火電機(jī)組快速響應(yīng)負(fù)荷指令的優(yōu)化設(shè)計(jì)

田婭菲，趙文杰，田 嵐

（華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，保定 071003）

自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)AGC（auto generator con trol）是連接電網(wǎng)與單元機(jī)組之間的紐帶，承擔(dān)著協(xié)調(diào)鍋爐、汽機(jī)控制系統(tǒng)以快速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷指令的重要任務(wù)，其控制性能直接取決于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制特性[1]。隨著現(xiàn)代社會(huì)電網(wǎng)的要求越來(lái)越嚴(yán)格，就需要電廠火電機(jī)組具有較強(qiáng)的快速響應(yīng)負(fù)荷指令的能力，電廠需對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能為電廠爭(zhēng)取更大的經(jīng)濟(jì)效益。本文針對(duì)大同二電廠7號(hào)機(jī)組的運(yùn)行現(xiàn)狀，結(jié)合電網(wǎng)AGC控制系統(tǒng)的考核指標(biāo)，有針對(duì)性地對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效提高了AGC控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

1 調(diào)節(jié)性能指標(biāo)和機(jī)組介紹

1.1 調(diào)節(jié)性能指標(biāo)

AGC性能指標(biāo)目前主要考慮調(diào)節(jié)性能綜合指標(biāo)Kp，調(diào)節(jié)性能 Kp是調(diào)節(jié)速率 K1、調(diào)節(jié)精度K2和響應(yīng)時(shí)間K3的綜合體現(xiàn)。

1.2 AGC調(diào)節(jié)性能的定義

1.2.1 調(diào)節(jié)速率K1

調(diào)節(jié)速率K1i計(jì)算公式如下：

式中：Vi為該次AGC機(jī)組調(diào)節(jié)速率；VN為機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速率，單位是MW/min。K1i衡量的是該AGC機(jī)組第i次實(shí)際調(diào)節(jié)速率與其標(biāo)準(zhǔn)速率相比達(dá)到的程度。

1.2.2 調(diào)節(jié)精度K2

調(diào)節(jié)精度K2計(jì)算公式如下：

式中，ΔPi，j為該次AGC機(jī)組的調(diào)節(jié)偏差量，單位為MW。 K2i衡量的是該AGC機(jī)組第i次實(shí)際調(diào)節(jié)偏差量與其允許達(dá)到的偏差量相比達(dá)到的程度。

1.2.3 響應(yīng)時(shí)間K3

響應(yīng)時(shí)間K3計(jì)算公式如下：

式中，ti為該次AGC機(jī)組的響應(yīng)時(shí)間。K3i衡量的是該AGC機(jī)組第i次實(shí)際響應(yīng)時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)時(shí)間相比達(dá)到的程度。

1.2.4 調(diào)節(jié)性能綜合指標(biāo)Kp

每次AGC動(dòng)作時(shí)計(jì)算AGC調(diào)節(jié)性能：

式中，Kpi衡量的是該AGC機(jī)組第i次調(diào)節(jié)過(guò)程中的調(diào)節(jié)性能好壞程度。

1.3 機(jī)組描述

國(guó)電電力大同發(fā)電有限責(zé)任公司#7機(jī)組為600 MW單元制汽輪發(fā)電機(jī)組，鍋爐為東方鍋爐（集團(tuán)）股份責(zé)任公司根據(jù)引進(jìn)三井·巴布科克燃燒工程技術(shù)設(shè)計(jì)制造的亞臨界壓力、自然循環(huán)、前后墻對(duì)沖燃燒、一次中間再熱、緊身封閉、全鋼構(gòu)架的Π型汽包爐；汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)有限責(zé)任公司制造的亞臨界、一次中間再熱、四缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)，具有較好的熱負(fù)荷和變負(fù)荷適應(yīng)性，采用數(shù)字式電液調(diào)節(jié)（DEH）系統(tǒng)。鍋爐制粉系統(tǒng)采用的是6臺(tái)正壓直吹式中速磨煤機(jī)，爐膛燃燒方式為正壓直吹前后墻對(duì)沖燃燒。機(jī)組熱工控制設(shè)備采用北京ABB貝利控制有限公司生產(chǎn)的Symphony 系統(tǒng)[2]。

在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之前7號(hào)機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基本能保證電網(wǎng)對(duì)負(fù)荷的要求，但是調(diào)節(jié)性能考核指標(biāo)偏低。該機(jī)組磨煤機(jī)慣性和遲延較大，煤在磨內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)，從而導(dǎo)致主汽壓力被控對(duì)象具有較大的遲延，據(jù)統(tǒng)計(jì)從給煤指令變化到主汽流量發(fā)生變化大約需要（5～7）min；同時(shí)由于汽包容量相對(duì)較小，鍋爐蓄熱量明顯不足；另外，負(fù)荷大范圍變化過(guò)程，機(jī)、爐主控制器的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能不能很好地適應(yīng)對(duì)象特性的變化。以上問(wèn)題的存在，使得機(jī)組快速變負(fù)荷能力差，主汽壓力存在較大的動(dòng)態(tài)偏差，為了適應(yīng)AGC調(diào)節(jié)性能的指標(biāo)要求，使機(jī)組能夠快速響應(yīng)負(fù)荷指令，需要對(duì)原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 響應(yīng)時(shí)間K3的優(yōu)化措施

2.1.1 LDC指令修正

為了提高機(jī)組負(fù)荷的初始響應(yīng)速度，對(duì)LDC指令的產(chǎn)生邏輯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在AGC指令變化后，LDC指令以較快的速率變化，以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷指令變化初期短時(shí)間內(nèi)（10～30）s，機(jī)組負(fù)荷以較高的變化速率來(lái)升降負(fù)荷，然后再以固定的速率變負(fù)荷。這樣可以使機(jī)組負(fù)荷快速地脫離調(diào)節(jié)死區(qū)，達(dá)到提高機(jī)組響應(yīng)時(shí)間的目的，如圖1所示。

圖1 負(fù)荷設(shè)定值LDC曲線Fig.1 LDC curve of load set value

LDC指令增速的前提是要保證機(jī)組的穩(wěn)定性，所以首先要滿足相關(guān)條件之后，才允許機(jī)組在變負(fù)荷初期提高LDC速率。主要包括：DCS負(fù)荷指令與機(jī)組實(shí)際負(fù)荷偏差在±3 MW以內(nèi)，持續(xù)時(shí)間在5 s以上，表示機(jī)組的負(fù)荷已經(jīng)穩(wěn)定；主汽壓力與設(shè)定值偏差在±0.3 MPa內(nèi)，表示主汽壓力穩(wěn)定。

通過(guò)上述措施，在AGC指令變化初期，短時(shí)增加負(fù)荷變化率后，能夠使機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令快速越過(guò)允許偏差，既縮短了機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間，又不會(huì)對(duì)變負(fù)荷過(guò)程中的汽壓品質(zhì)造成大的影響。

2.1.2 汽機(jī)主控回路的自適應(yīng)調(diào)整措施

汽機(jī)主控回路能夠快速地改變機(jī)組負(fù)荷，以實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷跟蹤LDC的變化。在該邏輯中，設(shè)計(jì)了三組參數(shù)對(duì)汽機(jī)的不同工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖2所示。穩(wěn)態(tài)時(shí)汽機(jī)主控的PID控制器選擇較小的一組控制參數(shù)來(lái)保證穩(wěn)態(tài)時(shí)汽機(jī)的調(diào)節(jié)；在升降負(fù)荷，并且主汽壓力和給定值的偏差在限定值范圍之外的時(shí)候（工況異常），汽機(jī)主控的PID控制器選擇較為適中的一組參數(shù)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)；在升降負(fù)荷并且主汽壓力和給定值的偏差在限定值范圍內(nèi) （工況正常），汽機(jī)主控的PID控制器選擇較大的一組參數(shù)來(lái)加快調(diào)節(jié)。與此同時(shí)，在工況變化時(shí)，為了維持調(diào)節(jié)的穩(wěn)定對(duì)圖2中PID參數(shù)的輸出進(jìn)行限速處理。

圖2 汽機(jī)主控PID的變參數(shù)調(diào)節(jié)示意圖Fig.2 Turbine master control variable parameters of the PID conventional diagram

2.2 調(diào)節(jié)速度K1的優(yōu)化

優(yōu)化K1的關(guān)鍵在于有效縮短給煤量的滯后，以實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷持續(xù)快速變化的需要，采取的措施主要包括：（1）通過(guò)改變一次風(fēng)量，充分利用磨煤機(jī)中的蓄粉，以提高燃料響應(yīng)速度，改善AGC跟蹤特性；（2）利用凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)，利用機(jī)組的抽汽加快機(jī)組對(duì)AGC指令的響應(yīng)速度；（3）鍋爐主控動(dòng)態(tài)前饋的合理設(shè)計(jì)，提高給煤量的快速性；（4）設(shè)計(jì)煤質(zhì)熱值在線校正回路，提高鍋爐主控前饋信號(hào)的準(zhǔn)確性。

2.2.1 一次風(fēng)控制回路優(yōu)化

一次風(fēng)用來(lái)輸送煤粉增大一次風(fēng)量使更多的煤粉吹進(jìn)爐膛，通過(guò)調(diào)節(jié)一次風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉開度來(lái)使一次風(fēng)壓力保持在允許范圍內(nèi)，從而使送粉和爐內(nèi)充分燃燒。對(duì)一次風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施如下：1）增強(qiáng)動(dòng)葉開度的負(fù)荷指令微分前饋?zhàn)饔肹3]；2）減小一次風(fēng)壓控制器的比例和積分增益。改變一次風(fēng)壓，同時(shí)一次風(fēng)量也隨之發(fā)生改變，磨煤機(jī)內(nèi)的蓄粉被充分利用，使鍋爐的燃燒率發(fā)生變化，使其適應(yīng)負(fù)荷變化需要，從而縮短遲延時(shí)間，免去了制粉過(guò)程所耗費(fèi)的時(shí)間，一次風(fēng)壓力控制原理如圖3所示。

圖3 一次風(fēng)壓控制原理圖Fig.3 Primary air pressure control theory diagram

2.2.2 凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)

所謂凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)是指在機(jī)組變負(fù)荷時(shí)，在凝汽器和除氧器允許的水位變化內(nèi)，改變凝泵出口調(diào)門的開度，以改變凝結(jié)水流量，從而改變抽汽量，暫時(shí)獲得或釋放一部分機(jī)組的負(fù)荷[4]，如加負(fù)荷時(shí)，關(guān)凝汽器出口調(diào)門，減小凝結(jié)水流量，從而減小低加的抽汽量，增加蒸汽做功的量，使機(jī)組負(fù)荷增加，減負(fù)荷時(shí)反之亦然。

利用機(jī)組蓄熱只能夠解決短時(shí)間的負(fù)荷響應(yīng)，能夠減輕由鍋爐延遲而造成的負(fù)荷響應(yīng)延遲，但最終的負(fù)荷響應(yīng)仍然需要鍋爐側(cè)燃燒率的變化，因此對(duì)鍋爐側(cè)的協(xié)調(diào)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤其重要，而且需要與利用蓄熱技術(shù)相配套[5]。

2.2.3 增加鍋爐動(dòng)態(tài)過(guò)程加速BIR邏輯

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，鍋爐側(cè)的純遲延和大滯后是影響機(jī)組動(dòng)態(tài)響應(yīng)的關(guān)鍵因素。BIR（boiler input rate）是鍋爐動(dòng)態(tài)加速信號(hào)，在日系直流爐自動(dòng)控制系統(tǒng)中就是采用了BIR回路作為前饋。BIR的作用是機(jī)組在穩(wěn)態(tài)負(fù)荷下，不起任何作用；當(dāng)變負(fù)荷時(shí)，通過(guò)BIR能夠保證機(jī)組各系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡。在負(fù)荷快速變化時(shí)，各子系統(tǒng)對(duì)機(jī)組負(fù)荷變化的響應(yīng)速度快慢不同，慣性時(shí)間常數(shù)大小不同，若要求整個(gè)鍋爐保持動(dòng)態(tài)平衡，就要把不同的時(shí)間常數(shù)提供不同的鍋爐輸入速率需求指令作為前饋信號(hào)，加到各自子控制回路需求信號(hào)上，從而加速鍋爐對(duì)負(fù)荷指令的響應(yīng)速度。

在負(fù)荷變化過(guò)程中，為了及時(shí)補(bǔ)充蓄熱，對(duì)燃料量進(jìn)行適量的超調(diào)。通過(guò)每個(gè)鍋爐輸入指令的過(guò)調(diào)（負(fù)荷上升時(shí)）和欠調(diào)（負(fù)荷下降時(shí)）作用，加速鍋爐過(guò)程控制，改善主汽壓力可控性。

2.2.4 煤質(zhì)的適應(yīng)

為了克服煤質(zhì)變化產(chǎn)生的擾動(dòng)，設(shè)計(jì)中增加了熱值校正，如圖4所示。圖中采用的是熱量信號(hào)，蒸汽流量代表鍋爐能量的輸出，汽包壓力的變化率代表鍋爐蓄能的變化，二者的代數(shù)和表示鍋爐能量的輸入，根據(jù)能量平衡來(lái)獲得煤質(zhì)系數(shù)。熱值校正回路可以動(dòng)態(tài)地對(duì)給煤量進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)負(fù)荷穩(wěn)定、煤質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，爐膛內(nèi)部熱量信號(hào)發(fā)生改變，熱值校正調(diào)節(jié)器會(huì)發(fā)生改變，從而改變熱值校正系數(shù)，進(jìn)而改變總給煤量。

圖4 煤質(zhì)系數(shù)校正Fig.4 Coefficient calibration of coal quality

2.3 調(diào)節(jié)精度K2的優(yōu)化

K2值主要是計(jì)算負(fù)荷的精度，即實(shí)際調(diào)節(jié)偏差量與其允許達(dá)到的偏差量相比達(dá)到的程度，調(diào)節(jié)精度的大小與主汽壓力是否穩(wěn)定有直接的關(guān)系。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中存在汽機(jī)響應(yīng)速度較快與鍋爐燃燒的大慣性、延遲性之間的矛盾，在負(fù)荷變動(dòng)過(guò)程中，壓力必然有較大的波動(dòng)，需要鍋爐汽輪機(jī)之間進(jìn)行多變量解耦設(shè)計(jì)。如果實(shí)際壓力值一直偏離壓力設(shè)定值，必然影響負(fù)荷的穩(wěn)定性，影響其調(diào)節(jié)精度。

2.3.1 鍋爐主控增加負(fù)荷偏差

入口增加負(fù)荷偏差的信號(hào)，如圖5所示。當(dāng)升（降）負(fù)荷時(shí)，負(fù)荷偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)折算和疊加到主汽壓力的偏差上，相當(dāng)于增加（減少）主汽壓力的設(shè)定值，加快鍋爐的響應(yīng)；在穩(wěn)態(tài)時(shí)，機(jī)組實(shí)發(fā)功率與功率給定值相等，主汽壓力設(shè)定值，恢復(fù)到給定值。

圖5 鍋爐主控增加的負(fù)荷偏差Fig.5 Increased load deviation to the boiler master control

2.3.2 負(fù)荷調(diào)節(jié)的不靈敏區(qū)的影響

在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)AGC指令和機(jī)組負(fù)荷目標(biāo)值的不靈敏區(qū)，是為了保證機(jī)組的穩(wěn)定性在AGC指令頻繁變化的情況下受到最小影響。為了滿足AGC調(diào)節(jié)精度的要求，需要將這數(shù)值設(shè)得盡可能小，一般設(shè)置為（±1～±2）MW[6]。

2.3.3 汽機(jī)主控增加機(jī)前壓力偏差

汽輪機(jī)主控中除了包含負(fù)荷控制回路，還增加了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，其目的是使汽輪機(jī)和鍋爐共同調(diào)節(jié)主蒸汽壓力為定值。當(dāng)機(jī)前壓力偏差較小時(shí)，鍋爐主控制系統(tǒng)即可維持機(jī)前壓力為定值，不需要汽機(jī)主控的參與，有利于負(fù)荷的穩(wěn)定；當(dāng)機(jī)前壓力偏差較大時(shí)，僅靠鍋爐主控調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)而且效果不好，此時(shí)需要汽機(jī)協(xié)助鍋爐共同穩(wěn)定主汽壓力，在兩者共同作用下使機(jī)前壓力達(dá)到定值，但這會(huì)影響負(fù)荷響應(yīng)的穩(wěn)定性，造成較大波動(dòng)。通過(guò)放寬機(jī)前壓力偏差修正負(fù)荷指令回路有利于負(fù)荷響應(yīng)的快速性，同時(shí)使調(diào)節(jié)精度得到提高。

3 優(yōu)化效果

華北電網(wǎng)每天都會(huì)自動(dòng)計(jì)算出AGC控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能K1，K2，K3及Kp值，并以此數(shù)據(jù)作為考核的依據(jù)。在2011年末，華北電網(wǎng)中心進(jìn)行了主站升級(jí)，升級(jí)后的計(jì)算方法更為苛刻，尤其是K2值的計(jì)算方法發(fā)生了變動(dòng)，使整個(gè)華北電網(wǎng)下所有機(jī)組的 K2值均有明顯下降。因此，對(duì) Kp值及其 K1，K2，K3值的比較，應(yīng)考慮到上述因素的存在。圖6和圖7分別給出了優(yōu)化前后的AGC性能指標(biāo)，優(yōu)化前#7機(jī)組AGC控制系統(tǒng)處于考核不盈利狀況，優(yōu)化后的#7機(jī)組AGC控制系統(tǒng)每月可得到非常可觀的考核補(bǔ)助。

圖6 優(yōu)化前#7機(jī)組AGC考核指標(biāo)Fig.6 #7 unit AGC performance targets before optimization

圖7 優(yōu)化后#7機(jī)組AGC考核指標(biāo)Fig.7 #7 unit AGC performance targets after optimization

通過(guò)優(yōu)化前后數(shù)據(jù)的比較可看出，AGC系統(tǒng)優(yōu)化后，Kp總體呈上升趨勢(shì)，且有明顯改善。

4 結(jié)語(yǔ)

大同發(fā)電有限公司7號(hào)機(jī)組AGC系統(tǒng)改造前存在著快速變負(fù)荷能力差，主汽壓力波動(dòng)大，不能滿足AGC調(diào)節(jié)性能的指標(biāo)要求，考核處于不盈利狀態(tài)，影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)對(duì)機(jī)、爐主控制器參數(shù)采用自適應(yīng)調(diào)整措施以及在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中融入凝結(jié)水節(jié)流調(diào)節(jié)負(fù)荷策略，優(yōu)化負(fù)荷指令設(shè)定邏輯，增設(shè)了煤質(zhì)熱值校正回路等優(yōu)化措施，明顯地減小了主蒸汽壓力偏差，AGC的調(diào)節(jié)品質(zhì)得到明顯提高。從華北電網(wǎng)給出的AGC補(bǔ)償考核指標(biāo)看，優(yōu)化后的AGC系統(tǒng)，K1值得到了明顯改善，K3值略有提高，K2值由于電網(wǎng)計(jì)算方法比以前變得苛刻，該值略有下降。從機(jī)組運(yùn)行情況看，在機(jī)組燃用煤質(zhì)和設(shè)備出力滿足運(yùn)行條件的情況下，優(yōu)化后的AGC系統(tǒng)能夠有效提高機(jī)組負(fù)荷和壓力的控制品質(zhì)。

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