二拖一燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組協(xié)調(diào)控制

王雁軍（中國(guó)神華能源股份有限公司國(guó)華電力分公司，北京 100025）

二拖一燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組協(xié)調(diào)控制

王雁軍（中國(guó)神華能源股份有限公司國(guó)華電力分公司，北京 100025）

二拖一機(jī)組協(xié)調(diào)控制是燃?xì)廨啓C(jī)組高度自動(dòng)化的一個(gè)重要組成部分。本文提供了一套優(yōu)化的協(xié)調(diào)控制策略，在工程實(shí)踐中達(dá)到了良好的預(yù)期。該策略很好地整合了聯(lián)合循環(huán)機(jī)組能需平衡和物量平衡，并兼顧了設(shè)備之間的安全考慮，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組高度的自動(dòng)化，值得同類(lèi)型機(jī)組自動(dòng)化設(shè)計(jì)參考。

燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)；協(xié)調(diào)控制； 負(fù)荷分配；控制策略

二拖一燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組協(xié)調(diào)控制是燃?xì)廨啓C(jī)組高度自動(dòng)化的一個(gè)重要組成部分，其控制功能的主要任務(wù)有：實(shí)現(xiàn)燃機(jī)、余熱爐、汽機(jī)的能量平衡；實(shí)現(xiàn)二拖一工況的總負(fù)荷閉環(huán)控制，提供AGC控制接口；實(shí)現(xiàn)二拖一工況的燃機(jī)之間的負(fù)荷平衡；實(shí)現(xiàn)受限于鍋爐和汽輪機(jī)保護(hù)需求的燃機(jī)變負(fù)荷速率控制，調(diào)節(jié)幅值控制，保障機(jī)組安全。本文提供了一套優(yōu)化的協(xié)調(diào)控制策略，并在工程實(shí)踐中達(dá)到了良好的預(yù)期，為國(guó)內(nèi)燃機(jī)自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)提供參考。

1 二拖一機(jī)組負(fù)荷分配回路

機(jī)組負(fù)荷分配回路的主要是任務(wù)是承擔(dān)“二拖一”系統(tǒng)的兩臺(tái)燃機(jī)在多模式下的負(fù)荷出力分配問(wèn)題。機(jī)組負(fù)荷分配回路主要功能有：燃機(jī)速率限制、雙燃機(jī)負(fù)荷平衡、負(fù)荷分配計(jì)算、總負(fù)荷指令幅值速率限制、總負(fù)荷設(shè)定站、AGC接口等，如圖1所示：

圖1 二拖一機(jī)組負(fù)荷分配回路邏輯示意圖

燃機(jī)負(fù)荷分配計(jì)算主要由燃機(jī)負(fù)荷理論分配量，余熱汽機(jī)負(fù)荷理論分配量，汽機(jī)實(shí)際負(fù)荷，空氣溫度，分配負(fù)荷低限等參數(shù)和功能構(gòu)成。燃機(jī)負(fù)荷理論分配量是機(jī)組總負(fù)荷控制的燃機(jī)實(shí)際負(fù)荷指令基準(zhǔn)配量單元，實(shí)際燃機(jī)負(fù)荷指令再由實(shí)際汽機(jī)負(fù)荷進(jìn)行校正和空氣溫度校正得出，經(jīng)過(guò)兩側(cè)燃機(jī)負(fù)荷分配邏輯分發(fā)至兩臺(tái)燃機(jī)。需要關(guān)注的問(wèn)題是無(wú)擾動(dòng)切換，一次調(diào)頻功能接口，單雙側(cè)燃機(jī)投入后的理論分配量切換等問(wèn)題。

機(jī)組總負(fù)荷上限是生產(chǎn)過(guò)程中比較關(guān)注的問(wèn)題，環(huán)境溫度、燃機(jī)最大負(fù)荷上限、燃?xì)馄焚|(zhì)、排煙溫度都會(huì)影響到機(jī)組總負(fù)荷出力。本文提供的動(dòng)態(tài)上限計(jì)算公式為：

機(jī)組計(jì)算最大負(fù)荷峰值=單側(cè)運(yùn)行負(fù)荷峰值或雙側(cè)燃機(jī)運(yùn)行峰值×環(huán)境溫度修正系數(shù)×一次調(diào)頻冗余度。

燃機(jī)速率限制功能位于燃機(jī)負(fù)荷平衡分配之后，它由兩部分計(jì)算構(gòu)成，其結(jié)果共同承擔(dān)調(diào)控燃機(jī)升降負(fù)荷速率，一部分來(lái)自燃機(jī)內(nèi)部計(jì)算，體現(xiàn)燃機(jī)自身安全需要，另一部分來(lái)自遠(yuǎn)程計(jì)算的速率要求，體現(xiàn)的是余熱鍋爐和余熱汽機(jī)的安全要求。該速率限制環(huán)節(jié)是機(jī)組安全的重要保障環(huán)節(jié)。具體內(nèi)容計(jì)算包括余熱爐汽包壓力升速率、余熱爐汽包內(nèi)外壁溫差、余熱爐主蒸汽溫度升溫率、余熱爐機(jī)側(cè)大機(jī)主汽門(mén)和調(diào)門(mén)溫差、以及燃機(jī)變負(fù)荷率手動(dòng)設(shè)定。參與燃機(jī)速率限制體現(xiàn)的是子系統(tǒng)設(shè)備對(duì)于燃機(jī)燃燒強(qiáng)度的“容忍度”。

如圖1所示，負(fù)荷分配邏輯還考慮了燃機(jī)快速減負(fù)荷功能、燃機(jī)OTC動(dòng)作負(fù)荷指令閉鎖功能，初始負(fù)荷功能、APS自動(dòng)投切和一拖一模式與二拖一模式自動(dòng)切換等功能的實(shí)現(xiàn)，在此不再贅述。需要指出的是，負(fù)荷分配是燃機(jī)機(jī)組協(xié)調(diào)控制中的重要一環(huán)，但負(fù)荷分配不是其協(xié)調(diào)控制的全部，燃機(jī)機(jī)組協(xié)調(diào)控制必須還要具備機(jī)組蒸汽壓力控制，機(jī)組排氣溫度控制。

2 余熱汽輪機(jī)蒸汽壓力控制

余熱蒸汽機(jī)壓力控制體現(xiàn)的是燃機(jī)能量供給—余熱鍋爐—余熱汽輪機(jī)能量需求的平衡關(guān)系，該控制通過(guò)主蒸汽壓力這個(gè)中間量，實(shí)現(xiàn)機(jī)組系統(tǒng)能量平衡調(diào)節(jié)的過(guò)程。因此，蒸汽壓力控制也是燃機(jī)機(jī)組大協(xié)調(diào)控制重要組成部分，是聯(lián)合循環(huán)的中間變量，近年來(lái)將該項(xiàng)控制系統(tǒng)從燃機(jī)機(jī)組協(xié)調(diào)控制概念中獨(dú)立出來(lái)是不正確的。余熱汽機(jī)壓力設(shè)定值計(jì)算回路包括高壓、中壓和低壓蒸汽壓力設(shè)定計(jì)算三部分，其主控系統(tǒng)包括余熱爐旁路控制系統(tǒng)和余熱汽輪機(jī)壓力控制系統(tǒng)。邏輯框圖如圖2所示。

圖2 主蒸汽壓力控制

以高壓蒸汽壓力設(shè)定計(jì)算為例，其壓力控制在余熱汽輪機(jī)并網(wǎng)帶入初負(fù)荷后即刻激活投入運(yùn)行。壓力值分為暖機(jī)壓力設(shè)定，定壓模式，滑壓模式三種，構(gòu)成了全程壓力控制三階段。汽機(jī)啟動(dòng)模式時(shí)暖機(jī)壓力設(shè)定是由計(jì)算缸溫對(duì)應(yīng)的飽和壓力再和機(jī)側(cè)主汽壓選大作為啟動(dòng)壓力設(shè)定。定壓力設(shè)定則由缸溫判斷極熱態(tài)、溫態(tài)和冷態(tài)，從而確定定壓參數(shù)。進(jìn)入滑壓模式下，則由兩臺(tái)余熱鍋爐取大的主汽流量變送器信號(hào)→對(duì)應(yīng)的冷溫?zé)釕B(tài)函數(shù)曲線→“二拖一”和“一拖一”模式選擇→再加上實(shí)際壓力修正回路→設(shè)定值送至DEH進(jìn)行壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)。經(jīng)上述五個(gè)環(huán)節(jié)完成整個(gè)高壓蒸汽壓力控制設(shè)計(jì)，即通過(guò)余熱爐旁路全程控制爐側(cè)主汽壓力，保障余熱系統(tǒng)蒸汽品質(zhì)，通過(guò)余熱汽輪機(jī)調(diào)門(mén)控制汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力，保障汽輪機(jī)安全。

中壓蒸汽壓力控制類(lèi)似高壓蒸汽壓力控制，低壓蒸汽壓力由于參數(shù)變化小，則采用定壓控制。實(shí)際工程中，由于蒸汽流量是鍋爐流量噴嘴實(shí)測(cè)參數(shù)，受到兩側(cè)余熱爐管道阻力、換熱系數(shù)和并退汽等因素的影響，反應(yīng)比較靈敏，應(yīng)該增加二階慣性，仿真蒸汽實(shí)際進(jìn)入余熱汽機(jī)的慣性時(shí)間，防止由于蒸汽流量擺動(dòng)引起余熱汽機(jī)調(diào)節(jié)振蕩問(wèn)題。

3 燃機(jī)排氣溫度控制

燃機(jī)排氣溫度是燃機(jī)負(fù)荷控制中重要的參控要素，排氣溫度穩(wěn)定同樣關(guān)系機(jī)組參數(shù)穩(wěn)定，同樣是機(jī)組協(xié)調(diào)控制的重要環(huán)節(jié)。燃機(jī)排氣是余熱鍋爐的熱源，控制好燃機(jī)排氣溫度，有助于余熱鍋爐的換熱交換，更有利于余熱汽輪機(jī)的蒸汽壓力控制。排氣溫度控制穩(wěn)定與否關(guān)系燃機(jī)、余熱爐和汽機(jī)之間的能量交換是否協(xié)調(diào)匹配。

燃機(jī)排氣溫度設(shè)定值計(jì)算如圖3所示，四種參數(shù)取小，最終設(shè)定燃機(jī)的排氣溫度。其中余熱爐溫度需求與主汽溫度，主汽流量和減溫水調(diào)節(jié)余量有關(guān)，若減溫水處于滿開(kāi)位置，意味著爐側(cè)升溫過(guò)快或是排煙溫度過(guò)高，必要時(shí)排氣溫度控制將限制燃機(jī)負(fù)荷加載；排氣溫度均值加上10度作為溫控設(shè)定值之一，是用以防止升降溫過(guò)快，保證溫度設(shè)定在實(shí)際溫度10度之內(nèi)。燃機(jī)OTC動(dòng)作前溫度加10度和燃機(jī)OTC控制器溫度設(shè)定值則限定了燃機(jī)排氣溫度設(shè)定的高限值。排氣溫度控制溫升率設(shè)定則來(lái)自余熱爐汽包壓力變化率、機(jī)側(cè)主汽門(mén)溫度和缸溫差的溫變率函數(shù)等參數(shù)。

圖3 排氣溫度控制

4 燃?xì)庹羝弦粰C(jī)組協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)小結(jié)

圖4 燃?xì)庹羝弦粎f(xié)調(diào)控制示意圖

二拖一燃?xì)狻羝麢C(jī)組協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)的核心是為保證機(jī)組設(shè)備之間的能量平衡和物量平衡，保證機(jī)組總負(fù)荷和電網(wǎng)調(diào)峰的廠網(wǎng)平衡。上述需求就要求對(duì)燃機(jī)負(fù)荷、燃機(jī)排氣溫度、余熱汽機(jī)壓力實(shí)現(xiàn)精度控制，所謂的精度控制包括幅值、過(guò)程速率、調(diào)節(jié)精度等要素。也就是說(shuō)要綜合考慮燃機(jī)升降負(fù)荷率，余熱汽輪機(jī)升降壓率和余熱鍋爐升降溫率的安全需求，在此安全范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)燃機(jī)、余熱鍋爐和余熱汽輪機(jī)之間的參數(shù)協(xié)調(diào)，升降負(fù)荷匹配同步。

需要指出的是，燃機(jī)作為鍋爐熱源，不能只考慮自身負(fù)荷調(diào)節(jié)。通過(guò)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，把余熱鍋爐的安全需求和余熱汽機(jī)的蒸汽品質(zhì)需求綜合考慮，實(shí)現(xiàn)互為閉鎖的安全控制設(shè)計(jì)，這也是燃機(jī)機(jī)組信息化控制即協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于二拖一燃機(jī)蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，具有子組多、控制難等特點(diǎn)，其高度的自動(dòng)化水平和優(yōu)異的調(diào)節(jié)性能是機(jī)組安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的保證。本文提出的協(xié)調(diào)控制方案經(jīng)歷現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)考驗(yàn)，如圖5所示，該方案很好地整合了聯(lián)合循環(huán)控制難點(diǎn)，其重點(diǎn)是將機(jī)組關(guān)注參數(shù)作為整體進(jìn)行了一體化控制，兼顧了設(shè)備之間安全和調(diào)節(jié)同步，真正做到了“二拖一”機(jī)組的高度自動(dòng)化，并為機(jī)組一鍵啟停預(yù)備好了接口，為后期該機(jī)組實(shí)現(xiàn)機(jī)組級(jí)的一鍵啟動(dòng)功能做好了準(zhǔn)備，值得國(guó)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)組設(shè)計(jì)參考。

圖5 二拖一協(xié)調(diào)控制趨勢(shì)圖

[1] 宋兆星, 李衛(wèi)華, 王立. 雙軸燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略[J].中國(guó)電力. 2009 (42) 7 : 64 - 67.

[2] Siemens AG. Description of the unit coordination program for Shanghai Shidongkou Combined Cycle Project[Z]. 2005

The Cooperative Control of Multi-Shafts Gas- Steam Combined Cycle Units

Multi-shafts Gas-steam Combined Cycle Units Cooperative Control is an important component of gas turbine with high degree of automation. This paper provides a set of optimal coordinated control strategies, which have achieved good prospection in engineering practice. The strategy is very good integration of the combined cycle unit of energy balance and volume balance, and considers the security requirement of equipment. The unit of high degree of automation is therefore achieved. It is worth reference for the same type unit automation design.

Gas - steam combined cycle; Cooperative control; Load distribution; Control strategy

B

1003-0492(2016)01-0102-03

TP273

王雁軍（1972-），男，黑龍江雙鴨山人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)任中國(guó)神華能源股份有限公司國(guó)華電力分公司安健環(huán)部業(yè)務(wù)經(jīng)理，主要研究方向?yàn)镈CS故障診斷處理、協(xié)調(diào)控制優(yōu)化等。