350MW超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化

譚成恩

摘 要：簡要的介紹了遼寧大唐國際沈東熱電有限責(zé)任公司350MW超臨界機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能、響應(yīng)特點(diǎn)及其在現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用情況，并對機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、研究，提出了優(yōu)化負(fù)荷指令對燃料控制前饋環(huán)節(jié)的作用、鍋爐主控PID采用變參數(shù)控制、BTU煤質(zhì)校正、汽機(jī)主控采用負(fù)荷定值的微分前饋及壓力拉回等控制策略。實(shí)際應(yīng)用表明，優(yōu)化后的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)AGC負(fù)荷指令，同時保證了機(jī)組本身各項(xiàng)參數(shù)的穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：協(xié)調(diào)控制；超臨界；AGC；前饋

中圖分類號：TK39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）18-0154-02

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電網(wǎng)容量逐漸增大，對供電質(zhì)量的要求也越來越高，這就需要通過AGC控制來實(shí)現(xiàn)，而AGC的投入要建立在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有良好品質(zhì)的基礎(chǔ)之上。因此，結(jié)合超臨界機(jī)組的特點(diǎn)，研究其自動控制系統(tǒng)，尤其是研究機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制策略顯得尤為重要。目前，由于電網(wǎng)對AGC的控制品質(zhì)及功能要求越來越高，從而對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。為此，本文重點(diǎn)介紹了如何改進(jìn)及優(yōu)化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，以滿足機(jī)組AGC的投入要求。

1 機(jī)組概況

遼寧大唐國際沈東熱電有限責(zé)任公司一期建設(shè)工程為兩臺350MW超臨界參數(shù)燃煤發(fā)電機(jī)組。汽輪機(jī)由北京北重汽輪電機(jī)有限責(zé)任公司供貨，鍋爐由東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司供貨。

汽輪機(jī)為超臨界參數(shù)﹑一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽抽汽凝汽式汽輪機(jī)。整機(jī)共設(shè)有25級，其中高壓為1+7級、中壓為7級、低壓為2×5級。機(jī)組采用3高加+1除氧+4低加、1臺100%B-MCR容量的汽動給水泵+1臺50%（兩機(jī)公用一臺）的通用回?zé)嵯到y(tǒng)。高低壓串聯(lián)40%旁路系統(tǒng)，額定功率為350MW，額定主蒸汽壓力為24.2MPa，額定主蒸汽溫度和額定再熱蒸汽進(jìn)口溫度為566℃。

鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，單爐膛、一次中間再熱，采用前后墻對沖燃燒方式、平衡通風(fēng)、緊身封閉、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。每臺鍋爐配6臺中速磨煤機(jī)，5臺運(yùn)行，1臺備用。每臺鍋爐配2臺動葉可調(diào)軸流式送風(fēng)機(jī)，2臺變頻離心式一次風(fēng)機(jī)。

控制系統(tǒng)采用上海新華控制技術(shù)集團(tuán)科技有限公司制造的XDC800分散控制系統(tǒng)，該DCS系統(tǒng)主要包括DAS、MCS、FSSS、SCS、ECS五大部分。

2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)簡介

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）就是將單元機(jī)組的鍋爐和汽輪機(jī)看作一個整體進(jìn)行控制的系統(tǒng)。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在保證機(jī)組安全的前提下盡快響應(yīng)調(diào)度的負(fù)荷變化要求，并使機(jī)組經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定地運(yùn)行。

協(xié)調(diào)控制的目的是基于DCS系統(tǒng)的投入與應(yīng)用，在機(jī)組AGC負(fù)荷動態(tài)響應(yīng)中提升燃料量控制、給水量控制、風(fēng)量控制、主汽溫度控制的動態(tài)響應(yīng)速度，改善其動態(tài)響應(yīng)特性，進(jìn)而能夠達(dá)到優(yōu)化控制。同時，協(xié)調(diào)控制能夠通過DCS控制燃料量、風(fēng)量、給水量、主汽溫度等相關(guān)因素，提高機(jī)組負(fù)荷相應(yīng)中的穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性，縮短調(diào)整周期、提升優(yōu)化效率，避免過積分飽和現(xiàn)象的出現(xiàn)，提升機(jī)組的控制精度。由于協(xié)調(diào)控制能夠兼顧到機(jī)組的各個環(huán)節(jié)的決策信息，因而當(dāng)機(jī)組內(nèi)燃燒的煤種、煤質(zhì)發(fā)生變化時，能夠連續(xù)的對控制指令自動進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而能夠?qū)⒂绊懭紵裏崃康母鞣矫嬉蛩卣{(diào)整到外界需求的水平。

3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)分析

3.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可認(rèn)為是一種二級遞階控制系統(tǒng)。上位級即機(jī)爐協(xié)調(diào)級，單元機(jī)組主控系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心部分。局部控制級包括鍋爐燃料控制系統(tǒng)、風(fēng)量控制系統(tǒng)、汽輪機(jī)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及直流鍋爐的給水控制系統(tǒng)。單元機(jī)組主控系統(tǒng)產(chǎn)生指揮機(jī)爐控制器動作的鍋爐指令和汽機(jī)指令。局部控制級的控制器執(zhí)行主控系統(tǒng)發(fā)出的指令，完成指定的控制任務(wù)。

3.2 協(xié)調(diào)系統(tǒng)的主要模式及其特點(diǎn)分析

沈東熱電公司機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計下列四種控制模式：

基本方式（BM）：鍋爐主控和汽機(jī)主控均在手動方式運(yùn)行，這種情況大多是在機(jī)組啟動不久或在一些特殊工況下。

鍋爐跟隨（BF）：汽機(jī)主控在手動方式，由操作員手動設(shè)定汽機(jī)調(diào)門開度指令，控制機(jī)組負(fù)荷。鍋爐主控自動調(diào)整機(jī)前壓力，該方式下機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)快，動態(tài)過程壓力波動相對較大，系統(tǒng)抗干擾能力較差。

汽機(jī)跟隨（TF）：鍋爐主控在手動方式，由操作員手動設(shè)定燃料指令，控制機(jī)組負(fù)荷。汽機(jī)主控自動調(diào)整機(jī)前壓力，該方式下動態(tài)過程壓力波動較小，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，但是機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)慢。

協(xié)調(diào)方式（CCS）：沈東熱電公司的機(jī)、爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式（CCBF），該方式下汽機(jī)主控自動控制機(jī)組的負(fù)荷，鍋爐主控自動維持主汽壓力的穩(wěn)定。這種協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)策略的特點(diǎn)是機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)快，負(fù)荷控制精度高，動態(tài)過程壓力相對汽機(jī)跟隨方式波動較大。

沈東熱電公司作為接入東北電網(wǎng)的供熱機(jī)組，由于AGC的投入，為了使機(jī)組能夠按照電網(wǎng)的要求達(dá)到較快的功率響應(yīng)，就把CCBF 作為日常運(yùn)行的主要控制方式。

4 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)邏輯優(yōu)化

4.1 鍋爐側(cè)

4.1.1 合理利用鍋爐蓄熱

鍋爐是一個巨大的蓄熱裝置，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷要求發(fā)生變化時，如果能夠比較合理的利用其蓄能的變化，可以大大提高機(jī)組對負(fù)荷指令的響應(yīng)速度。雖然直流爐的蓄熱能力相對比較小，但也要充分的利用其蓄熱。沈東熱電公司協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)合理利用了鍋爐這部分蓄熱，允許主蒸汽壓力的合理波動，即在機(jī)組負(fù)荷變化的開始時候，取消主蒸汽壓力偏差對汽輪機(jī)調(diào)門開度的限制作用。升負(fù)荷的初期，允許主蒸汽壓力適當(dāng)?shù)叵陆担婚_始降負(fù)荷的時候，則允許主蒸汽壓力適當(dāng)?shù)厣仙?/p>

4.1.2 BTU煤質(zhì)校正回路

傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中并沒有考慮煤質(zhì)頻繁變化對熱量信號的影響，并且煤質(zhì)變化與負(fù)荷、給煤量呈非線性關(guān)系，從而會對機(jī)組主蒸汽溫度、主汽蒸壓力及功率造成一定的影響，因而沈東熱電公司協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中加入煤質(zhì)校正回路，并且通過熱量信號對給水量、給煤量進(jìn)行相關(guān)的一些控制，以保證鍋爐的供應(yīng)能力能滿足實(shí)際需要。

4.1.3 鍋爐主控制器PID采用變參數(shù)控制

鍋爐主控PID參數(shù)采用變增益，變負(fù)荷時減小比例系數(shù)和加長積分時間，削弱PID的調(diào)節(jié)作用，使得變負(fù)荷時爐主控前饋占據(jù)主導(dǎo)地位；另一方面，穩(wěn)態(tài)時由于壓力是一個變化緩慢、遲延時間大的控制對象，因此引入非線性元件，當(dāng)壓力偏差小于0.1Mpa時，PID的調(diào)節(jié)作用放慢一半，穩(wěn)定機(jī)前壓力，避免壓力和燃料量的來回擺動。

4.1.4 負(fù)荷指令前饋

機(jī)組負(fù)荷指令作為鍋爐主控制器的前饋信號，其包括靜態(tài)和動態(tài)兩部分。靜態(tài)微分前饋為f3（x），動態(tài)實(shí)際微分前饋為f4（x），經(jīng)折算函數(shù)f5（x）后作為燃燒率的前饋信號，加快了燃料調(diào)節(jié)的燃燒速度，如圖1中GLFF1。

4.1.5 主蒸汽壓力偏差微分前饋

主蒸汽壓力偏差的微分信號作為鍋爐主控制器的前饋，提高了燃料率對主汽壓力的響應(yīng)，如圖1中的GLFF2。采用外部微分前饋比鍋爐主控的直接微分作用對主汽壓力的反應(yīng)要迅速。

4.2 汽機(jī)側(cè)

4.2.1 汽機(jī)主控的微分前饋

如圖1中f6（x）負(fù)荷指令的實(shí)際微分，作為汽機(jī)主控制器PID2的前饋信號，加強(qiáng)了機(jī)側(cè)對電網(wǎng)一次調(diào)頻的響應(yīng)速度。但是此微分的作用不宜過強(qiáng)，否則將會造成汽機(jī)調(diào)門的振蕩。

4.2.2 汽機(jī)主控負(fù)荷指令修正（壓力拉回）

在協(xié)調(diào)控制方式下，將爐側(cè)主汽壓力偏差經(jīng)比例函數(shù)f7（x）負(fù)向疊加到汽機(jī)主控PID2指令回路中。當(dāng)壓力偏離設(shè)定值達(dá)到一定范圍時，壓力的負(fù)向偏差將按一定系數(shù)修正汽機(jī)主控的負(fù)荷指令。由于機(jī)側(cè)的電調(diào)響應(yīng)較快，實(shí)發(fā)功率很快按要求改變，從而反向抑制壓力偏差的增大，起到輔助鍋爐調(diào)壓的作用。

對負(fù)荷指令回路修正后，通過試驗(yàn)調(diào)整f7（x）函數(shù)的參數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)和死區(qū)，經(jīng)過多次大負(fù)荷變動試驗(yàn)測定，該回路可以有效而快速地消除爐側(cè)的壓力偏差。它充分利用了汽機(jī)能快速消除壓力偏差的特性，但功率響應(yīng)有所減緩。通過適當(dāng)折中，可以明顯地改善機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的性能，在主設(shè)備和控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的性能基本上達(dá)到了規(guī)程要求。

5 優(yōu)化后的投運(yùn)情況

機(jī)組在AGC方式下，我們對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了負(fù)荷定值擾動試驗(yàn)，負(fù)荷定值擾動從200MW加到350MW，來觀察實(shí)際負(fù)荷和壓力的調(diào)節(jié)效果。通過圖2可以看出，負(fù)荷在200MW不變時主汽壓力實(shí)際值與設(shè)定值跟蹤良好，最大動態(tài)偏差為0.2MPa，機(jī)組實(shí)發(fā)功率與ADS指令跟蹤一致；在負(fù)荷擾動過程中，主汽壓力實(shí)際值與設(shè)定值最大動態(tài)偏差為0.5MPa，并且能迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，機(jī)組實(shí)發(fā)功率與ADS指令跟蹤良好，最大動態(tài)偏差僅為1MW。從負(fù)荷定值擾動試驗(yàn)可以看出，沈東熱電公司的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能比較好，完全達(dá)到熱工監(jiān)督規(guī)程的技術(shù)規(guī)范要求。負(fù)荷定值擾動下負(fù)荷-壓力變化曲線如圖2所示。

6 結(jié)語

超臨界直流爐機(jī)組是一個多輸入多輸出的控制對象，各個過程參數(shù)之間的偶合較強(qiáng)，動態(tài)特性的延遲和慣性時間大。因此，直流爐的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)較復(fù)雜，控制難度顯著增大。為了協(xié)調(diào)機(jī)組功率與機(jī)前壓力、負(fù)荷需求與實(shí)際出力之間的平衡，我們通過前饋控制、變定值、變參數(shù)、BTU煤質(zhì)校正等控制方式的結(jié)合，提高了機(jī)、爐的快速響應(yīng)能力，保證了主蒸汽壓力、溫度的平穩(wěn)。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化不僅提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，也為安全運(yùn)行打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。

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