聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組負荷控制系統(tǒng)分析及改進

高宇等

摘 要：針對聯(lián)合循環(huán)機組負荷控制系統(tǒng)難以適應(yīng)新制定的AGC考核標準要求，分析研究現(xiàn)有負荷控制系統(tǒng)，重新建立聯(lián)合循環(huán)機組負荷被控對象模型。同時，調(diào)整燃氣輪機燃料指令計算回路，進行仿真試驗和現(xiàn)場試驗。試驗結(jié)果表明，改進后控制方案對聯(lián)合循環(huán)機組的負荷控制取得良好的控制效果，具有較高的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：燃氣輪機；負荷控制；分析；改進

當今社會，人類面臨越來越嚴重的環(huán)境問題，傳統(tǒng)的火力發(fā)電機組倍受爭議。國家正積極加快眾多清潔能源電站的建設(shè)，燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組以其整體循環(huán)效率高、環(huán)境污染小、單位投資低、調(diào)峰性能好、占地少和建設(shè)周期短這六大優(yōu)勢，逐步受到國家的重視。以江蘇省為例，截止2013年6月，江蘇已建成投產(chǎn)的燃氣輪機總?cè)萘窟_到3180MW，約占全省裝機總?cè)萘康?%，因此，保證聯(lián)合循環(huán)機組實發(fā)功率跟蹤電網(wǎng)AGC指令具有重要的意義。江蘇電網(wǎng)新制定的AGC考核標準有以下四點要求：

（1）聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組滿足AGC升、降負荷速率的絕對值大于5%Pe/min；

（2）機組響應(yīng)一次調(diào)頻的時間不超過3s；

（3）機組達到75%擾動幅度的響應(yīng)時間小于15s；

（4）機組響應(yīng)一次調(diào)頻45s內(nèi)平均調(diào)節(jié)負荷能力大于2%Pe，其最終負荷穩(wěn)定時間小于1min。

針對上述的考核標準，以9E型燃氣輪機為例，原有的Mark VI負荷控制系統(tǒng)難以適應(yīng)新制定的考核標準。通過對Mark VI負荷控制系統(tǒng)進行分析研究，本文對燃氣輪機負荷被控對象重新建模，并改進燃氣輪機燃料指令計算回路。在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下以及實際現(xiàn)場應(yīng)用中，對新設(shè)計的聯(lián)合循環(huán)機組負荷控制系統(tǒng)進行仿真，結(jié)果表明，新設(shè)計的機組負荷控制系統(tǒng)能夠較好地達到考核標準要求。

1.機組負荷控制系統(tǒng)模型

以某電廠180MW聯(lián)合循環(huán)機組為例，其9E型燃氣輪機簡單的控制回路分為溫度控制回路、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制回路和轉(zhuǎn)子加速度控制回路三部分[1][2]。在正常運行工況下，對燃氣輪機負荷調(diào)節(jié)性能具有重要影響的控制回路是燃氣輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制回路。而且，目前普遍采用的都是機理模型，機理建模較為復(fù)雜，計算量大，在現(xiàn)場實際應(yīng)用時存在較大的偏差。因此，針對上述情況，并結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗，本文提出將傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中的重要參數(shù)，如燃氣輪機排氣溫度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等僅作為安全參數(shù)。建立以燃氣輪機燃料閥開度（U1）和汽輪機入口調(diào)節(jié)閥開度（U2）為輸入，燃氣輪機實發(fā)功率（N1）、汽輪機實發(fā)功率（N2）為輸出的機組負荷控制系統(tǒng)模型。

由于機組在不同負荷點時，其模型參數(shù)有所差異，因此，本文在110MW低負荷點和165MW高負荷點進行建模，通過相應(yīng)的開環(huán)階躍響應(yīng)試驗，得到了相應(yīng)的輸出變化數(shù)據(jù)。由于現(xiàn)場采集過程中，存在各種信號噪聲的干擾，采用廣義最小二乘法來對試驗數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)辨識。辨識后的模型列表如表1所示。

在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下，對上述模型進行驗證，利用廣義最小二乘法擬合出的機組負荷被控對象模型精度較高，符合實際控制應(yīng)用中的模型精度要求。

2.燃氣輪機燃料指令計算回路

2.1原有燃料指令計算回路

在燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組負荷控制系統(tǒng)中，燃氣輪機的實發(fā)功率占主導(dǎo)地位。因此，燃氣輪機的燃料指令計算回路在整個機組負荷控制系統(tǒng)中顯得尤為關(guān)鍵。

目前，Mark VI控制系統(tǒng)中，其燃料指令計算回路原理示意圖如圖1所示[3][4]。由于其計算回路中含有PID調(diào)節(jié)器，稱之為帶有PID控制器的燃料指令計算回路。

電網(wǎng)側(cè)的AGC指令通過相應(yīng)的限幅和限速操作后，將信號作為聯(lián)合循環(huán)機組的負荷指令，也即PID調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，汽輪機和燃氣輪機的實發(fā)功率之和作為PID調(diào)節(jié)器的反饋量，經(jīng)過PID計算后，其輸出加上聯(lián)合循環(huán)機組負荷指令的前饋量，再疊加上一次調(diào)頻負荷后，作為燃氣輪機的負荷設(shè)定值通過硬接線送至燃氣輪機側(cè)進行負荷控制。這即是帶有PID控制器的燃氣輪機燃料指令計算回路。

但是，現(xiàn)有的燃料指令計算回路存在以下缺陷：

（1） 汽輪機實發(fā)功率穩(wěn)定時間較長，從而使得機組實發(fā)功率難以在較短時間內(nèi)穩(wěn)定。

（2） 燃料指令計算回路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要整定的控制器參數(shù)較多，如AGC負荷指令前饋增益K、PID控制器參數(shù)等。

上述傳統(tǒng)的燃料指令計算回路的不足造成燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組負荷難以達到新制定的AGC考核標準要求。對部分聯(lián)合循環(huán)機組進行升、降負荷性能試驗。結(jié)果表明，現(xiàn)有的負荷控制系統(tǒng)難以達標[5]。

2.2燃料指令計算回路的改進

針對現(xiàn)有的燃料指令計算回路存在的問題，本文設(shè)計提出一種改進的燃料指令計算回路，其原理示意圖如圖2所示。由于其計算回路中取消PID控制器，因此，稱之為無PID控制器的燃料指令計算回路。

由圖2的控制策略不難發(fā)現(xiàn)，其主體思想借鑒傳統(tǒng)的火力發(fā)電機組機爐協(xié)調(diào)的方法，聯(lián)合循環(huán)機組中，汽輪機調(diào)節(jié)負荷能力較差，因此，汽輪機的入口調(diào)節(jié)閥確保汽輪機的主蒸汽壓力波動較小。根據(jù)燃氣輪機調(diào)節(jié)負荷速率快，響應(yīng)時間短的特點，聯(lián)合循環(huán)機組的負荷調(diào)節(jié)主要依靠燃氣輪機的負荷控制回路，即可在很短的時間內(nèi)保證機組負荷達到AGC指令要求。

無PID控制器的燃料指令計算回路，其自身結(jié)構(gòu)簡單，并省略AGC負荷指令前饋增益K、PID控制器參數(shù)的整定，極大地簡化了燃料指令計算回路。

2.3燃氣輪機負荷控制回路參數(shù)改進

燃氣輪機燃料閥開度的控制器采用的是帶有死區(qū)的指令累加控制器，具有明顯的不足，這在仿真試驗中無法體現(xiàn)。因此，本文設(shè)計提出改進燃料閥開度的控制器，采用快速積分控制器進行替代。快速積分器的引入，無需設(shè)置負荷偏差死區(qū)，提高調(diào)節(jié)精度；此外，當積分器入口的燃氣輪機負荷偏差減小時，指令調(diào)節(jié)速率會相應(yīng)減緩。依據(jù)負荷偏差的大小來調(diào)整控制器指令的快慢，能有效地防止燃氣輪機負荷的超調(diào)。

3.試驗比較

為比較上述改進后的機組負荷控制系統(tǒng)與現(xiàn)有的負荷控制系統(tǒng)的控制效果，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下，擬做以下仿真試驗。機組負荷穩(wěn)定在110MW和165MW時，分別進行負荷升、降試驗，變化速率為9MW/min。同時，負荷指令中疊加特定的一次調(diào)頻指令信號，

由仿真試驗結(jié)果比較可知，改進后的聯(lián)合循環(huán)機組負荷控制系統(tǒng)的控制性能在升、降負荷速率時有了明顯的提升，能夠較好地跟蹤AGC指令。同時，在一次調(diào)頻指令擾動的情況下，改進后的機組實發(fā)功率仍能較好地跟蹤負荷指令，且沒有超調(diào)。

將上述的改進措施應(yīng)用于實際生產(chǎn)過程中，其運行的試驗曲線如圖3所示。

實際運行數(shù)據(jù)表明，改進后的機組負荷控制系統(tǒng)明顯改善機組的負荷性能，能夠較好地達到新制定的考核標準要求。

4.結(jié)論

本文分析傳統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)機組負荷控制系統(tǒng)的缺陷，重新設(shè)計機組負荷被控對象模型，對燃氣輪機的燃料指令計算回路進行調(diào)整，并對實際控制器進行調(diào)整，設(shè)計出切實可行的負荷控制系統(tǒng)改進方案。分別在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下以及實際應(yīng)用中進行驗證，機組的控制效果均得以明顯改善，能夠較好地跟蹤負荷指令，達到考核標準要求。該改進措施易于工程實現(xiàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]Rowen I W.Simplified mathematical representations of single shaft gas turbines in mechanical drive service[J].Turbo machinery Int，1992（8）：26-32.

[2]Rowen I W.Simplified mathematical representations of heavy-duty gas turbines[J].Journal Engineering of Power，1983（105）：865-869.

[3]楊惠新.燃氣輪機控制系統(tǒng)MARK VI介紹[J].華東電力，2004（8）：58-60.

[4] 李勇輝.GE燃氣輪機MARK VI控制系統(tǒng)研究及調(diào)試[D].浙江大學(xué)，2007.

[5] 江蘇方天電力技術(shù)有限公司.燃氣輪機AGC和一次調(diào)頻的技術(shù)方案[R]，2013.