超超臨界直流爐協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計(jì)與應(yīng)用

游勇華，龍 洋，萬俊松，周世陽

（1.江西省電力科學(xué)研究院，江西南昌 330096；2.江西省水利水電學(xué)校，江西南昌 330013）

0 引言

最近五年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速騰飛，用電量需求急劇增加，電網(wǎng)容量也在不斷擴(kuò)大，用戶對(duì)電能質(zhì)量要求日益提高。電網(wǎng)負(fù)荷分配通常采用AGC控制方式，由中調(diào)統(tǒng)一分配，機(jī)組升負(fù)荷、降負(fù)荷均要達(dá)到電網(wǎng)的要求。對(duì)配備中間粉倉的中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)的機(jī)組，達(dá)到相應(yīng)速率指標(biāo)難度不大，但對(duì)直吹式機(jī)組，由于其慣性大，要達(dá)到規(guī)定的升負(fù)荷、降負(fù)荷速率除與機(jī)組本身特性有關(guān)外，還與所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)有關(guān)[1]。當(dāng)負(fù)荷指令發(fā)生變化時(shí)，由于直吹式制粉系統(tǒng)鍋爐燃燒存在極大的慣性，主汽壓力不能及時(shí)隨汽機(jī)調(diào)汽門變化而變化，容易造成主汽壓力調(diào)節(jié)過調(diào)，偏差超過規(guī)定值，影響鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。要使機(jī)組在確保穩(wěn)定性的前提下，具有更快、更靈活的負(fù)荷響應(yīng)，就需要協(xié)調(diào)機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)能力和主汽壓力穩(wěn)定的矛盾，對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出來更高的要求[2]。論文所設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)控制策略已在某電廠660 MW超超臨界機(jī)組中得到應(yīng)用，長(zhǎng)時(shí)間的良好應(yīng)用效果證明所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有一定的適用性、代表性。

1 超超臨界機(jī)組控制特點(diǎn)

1.1 機(jī)組動(dòng)態(tài)特性[3][4]

機(jī)組在運(yùn)行過程中要經(jīng)過濕態(tài)與干態(tài)的轉(zhuǎn)換，鍋爐的加熱區(qū)、蒸發(fā)區(qū)和過熱區(qū)之間的界限是變動(dòng)的，任何一種擾動(dòng)都會(huì)使假想的分界線前移或后移，機(jī)組動(dòng)態(tài)特性隨負(fù)荷的變化而變化，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性特性和變參數(shù)特性，因而要求協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及時(shí)、準(zhǔn)確、嚴(yán)格地保持機(jī)組的能量和物質(zhì)平衡。

直流爐機(jī)組，采用直吹式制粉系統(tǒng)，從給煤、制粉、送粉到燃燒環(huán)節(jié)，具有大的純遲延和滯后特性，因此，燃燒系統(tǒng)成為機(jī)組的一個(gè)控制難點(diǎn)。

機(jī)組蓄熱差。在臨界壓力附近，隨著汽壓升高，蒸發(fā)段變短，過臨界后蒸發(fā)段消失，熱水直接轉(zhuǎn)化為蒸汽，機(jī)組蓄熱能力迅速減弱，對(duì)外界擾動(dòng)響應(yīng)速度加快，容易超溫超壓。

1.2 機(jī)組控制特點(diǎn)

燃水比控制要求高，中間點(diǎn)工質(zhì)溫度或焓值要得到保證。直流爐調(diào)節(jié)汽溫的手段主要是保持燃料量和給水量之比恒定，比值的任何偏離都會(huì)使汽溫發(fā)生變化[5]。

熱量平衡是機(jī)爐協(xié)調(diào)控制策略的關(guān)鍵[6]。直流爐的給水流量在較短延時(shí)后將直接反映于蒸汽流量，而調(diào)門指令對(duì)耗汽量的影響反而要小，基于這種關(guān)系，鍋爐吸熱量與汽機(jī)耗汽量的平衡關(guān)系將轉(zhuǎn)變?yōu)槲鼰崃颗c給水量的平衡關(guān)系，因此，只要保持好變負(fù)荷過程中這一熱量平衡關(guān)系，過熱度將始終保持平穩(wěn)，機(jī)爐處于協(xié)調(diào)平穩(wěn)的受控狀態(tài)。

大量采用前饋控制技術(shù)，加快各系統(tǒng)間響應(yīng)速度。同時(shí)，采用變參數(shù)、變?cè)O(shè)定值、解耦技術(shù)以及自適應(yīng)控制等技術(shù)[7]。

2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方案

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可分為以鍋爐跟蹤為基礎(chǔ)(BF-CCS)和以汽機(jī)跟蹤為基礎(chǔ)(TF-CCS)兩種協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于反饋回路，BF-CCS系統(tǒng)采用鍋爐調(diào)節(jié)壓力,汽機(jī)調(diào)節(jié)功率的運(yùn)行方式，TF-CCS系統(tǒng)則相反。BF-CCS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速度快、負(fù)荷控制精度較高,但機(jī)前壓力波動(dòng)幅度較大；TF-CCS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)則相反，機(jī)前壓力波動(dòng)較小，對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行有利，但由于鍋爐的慣性和遲延都較大，機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)特性較差，負(fù)荷控制精度也較低[8]。由于國(guó)內(nèi)電網(wǎng)對(duì)機(jī)組的調(diào)峰能力要求較高，并對(duì)機(jī)組的AGC/一次調(diào)頻的功能、指標(biāo)提出了具體的要求，對(duì)負(fù)荷的響應(yīng)時(shí)間及調(diào)節(jié)精度要求比較高。在這種形勢(shì)下，采用以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方案，能更好的滿足機(jī)組快速響應(yīng)負(fù)荷、參與電網(wǎng)調(diào)峰的要求[9]。協(xié)調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示：

圖1 超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)系統(tǒng)方案示意圖

2.2 協(xié)調(diào)控制策略

機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)由負(fù)荷管理中心、鍋爐主控、汽機(jī)主控三個(gè)功能區(qū)組成，是整個(gè)機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心。

2.2.1 負(fù)荷管理中心

負(fù)荷管理中心主要是對(duì)機(jī)組負(fù)荷指令、主汽壓力設(shè)定值進(jìn)行管理，包括機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷設(shè)定(包括AGC指令)、負(fù)荷變化率設(shè)定、負(fù)荷上/下限設(shè)定、增/減閉鎖、一次調(diào)頻、RB等功能。

2.2.2 鍋爐主控

超超臨界機(jī)組鍋爐指令由四部分疊加而成：1）基本指令(由負(fù)荷管理中心產(chǎn)生)，即經(jīng)過頻差修正的機(jī)組負(fù)荷指令，使鍋爐主控指令對(duì)應(yīng)于負(fù)荷及頻率的改變有一個(gè)絕對(duì)變化量，快速作用于送風(fēng)、煤、水等控制回路，使這些量相對(duì)于負(fù)荷都有一個(gè)基本變化量，這是最基礎(chǔ)、最直接、最快速的比例控制；2）主汽壓力調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)；3）DEB(直接能量平衡信號(hào)[10])微分信號(hào)，能量平衡信號(hào)表示汽輪機(jī)向鍋爐索取的能量需求，建立了汽輪機(jī)負(fù)荷與汽輪機(jī)調(diào)門之間的正確比例關(guān)系，且不受鍋爐側(cè)擾動(dòng)的影響，能夠快速反映機(jī)組負(fù)荷的變化(能量需求變化)；能量平衡信號(hào)=[11]，式中，PS為主蒸汽壓力設(shè)定值，P1為汽輪機(jī)第一級(jí)后壓力；PT為主蒸汽壓力。4）主汽壓力實(shí)際值、設(shè)定值(經(jīng)速率限制后)的微分信號(hào)。鍋爐主控回路示意見圖2。

圖2 鍋爐主控回路示意圖

鍋爐主控生成的鍋爐指令BD，分別送往燃燒控制、水煤比控制、給水控制、總風(fēng)量控制、一次風(fēng)壓控制、過熱汽溫控制、再熱汽溫控制等控制系統(tǒng)，完成整個(gè)鍋爐的控制。

2.2.3 汽機(jī)主控

在協(xié)調(diào)控制方式下，功率控制由汽機(jī)主控完成，汽機(jī)主控接收功率控制器的輸出，設(shè)定值由經(jīng)過速率、高低限制的機(jī)組負(fù)荷指令，一次調(diào)頻的指令，壓力拉回回路三部分疊加而成，為了加強(qiáng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)效果，最大限度的利用鍋爐蓄熱，加快機(jī)組初期響應(yīng)負(fù)荷的執(zhí)行速度，使用了經(jīng)過速率、高低限制的機(jī)組負(fù)荷指令作為前饋，使汽機(jī)調(diào)門提前動(dòng)作。方案中同時(shí)考慮了汽壓限制的作用，因?yàn)樵跔t跟機(jī)控制方式下，負(fù)荷變化時(shí)機(jī)前壓力會(huì)有較大的波動(dòng)。一旦機(jī)前壓力偏差值超出鍋爐主控回路的預(yù)測(cè)范圍時(shí)，汽機(jī)主控回路不再調(diào)功，而參與調(diào)壓，二者共同作用使機(jī)前壓力調(diào)整到允許范圍內(nèi)，使得汽機(jī)主控回路功率調(diào)節(jié)不再受壓力控制的影響，從而實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)過程，并穩(wěn)定鍋爐輸入和汽機(jī)輸出的平衡。

在汽機(jī)跟隨TF或RB發(fā)生，汽機(jī)主控控制主汽壓力，汽機(jī)主控接收壓力控制器的輸出，設(shè)定值為經(jīng)過速率限制的主汽壓力設(shè)定值。

汽機(jī)主控在協(xié)調(diào)方式下的PI調(diào)節(jié)器和在TF方式下的PI調(diào)節(jié)器采取分別設(shè)置的方式，以便適應(yīng)不同狀況的調(diào)節(jié)，改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。汽輪機(jī)主控回路示意見圖3。

圖3 汽機(jī)主控回路示意圖

2.3 燃水比控制

燃水比是直流爐控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)，控制效果的好壞直接影響到機(jī)組的主汽溫度穩(wěn)定，對(duì)機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要。國(guó)際上流行燃水比控制方式主要有以下兩種。

1）燃料修正中間點(diǎn)溫度。中間點(diǎn)溫度調(diào)節(jié)器輸出加入到燃料控制回路，對(duì)燃料指令進(jìn)行修正，調(diào)整燃料量，從而有效調(diào)整燃水比，保證鍋爐出口汽溫的穩(wěn)定。

2）給水修正中間點(diǎn)溫度。中間點(diǎn)溫度調(diào)節(jié)器輸出加入到給水控制回路，對(duì)給水指令進(jìn)行修正，調(diào)整給水量，從而有效調(diào)整燃水比，保證鍋爐出口汽溫的穩(wěn)定。

用燃料修正中間點(diǎn)溫度調(diào)整燃水比其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)機(jī)組負(fù)荷和主汽壓的影響平緩，機(jī)組主要參數(shù)的穩(wěn)定性大大提高，缺點(diǎn)是對(duì)象特性響應(yīng)慢。用給水修正中間點(diǎn)溫度調(diào)整燃水比其優(yōu)點(diǎn)是可以較為快速、有效地調(diào)整燃水比，進(jìn)而保證鍋爐出口汽溫，缺點(diǎn)是對(duì)機(jī)組負(fù)荷和主汽壓的動(dòng)態(tài)影響比較大，機(jī)組穩(wěn)定性變差。方案中，燃水比控制采用“水跟煤”為基礎(chǔ)的燃料修正中間點(diǎn)溫度調(diào)節(jié)方式，維持主汽溫度穩(wěn)定。

2.4 前饋控制

廣泛采用并行前饋控制，方案中將鍋爐主控指令并行送到各子系統(tǒng)（如：燃料、送風(fēng)、給水等）建立前饋設(shè)定值，改善鍋爐對(duì)負(fù)荷指令變化的快速響應(yīng)性。通過前饋控制可以充分利用超超臨界機(jī)組慣性和延遲相對(duì)較小的特點(diǎn)，較好地克服外擾時(shí)參數(shù)波動(dòng)大的不利因素，滿足機(jī)組的變負(fù)荷需求。

靜態(tài)前饋。由鍋爐負(fù)荷主指令(BD)，根據(jù)各子系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過單獨(dú)的函數(shù)發(fā)生器形成穩(wěn)態(tài)的前饋信號(hào)，建立一個(gè)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。

動(dòng)態(tài)前饋。直流爐鍋爐側(cè)的大滯后和純時(shí)延是影響機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的關(guān)鍵因素。為此，控制策略中采用MWD信號(hào)(比BD更早)來生成一組動(dòng)態(tài)前饋信號(hào)——鍋爐動(dòng)態(tài)加速信號(hào)(BID)，分別作用到燃料、送風(fēng)、給水等系統(tǒng)，使鍋爐對(duì)負(fù)荷指令的響應(yīng)速度得到加快，從而起到先動(dòng)作、早控制的作用。BD指令在變負(fù)荷時(shí)具有強(qiáng)化微分環(huán)節(jié)的作用，而穩(wěn)態(tài)負(fù)荷下，BD指令不發(fā)生作用。

3 實(shí)際應(yīng)用

某電廠新建2×660 MW超超臨界機(jī)組，鍋爐由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)，型號(hào)為：HG-2035/26.15-YM3，采用П型布置、單爐膛、改進(jìn)型低NOX分級(jí)送風(fēng)燃燒系統(tǒng)、墻式切圓燃燒方式，爐膛采用內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁、帶再循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)、一次中間再熱。汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)有限公司制造的超超臨界壓力汽輪機(jī)，型號(hào)為：N660-25/600/600，超超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)為東方電機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)。DCS與DEH均采用北京日立控制系統(tǒng)有限公司提供的HI?ACS-5000 M集散控制系統(tǒng)。

試運(yùn)期間從機(jī)組實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷340 MW開始，投入機(jī)組協(xié)調(diào)控制，在450 MW~660 MW之間以9 MW/min的負(fù)荷爬坡速率進(jìn)行了負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線如圖4所示。

圖4 15%負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)曲線

由試驗(yàn)曲線分析可知，機(jī)組負(fù)荷初始響應(yīng)較快，過程變化平穩(wěn)，最大動(dòng)態(tài)偏差5.02 MW,實(shí)際負(fù)荷變化率超過9 MW/min；燃料與給水之間匹配良好，煤與水全過程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，過熱度沒有大的波動(dòng)，變化較平緩。主汽壓力最大動(dòng)態(tài)偏差為-0.56 MPa，主汽溫度的最大動(dòng)態(tài)偏差4.1℃，均符合要求，說明設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可靠。

4 結(jié)論

大型超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要統(tǒng)籌全局，合理解耦，采用靜態(tài)、動(dòng)態(tài)前饋，充分利用鍋爐蓄熱，才能提高機(jī)組的負(fù)荷適應(yīng)性和運(yùn)行穩(wěn)定性。本文設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)控制策略，在沒有安排專門試驗(yàn)的條件下，隨機(jī)組啟動(dòng)進(jìn)行參數(shù)在線整定。機(jī)組投運(yùn)后經(jīng)過長(zhǎng)周期運(yùn)行考驗(yàn)，調(diào)節(jié)品質(zhì)較好，主汽壓、主汽溫、功率、過熱度等參數(shù)波動(dòng)均符合部頒標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)一步證明協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，適合機(jī)組運(yùn)行特性，能夠滿足電網(wǎng)AGC的要求。為新建大型火電機(jī)組納入電網(wǎng)AGC控制提供借鑒、參考。

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