摻燒褐煤直吹式汽包爐機(jī)組AGC控制技術(shù)研究

郝欣，劉明，李冰

（1．東北電力科學(xué)研究院有限公司，遼寧沈陽110006;2．華電鐵嶺電廠，遼寧鐵嶺 112000）

隨著電煤供應(yīng)的日益緊張，電廠燃煤成本大幅度增加，大部分電廠為了節(jié)約燃料成本，在煙煤中大量摻燒熱值低、價(jià)格廉的褐煤，直接導(dǎo)致鍋爐主汽壓力遲延進(jìn)一步加大，機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力下降顯著。同時(shí)，電網(wǎng)為了保護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定及快速調(diào)峰，要求所有并網(wǎng)火電機(jī)組均投入自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）模式，機(jī)組必須無條件快速滿足電網(wǎng)負(fù)荷指令需求。因此，在這種條件下對(duì)機(jī)組運(yùn)行與調(diào)度的自動(dòng)化水平提出了更高的要求，原設(shè)計(jì)控制策略不能適應(yīng)新的工況，大量摻燒褐煤機(jī)組都無法投入AGC模式。如何修正和改進(jìn)摻燒褐煤機(jī)組現(xiàn)有協(xié)調(diào)控制策略以適應(yīng)摻燒褐煤引起的惡劣工況，保證機(jī)組能滿足電網(wǎng)AGC的要求是一個(gè)迫在眉睫必須解決的課題。

1 問題的提出

機(jī)組投入AGC方式后，對(duì)負(fù)荷跟蹤速率和負(fù)荷精度等指標(biāo)要求高，摻燒褐煤后的鍋爐遲延大、慣性大，要達(dá)到電網(wǎng)AGC所要求的控制精度必然更加困難。為了達(dá)到電網(wǎng)負(fù)荷指標(biāo)的要求，對(duì)摻燒褐煤機(jī)組必須優(yōu)化原設(shè)計(jì)控制策略，重新整定控制參數(shù)，才能滿足電網(wǎng)AGC對(duì)機(jī)組的控制要求。在優(yōu)化調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)了以下問題。

a．摻燒褐煤導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷控制特性惡化。摻燒褐煤后的鍋爐由于摻燒比例不固定，因此煤種熱值變化大，導(dǎo)致鍋爐熱量數(shù)學(xué)模型中的純滯后時(shí)間及慣性時(shí)間加大并且不可預(yù)測(cè)，主汽壓力呈現(xiàn)大遲延、大慣性、參數(shù)慢時(shí)變的特性。

b．經(jīng)典協(xié)調(diào)控制策略存在問題。經(jīng)典協(xié)調(diào)控制策略是基于鍋爐燃燒設(shè)計(jì)煤種、鍋爐設(shè)備沒有缺陷的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)鍋爐燃料中摻入熱值較低的褐煤時(shí)，燃料熱值嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)煤種，控制策略中的靜態(tài)負(fù)荷燃料比與實(shí)際運(yùn)行值偏差過大，AGC投入后不能正確計(jì)算燃料量，導(dǎo)致機(jī)爐能量失去平衡，主汽壓力、主汽溫度等重要參數(shù)出現(xiàn)大范圍擺動(dòng)，AGC負(fù)荷指標(biāo)難以達(dá)到電網(wǎng)的要求，鍋爐甚至?xí)袷庍\(yùn)行。

c．設(shè)備缺陷。隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，特別是鍋爐設(shè)備長(zhǎng)期腐蝕等因素，導(dǎo)致設(shè)備老化，燃燒系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)門特性逐步變差，風(fēng)量測(cè)量裝置不準(zhǔn)，磨煤機(jī)出力變小等設(shè)備缺陷。這些設(shè)備缺陷都需要大量資金和時(shí)間才能修復(fù)，因此，設(shè)備因素也是制約AGC投入的瓶頸，需要從控制策略上盡量克服設(shè)備缺陷等不利條件，實(shí)現(xiàn)AGC功能。

d．AGC指令要求精度高且變化頻繁導(dǎo)致鍋爐運(yùn)行不穩(wěn)定。電網(wǎng)對(duì)機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力要求越來越高，目前遼寧電網(wǎng)對(duì)AGC機(jī)組的調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)時(shí)間要求如下:①AGC調(diào)節(jié)速率不小于1.0%/min機(jī)組額定有功功率;②AGC響應(yīng)時(shí)間不大于60 s;③AGC調(diào)節(jié)精度為±3%。AGC指令不同于變負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)的指令，特別是運(yùn)行在聯(lián)絡(luò)線方式時(shí)，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令基本上是鋸齒波波形，鍋爐長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在過渡過程中，無法進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，因此，鍋爐對(duì)燃燒率指令的精確性要求非常高，否則，鍋爐很快就進(jìn)入振蕩運(yùn)行，進(jìn)而危及機(jī)組安全。

2 機(jī)組控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 機(jī)爐被控對(duì)象特性分析

汽包爐被控對(duì)象具有雙輸入/雙輸出強(qiáng)耦合、非線性、參數(shù)慢時(shí)變、大遲延的特點(diǎn)。機(jī)組投入AGC模式運(yùn)行后電網(wǎng)對(duì)負(fù)荷響應(yīng)速率要求進(jìn)一步提高，所以控制方式必須是以爐跟機(jī)方式為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制，而這種控制方式在結(jié)構(gòu)上存在著閉環(huán)不穩(wěn)定特征。在以爐跟機(jī)為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)模式下，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)負(fù)荷，鍋爐調(diào)整燃燒率維持主汽壓力與給定值相等，被控對(duì)象無自平衡能力。其對(duì)象方框圖如圖1所示，式（1）是燃燒率－主汽壓力通道傳遞函數(shù)，式（2）為調(diào)節(jié)閥－主汽壓力通道傳統(tǒng)函數(shù)。摻燒褐煤后降低了機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力，導(dǎo)致主汽壓力及主汽溫度等重要參數(shù)特性惡化，根本原因就是摻燒褐煤后增大了式（1）中的主汽壓力對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)TS和純滯后時(shí)間常數(shù)τM，造成調(diào)節(jié)過渡過程時(shí)間過長(zhǎng)，并降低了鍋爐主控的控制穩(wěn)定裕度。

圖1 汽包爐單元機(jī)組對(duì)象方框圖

2.2 優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)方案

針對(duì)摻燒褐煤導(dǎo)致鍋爐出現(xiàn)的各種問題，對(duì)協(xié)調(diào)控制和其它子系統(tǒng)控制邏輯進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，采用了按指令間接平衡綜合型協(xié)調(diào)雙向非線性解耦的控制結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)模型如圖2所示?？刂撇呗詢?yōu)化工作包括修改汽機(jī)主控前饋、鍋爐主控及前饋，并重新整定控制參數(shù)。

2.2.1 汽機(jī)主控前饋

由于汽包爐具有一定的蓄熱量，在汽機(jī)主控中增加負(fù)荷指令前饋f3（x）和具有超前－滯后環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的負(fù)荷指令微分前饋回路，充分利用鍋爐蓄熱來加快負(fù)荷初期響應(yīng)速度，缺點(diǎn)是在變負(fù)荷初期犧牲一定的壓力調(diào)節(jié)品質(zhì)。當(dāng)負(fù)荷指令變化時(shí)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的負(fù)荷指令微分直接作用于汽機(jī)主控，對(duì)汽機(jī)高調(diào)門進(jìn)行調(diào)節(jié)，目的同樣是為了加快汽機(jī)初期負(fù)荷動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的增益與當(dāng)前汽機(jī)高調(diào)門的工作模式相關(guān)，如果高調(diào)門工作在單閥模式下，則減小動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的增益;如果高調(diào)門工作在順序閥模式下，則增大動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的增益。

2.2.2 鍋爐主控

鍋爐主控前饋分為兩種，一種是靜態(tài)前饋，提供鍋爐主控調(diào)節(jié)器的靜態(tài)工作點(diǎn);另一種是動(dòng)態(tài)前饋，加快機(jī)組變負(fù)荷時(shí)鍋爐主汽壓力的動(dòng)態(tài)跟蹤速度。為了改善鍋爐主汽壓力調(diào)節(jié)品質(zhì)，改進(jìn)的主要方向是優(yōu)化鍋爐主控動(dòng)態(tài)前饋，包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

a．負(fù)荷偏差比例微分前饋，起到鍋爐加速器的作用。計(jì)算方法是由機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令（不包括一次調(diào)頻功率指令分量）與實(shí)際負(fù)荷測(cè)量值之間的差值信號(hào)經(jīng)過一個(gè)函數(shù)曲線f6（x）（函數(shù)曲線f6（x）設(shè)定為帶死區(qū)的非線性比例調(diào)節(jié)器），再與負(fù)荷偏差非線性微分函數(shù)線性疊加。

b．主汽壓力定值指令前饋f7（x），在鍋爐滑壓運(yùn)行或定壓運(yùn)行改變定值時(shí)快速改變?nèi)紵室钥朔鼱t的慣性，減小燃料量超調(diào)造成的主汽壓力波動(dòng)。

c．“正踢”與“反踢”作用?！罢摺弊饔孟喈?dāng)于當(dāng)負(fù)荷指令變化時(shí)產(chǎn)生燃料量的初始沖量，用以克服鍋爐蓄熱，最大限度減少鍋爐的遲延和慣性對(duì)機(jī)組變負(fù)荷時(shí)的影響。當(dāng)變負(fù)荷的邏輯信號(hào)置位時(shí)，程序自動(dòng)給出一個(gè)額外的加減燃料量的指令，經(jīng)若干時(shí)間該信號(hào)消失;“反踢”作用相當(dāng)于負(fù)荷指令變動(dòng)結(jié)束時(shí)產(chǎn)生燃料量的剎車沖量，用以防止鍋爐主汽壓力出現(xiàn)“過調(diào)”?！罢摺弊饔门c“反踢”作用有多種算法實(shí)現(xiàn)，本文采用負(fù)荷指令微分加負(fù)荷變化率函數(shù)復(fù)合計(jì)算方式生成，如圖2中f8（x）部分所示，其表達(dá)式為k=f（rLDC）×G ×d L/d t。在表達(dá)式中，信號(hào)的幅值f（rLDC）是負(fù)荷變化率rLDC的函數(shù)，負(fù)荷變化率設(shè)定值越大，信號(hào)幅值越大，幅值有限幅控制;信號(hào)持續(xù)時(shí)間也是負(fù)荷變化率的函數(shù)，負(fù)荷變化率設(shè)定值越大，信號(hào)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。

d．汽包壓力微分作用前饋f9（x），利用汽包爐汽包壓力先于主汽壓力變化的特性，汽包壓力相當(dāng)于主汽壓力的導(dǎo)前作用。同時(shí)，汽包壓力微分是鍋爐熱量信號(hào)，可以有效地克服由于煤種變化引起的各種鍋爐內(nèi)擾，保持主汽壓力穩(wěn)定。

為了防止鍋爐燃燒率的調(diào)整過于頻繁和超調(diào)，以及輸入信號(hào)由于采集通道干擾等問題發(fā)生突變，前饋的輸入信號(hào)必須帶有一定量的死區(qū)和幅值限制，輸出信號(hào)均需經(jīng)過上下限制出力。

2.2.3 雙向解耦

對(duì)于機(jī)爐雙輸入雙輸出被控對(duì)象，通常以爐跟機(jī)為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)多采用壓力偏差送入汽機(jī)主控的方式實(shí)現(xiàn)單向解耦控制。為了提高控制系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性，改為雙向解耦控制，即將功率偏差送入鍋爐主控調(diào)節(jié)器入口，這樣鍋爐主控調(diào)節(jié)器同時(shí)調(diào)整壓力偏差和負(fù)荷偏差。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷偏差直接加入調(diào)節(jié)效果不好，將負(fù)荷偏差經(jīng)過死區(qū)、限幅及變?cè)鲆娴确蔷€性函數(shù)f4（x）計(jì)算后再送入鍋爐主控調(diào)節(jié)器，控制效果極佳。

2.3 一次風(fēng)母管壓力控制

經(jīng)典控制策略中一次風(fēng)母管壓力設(shè)定值是燃料率的函數(shù)，隨鍋爐主控輸出變化。由磨煤機(jī)熱風(fēng)門控制來維持一次風(fēng)風(fēng)煤比恒定，但在實(shí)際運(yùn)行中，大部分老舊機(jī)組的冷熱風(fēng)擋板都難以起到調(diào)節(jié)作用，風(fēng)量測(cè)量裝置均已失效。因此，鑒于設(shè)備缺陷，將一次風(fēng)母管壓力定值改為機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令的函數(shù)，當(dāng)機(jī)組投入AGC模式時(shí)，一次風(fēng)母管壓力即投入滑壓模式，一次風(fēng)母管壓力隨負(fù)荷指令同向變化，得以有效減小燃料入爐通道延時(shí)時(shí)間，收到事半功倍的效果。

3 應(yīng)用效果分析

修正后的控制策略在鐵嶺電廠一期工程4× 300 MW機(jī)組得到了推廣應(yīng)用。鐵嶺電廠1號(hào)機(jī)組AGC模式下運(yùn)行時(shí)的一段趨勢(shì)曲線如圖3所示。在30 min的范圍內(nèi)，AGC負(fù)荷指令呈鋸齒波形狀，負(fù)荷指令從215.5 MW依次變化，一路振蕩增加到268.2 MW，機(jī)組一直處于負(fù)荷變動(dòng)狀態(tài)，顯示出電網(wǎng)AGC指令的特點(diǎn)。負(fù)荷變化率設(shè)定在6 MW/ min，負(fù)荷偏差在4 MW以內(nèi)，主汽壓力偏差最大值為0.32 MPa。機(jī)組運(yùn)行在AGC模式下，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷測(cè)量值和機(jī)前主汽壓力測(cè)量值都能快速跟蹤指令值變化，動(dòng)態(tài)偏差符合電網(wǎng)調(diào)度要求，并且鍋爐的主汽壓力超調(diào)量很小，鍋爐沒有發(fā)生振蕩運(yùn)行。

圖2 優(yōu)化后的協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)框圖

圖3 主汽壓力與負(fù)荷趨勢(shì)曲線

4 結(jié)束語

機(jī)組在AGC模式下運(yùn)行，對(duì)機(jī)爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)提出了更高的要求，傳統(tǒng)負(fù)荷控制策略已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)新的控制精度和速度要求，因此必須對(duì)老舊機(jī)組的控制策略做出修正和改進(jìn)。摻燒褐煤后的老舊機(jī)組如何提高負(fù)荷響應(yīng)速率，采用不同的非線性前饋組合是解決問題的關(guān)鍵，準(zhǔn)確計(jì)算前饋值，先于主汽壓力變化而動(dòng)，提前改變鍋爐燃料率可以有效地提高機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)負(fù)荷響應(yīng)速率。

鐵嶺電廠1、2號(hào)機(jī)組控制邏輯優(yōu)化后，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行考驗(yàn)的結(jié)果表明，本文提出的AGC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化方案合理、可行，優(yōu)化后的摻燒褐煤機(jī)組在大部分工況下均可投入AGC模式，負(fù)荷控制精度滿足電網(wǎng)要求。