滑壓運行汽包爐機組AGC控制策略研究

郝 欣，張 志，王 喆

(1．遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006;2．華電鐵嶺發(fā)電有限責任公司，遼寧 鐵嶺 112000;3．國電康平發(fā)電有限公司，遼寧 康平 110008)

遼寧電網(wǎng)風電機組大量接入，電網(wǎng)對大容量火電機組的調(diào)峰、調(diào)頻能力及自動發(fā)電功能提出了更高的要求。與此同時，隨著電煤供應(yīng)的日益緊張，機組燃煤成本大幅度增加，發(fā)電企業(yè)為了節(jié)約燃料成本，在煙煤中大量摻燒熱值低價格廉的褐煤，直接導致鍋爐主汽壓力遲延進一步加大，機組負荷響應(yīng)能力顯著下降［1］?；痣姍C組在日益提高的電網(wǎng)AGC及一次調(diào)頻性能要求和機組經(jīng)濟運行降低發(fā)電成本的雙重壓力下，必須優(yōu)化機組控制策略及運行方式，將先進的現(xiàn)代控制理論應(yīng)用于機組控制中，進一步挖掘機組潛力來面對電力市場的競爭。

1 問題的提出

機組運行AGC方式下時電網(wǎng)負荷指令變化頻繁，大容量鍋爐所固有的大遲延、大慣性、參數(shù)慢時變等特性造成機組負荷響應(yīng)遲緩難以滿足電網(wǎng)調(diào)度要求。同時，發(fā)電企業(yè)迫于經(jīng)營壓力和節(jié)能降耗，必須盡可能降低機組運行成本，實現(xiàn)上述兩個目標，一是降低燃料成本，大量摻燒褐煤;二是機組經(jīng)濟運行，鍋爐改定壓運行為滑壓運行。目前，多數(shù)火電機組都采取了AGC方式下滑壓運行，機組負荷響應(yīng)慢、鍋爐參數(shù)波動大，如何在AGC方式下機組經(jīng)濟運行，已成為發(fā)電廠控制領(lǐng)域急需解決的一個問題。

a． 電廠為了節(jié)約燃料成本，大量購入熱值低、水分大的褐煤代替設(shè)計煤種作為鍋爐燃料，造成主汽壓力控制通道純滯后時間超過300 s，控制通道τ/Ti值大幅度增加，常規(guī)協(xié)調(diào)控制已無法滿足機組運行要求。

b． 摻燒褐煤導致制粉系統(tǒng)出力減少，磨煤機干燥出力嚴重下降，中速磨煤機出口溫度經(jīng)常低于60℃，為了盡量避免磨煤機出口溫度過低，運行時只好將磨煤機入口的冷一次風門全關(guān)、熱一次風門全開，造成一次風風煤比無法保證，一次風控制子系統(tǒng)喪失了調(diào)節(jié)能力，加大了協(xié)調(diào)系統(tǒng)的控制難度。

c． 為了降低鍋爐煤耗，鍋爐由定壓運行改為滑壓運行。滑壓方式下主汽壓力控制回路的擾動除了負荷指令外又增加了主汽壓力的定值擾動，對鍋爐穩(wěn)定運行產(chǎn)生了更大的不利影響。當負荷指令出現(xiàn)大幅度變動時，主汽壓力設(shè)定值也相應(yīng)變化，鍋爐非常容易振蕩，CCS只好進入機跟爐方式運行，導致AGC及一次調(diào)頻均不能投入。

2 控制策略

2.1 基本設(shè)計思路

常規(guī)控制策略中采用實際負荷指令及其微分作為鍋爐主控前饋輸入變量，實際負荷指令與煤量的函數(shù)曲線是前饋的基本控制分量，變量動作波形如圖1所示。由于鍋爐的大遲延特性，當負荷指令前饋分量快速將燃料量 (圖1中變量5)調(diào)整到負荷所對應(yīng)的燃料值以后，燃料并不能轉(zhuǎn)換成熱量提供給汽輪機，汽輪機能量依舊要利用鍋爐蓄熱來平衡，鍋爐表現(xiàn)為主汽壓力波動，主汽壓力波動必然引起壓力校正調(diào)節(jié)器動作，調(diào)節(jié)燃料量產(chǎn)生波動來補償主汽壓力波動，燃料量非常容易過調(diào)，導致主汽壓力 (圖1中變量3)調(diào)整的過渡過程時間加長，衰減率達不到0.9以上，系統(tǒng)控制效果惡化。根據(jù)上述分化，新型控制策略采用分時錯峰的控制方式，鍋爐主控指令速率超過汽機主控指令速率N倍，其目的是鍋爐主控改變?nèi)紵实乃俣却蟠蟾哂谄麢C主控變負荷的速度，以克服鍋爐滯后所造成的鍋爐主汽壓力波動。

新型控制策略基本架構(gòu)為以爐跟機為基礎(chǔ)的雙向解耦協(xié)調(diào)控制方式，提高機組負荷響應(yīng)速度的方法從兩部分入手，一是更改鍋爐前饋值的輸入變量及修正靜態(tài)前饋函數(shù)值的精度;二是對滑壓運行方式下主汽壓力定值的生成方式進行修改。優(yōu)化后的控制方案用目標負荷指令函數(shù)替換實際負荷指令，并對負荷指令與燃料量的函數(shù)曲線進行修正。優(yōu)化后前饋函數(shù)值小于其靜態(tài)值，目的是減少由于鍋爐響應(yīng)滯后造成的壓力校正環(huán)節(jié)產(chǎn)生燃料量過調(diào)。

2.2 設(shè)計與實現(xiàn)

圖1 常規(guī)協(xié)調(diào)控制參數(shù)調(diào)節(jié)過程

鍋爐主控指令模型由3部分構(gòu)成:高速鍋爐指令模型、基于分時滑壓動態(tài)壓力定值指令模型的主汽壓力校正和基于預給煤方式的動態(tài)鍋爐主控指令模型。

2.2.1 高速負荷指令模型

鍋爐主控中靜態(tài)前饋函數(shù)輸入變量采用變速負荷指令LDCh代替?zhèn)鹘y(tǒng)策略中的實際負荷指令LDC，即目標負荷指令經(jīng)過智能函數(shù)變換后的計算值。當機組負荷變動時，該指令根據(jù)負荷變化幅度及負荷變化率設(shè)定值調(diào)節(jié)燃料量，其變化速度高于實際負荷指令，即汽輪機功率回路設(shè)定值，以達到鍋爐先于汽機動作的目的，借以彌補鍋爐慣性過大的缺陷，提高機組負荷響應(yīng)速度，滿足電網(wǎng)AGC的要求。

高速負荷指令數(shù)學模型:

式中:LDCh為高速負荷指令;ΔL為變負荷幅度;Rr為變負荷速率設(shè)定值;λ為修正系數(shù)。

2.2.2 滑壓定值指令模型

常規(guī)滑壓方式下主汽壓力定值是機組實際負荷指令的單值函數(shù)ps=f(LDC)，其中，ps為主汽壓力設(shè)定值，LDC為機組實際負荷指令。新型策略將負荷指令和主汽壓力指令錯峰調(diào)節(jié)、通過對實際負荷指令和主汽壓力指令分時處理來充分利用鍋爐蓄熱滿足電網(wǎng)的功率需求，并減小對鍋爐主汽壓力的擾動。新型控制策略中滑壓方式下主汽壓力定值ps=f(LDC，ep，LDCD，RL)為實際負荷指令等多個變量的單值函數(shù):

式中:ps為主汽壓力設(shè)定值;LDC為機組實際負荷指令;LDCD為機組目標負荷指令;ep為主汽壓力偏差;E為主汽壓力偏差限值。

分時控制使CCS在負荷變動時保持在定壓方式下運行，當負荷變動結(jié)束后，主汽壓力達到相對穩(wěn)定時，主汽壓力指令開始變化，時間上錯開了變負荷時的鍋爐擾動階段，從而實現(xiàn)了滑壓過程中負荷與主汽壓力之間的解耦控制。

2.2.3 動態(tài)鍋爐主控指令模型

修正鍋爐預給煤中的“正踢”與“反踢”功能，根據(jù)目標負荷指令和實際負荷指令的差值，對負荷變化增量值進行預測。針對AGC負荷指令的特點，預測規(guī)則為當增量較小時，取消預給煤功能，以減小對鍋爐風煙系統(tǒng)擾動，有利于鍋爐控制中減小過渡過程時間;當負荷增量較大時，投入預給煤功能。

鍋爐主控中動態(tài)前饋指令的形成方案如圖2所示，程序根據(jù)目標負荷指令與實際負荷指令自動識別負荷變動的方向、增量值及負荷變化率，并以此為輸入變量，計算出鍋爐主控動態(tài)指令。在具體實現(xiàn)過程中，采用升負荷與降負荷分開實現(xiàn)的方式，由于大量摻燒褐煤，CCS在一定程度上存在著升負荷困難、降負荷相對容易的特點，因此在實際調(diào)試過程中采用了多模式參數(shù)整定方式。

圖2 鍋爐動態(tài)指令方案框圖

3 算法參數(shù)整定與優(yōu)化

整個控制策略的參數(shù)整定過程分50%～70%Pe、70% ～90%Pe和90% ～100%Pe 3個負荷段進行，在不同時間對每個負荷段進行多次變負荷試驗，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對數(shù)據(jù)進行處理，取得負荷所對應(yīng)煤量的數(shù)學期望值作為鍋爐主控單向解耦控制的靜態(tài)數(shù)據(jù)，同時也就確定主汽壓力調(diào)節(jié)器的靜態(tài)工作點，力求快速準確響應(yīng)AGC負荷指令。

在變負荷過程中，機組負荷在50% ～70%Pe時，鍋爐開始進入滑壓運行模式，主汽壓力調(diào)節(jié)器增益為1.9，主汽壓力調(diào)節(jié)器積分時間為700 s，鐵嶺電廠4臺機組差別不大;機組負荷在70%～90%Pe時，鍋爐開始滑壓運行，主汽壓力調(diào)節(jié)器增益為2.1，主汽壓力調(diào)節(jié)器積分時間為500 s，鐵嶺電廠的4臺機組差別不大;機組負荷達到90%Pe以上時，鍋爐進入定壓運行階段，主汽壓力調(diào)節(jié)器增益為2.2，主汽壓力調(diào)節(jié)器積分時間為400 s，鐵嶺電廠的4臺機組差別比較大。

通過變負荷試驗確定變速負荷指令的速率，首先，采用3倍于實際負荷指令速率進行3～5次試驗，根據(jù)變負荷試驗結(jié)束后主汽壓力超調(diào)量及過渡過程時間確定速率是否合適。綜合多次試驗結(jié)果表明，鐵嶺電廠1、2號機為2.5倍速率，3、4號機為3.5倍速率，主汽壓力控制的超調(diào)及過渡過程時間明顯減小。

燃料量測量的數(shù)據(jù)處理，由于機組投運時間超過了15年，設(shè)備老化現(xiàn)象非常嚴重，給煤機的燃料測量值波動范圍達到7～10 t/h，對燃料閉環(huán)投入自動影響很大，在實際調(diào)試過程中，分別對每臺給煤機的測量值進行濾波平滑處理，保證燃料閉環(huán)投入的穩(wěn)定性。每臺給煤機控制回路增加動態(tài)增益調(diào)節(jié)功能，根據(jù)磨煤機出口溫度及給煤量，綜合計算出本臺磨煤機煤質(zhì)的相對熱值，動態(tài)調(diào)整控制回路增益。

4 結(jié)束語

新型控制策略在鐵嶺電廠的4臺300 MW機組進行了調(diào)試和運行，新型方案所采用的壓力定值分時錯峰調(diào)節(jié)及變速鍋爐主控指令模型保證了摻燒褐煤機組在AGC模式下以滑壓方式安全穩(wěn)定運行，改變了此類機組只能定壓運行的歷史，顯著提高了AGC模式下?lián)綗置簷C組運行的經(jīng)濟性。

［1］ 郝 欣．摻燒褐煤直吹式汽包爐機組AGC控制技術(shù)研究［J］．東北電力技術(shù)，2011，32(6):9－12．