超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略分析及優(yōu)化仿真研究

Analysis of the Coordinated Control Strategy

and Research on Optimization Simulation for Supercritical Power Unit

馬良玉　張　夢(mèng)

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

超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略分析及優(yōu)化仿真研究

Analysis of the Coordinated Control Strategy

and Research on Optimization Simulation for Supercritical Power Unit

馬良玉張夢(mèng)

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

摘要：結(jié)合超臨界機(jī)組的特性及協(xié)調(diào)控制數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)分析了某600 MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制邏輯。其鍋爐主控和汽機(jī)主控邏輯均包含具有增益系數(shù)的典型加法器。針對(duì)以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)方式(BFCC)，借助機(jī)組的全工況仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化試驗(yàn)，以比較不同增益系數(shù)下機(jī)組負(fù)荷及主汽壓力的控制效果，確定最優(yōu)的增益系數(shù)。研究結(jié)果對(duì)深入了解超臨界機(jī)組的協(xié)調(diào)控制潛力和提高機(jī)組對(duì)自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)的適應(yīng)能力，具有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)PID邏輯分析仿真優(yōu)化

Abstract：Combining with the characteristics of the supercritical power unit, and the mathematical model of coordinated control, the coordinated control logics of certain 600 MW supercritical power unit are analyzed in detail. In both boiler master control logic and turbine master control logic, typical adder with gain coefficient is included. In accordance with the boiler following based coordinated control (BFCC) mode, the simulation optimization test is conducted with help of full-scope simulator of the unit. The control effects for unit load and main steam pressure under different gain coefficient are compared, thus the optimal gain coefficient is determined. The results of research possess certain reference significance to understand the potential of coordinated control of supercritical power unit, and improve the adaptability of the unit upon automatic generation control (AGC).

Keywords：Supercritical power unitCoordinated control systemPIDLogic analysisSimulation optimization

0引言

隨著我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展，600 MW及以上的超(超)臨界燃煤機(jī)組以其效率高、能耗低及環(huán)保性能好等特點(diǎn)已成為電網(wǎng)的主力機(jī)組。在以電網(wǎng)為中心的自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)和“兩個(gè)細(xì)則”普遍實(shí)施的背景下，要求大型超(超)臨界機(jī)組具備較快的負(fù)荷響應(yīng)速度和較強(qiáng)的調(diào)峰能力[1]。單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(coordinated control system，CCS)是把鍋爐和汽輪機(jī)作為整體進(jìn)行控制，以維持內(nèi)外兩個(gè)能量供求平衡，使機(jī)組滿足電網(wǎng)負(fù)荷指令要求，并保證主汽壓力等運(yùn)行參數(shù)偏差不超過(guò)規(guī)定值[2]。CCS是實(shí)現(xiàn)AGC功能的基礎(chǔ)，控制品質(zhì)優(yōu)劣直接關(guān)系到獨(dú)立發(fā)電公司能否在電網(wǎng)有限的負(fù)荷變化量中爭(zhēng)取更多的電量并更好地為電網(wǎng)服務(wù)[3-5]。因此，深入了解超(超)臨界機(jī)組的運(yùn)行特性，優(yōu)化其協(xié)調(diào)控制策略，在保證機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，盡可能地提高機(jī)組對(duì)負(fù)荷指令的響應(yīng)速度，對(duì)機(jī)組具備良好的AGC投運(yùn)條件很有意義。

為此，本文針對(duì)某實(shí)際投運(yùn)的600 MW超臨界機(jī)組，根據(jù)機(jī)組參與AGC運(yùn)行的要求，詳細(xì)分析了該機(jī)組的協(xié)調(diào)控制邏輯。借助該機(jī)組的全工況仿真機(jī)系統(tǒng)，針對(duì)鍋爐主控和汽機(jī)主控邏輯中的典型加法器環(huán)節(jié)，對(duì)其增益系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化仿真試驗(yàn)，以了解該機(jī)組在現(xiàn)有邏輯下可能達(dá)到的最優(yōu)協(xié)調(diào)控制效果。

1超臨界機(jī)組特性和協(xié)調(diào)控制模型

超臨界機(jī)組特性相比亞臨界機(jī)組更為復(fù)雜，具體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①超臨界鍋爐沒(méi)有汽包，在“直流”運(yùn)行階段，給水加熱、蒸發(fā)和過(guò)熱一次性連續(xù)完成，負(fù)荷、汽溫、汽壓各控制回路間存在著更強(qiáng)的非線性耦合；②和亞臨界機(jī)組相比，超臨界機(jī)組蓄熱量較小，負(fù)荷調(diào)節(jié)更靈敏，但對(duì)外界的擾動(dòng)響應(yīng)較快，主汽壓、主汽溫等參數(shù)更容易產(chǎn)生較大的偏差和波動(dòng)[6-7]。

超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)對(duì)象一般可簡(jiǎn)化為三輸入三輸出的系統(tǒng)，其模型如圖1所示。圖1中，輸入為燃料量指令B、給水流量指令W和汽輪機(jī)調(diào)門開(kāi)度指令μt，輸出為機(jī)組負(fù)荷Ne、機(jī)前主汽壓力pt和汽水分離器出口(中間點(diǎn))蒸汽溫度θ(或焓值H)。實(shí)線表示強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，虛線表示弱相關(guān)關(guān)系。

圖1　超臨界直流鍋爐機(jī)組簡(jiǎn)化模型

在協(xié)調(diào)系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，忽略圖1中的弱相關(guān)關(guān)系，對(duì)各強(qiáng)相關(guān)分量給予不同配比，可實(shí)現(xiàn)不同協(xié)調(diào)控制策略，對(duì)應(yīng)的指令通用模型可表述如下[8]：

μt=f1(ND)+G(k1ΔNe-k2Δpt)

(1)

B=f2(ND)+f3G(k3ΔNe+k4Δpt)+λG(Δθ)

(2)

W=f4(ND)+f5G(k3ΔNe+k4Δpt)+λ′G(ΔH)

(3)

式中：ND為負(fù)荷指令；G為調(diào)節(jié)器算法；k1~k4為負(fù)荷、汽壓分量的配比系數(shù)；f1(x)、f2(x)、f4(x)分別為調(diào)門、燃料、給水對(duì)負(fù)荷指令的超前函數(shù)；f3(x)、f5(x)為煤水分配函數(shù);λ、λ′為焓溫選擇函數(shù)。

根據(jù)上述公式，通過(guò)k1、k2、k3和k4的不同配比，可構(gòu)建三種不同協(xié)調(diào)控制模式[8-10]。①鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)方式(boiler-followingcoordinatedcontrol,BFCC)。這種方式下，式(1)~式(3)經(jīng)量綱等效換算后，可得k1>k2、k3k4。鍋爐側(cè)主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)負(fù)荷，汽機(jī)側(cè)主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)壓力。負(fù)荷指令變化時(shí)，先改變鍋爐的給水量和給煤量，當(dāng)汽機(jī)主控制器檢測(cè)到機(jī)前壓力的變化時(shí)，通過(guò)關(guān)大或關(guān)小調(diào)門來(lái)改變進(jìn)汽量。由于鍋爐與汽輪機(jī)相比具有較大的慣性，因此該方式汽壓波動(dòng)較小，但機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度較慢，調(diào)峰能力較差。③機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式(turbine-boilercoordinatedcontrol,TBCC)。這種模式下式(1)~式(3)中k1與k2大致相當(dāng)，k3與k4大致相當(dāng)。鍋爐和汽機(jī)共同控制機(jī)組功率和主汽壓力，兼顧負(fù)荷與主汽壓力兩個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)性能。

2協(xié)調(diào)控制邏輯分析

本文研究對(duì)象為某實(shí)際投運(yùn)的600MW機(jī)組，采用DG-1900/25.4-Ⅱ1型單爐膛、一次再熱、超臨界Π型鍋爐，N600-24.2/566/566型一次中間再熱、沖動(dòng)式、單軸、三缸四排汽、雙背壓、純凝汽式汽輪機(jī)。

經(jīng)分析，機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用BFCC方式和焓水控制策略。給水與燃料量維持水煤比，保證中間點(diǎn)焓值(溫度)相對(duì)穩(wěn)定，并與后續(xù)過(guò)熱器噴水減溫配合，實(shí)現(xiàn)過(guò)熱汽溫控制。給水沒(méi)有直接參與負(fù)荷和主汽壓力調(diào)節(jié)，相對(duì)較為獨(dú)立。因此，本文優(yōu)化仿真僅針對(duì)機(jī)組的負(fù)荷和主汽壓力控制，給水和汽溫控制采用機(jī)組原邏輯和原參數(shù)。

通過(guò)分析協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的邏輯組態(tài)圖，可深入理解機(jī)組的負(fù)荷和汽壓控制策略，為進(jìn)一步優(yōu)化其控制參數(shù)奠定基礎(chǔ)。下面對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的鍋爐主控和汽機(jī)主控邏輯圖進(jìn)行分析。

2.1　鍋爐主控邏輯

600MW機(jī)組鍋爐主控邏輯圖如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，鍋爐主控邏輯包含兩個(gè)APID控制器，對(duì)APID的選取則有以下三種情況：①機(jī)組以協(xié)調(diào)方式運(yùn)行(機(jī)、爐主控均為自動(dòng))時(shí)，協(xié)調(diào)狀態(tài)信號(hào)取值為1，選擇開(kāi)關(guān)T接收1#PID的輸出信號(hào)，經(jīng)M/A站自動(dòng)信號(hào)輸入端A送至鍋爐主控輸出,此時(shí)2#PID跟蹤鍋爐主控指令；②機(jī)組處于鍋爐跟隨方式(機(jī)主控手動(dòng)，爐主控自動(dòng))時(shí)，協(xié)調(diào)狀態(tài)信號(hào)取值為0，選擇開(kāi)關(guān)T接收2#PID的輸出信號(hào)，經(jīng)M/A站送至鍋爐主控輸出，而1#PID跟蹤鍋爐主控指令；③鍋爐主控切手動(dòng)時(shí)，M/A站不接受任何PID輸出，需手動(dòng)更改鍋爐主控輸出指令(燃料量指令)。

圖2　鍋爐主控邏輯圖

下面只分析協(xié)調(diào)控制方式下1#PID的輸入信號(hào)。注意到1#PID的設(shè)定值缺省為0，而進(jìn)入1#PID的PV信號(hào)來(lái)自加法器∑2，包含壓力偏差信號(hào)Δp和負(fù)荷偏差信號(hào)ΔN。與協(xié)調(diào)指令通用模型(2)對(duì)應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)加法器中兩個(gè)增益系數(shù)的配比，可實(shí)現(xiàn)三種不同的協(xié)調(diào)策略。對(duì)于純BFCC模式，負(fù)荷指令信號(hào)增益為0，僅取壓力偏差信號(hào)增益后作為測(cè)量值。

此外，1#PID的前饋信號(hào)涉及到以下三方面。

① 主前饋，機(jī)組負(fù)荷指令ND。由于機(jī)組穩(wěn)態(tài)負(fù)荷和燃料量有較為確定的函數(shù)關(guān)系，將ND作為前饋量可保證機(jī)組在變負(fù)荷過(guò)程中快速得到與目標(biāo)負(fù)荷基本對(duì)應(yīng)的燃料指令，既加快鍋爐主控反應(yīng)速度, 同時(shí)避免系統(tǒng)慣性造成的調(diào)節(jié)器積分累積過(guò)大而發(fā)生的超調(diào), 改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

② 汽壓偏差前饋。

③ 負(fù)荷偏差及汽壓的微分前饋,引入這兩個(gè)微分前饋量同樣可加快機(jī)組的響應(yīng)速度。

2.2　汽機(jī)主控邏輯

機(jī)組的汽機(jī)主控邏輯如圖3所示，同樣也包含兩個(gè)APID控制器。兩個(gè)APID的選取原則也有三種情況，與鍋爐主控邏輯圖的分析基本相同，此處不再贅述。下面只針對(duì)協(xié)調(diào)控制方式下1#APID的輸入信號(hào)來(lái)進(jìn)行分析。

圖3　汽機(jī)主控邏輯圖

由圖3可看出，主汽壓力偏差Δp和功率偏差信號(hào)ΔN共同輸入到加法器∑2中，經(jīng)一函數(shù)發(fā)生器F1(X)作為1#APID的測(cè)量信號(hào)。與協(xié)調(diào)指令通用模型(1)對(duì)應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)加法器中兩輸入增益系數(shù)大小，可實(shí)現(xiàn)不同的協(xié)調(diào)策略。對(duì)于純BFCC模式，僅取負(fù)荷偏差增益作為測(cè)量值，壓力偏差信號(hào)增益取0。注意到負(fù)荷指令之后具有若干慣性環(huán)節(jié)F(t)，其作用是模擬鍋爐自負(fù)荷指令變化到工質(zhì)進(jìn)入水冷壁吸熱、汽化、蒸發(fā)到主汽壓力、主汽溫度變化的過(guò)程, 使汽機(jī)等待鍋爐的響應(yīng)，以協(xié)調(diào)機(jī)爐運(yùn)行狀態(tài), 匹配兩者之間的出力。負(fù)荷指令ND經(jīng)一函數(shù)發(fā)生器F2(X)，再經(jīng)限幅限速模塊，到1#APID的FF引腳，作為汽機(jī)主控的前饋，使汽機(jī)可根據(jù)ND的變化直接進(jìn)行一定的預(yù)調(diào)。

3協(xié)調(diào)參數(shù)優(yōu)化仿真試驗(yàn)

本文的優(yōu)化仿真試驗(yàn)針對(duì)以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制(BFCC)方式進(jìn)行。在圖2、圖3中，進(jìn)入1#APID的PV信號(hào)均來(lái)自加法器∑2。對(duì)應(yīng)于BFCC方式，兩個(gè)加法器第二個(gè)輸入的增益系數(shù)均取0，即鍋爐主控僅調(diào)主汽壓力偏差，汽機(jī)主控僅調(diào)負(fù)荷偏差。兩個(gè)加法器模塊第一個(gè)增益系數(shù)取值不同，可對(duì)各自PID的比例和積分作用強(qiáng)弱同時(shí)產(chǎn)生影響，從而產(chǎn)生不同的負(fù)荷和主汽壓力控制效果。為此本文借助火電機(jī)組仿真機(jī)開(kāi)展試驗(yàn)，比較不同增益系數(shù)取值下機(jī)組負(fù)荷和鍋爐主汽壓力的控制效果，確定控制效果相對(duì)較優(yōu)的比例增益組合。

3.1　鍋爐主控中壓力偏差增益優(yōu)化

在BFCC模式下，鍋爐主控中，加法器∑2輸出為CBΔp，CB為壓力偏差信號(hào)的增益。在仿真機(jī)上試驗(yàn)時(shí)，CB分別取不同值時(shí)對(duì)機(jī)組負(fù)荷和主汽壓力的控制效果。試驗(yàn)選取的工況為600-540-480 MW降負(fù)荷試驗(yàn)，降負(fù)荷速率12 MW/min，降壓速率1 MPa/min。當(dāng)CB分別取值為14、35、49時(shí)，機(jī)組負(fù)荷、主汽壓力的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4　CB=14、35、49時(shí)負(fù)荷和汽壓變化曲線

由圖4可以看出，由于CB對(duì)應(yīng)的是鍋爐主控調(diào)節(jié)，所以CB的變化對(duì)主汽壓力影響較大。鍋爐側(cè)慣性較大，響應(yīng)較慢，CB越小，調(diào)節(jié)速度越慢。由圖4(b)可看出,當(dāng)CB=14時(shí)，主汽壓力波動(dòng)較大；當(dāng)CB=35時(shí)，汽壓超量小，變化平穩(wěn)，無(wú)論是動(dòng)態(tài)過(guò)程還是穩(wěn)態(tài)條件下，均表現(xiàn)出優(yōu)良控制效果；當(dāng)CB=49時(shí)，調(diào)節(jié)速度快，汽壓超調(diào)量較小，但是調(diào)節(jié)速度的過(guò)快導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)時(shí)汽壓一直在波動(dòng)，并不是平滑的曲線(相比CB=35)。綜合考慮，我們采用CB=35為相對(duì)最優(yōu)值。試驗(yàn)時(shí)，汽機(jī)主控側(cè)負(fù)荷偏差增益為一固定值(接下來(lái)所做的負(fù)荷偏差增益優(yōu)化試驗(yàn)的最優(yōu)值)。

3.2　汽機(jī)主控負(fù)荷偏差增益優(yōu)化

在BFCC模式下，汽機(jī)主控中加法器∑2輸出為Cu×ΔN。將CB固定為35，研究Cu值變化對(duì)負(fù)荷、主汽壓力調(diào)節(jié)性能的影響。機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行工況同上，當(dāng)Cu=3、6、12時(shí)，機(jī)組負(fù)荷、主汽壓力的變化曲線如圖5所示。

圖5　Cu=3、6、12時(shí)負(fù)荷和汽壓變化曲線

Cu為負(fù)荷偏差信號(hào)的增益，其取值對(duì)負(fù)荷的影響較大。當(dāng)Cu為3、6、12時(shí)，負(fù)荷跟隨性能依次提高，波動(dòng)幅度依次減小。但是調(diào)門開(kāi)度的變化加快勢(shì)必也對(duì)主汽壓力產(chǎn)生影響。當(dāng)Cu=12時(shí)，汽壓的波動(dòng)比另外兩個(gè)參數(shù)時(shí)更明顯，尤其是在600 MW降至540 MW的動(dòng)態(tài)過(guò)程，汽壓上升下降的速度都很快。綜合比較，選擇Cu=6為相對(duì)最優(yōu)值。

4結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合超臨界機(jī)組特性和協(xié)調(diào)控制的通用數(shù)學(xué)模型，分析了協(xié)調(diào)控制常見(jiàn)的幾種運(yùn)行方式，并以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)方式(BFCC)為例，對(duì)某600 MW超臨界機(jī)組的鍋爐主控和汽機(jī)主控邏輯圖進(jìn)行了詳細(xì)分析。由于控制邏輯中與協(xié)調(diào)模式對(duì)應(yīng)的兩個(gè)PID控制器的測(cè)量值PV來(lái)自于加法器模塊的輸出，加法器的增益系數(shù)影響著鍋爐主控和汽機(jī)主控的調(diào)節(jié)性能。為

此，借助火電機(jī)組全范圍仿真系統(tǒng)，對(duì)加法器模塊的增益系數(shù)CB和Cu進(jìn)行了仿真優(yōu)化試驗(yàn)，比較取值變化對(duì)機(jī)組負(fù)荷、主汽壓力的影響，并確定了增益系數(shù)的相對(duì)最優(yōu)值。上述研究有助于深入了解超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制的潛力，改善機(jī)組機(jī)組協(xié)調(diào)控制對(duì)AGC的適應(yīng)性。

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中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503001

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：61174111)。

第一作者馬良玉(1972-)，男，2004年畢業(yè)于華北電力大學(xué)熱能工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，副教授；主要從事工業(yè)過(guò)程建模與仿真，智能技術(shù)在電站建模、控制與故障診斷中的應(yīng)用研究。