INFIT系統(tǒng)在超超臨界發(fā)電機(jī)組汽溫和協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用

徐建中，陳益飛（江蘇射陽港發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇射陽224345）

INFIT系統(tǒng)在超超臨界發(fā)電機(jī)組汽溫和協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用

徐建中，陳益飛
（江蘇射陽港發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇射陽224345）

直流鍋爐發(fā)電機(jī)組由于控制對象大滯后，加之傳統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)（DCS）方式的局限，普遍存在負(fù)荷升降速率低、參數(shù)波動大和燃燒煤種適應(yīng)性差等問題。分析了大型直流鍋爐動態(tài)特點(diǎn)和實(shí)際控制應(yīng)注意的策略，針對某超臨界600 MW機(jī)組投產(chǎn)后控制特性的不足，對5號機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，即增加了1套INFIT實(shí)時優(yōu)化控制系統(tǒng)，介紹了該優(yōu)化控制系統(tǒng)的基本特點(diǎn)和主要控制邏輯，并利用實(shí)際運(yùn)行曲線說明了這套系統(tǒng)應(yīng)用的有效性。

直流鍋爐；INFIT系統(tǒng)；優(yōu)化；安全評估

隨著電網(wǎng)容量的不斷擴(kuò)大，為確保電網(wǎng)安全，國家各大電網(wǎng)都對機(jī)組自動發(fā)電量控制（AGC）的質(zhì)量和一次調(diào)頻提出明確的考核要求。機(jī)組AGC和一次調(diào)頻功能是建立在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有良好品質(zhì)的基礎(chǔ)上。當(dāng)前超超臨界機(jī)組普遍存在負(fù)荷升降速率慢和調(diào)節(jié)精度差等問題，根據(jù)江蘇省統(tǒng)調(diào)機(jī)組熱控監(jiān)督報告顯示，2013年上半年600 MW級機(jī)組AGC平均速率和精度分別為1.26 Pe%/min和0.65%，低于江蘇省經(jīng)貿(mào)委不低于1.5Pe%/min和不高于0.5%的標(biāo)準(zhǔn)要求。部分電廠為滿足上級部門AGC的考核要求，通過犧牲機(jī)組穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)整，結(jié)果AGC和一次調(diào)頻滿足了考核要求，但同時機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性變差，主汽壓力、主再溫度等參數(shù)波動急劇加大，給安全運(yùn)行帶來很大隱患。國內(nèi)外科研院校對此進(jìn)行了針對性技術(shù)攻關(guān)和研究，先后有多個優(yōu)化控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，如西門子PRORI UCC系統(tǒng)等，實(shí)踐證明這些優(yōu)化系統(tǒng)對提高機(jī)組控制品質(zhì)和穩(wěn)定性都取得了一定效果。文中針對某超超臨界發(fā)電機(jī)組控制特性的不足，介紹了東南大學(xué)INFIT實(shí)時優(yōu)化系統(tǒng)在其汽溫和協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用。

1　直流鍋爐控制要求

直流鍋爐沒有汽包和下降管，水冷壁管采用小管徑，故制造簡單、節(jié)省鋼材，同時可采用超（超）臨界壓力參數(shù)運(yùn)行，啟停時間短，經(jīng)濟(jì)效益高。但直流鍋爐也存在一些缺點(diǎn)，從運(yùn)行操作看，直流鍋爐較汽包鍋爐復(fù)雜，安全性要求更高。

直流爐與汽包爐主要是汽水系統(tǒng)不同，直流爐的各段受熱面之間沒有明顯的分界面，給水、燃燒和汽溫調(diào)節(jié)相互影響，即一個調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動作，可能影響其他運(yùn)行參數(shù)，給自動調(diào)節(jié)帶來較大困難，這就要求有較高的自動控制水平和相應(yīng)的保護(hù)措施。

基于以上特點(diǎn)，在對直流鍋爐發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計時，應(yīng)充分考慮以下問題：在協(xié)調(diào)控制中盡量克服純時延、大滯后環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，盡可能加快鍋爐的動態(tài)響應(yīng)；盡可能保持燃燒率與給水量之間的平衡關(guān)系。在鍋爐跟蹤協(xié)調(diào)方式下，鍋爐主控維持機(jī)前壓力，汽輪機(jī)主控用于控制機(jī)組負(fù)荷，使機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速度較快，控制精度較高。由于機(jī)前壓力波動幅度較大，按照電網(wǎng)調(diào)度對機(jī)組投入AGC的運(yùn)行指標(biāo)要求，在鍋爐跟蹤協(xié)調(diào)方式下，機(jī)組最適合投入AGC運(yùn)行［1］。

2　優(yōu)化前運(yùn)行分析

江蘇射陽港發(fā)電有限責(zé)任公司5號機(jī)組為660 MW超超臨界機(jī)組，單元機(jī)組控制采用Emerson公司Ovation分散控制系統(tǒng)，設(shè)計包含數(shù)據(jù)采集（DAS）、鍋爐燃燒控制（BMS）、熱控自動調(diào)節(jié)（MCS）、順序控制（SCS）和汽輪機(jī)電液控制（DEH）等分系統(tǒng)。2011年8月機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，2012年6月為了減小汽機(jī)調(diào)門節(jié)流損失，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，由單閥控制改為多閥控制。

5號機(jī)組投入運(yùn)行后，總體運(yùn)行穩(wěn)定，但由于鍋爐燃燒煤種偏離設(shè)計煤種，特別是燃燒印尼煤以后，鍋爐負(fù)荷大幅度變化時經(jīng)常出現(xiàn)鍋爐煤水比失調(diào)，不得不采用解除AGC和協(xié)調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行人工干預(yù)，期間主汽壓力、主汽溫度、再熱汽溫等參數(shù)波動較大。機(jī)組變負(fù)荷工況下參數(shù)變化曲線如圖1所示。

由圖1可以看出：（1）變負(fù)荷過程中，機(jī)組主汽壓力偏離設(shè)定值有時達(dá)1 MPa左右，并出現(xiàn)震蕩波形。實(shí)際運(yùn)行中，為防止鍋爐超壓運(yùn)行，往往不得不在原滑壓定值下增加-0.5 MPa的偏置，降低了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。調(diào)節(jié)過程中燃料量、給水量波動幅度大，對鍋爐金屬管材壽命有一定的影響。（2）再熱減溫水用量大，不利于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。由于煙道擋板調(diào)節(jié)溫度存在較大的滯后，煙道擋板自動無法投入，再熱汽溫調(diào)節(jié)主要依靠再熱事故噴水來控制。減溫水電動調(diào)門調(diào)節(jié)頻繁，再熱減溫水用量大，不利于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖1　優(yōu)化前機(jī)組變負(fù)荷工況曲線

同時，機(jī)組AGC速率較慢，精度較差，特別是汽機(jī)由單閥改為順序閥后，調(diào)節(jié)速率和精度水平進(jìn)一步下降，2012年10月份江蘇省電力調(diào)度對5號機(jī)組AGC的測試結(jié)果顯示，平均速率為1.1 Pe%/min，日調(diào)節(jié)精度為0.6%左右，未達(dá)到江蘇省經(jīng)貿(mào)委的要求。

3　 INFIT系統(tǒng)改造

3.1INFIT系統(tǒng)汽溫和協(xié)調(diào)控制策略

火電機(jī)組之所以出現(xiàn)上述調(diào)節(jié)不正?，F(xiàn)象，究其原因是隨著工況和煤種的變化，被控對象動態(tài)特性將越來越差，過程的滯后和慣性越來越大，在這種情況下，常規(guī)的采用負(fù)荷指令前饋+PID反饋的集散控制系統(tǒng)（DCS）調(diào)節(jié)方案已很難協(xié)調(diào)好控制快速性和穩(wěn)定性之間的矛盾。要從根本上解決問題，可將預(yù)測和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等應(yīng)用到優(yōu)化控制中。INFIT實(shí)時優(yōu)化系統(tǒng)汽溫和協(xié)調(diào)控制策略原理如圖2所示，該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。

（1）采用預(yù)測控制技術(shù)作為閉環(huán)控制的核心環(huán)節(jié)。INFIT系統(tǒng)仍采用前饋+反饋的控制模式，與常規(guī)DCS控制策略不同的是，控制系統(tǒng)中以預(yù)測控制技術(shù)取代了原有的PID控制：能夠提前預(yù)測被調(diào)量的未來變化趨勢，并進(jìn)行控制，從而有效提前調(diào)節(jié)過程，可大幅提高機(jī)組協(xié)調(diào)閉環(huán)穩(wěn)定性和抗擾動能力。

（2）對機(jī)組運(yùn)行特性參數(shù)進(jìn)行全工況實(shí)時校正。常規(guī)DCS控制回路，其控制參數(shù)一經(jīng)整定就不會改變，因而對日后機(jī)組工況的變化無能為力；INFIT系統(tǒng)采用競爭型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法，實(shí)時校正機(jī)組運(yùn)行中與控制系統(tǒng)密切相關(guān)的各種參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)實(shí)時計算控制系統(tǒng)前饋和反饋回路中各項(xiàng)控制參數(shù)，使系統(tǒng)始終處于在線學(xué)習(xí)狀態(tài)，性能不斷向最優(yōu)目標(biāo)逼近。

（3）對機(jī)組AGC模式進(jìn)行了特別優(yōu)化。常規(guī)DCS控制對于機(jī)組運(yùn)行在協(xié)調(diào)控制CCS方式還是AGC是不加區(qū)分的，INFIT系統(tǒng)中包含AGC運(yùn)行模式下的特別優(yōu)化模塊，即采用智能預(yù)測算法，一方面根據(jù)當(dāng)前AGC指令、實(shí)發(fā)功率、電網(wǎng)頻率等參數(shù)實(shí)時預(yù)測“調(diào)度EMS系統(tǒng)AGC指令”在未來時刻的變化趨勢；另一方面根據(jù)燃料量、風(fēng)量、給水流量等參數(shù)預(yù)測鍋爐做功能力的“鍋爐熱功率信號”在未來時刻的變化值，并依據(jù)這兩者間匹配程度來修正鍋爐指令變化量。

圖2　INFIT協(xié)調(diào)控制策略原理

（4）用大滯后控制技術(shù)對再熱汽溫控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。INFIT將自適應(yīng)SMITH控制技術(shù)和相位補(bǔ)償技術(shù)融于一體，通過對多種大滯后控制策略的有效組合，成功實(shí)現(xiàn)以煙氣擋板調(diào)節(jié)為主、事故噴水調(diào)節(jié)為輔的再熱汽溫控制，有效減少再熱汽溫的噴水流量，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2INFIT控制系統(tǒng)安全性分析

INFIT系統(tǒng)選用Siemens S7系列PLC為硬件平臺，作為一個擴(kuò)展DPU融入到DCS系統(tǒng)中。DCS原有控制邏輯完全保留，僅增加少量切換邏輯，運(yùn)行人員可以方便地在DCS系統(tǒng)和INFIT之間進(jìn)行無擾切換。INFIT系統(tǒng)能及時與機(jī)組DCS通過modbus通信融為一體，并通過多種技術(shù)來檢測通信數(shù)據(jù)的正常，即使系統(tǒng)故障也不會出現(xiàn)危險，其原因?yàn)椋海?）INFIT系統(tǒng)以不斷向DCS發(fā)送心跳波的方式來表征系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，DCS一旦檢測不到心跳波，立即切回原DCS控制系統(tǒng)；（2）INFIT系統(tǒng)不斷檢測由DCS側(cè)獲取的實(shí)時數(shù)據(jù)的正確性（包括上、下限，變化率等），一旦發(fā)現(xiàn)任一信號故障，立即將所有輸出控制指令（燃料指令、給水指令、汽機(jī)調(diào)門指令等）保持，并立即切回原DCS控制系統(tǒng)；（3）DCS側(cè)接受到INFIT系統(tǒng)新的控制指令（燃料指令、給水指令、汽機(jī)調(diào)門指令等）后，根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷進(jìn)行上、下限約束，以保證INFIT系統(tǒng)的故障不會使控制指令大幅突變。

4　應(yīng)用效果評估

4.1優(yōu)化系統(tǒng)安裝和調(diào)試

5號機(jī)組INFIT系統(tǒng)于2012年9月機(jī)組B修期間完成硬件安裝、DCS組態(tài)修改并靜態(tài)調(diào)試，并于2012年10月30日機(jī)組運(yùn)行后投入，經(jīng)5 d調(diào)試及調(diào)節(jié)參數(shù)的完善，機(jī)組的AGC控制和主、再汽溫穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能均有了顯著的提高。

4.2優(yōu)化后機(jī)組調(diào)節(jié)參數(shù)分析

INFIT控制系統(tǒng)投用后，5號機(jī)組大幅度增減負(fù)荷過程中其相關(guān)重要參數(shù)變化曲線見圖3。投用INFIT系統(tǒng)后，機(jī)組即使在擾動工況下運(yùn)行也非常穩(wěn)定，由550 MW負(fù)荷快速升至滿負(fù)荷時，機(jī)組主汽壓力動態(tài)偏差在±0.3 MPa、主汽溫偏差在±4.0℃之內(nèi)。

2012年11月份江蘇省電力調(diào)度進(jìn)行的AGC速率測試結(jié)果顯示，AGC上升和下降速率平均為2.1 Pe%/min，遠(yuǎn)高于上級部門要求的不低于1.5 Pe%/min的要求；而AGC日平均調(diào)節(jié)精度水平也大幅度提高，由投入前的0.6%左右提高到0.23%～0.32%。后經(jīng)過一段時間實(shí)際在線學(xué)習(xí)，調(diào)節(jié)精度進(jìn)一步提高到0.12%左右。

圖3　優(yōu)化后變負(fù)荷時重要參數(shù)過程曲線

4.3優(yōu)化綜合評估

（1）機(jī)組運(yùn)行更加平穩(wěn)。由于采用了預(yù)測控制等先進(jìn)技術(shù)，穩(wěn)態(tài)工況下機(jī)組主汽壓力、主汽溫度的波動幅度在（±0.2 MPa/±3.0℃）范圍內(nèi)；變負(fù)荷工況下，上述參數(shù)波動在（±0.3 MPa/±5.0℃）內(nèi)，提高了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，從根本上防止鍋爐超溫、超壓。

（2）機(jī)組運(yùn)行中的燃料、給水波動大幅減小。5號機(jī)組在AGC運(yùn)行中的燃料、給水等控制量的波動幅度較優(yōu)化前減小60%左右，對于減小機(jī)組設(shè)備磨損、延長鍋爐金屬管材壽命、減少爆管極為有利，提高了機(jī)組的安全性。

（3）保證機(jī)組在額定工況下運(yùn)行。由于調(diào)節(jié)性能穩(wěn)定，徹底改變了系統(tǒng)投入前降低參數(shù)運(yùn)行的局面，最大限度地提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

（4）系統(tǒng)投入后，再熱汽溫正常情況下，均由旁路擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)，基本不再使用再熱器減溫水，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

（5）AGC調(diào)節(jié)速率和精度提高，避免了因上述參數(shù)達(dá)不到上級部門要求每月十幾萬元的罰款，更提升了公司對外形象。

5　結(jié)束語

INFIT控制系統(tǒng)的投入，使5號機(jī)組的AGC控制及主、再汽溫調(diào)節(jié)水平等得到明顯改善，取得了經(jīng)濟(jì)性和安全性雙贏的效果，同時優(yōu)化系統(tǒng)的投入大大減輕了運(yùn)行人員工作量，該系統(tǒng)成功實(shí)施對同類型機(jī)組具有較強(qiáng)的借鑒意義。

［1］尹 峰，朱北恒，李 泉.超（超）臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制特性與控制策略［J］.中國電力，2008，40（3）：66-69.

Application of INFIT System For Steam Temperature and Coordination Control in Ultra-supercritical Power Unit

XU Jianzhong，CHEN Yifei
（Jiangsu Sheyanggang Power Generation Co.Ltd.，Sheyang 224345，China）

Due to the existence of large delay in the control of some objects，issues such as low temperatureincrease rate，large parameter fluctuation，and poor adaptability for different kinds of coal are frequently encountered in once-through boilers employing traditional DCS.Through analyzing the dynamic characteristics of large-scale once-through boilers and practically adopted control strategy，we have performed optical transform in the control system of 5#unit by installing the INFIT real-time control system.The basic characteristics and control logic of this system are introduced in this paper，and its effectiveness is also illustrated by using actual operation curve.

once-through boiler；INFIT system；optimize；safety evaluation

TK229

B

1009-0665（2015）03-0072-03

2014-11-28；

2015-03-01

徐建中（1971），男，江蘇建湖人，工程師，高級技師，從事發(fā)電廠熱控技術(shù)管理工作；

陳益飛（1969），男，江蘇鹽城人，高級工程師，從事發(fā)電廠設(shè)備管理工作。