先進(jìn)AGC及汽溫控制系統(tǒng)在1 000 MW超超臨界機(jī)組的應(yīng)用

鄭衛(wèi)東，柳衛(wèi)榮，李曉燕，李捍華

（1.華能玉環(huán)電廠，浙江玉環(huán)317604；2.浙江省火電建設(shè)公司，杭州310016）

發(fā)電技術(shù)

先進(jìn)AGC及汽溫控制系統(tǒng)在1 000 MW超超臨界機(jī)組的應(yīng)用

鄭衛(wèi)東1，柳衛(wèi)榮2，李曉燕1，李捍華1

（1.華能玉環(huán)電廠，浙江玉環(huán)317604；2.浙江省火電建設(shè)公司，杭州310016）

介紹了“1 000 MW超超臨界機(jī)組先進(jìn)AGC及汽溫控制系統(tǒng)”項(xiàng)目在華能玉環(huán)發(fā)電廠的應(yīng)用及調(diào)試情況，分析了傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)火電廠運(yùn)用存在的問題和先進(jìn)控制系統(tǒng)的運(yùn)用前景。提出了大型機(jī)組AGC及汽溫優(yōu)化控制的方案，解決了火電廠汽溫、變負(fù)荷工況參數(shù)不穩(wěn)的問題。

先進(jìn)控制；汽溫優(yōu)化控制；AGC；超超臨界機(jī)組；大滯后；優(yōu)化

華能玉環(huán)發(fā)電廠是國(guó)家“863”計(jì)劃引進(jìn)超超臨界機(jī)組技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的依托工程，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐，型號(hào)HG-2953/27.56-YM1，汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)有限公司和德國(guó)西門子聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的N1000-26.25/600/600型一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)。電廠共裝機(jī)4臺(tái)1 000 MW機(jī)組，其中2號(hào)機(jī)組于2012年應(yīng)用了“1 000 MW超超臨界機(jī)組先進(jìn)AGC及汽溫控制系統(tǒng)”。

1 優(yōu)化前的狀況

玉環(huán)發(fā)電廠AGC（自動(dòng)調(diào)節(jié)控制）策略主要采用日本三菱控制方案，主回路采用“PID（比例積分微分）反饋+負(fù)荷指令前饋”的調(diào)節(jié)方式，其核心思路是：盡可能地利用前饋開環(huán)控制，反饋調(diào)節(jié)僅起小幅度的調(diào)節(jié)作用。該方案要求前饋控制回路的函數(shù)準(zhǔn)確、參數(shù)合理。對(duì)于燃燒穩(wěn)定且機(jī)組運(yùn)行方式成熟的機(jī)組，該方案實(shí)用有效，但對(duì)于煤種多變、機(jī)組測(cè)量設(shè)備不精確、運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況存在較大偏差的機(jī)組，控制效果明顯變差。玉環(huán)發(fā)電廠在優(yōu)化改造前，AGC存在以下問題：

（1）機(jī)組連續(xù)變負(fù)荷能力差，AGC方式下，搶負(fù)荷能力明顯不足，影響全年負(fù)荷。

（2）再熱汽溫自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)不良，影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

（3）脫硝系統(tǒng)的噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)效果差，影響機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

圖1為優(yōu)化前的某次變負(fù)荷試驗(yàn)曲線，可以看出汽溫控制存在較大偏差，設(shè)計(jì)汽溫為600℃，最大偏差達(dá)到17℃，壓力不夠平穩(wěn)，實(shí)際壓力與壓力指令最大偏差達(dá)0.8 MPa。

圖1 優(yōu)化前壓力、負(fù)荷、溫度曲線

2 基于預(yù)測(cè)控制等先進(jìn)技術(shù)的AGC優(yōu)化控制

2.1 AGC優(yōu)化控制系統(tǒng)

2.1.1 閉環(huán)控制的核心環(huán)節(jié)

AGC優(yōu)化控制系統(tǒng)在整體控制結(jié)構(gòu)上采用前饋+反饋的控制模式，在反饋控制部分應(yīng)用了預(yù)測(cè)控制技術(shù)，取代了原有的PID控制。采用該技術(shù)可以提前預(yù)測(cè)被調(diào)量的變化趨勢(shì)，再根據(jù)被調(diào)量的未來(lái)變化量進(jìn)行調(diào)整，提前進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而提高了機(jī)組AGC的準(zhǔn)確性和抗擾動(dòng)能力。

2.1.2 AGC運(yùn)行子模式的優(yōu)化

目前電廠普遍運(yùn)用的控制方案對(duì)機(jī)組運(yùn)行于AGC還是CCS（協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)）不進(jìn)行區(qū)分，而先進(jìn)控制系統(tǒng)則根據(jù)二者的區(qū)別，增加了AGC運(yùn)行模式下的優(yōu)化模塊：一方面根據(jù)機(jī)組的風(fēng)、煤、給水等參數(shù)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)表征鍋爐做功能力的“BID”（鍋爐主控指令）在下一時(shí)刻的變化量，另一方面根據(jù)機(jī)組當(dāng)前ADS（調(diào)度指令）、實(shí)際功率、主蒸汽壓力等參數(shù)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)調(diào)度系統(tǒng)ADS指令在未來(lái)時(shí)刻的變化趨勢(shì)；根據(jù)二者的偏差來(lái)修正鍋爐指令的變化量。實(shí)踐證明，增加特別優(yōu)化模塊，可在滿足負(fù)荷響應(yīng)的基礎(chǔ)上有效減小機(jī)組風(fēng)、煤、水的波動(dòng)幅度，有利于減少爆管和延長(zhǎng)機(jī)組的壽命。

2.2 AGC優(yōu)化控制系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制策略

2.2.1 主汽壓力的預(yù)測(cè)控制策略

由超超臨界機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)可知，機(jī)組的主汽壓力與給水流量、燃料量以及汽機(jī)的調(diào)門開度有關(guān)。在本優(yōu)化方案中，用給水流量來(lái)調(diào)節(jié)主汽壓力，將給水流量Fw分為前饋給水流量Fwf和反饋給水流量Fwd。其中，前饋給水流量Fwf由智能前饋產(chǎn)生，反饋給水流量Fwd則由GPC（廣義預(yù)測(cè)控制）產(chǎn)生，本節(jié)將推導(dǎo)反饋給水流量Fwd的廣義預(yù)測(cè)控制。

設(shè)給水流量對(duì)主汽壓力的數(shù)學(xué)模型有如下CARIMA模型：

式中：Pt為主汽壓力；Fwd為反饋給水量（GPC輸出）；Fwf為前饋給水流量；Fu為總給煤量；Tm為汽機(jī)閥門開度；ξ1是均值為零的白噪聲序列。

記Fw為總給水量，則Fw（t）=Fwd（t）+Fwf（t）。

根據(jù)最小二乘法則，經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算后可得到如下控制策略：

式中：γ1為權(quán)值。

2.2.2 分離器溫度的預(yù)測(cè)控制策略

由超超臨界機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)可知，分離器出口溫度與給水流量、燃料量和汽機(jī)的調(diào)門開度有關(guān)，在本優(yōu)化方案中，用燃料量來(lái)調(diào)節(jié)分離器溫度，由于燃料量取決于燃水比和給水流量Fw，而給水流量由預(yù)測(cè)控制獲得，因此，實(shí)際上可用燃水比來(lái)調(diào)節(jié)分離器溫度。燃水比的廣義預(yù)測(cè)控制的實(shí)際控制向量為：

式中：Tsp為分離器溫度；FWR為燃水比（GPC輸出）；γ為權(quán)值；ξ2是均值為零的白噪聲序列。

3 基于大滯后控制技術(shù)的過熱汽溫、再熱汽溫優(yōu)化控制

超超臨界機(jī)組過熱汽溫和再熱汽溫控制的最大難點(diǎn)在于控制過程存在較長(zhǎng)的純滯后時(shí)間，且在機(jī)組不同的負(fù)荷下，汽溫的動(dòng)態(tài)特性會(huì)發(fā)生很大的變化，而汽溫對(duì)各種擾動(dòng)的響應(yīng)又較快，從而導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)較大的汽溫偏差，再熱汽溫尤其明顯。

目前各發(fā)電廠的過熱汽溫和再熱汽溫控制均采用基于PID控制策略的串級(jí)控制方案，但對(duì)于大滯后的被控對(duì)象，PID控制策略難以協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)快速性和穩(wěn)定性之間的矛盾，即為了抑制汽溫偏差，控制系統(tǒng)必須快速動(dòng)作，而動(dòng)作過快又會(huì)造成PID控制系統(tǒng)振蕩，這是由PID的本質(zhì)特點(diǎn)所決定的。

采用先進(jìn)的基于大滯后控制理論的汽溫控制策略，可以對(duì)過熱汽溫和再熱汽溫進(jìn)行有效控制。以超超臨界機(jī)組再熱汽溫為例，基于先進(jìn)大滯后控制理論的再熱汽溫控制方案如圖2所示。

汽溫控制方案應(yīng)用了國(guó)際上最先進(jìn)的大滯后控制理論，在控制系統(tǒng)的反饋回路中，將多種大滯后控制技術(shù)如廣義預(yù)測(cè)控制技術(shù)、相位補(bǔ)償技術(shù)及狀態(tài)變量控制技術(shù)有機(jī)地融合起來(lái)，在確?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，加快噴水或煙氣擋板的調(diào)節(jié)速度。而在控制系統(tǒng)的前饋通道中，采用了基于操作經(jīng)驗(yàn)的模糊智能前饋技術(shù)，進(jìn)一步加快噴水或煙氣擋板的調(diào)節(jié)速度，有效減小過熱汽溫和再熱汽溫的動(dòng)態(tài)偏差。

再熱汽溫的煙氣擋板被控過程也有較長(zhǎng)的純滯后時(shí)間，且純滯后會(huì)隨著機(jī)組負(fù)荷的變化而變化。因此，在再熱汽溫?zé)煔鈸醢宓目刂苹芈分?，增加了自適應(yīng)Smith特性補(bǔ)償回路，以改善煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫的特性。再熱汽溫事故噴水的控制方案如圖2所示，與煙氣擋板控制相同，采用廣義預(yù)測(cè)控制器GPC實(shí)現(xiàn)反饋控制，前饋采用模糊智能前饋，并融入了以下控制思想：

（1）當(dāng)煙氣擋板關(guān)到某一位置時(shí)，其調(diào)節(jié)余量已較小，可切換到噴水調(diào)節(jié)再熱汽溫，以防止再熱汽溫過高。

（2）當(dāng)再熱汽溫已回調(diào)時(shí)，及時(shí)關(guān)小噴水閥，并根據(jù)回調(diào)情況及時(shí)關(guān)閉噴水閥，盡可能減小噴水流量。

4 優(yōu)化控制系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)的整合方式

圖2 先進(jìn)的再熱汽溫控制方案

INFIT（優(yōu)化控制系統(tǒng)）與DCS（分散控制系統(tǒng)）的整合采取無(wú)縫結(jié)合的方式，DCS中設(shè)置投切按鈕。在INFIT方式下，DCS處于跟蹤方式；在DCS方式時(shí)，將機(jī)組主要參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸至INFIT系統(tǒng)，并將鍋爐指令、燃料量指令傳送至INFIT系統(tǒng)，以達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤的目的。汽機(jī)主控指令采取增量方式，防止系統(tǒng)切換的不可控性，確保機(jī)組安全。

4.1 INFIT系統(tǒng)的軟、硬件平臺(tái)

（1）硬件方面：“INFIT”選用西門子的S7－300 PLC。

（2）軟件方面：在西門子S7編程環(huán)境中采用STL語(yǔ)言開發(fā)所有的高級(jí)算法模塊，建立類似DCS的組態(tài)函數(shù)庫(kù)，以類似DCS組態(tài)的方式完成具體機(jī)組AGC的優(yōu)化工程。

4.2 INFIT與DCS的接口

INFIT系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)間的接口如圖3所示。

圖3 “INFIT”系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)間的接口

DCS與INFIT系統(tǒng)相結(jié)合的關(guān)鍵是通信保障。因此，通過多種技術(shù)來(lái)保證通信數(shù)據(jù)的正常以及INFIT系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的無(wú)擾切換，主要有如下保障措施：

（1）INFIT系統(tǒng)不斷向DCS發(fā)送脈沖以表征系統(tǒng)的通信，DCS若持續(xù)10 s未接受到脈沖的變化即自動(dòng)切回原控制系統(tǒng)。

（2）INFIT系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)由DCS獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可信性（包括上/下限、變化率等），判斷有任一信號(hào)故障時(shí)，立即保持所有輸出控制指令，并立即切回DCS控制系統(tǒng)。

（3）DCS接受到INFIT的控制指令后，根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行上、下限約束，保證INFIT系統(tǒng)的故障不會(huì)造成控制指令大幅突變。

5 優(yōu)化控制系統(tǒng)投用效果

按照DL/T 657－2006《火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗(yàn)收測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求，對(duì)2號(hào)機(jī)組進(jìn)行了20 MW/min速率下的CCS變負(fù)荷試驗(yàn)。

以20 MW/min的速率將負(fù)荷從850 MW下降至700 MW。降負(fù)荷過程中的負(fù)荷、主汽壓力、過熱度控制曲線見圖4，主汽溫度、再熱汽溫、脫硝效率控制曲線見圖5。各項(xiàng)主要被控參數(shù)與DL/T 657－2006要求的考核值對(duì)比見表1。

表1 20MW/min速率降負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 降負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)的負(fù)荷、主汽壓力、過熱度控制曲線

以20 MW/min的速率將負(fù)荷從800 MW升至950 MW，各項(xiàng)主要被控參數(shù)與DL/T 657－2006要求的考核值對(duì)比見表2。

圖5 降負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)的主汽溫、再熱汽溫、脫硝效率控制曲線

表2 20MW/min速率升負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖4—5和表1—2可以看出，優(yōu)化前后效果明顯。負(fù)荷控制精準(zhǔn)，壓力平穩(wěn)，過熱度控制與設(shè)定值基本無(wú)差異，過熱汽溫、再熱汽溫控制穩(wěn)定。主要參數(shù)的動(dòng)態(tài)過程平穩(wěn)，無(wú)振蕩和過調(diào)。動(dòng)態(tài)控制偏差、穩(wěn)態(tài)控制精度均滿足要求。

（1）機(jī)組在穩(wěn)定負(fù)荷時(shí)，主汽壓力偏差小于± 0.15 MPa，主汽溫度和再熱汽溫偏差均小于±（1～2）℃；在機(jī)組大幅度變負(fù)荷及受到各種擾動(dòng)時(shí)，主汽壓力偏差小于±（0.5～0.6）MPa，主汽溫偏差小于±5℃；再熱汽溫偏差小于±8℃。所有參數(shù)基本在0.5個(gè)周期內(nèi)快速穩(wěn)定到設(shè)定值，未出現(xiàn)參數(shù)反復(fù)振蕩，控制系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性。另外，主汽溫度和再熱汽溫的平均溫度提高了4～8℃，明顯提高了機(jī)組的運(yùn)行效率。

（2）機(jī)組的負(fù)荷升、降速率超過20 MW/min，負(fù)荷的調(diào)節(jié)精度也明顯提高。

（3）控制系統(tǒng)對(duì)煤種變化具有很好的適應(yīng)性。由于優(yōu)化控制系統(tǒng)具有對(duì)煤種變化的自適應(yīng)調(diào)整手段，無(wú)論煤種如何變化，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能基本保持不變。

（4）采用了基于大滯后控制理論的先進(jìn)控制方法，實(shí)現(xiàn)了以“煙氣擋板調(diào)節(jié)”為主、“噴水調(diào)節(jié)”為輔來(lái)控制再熱汽溫，不僅提高再熱汽溫的控制品質(zhì)，而且有效減少了噴水流量，提高了機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

（5）采用預(yù)測(cè)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)，成功投入了NOX（氮氧化物）排放和脫硝效率的閉環(huán)控制，明顯減小了NOX和脫硝效率的波動(dòng)范圍，在運(yùn)行過程中節(jié)氨效果十分明顯。

6 結(jié)語(yǔ)

1 000 MW超超臨界機(jī)組先進(jìn)AGC及汽溫控制系統(tǒng)代表了最前沿的控制策略，在玉環(huán)電廠的開發(fā)運(yùn)用證明其能夠較好地解決實(shí)際生產(chǎn)中的問題，具有很好的借鑒意義。

[1]開平安，劉建民，焦嵩鳴，等.火電廠熱工過程先進(jìn)控制技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[2]傅望安，沈沖.基于純滑壓運(yùn)行方式的一次調(diào)頻性能優(yōu)化在1 000 MW上的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，31（11）∶76－79.

（本文編輯：徐晗）

The Application of Advanced AGC and Steam Temperature Control System in 1 000 MW Ultra Supercritical Units

ZHENG Wei-Dong1，LIU Wei-Rong2，LI Xiao-Yan1，LI Han-Hua1
（1.Huaneng Yuhuan Power Plant，Yuhuan Zhejiang 317604，China；2.Zhejiang Thermal Power Construction Company，Hangzhou 310016，China）

This paper introduces the application and commissioning of Advanced AGC and Steam Temperature Control System of 1 000 MW Ultra Supercritical Units project in Huaneng Yuhuan Power Plant and analyzes the existing problems in using traditional PID control system in domestic thermal power plants and the application prospect of the advantage control system.The paper puts forward a scheme for AGC and temperature optimization control in large generating units，which handles the instability of steam temperature of thermal power plant and load-varying operating condition.

advanced control；temperature optimization control；AGC；ultra supercritical unit；large lag；optimization

TK39

：B

：1007-1881（2013）08-0033-00

2013-02-05

鄭衛(wèi)東（1975-），男，湖北荊州人，工程師，從事熱控檢修維護(hù)和管理工作。