300 MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略優(yōu)化

程聲櫻

（臺(tái)州發(fā)電廠，浙江 臺(tái)州 308016）

2010年開始，華東網(wǎng)調(diào)對(duì)涉網(wǎng)發(fā)電機(jī)組從運(yùn)行管理到性能指標(biāo)進(jìn)行全面的考核，要求發(fā)電機(jī)組在鍋爐跟隨協(xié)調(diào)方式下能快速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷，提高機(jī)組一次調(diào)頻的正確動(dòng)作率及動(dòng)作效果。這對(duì)機(jī)組的一次調(diào)頻、自動(dòng)發(fā)電量控制（AGC）調(diào)節(jié)速率、AGC調(diào)節(jié)精度等參數(shù)提出了更高的要求。

由于各機(jī)組類型及輔助設(shè)備固有的特性各不相同，需要針對(duì)機(jī)組的不同特性，采取控制策略的優(yōu)化改進(jìn)來彌補(bǔ)某些設(shè)備的先天不足，同時(shí)利用一些有利條件，挖掘機(jī)組的最大潛能。既要服務(wù)于電網(wǎng)的高性能指標(biāo)要求，又要兼顧機(jī)組本身的壓力、汽溫等參數(shù)的穩(wěn)定，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。以臺(tái)州發(fā)電廠9號(hào)機(jī)組為例，對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)和逐步完善。

1 機(jī)組設(shè)備概述及運(yùn)行狀況

臺(tái)州發(fā)電廠9號(hào)機(jī)組為300 MW亞臨界燃煤機(jī)組。鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的1 025 t/h亞臨界參數(shù)汽包爐，四角切圓燃燒方式；汽機(jī)由東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)，為亞臨界一次中間再熱單軸兩缸兩排汽凝汽式，主蒸汽壓力16.7 MPa，主蒸汽額定進(jìn)汽量912.12 t/h；分散控制系統(tǒng)（DCS）采用上海西屋控制系統(tǒng)有限公司的OVATION系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供了良好的人機(jī)接口和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）所必須的控制模塊。機(jī)組的CCS設(shè)計(jì)了機(jī)爐協(xié)調(diào)、機(jī)跟隨、爐跟隨、基本方式、甩負(fù)荷（RB）控制等5種運(yùn)行方式。

1.1 協(xié)調(diào)控制概況

機(jī)組采用鍋爐跟隨協(xié)調(diào)控制方式，鍋爐主控調(diào)節(jié)主汽壓力，汽機(jī)主控調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷。汽機(jī)調(diào)門可以快速響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷指令，但壓力的維持需要鍋爐這個(gè)大遲延環(huán)節(jié)來完成。壓力的不穩(wěn)定一方面影響了汽機(jī)調(diào)門對(duì)機(jī)組負(fù)荷的響應(yīng)，另一方面影響了鍋爐本身的調(diào)節(jié)及主汽溫度等各個(gè)參數(shù)的穩(wěn)定。因此，這種協(xié)調(diào)控制方式下，鍋爐主控如何判斷汽機(jī)所需的能量并及時(shí)供給燃料是維持鍋爐主汽壓力穩(wěn)定的關(guān)鍵。

鍋爐主控的邏輯圖大致如圖1所示。負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，通過汽機(jī)改變調(diào)門的開度響應(yīng)負(fù)荷的需求，與此同時(shí)，必須加快鍋爐側(cè)燃燒的調(diào)整，及時(shí)恢復(fù)鍋爐蓄熱量，使鍋爐蒸發(fā)量與機(jī)組負(fù)荷相一致。在爐跟機(jī)的協(xié)調(diào)方式下，鍋爐主控指令包含了靜態(tài)前饋和動(dòng)態(tài)前饋及壓力控制PID（比例-積分-微分）作用的變化量，靜態(tài)前饋?zhàn)鳛橐粋€(gè)基本指令，是機(jī)組負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的鍋爐燃料量，使鍋爐指令對(duì)應(yīng)于負(fù)荷的改變有一個(gè)絕對(duì)的變化量。當(dāng)然，煤種的變化靠基本傳輸單元（BTU）回路來修正。動(dòng)態(tài)前饋指在變負(fù)荷時(shí)，目標(biāo)負(fù)荷減去速率限制后的負(fù)荷指令所對(duì)應(yīng)的燃料量，負(fù)荷指令作一階慣性和本身的偏差計(jì)算，改變鍋爐指令的輸出，以調(diào)整變負(fù)荷時(shí)的初期、中間、結(jié)束的不同階段所加的燃料量；壓力控制PID的作用量在整個(gè)過程中都參與調(diào)節(jié)，主要是負(fù)荷指令穩(wěn)定時(shí)的靜態(tài)調(diào)整。

圖1 鍋爐主控邏輯框圖

而汽機(jī)主控時(shí)，負(fù)荷指令經(jīng)過一階慣性的處理，以避免變負(fù)荷初始階段汽機(jī)調(diào)門的快速響應(yīng)造成的壓力擾動(dòng)。負(fù)荷指令與實(shí)際功率的偏差，通過一個(gè)死區(qū)設(shè)置，加上壓力偏差信號(hào)經(jīng)功率PID調(diào)節(jié)改變調(diào)門開度。壓力偏差信號(hào)修正實(shí)發(fā)功率，當(dāng)壓力偏差較小時(shí)，由鍋爐主控維持壓力，汽機(jī)主控不考慮小范圍的壓力偏差；當(dāng)壓力偏差較大時(shí)，汽機(jī)主控調(diào)節(jié)負(fù)荷的同時(shí)參與壓力的調(diào)節(jié)，犧牲部分功率，兩者共同作用穩(wěn)定主汽壓力，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 原協(xié)調(diào)控制投運(yùn)狀況

機(jī)組投運(yùn)后，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)一直沒有能夠正常工作。主汽壓力控制不穩(wěn)定，時(shí)常呈振蕩擴(kuò)散現(xiàn)象，無法適應(yīng)AGC運(yùn)行。例如某日機(jī)組負(fù)荷273 MW，主汽壓力17.2 MPa，4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，總煤量114 t/h，爐膛負(fù)壓-114 Pa。因?yàn)橐粋€(gè)小擾動(dòng)，主汽壓力下降，CCS控制鍋爐主控輸出增大，調(diào)節(jié)總煤量增加。主汽壓力從最低16.4 MPa回升，鍋爐主控輸出減小，總煤量也從最大121 t/h開始減少。盡管總煤量減小到108 t/h，且汽機(jī)主控參與了壓力調(diào)節(jié)，負(fù)荷從273 MW增加到281 MW，但主汽壓力還是穩(wěn)步上升至18 MPa，通過手動(dòng)干預(yù)方才回落。

2 協(xié)調(diào)控制不穩(wěn)定原因分析

2.1 一次風(fēng)量測量不準(zhǔn)

磨煤機(jī)一次風(fēng)量測量裝置原采用浙大協(xié)和環(huán)保技術(shù)有限公司威力巴在線風(fēng)量測量裝置，該裝置在風(fēng)量動(dòng)態(tài)變化時(shí)，測量值時(shí)常與磨煤機(jī)風(fēng)門調(diào)節(jié)擋板變化（實(shí)際風(fēng)量）不符，嚴(yán)重影響了鍋爐的正常運(yùn)行。如某日機(jī)組負(fù)荷200 MW，3臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，機(jī)組處于穩(wěn)定工況運(yùn)行。19：42機(jī)組開始加負(fù)荷，操作員逐步設(shè)高負(fù)荷目標(biāo)值，最高設(shè)到207 MW，總煤量也僅從77.3 t/h加至79 t/h，主汽壓力卻從原來穩(wěn)定的14.4 MPa沖高至15.5 MPa，之后回調(diào)又跌至13.6 MPa。其他各主要參數(shù)也同時(shí)大幅度波動(dòng)（見表1），究其原因，還是磨煤機(jī)風(fēng)門過調(diào)所致（見表2），其中對(duì)壓力波動(dòng)影響最大的是C磨煤機(jī)。通過對(duì)磨煤機(jī)冷熱風(fēng)門的手動(dòng)干預(yù)，協(xié)調(diào)控制在經(jīng)歷一輪波動(dòng)后才基本調(diào)回原穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 擾動(dòng)過程中各主要參數(shù)對(duì)比

表2 擾動(dòng)過程中磨煤機(jī)風(fēng)門開度對(duì)比

為此，在機(jī)組大修時(shí)，將5臺(tái)磨煤機(jī)的風(fēng)量測量裝置改為杭州意能節(jié)能技術(shù)有限公司研發(fā)的文丘里一次風(fēng)測量裝置，有效改善了測量風(fēng)量與風(fēng)門擋板變化的一致性，且基本能反應(yīng)磨煤機(jī)運(yùn)行中風(fēng)量的動(dòng)態(tài)變化。

2.2 鍋爐遲延慣性大

為測試鍋爐的反應(yīng)特性，在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，保持汽機(jī)主控調(diào)節(jié)負(fù)荷，將鍋爐主控手動(dòng)改變輸出，通過曲線觀察壓力的變化趨勢(shì)。9號(hào)機(jī)組鍋爐從給煤至鍋爐產(chǎn)汽，即鍋爐壓力開始有明顯的變化，需要將近5 min的時(shí)間，比7號(hào)機(jī)組明顯偏慢，說明9號(hào)機(jī)組鍋爐遲延慣性較大。

2.3 鍋爐蓄熱小

原協(xié)調(diào)控制邏輯中，只考慮8.5 MW以上的負(fù)荷變化時(shí)，鍋爐主控有動(dòng)態(tài)前饋?zhàn)饔卯a(chǎn)生。在負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，即使5 MW的負(fù)荷變化，鍋爐主汽壓力也同樣存在明顯下降的趨勢(shì)。這種情況下，依靠靜態(tài)前饋及PID的作用，燃料量供給無法及時(shí)跟上。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)在鍋爐本體吹灰時(shí)，主汽壓力也有明顯的下跌，有將近0.5 MPa的偏差，這樣的鍋爐特性很大程度上制約了AGC的快速響應(yīng)。

3 協(xié)調(diào)控制策略的優(yōu)化

3.1 穩(wěn)態(tài)工況下PID參數(shù)整定

由于鍋爐遲延慣性較大，在穩(wěn)態(tài)過程中，稍強(qiáng)的積分作用就會(huì)導(dǎo)致壓力調(diào)節(jié)的小幅振蕩。因此，將鍋爐主控的PID的積分時(shí)間由250 s增大至330 s。

3.2 增加壓力偏差變化的微分作用

在穩(wěn)態(tài)工況下的參數(shù)整定中，壓力偏差變化的微分作用過強(qiáng)，反而導(dǎo)致了鍋爐主控指令的無為擾動(dòng)，所以微分作用只能設(shè)置在一個(gè)比較折中的合理范圍。但是，在主汽壓力平緩的變化中且偏差逐漸變大時(shí)，微分作用又沒有明顯的表現(xiàn)。為此，在原來的基礎(chǔ)上再增加一路獨(dú)立的壓力偏差微分作用，壓力偏差每變化0.2 MPa為一個(gè)周期，此回路通過記憶當(dāng)前的壓力偏差值，當(dāng)累積達(dá)到0.2 MPa的變化值時(shí)，回路通過一階慣性和當(dāng)前值的偏差產(chǎn)生一定的分量前饋疊加于鍋爐指令，也就是鍋爐指令在壓力偏差每變化0.2 MPa時(shí)，改變一定的輸出值，以改善壓力調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，如圖2所示。

圖2 增加一路微分作用

3.3 增加小負(fù)荷變化的動(dòng)態(tài)前饋

由于鍋爐蓄熱小，在增加5 MW的負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，主汽壓力也有明顯的下跌。因機(jī)組在投入正常的AGC運(yùn)行時(shí)，AGC指令變化幅度大多在4～8 MW。而原有大于8.5 MW負(fù)荷變化的動(dòng)態(tài)前饋已整定合理，且此動(dòng)態(tài)前饋已包含了負(fù)荷變化的初始、中間、結(jié)束不同階段所加的燃料量。盡管在大負(fù)荷變化后期包含了小負(fù)荷的變化范圍，但在大于8.5 MW負(fù)荷變化中的后期所加的燃料量與小于8.5 MW負(fù)荷變化時(shí)的前期所加的燃料量有所不同。所以，這種控制策略很難在原有動(dòng)態(tài)前饋的基礎(chǔ)上，整定出包含小負(fù)荷變化的動(dòng)態(tài)前饋?？稍僭黾右宦藩?dú)立的小負(fù)荷變化的動(dòng)態(tài)前饋，并且當(dāng)有大負(fù)荷變化的動(dòng)態(tài)前饋時(shí)，要屏蔽小負(fù)荷變化的動(dòng)態(tài)前饋的產(chǎn)生，以避免大負(fù)荷變化后期有雙重的動(dòng)態(tài)前饋分量產(chǎn)生。

3.4 利用磨煤機(jī)一次風(fēng)量前饋

9號(hào)機(jī)組制粉系統(tǒng)配置5臺(tái)中速HP磨，為四用一備，磨煤機(jī)熱風(fēng)調(diào)節(jié)擋板控制磨煤機(jī)一次風(fēng)量，冷風(fēng)調(diào)節(jié)擋板控制磨煤機(jī)出口溫度。從表2中可以看出磨煤機(jī)熱風(fēng)擋板的調(diào)節(jié)變化，對(duì)主汽壓力的影響非常大。可增強(qiáng)煤量和一次風(fēng)量的前饋?zhàn)饔?，充分利用磨煤機(jī)內(nèi)的蓄粉，迅速改變給煤量，使鍋爐的燃燒率發(fā)生變化，從而縮短遲延時(shí)間，彌補(bǔ)鍋爐慣性大的不足，但運(yùn)行波動(dòng)增多且調(diào)整過程加長。因此需合理調(diào)整，達(dá)到兼顧縮短遲延時(shí)間和減少運(yùn)行波動(dòng)的目的。

如某日16：40，機(jī)組運(yùn)行工況穩(wěn)定，機(jī)組負(fù)荷200 MW，鍋爐總給煤量82 t/h，磨煤機(jī)C當(dāng)前煤量22 t/h，運(yùn)行人員為減少石子煤，將磨煤機(jī)C熱風(fēng)門退出自動(dòng)，手動(dòng)將風(fēng)門開度23%調(diào)至33%,一次風(fēng)壓從3.4 kPa提升至5.4 kPa，一次風(fēng)量72 t/h上升至92 t/h，主汽壓力立刻開始上升，經(jīng)過8 min從14.4 MPa一直上升至15.3 MPa，鍋爐總給煤量從82 t/h減至80 t/h，汽機(jī)主控由于壓力偏差的參與調(diào)節(jié)，負(fù)荷上升了11 MW。

機(jī)組AGC運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷指令變化頻繁且幅度小，煤量通過鍋爐指令分配到4臺(tái)磨煤機(jī)后變化不大，而磨煤機(jī)一次風(fēng)量前饋一般是根據(jù)煤量指令產(chǎn)生的，所以正常的一次風(fēng)量前饋可能在時(shí)間及幅度上有所欠缺。設(shè)想用機(jī)組負(fù)荷指令的變化直接產(chǎn)生一次風(fēng)量的前饋?zhàn)饔糜谀ッ簷C(jī)熱風(fēng)擋板，此邏輯暫還沒有實(shí)施。

3.5 變負(fù)荷時(shí)動(dòng)態(tài)改變壓力設(shè)定值

動(dòng)態(tài)前饋的參數(shù)整定在負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)中取得，一般在機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)態(tài)時(shí)進(jìn)行。機(jī)組AGC運(yùn)行時(shí)，如在加負(fù)荷的某個(gè)時(shí)刻，出現(xiàn)壓力偏差大，由于鍋爐蓄熱較小，必然導(dǎo)致主汽壓力的急速下跌。此時(shí)PID的作用分量大大加強(qiáng)，加上負(fù)荷變化產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)前饋已基本包含了整個(gè)過程所需的燃料量，導(dǎo)致在加負(fù)荷過程中，多給了燃料量，常常出現(xiàn)后期嚴(yán)重超壓。同理，減負(fù)荷時(shí)會(huì)出現(xiàn)過減燃料量的情況。

因此由于負(fù)荷變化，當(dāng)動(dòng)態(tài)前饋量產(chǎn)生且壓力偏差大于某一值時(shí)，需把壓力偏差的量疊加到壓力設(shè)定值上，在負(fù)荷變化的過程中，抬高或降低壓力設(shè)定值，以減小PID的作用。即在有動(dòng)態(tài)前饋產(chǎn)生時(shí)，讓PID基本不起調(diào)節(jié)作用。邏輯如圖3所示。

圖3 變負(fù)荷時(shí)動(dòng)態(tài)改變壓力設(shè)定值

3.6 合理分配壓力限制回路的權(quán)重

協(xié)調(diào)控制主要是對(duì)具有大慣性、大遲延的鍋爐和響應(yīng)速度較快的汽輪機(jī)之間的控制指令進(jìn)行協(xié)調(diào)。為了在機(jī)組變負(fù)荷過程中盡可能保證主蒸汽壓力的穩(wěn)定，在鍋爐跟蹤協(xié)調(diào)控制方式下，將主蒸汽壓力的偏差信號(hào)引入汽輪機(jī)側(cè)的負(fù)荷控制回路中，以使汽輪機(jī)控制和鍋爐控制共同穩(wěn)定主蒸汽壓力，但這會(huì)降低對(duì)AGC指令的響應(yīng)速度，影響AGC的調(diào)節(jié)精度。在機(jī)組變負(fù)荷初期，希望通過主蒸汽壓力的合理波動(dòng)來提高機(jī)組對(duì)負(fù)荷指令的響應(yīng)速度和AGC的調(diào)節(jié)精度，因此可將壓力限制的定值放寬及縮小功率調(diào)節(jié)回路的死區(qū)。

改進(jìn)措施：原汽機(jī)主控邏輯中，壓力偏差信號(hào)參與負(fù)荷調(diào)節(jié)的死區(qū)從-0.2～0.2 MPa改至-0.5～0.3 MPa，權(quán)重系數(shù)6.3不變，壓力偏差在-0.5～0.3 MPa的范圍內(nèi)，汽機(jī)主控完全根據(jù)負(fù)荷指令調(diào)節(jié)實(shí)發(fā)功率。但是，這種快速響應(yīng)負(fù)荷又不兼顧壓力偏差的調(diào)節(jié)方式，很容易在267 MW以上的定壓段出現(xiàn)鍋爐超壓嚴(yán)重，甚至危及安全門的動(dòng)作及機(jī)組的安全運(yùn)行。為此，再增加一路壓力偏差信號(hào)參與負(fù)荷調(diào)節(jié)，不設(shè)置死區(qū)，權(quán)重系數(shù)放大至12，但只有當(dāng)主汽壓力超過17 MPa時(shí)，才切至此回路，以犧牲較大的功率保證機(jī)組的安全運(yùn)行。增加的邏輯如圖4虛線框內(nèi)所示。

3.7 增加一路負(fù)荷指令一階慣性回路

圖4 壓力高時(shí)增加壓力偏差參與負(fù)荷調(diào)節(jié)回路

機(jī)組AGC投運(yùn)時(shí)，大部分負(fù)荷指令變化幅度小于8 MW，指令變化周期一般為40～50 s。AGC指令變化頻繁，考慮到下一個(gè)周期指令極有可能回到原來的值，因此，將汽機(jī)主控中負(fù)荷指令的一階慣性時(shí)間縮短，由30 s縮短至10 s，以快速響應(yīng)負(fù)荷變化。考慮到機(jī)組在負(fù)控狀態(tài)下，如果負(fù)荷指令變化大于10 MW，或負(fù)荷在小幅度變化連續(xù)加減的情況下，這種快速響應(yīng)負(fù)荷的方式必然不能維持主汽壓力在正常范圍內(nèi)。

改進(jìn)措施：再增加一路負(fù)荷指令的一階慣性環(huán)節(jié)回路，時(shí)間參數(shù)為40 s，此時(shí)當(dāng)負(fù)荷變化大于10 MW或在1 min內(nèi)連續(xù)2個(gè)指令變化累加大于10 MW時(shí)，汽機(jī)主控切換至此回路運(yùn)行，如圖5所示。例如：假設(shè)某時(shí)刻第1個(gè)負(fù)荷指令加6 MW，負(fù)荷指令走10 s的一階慣性回路。45 s后，第2個(gè)負(fù)荷指令再加6 MW，此時(shí)負(fù)荷指令走40 s的一階慣性回路。若第2個(gè)負(fù)荷指令是減6 MW，那么負(fù)荷指令還是走10 s的一階慣性回路。

進(jìn)一步的設(shè)想：機(jī)組變負(fù)荷時(shí)，根據(jù)當(dāng)前實(shí)際壓力的變化速率和壓力偏差的加權(quán)組合，更能合理地確定當(dāng)前變負(fù)荷的一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)慣性時(shí)間根據(jù)當(dāng)前壓力實(shí)際情況可變的目的。由于9號(hào)機(jī)組DCS系統(tǒng)組態(tài)軟件的限制，此設(shè)想沒能得到實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

圖5 增加一階慣性回路

臺(tái)州發(fā)電廠9號(hào)機(jī)組通過對(duì)協(xié)調(diào)控制策略的優(yōu)化改進(jìn)，彌補(bǔ)了機(jī)組設(shè)備的一些先天不足，已能基本適應(yīng)目前的AGC運(yùn)行，調(diào)節(jié)精度也能達(dá)到中上的水平。但是，一些邏輯上的修改及參數(shù)設(shè)置可能還不是很合理，需要在平時(shí)的維護(hù)中，多發(fā)現(xiàn)一些不足之處及不斷摸索設(shè)備的特性規(guī)律，以進(jìn)一步完善控制邏輯。當(dāng)然不建議在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)控制邏輯作修改與下裝，以確保運(yùn)行機(jī)組的安全。

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