(wǎng)不滿意;如果有利于電網(wǎng)運(yùn)行,則機(jī)組運(yùn)行不佳。

解決上述問題的方法是采用智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),通過“協(xié)調(diào)方式控制”功能判斷機(jī)組加負(fù)荷、減負(fù)荷、穩(wěn)定工況,并在變負(fù)荷工況時使控制系統(tǒng)切換到BF方式,此時汽機(jī)調(diào)門在保證機(jī)組安全運(yùn)行的前提下控制功率,發(fā)揮機(jī)組最快的變負(fù)荷性能,及時滿足電網(wǎng)的AGC變負(fù)荷要求。完成變負(fù)荷后過渡到 TF或有利于機(jī)組的協(xié)調(diào)方式,汽機(jī)調(diào)門平滑地過渡為主調(diào)汽壓,使機(jī)組在穩(wěn)定工況下,處于最穩(wěn)定、最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式。

4.2 直流爐智能化給水控制

通過對超臨界機(jī)組的運(yùn)行特性分析,汽機(jī)調(diào)門變化只能滿足電網(wǎng)初期和較小幅度變負(fù)荷要求,只有給水隨調(diào)門同步變化,才能滿足較大幅度的持續(xù)變負(fù)荷要求。而給水對汽溫的響應(yīng)遠(yuǎn)比燃料快,通過給水調(diào)節(jié)負(fù)荷,變負(fù)荷性能好,汽壓偏差小,但汽溫偏差較大。反之,給水調(diào)節(jié)汽溫,則汽溫變化較小,但變負(fù)荷性能差,汽壓偏差大?？梢?超臨界機(jī)組的給水控制負(fù)荷與汽溫是有矛盾的。目前,給水一般用于控制汽溫,造成變負(fù)荷性能差,汽壓控制偏差大。

如圖2所示,通過“協(xié)調(diào)方式控制”功能,使給水和減溫水控制系統(tǒng)在變負(fù)荷時,切換協(xié)助汽機(jī)調(diào)門控制功率,適當(dāng)放棄汽溫的控制,使機(jī)組有較好的持續(xù)變負(fù)荷性能,完成變負(fù)荷后平滑過渡到控制汽溫,這樣,既提高了超臨界機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)性能,也將汽溫的變化控制在合理的范圍內(nèi)。

4.3 智能化的變負(fù)荷策略

電網(wǎng)是一個要求發(fā)電和用電及時平衡的系統(tǒng),經(jīng)常會出現(xiàn)上下來回的變負(fù)荷要求。例如:在加負(fù)荷過程中突然會出現(xiàn)反向減負(fù)荷要求,由于功率指令有速率限制,在一段時間內(nèi)機(jī)組功率仍低于功率指令,而目前的控制系統(tǒng)仍會朝著加負(fù)荷的方向變化,造成負(fù)荷反向變化的延遲,同時也浪費(fèi)能源。通過智能化的變負(fù)荷策略,可以隨功率指令同步反向減小汽機(jī)調(diào)門、鍋爐燃料和給水,使機(jī)組功率馬上從當(dāng)前值開始下降,隨電網(wǎng)要求同步變化。

在頻繁的變負(fù)荷過程中,時常會出現(xiàn)加負(fù)荷時汽溫和汽壓偏高于其定值或減負(fù)荷時汽溫和汽壓偏低于其定值的情況。例如:加負(fù)荷過程中突然反向減負(fù)荷,此時汽溫和汽壓一般低于其定值,智能化的變負(fù)荷策略會加速關(guān)小汽機(jī)調(diào)門和降低給水量,使變負(fù)荷速率優(yōu)于電網(wǎng)要求,這樣做既有利于電網(wǎng),也有助于恢復(fù)機(jī)組的汽溫和汽壓。

4.4 智能化的超調(diào)控制策略

當(dāng)汽機(jī)調(diào)門和給水快速跟隨功率指令變化,充分利用機(jī)組蓄熱,實(shí)現(xiàn)機(jī)組快速變負(fù)荷時,由于鍋爐熱負(fù)荷客觀上存在著較大的延遲,必須適當(dāng)?shù)爻{(diào)煤量和給水,減小蒸汽壓力和溫度的變化。過大的超調(diào)造成負(fù)荷過調(diào),過小的超調(diào)達(dá)不到變負(fù)荷速率要求。超調(diào)不當(dāng),機(jī)組參數(shù)變化較大,會影響機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。而常規(guī)的協(xié)調(diào)控制采用固定的超調(diào),當(dāng)機(jī)組工況變化時,控制性能會變差。

超調(diào)的總量應(yīng)是變負(fù)荷時機(jī)組蓄熱的變化量,對應(yīng)于一定量的燃煤量和適當(dāng)?shù)慕o水,是超調(diào)幅度與超調(diào)持續(xù)時間形成的面積,如圖2所示的“鍋爐超調(diào)”模塊控制超調(diào)的觸發(fā)、停止和幅度。超調(diào)幅度根據(jù)機(jī)組負(fù)荷、變負(fù)荷幅度和速率預(yù)估,并根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)等來修正,使機(jī)組有較好的變負(fù)荷性能,完成變負(fù)荷任務(wù)后能量基本平衡,蒸汽壓力和溫度恢復(fù)到額定值。

給水超調(diào)的主要作用是加快機(jī)組的變負(fù)荷速度,及時平衡汽機(jī)對鍋爐蒸發(fā)量的要求,并根據(jù)汽壓的變化修正給水超調(diào)量,減小汽壓的變化幅度,最終使汽壓恢復(fù)。燃料量的超調(diào)主要是及時補(bǔ)充鍋爐的儲能變化,平衡機(jī)組的能量,并根據(jù)蒸汽溫度(或比焓)的變化修正燃料量的超調(diào),減小汽溫的變化,最終使汽溫恢復(fù)。

鍋爐熱負(fù)荷對煤量的響應(yīng)有較大的延遲,超調(diào)應(yīng)“早動早?！?超調(diào)在變負(fù)荷前期較大,并在蒸汽參數(shù)接近目標(biāo)時就結(jié)束,利用熱慣性,使蒸汽壓力溫度恢復(fù)。

4.5 智能化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制策略

超臨界機(jī)組是1個多變量強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng),控制系統(tǒng)之間相互影響,機(jī)組較難穩(wěn)定運(yùn)行。通過解耦,消除或減弱調(diào)節(jié)系統(tǒng)間的相互影響,機(jī)組才能穩(wěn)定運(yùn)行。

如圖1所示,只要合適地設(shè)置K 3和K 4,CO1對E2的影響可以消除或減弱。如E3為分離器比焓偏差,調(diào)門變化時由于沒有熱交換變化,CO1對E3沒有影響。F2(t)和F 2(x)構(gòu)成輸出解耦功能,其作用是使給水按一定比例和動態(tài)過程隨煤量變化,在穩(wěn)態(tài)時保持蒸汽的比焓不變,則CO2對E3沒有影響。CO2可視作鍋爐指令,通過它控制鍋爐熱負(fù)荷,功率和汽壓隨CO2同步變化,只要正確設(shè)置K 1,K 2,E1不隨CO2變化,即實(shí)現(xiàn)了CO2對E1的解耦。CO3可作給水指令,給水變化相當(dāng)于鍋爐蒸發(fā)量,功率和壓力在一段時間內(nèi)同步隨給水變化,故E1基本不隨CO3變化,但E2隨CO3顯著變化。

由PID1,PID2和PID 3構(gòu)成協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的3個主要調(diào)節(jié)系統(tǒng),其輸出(調(diào)節(jié)量)為CO1,CO2和CO3,其輸入(被調(diào)量)為E1,E2和E3。

通過對以上解耦策略的分析,可以將協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的對象特性用式(3)來表示,由此可見,上述解耦策略消除和減弱了大部分耦合環(huán)節(jié),可以消除由于系統(tǒng)耦合引起的協(xié)調(diào)控制不能達(dá)到穩(wěn)定的情況。

4.6 基于優(yōu)化運(yùn)行的協(xié)調(diào)控制

全面的機(jī)組優(yōu)化調(diào)整是智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)良好投運(yùn)的基礎(chǔ),制粉系統(tǒng)、燃燒器、一次風(fēng)、二次風(fēng)等鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整,確定最優(yōu)的磨煤機(jī)風(fēng)量定值、溫度定值,一次風(fēng)壓定值,確定最優(yōu)的燃燒器風(fēng)門控制函數(shù)、氧量函數(shù)、風(fēng)煤比函數(shù),達(dá)到最經(jīng)濟(jì)燃燒,合理的煙氣熱量分布,保證局部不過熱,消除或減小煙溫偏差,兩側(cè)過熱器的汽溫相近。汽水系統(tǒng)優(yōu)化,確定合理、經(jīng)濟(jì)的滑壓曲線,分離器溫度和各級溫度的目標(biāo)定值函數(shù)。只有這樣,才能有效地保證控制系統(tǒng)能維持機(jī)組運(yùn)行接近最佳工況。

從一個負(fù)荷點(diǎn)過渡到另一個負(fù)荷點(diǎn)的變負(fù)荷過渡中,煤量、風(fēng)量和水量快速按設(shè)定的函數(shù)關(guān)系隨負(fù)荷指令變化的前饋控制和智能化的超調(diào)作為粗調(diào),粗調(diào)使煤量、風(fēng)量和給水量快速地變化到正確的預(yù)定值,使機(jī)組負(fù)荷的變化基本到位。以PID為基礎(chǔ)反饋控制作為細(xì)調(diào),細(xì)調(diào)最終使負(fù)荷、主汽壓力、溫度穩(wěn)定于目標(biāo)值。變負(fù)荷時,各調(diào)節(jié)量和相關(guān)參數(shù)的變化也能保證經(jīng)濟(jì)損失接近最小,以盡量減小變負(fù)荷成本。

5 應(yīng)用效果

本控制技術(shù)成功地在淮滬煤電田集電廠1號和2號機(jī)組、安徽淮南平圩第二發(fā)電有限責(zé)任公司3號和4號機(jī)組應(yīng)用,圖3與圖4分別為田集電廠1號機(jī)組大幅度加、減負(fù)荷時運(yùn)行曲線示意圖。

圖3 大幅度加負(fù)荷運(yùn)行曲線

圖4 大幅度減負(fù)荷運(yùn)行曲線

如圖3所示,負(fù)荷從360 MW加至600 MW過程中,功率控制偏差最大為6 MW,分離器溫度最大偏差為7℃,主汽溫最大偏差為6℃,再熱汽溫最大偏差為5℃,壓力最大偏差為6 kg。

如圖4所示,負(fù)荷從520 MW降至360 MW過程中,功率控制偏差最大為5 MW,分離器溫度最大偏差為6.6℃,主汽溫最大偏差為6℃,再熱汽溫最大偏差為5℃,壓力最大偏差為8 kg。

圖3與圖4中壓力定值為目標(biāo)壓力,實(shí)際壓力定值是目標(biāo)壓力經(jīng)過三階慣性后的值,主汽壓與目標(biāo)壓力最大偏差0.8 MPa,與實(shí)際壓力定值的偏差小于0.5 MPa。

從圖3與圖4可以看到,變負(fù)荷時汽機(jī)調(diào)門、煤量、給水量快速跟隨功率指令變化,煤水的超調(diào)準(zhǔn)確,功率調(diào)節(jié)性能好,而且汽溫、汽壓變化控制在較小范圍內(nèi),調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定,不超也不欠。

6 結(jié)論

(1)變負(fù)荷時汽機(jī)調(diào)門在給水輔助下主調(diào)機(jī)組發(fā)電功率,發(fā)揮出機(jī)組最好的變負(fù)荷性能;穩(wěn)態(tài)時,應(yīng)用解耦技術(shù),汽機(jī)調(diào)門側(cè)重穩(wěn)壓,給水主調(diào)汽溫,使機(jī)組處于最佳穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。這種智能化協(xié)調(diào)控制方式較好地實(shí)現(xiàn)了廠網(wǎng)協(xié)調(diào)。

(2)控制系統(tǒng)的風(fēng)煤水等靜態(tài)關(guān)系、汽壓和各汽溫的目標(biāo)、燃燒系統(tǒng)應(yīng)基于機(jī)組優(yōu)化調(diào)整結(jié)果。控制系統(tǒng)應(yīng)體現(xiàn)最佳的運(yùn)行技術(shù),維持機(jī)組接近最佳經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)。

(3)風(fēng)煤水按正確的函數(shù)關(guān)系和智能化超調(diào)隨負(fù)荷指令變化的鍋爐側(cè)變負(fù)荷策略,準(zhǔn)確、及時地實(shí)現(xiàn)了工質(zhì)和能量的平衡,較好地解決了大滯后、時變、非線性的鍋爐控制難點(diǎn)。