300 MW 亞臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)建模與仿真

崔 銳， 孫 銳

（北京源深節(jié)能技術有限責任公司，北京 100142）

0 引言

電力行業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎行業(yè)，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，帶動了電力行業(yè)突飛猛進的發(fā)展。隨著電網(wǎng)容量的不斷增大，電網(wǎng)對供電質(zhì)量的要求也越來越高，電廠不僅要根據(jù)電網(wǎng)負荷需求指令和電網(wǎng)的頻率偏差參加電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻，同時又要保證機組本身安全穩(wěn)定地運行，這主要是通過電網(wǎng)的自動發(fā)電控制AGC（Autometic Generation Control） 和一次調(diào)頻控制來實現(xiàn)。機組AGC 功能的正常投入是以機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有良好控制品質(zhì)為基礎的。AGC 功能的Kp 指標越大電網(wǎng)的調(diào)度就越頻繁，當Kp 指標排名靠后時電網(wǎng)就會進行相應的考核，因此如何優(yōu)化機組的Kp值就成為電廠關注的重點。本文根據(jù)機理建模和數(shù)據(jù)擬合的方法，以山西某電廠300 MW 亞臨界機組為研究對象，并結合直接能量平衡原理，利用MATLAB/Simulink 平臺搭建了仿真模型，通過實際數(shù)據(jù)驗證，仿真模型的輸出與機組實際運行數(shù)據(jù)能夠很好地吻合，模型的精度比較高。最后又通過仿真模型進行分散控制系統(tǒng)DCS（distributed control system） 組態(tài)，機組優(yōu)化后主汽壓力、汽包水位能夠滿足動態(tài)運行指標，且AGC 功能的Kp 指標省內(nèi)名列前茅。

1 機組控制系統(tǒng)建模

傳統(tǒng)的300～600 MW 直吹式制粉系統(tǒng)汽包鍋爐單元機組模型可以簡化為一雙入雙出的模型，模型輸入為鍋爐燃料量和汽機調(diào)門開度，輸出為機組負荷和主汽壓力。汽包水位在正常范圍運行時，具有調(diào)節(jié)工質(zhì)能量失配的能力，維持主汽溫在合理的范圍之內(nèi)。機組在參與調(diào)頻或者煤質(zhì)發(fā)生波動時，主汽壓力和汽包水位會發(fā)生波動，使系統(tǒng)的各項控制指標變差。為了解決這一問題，就需要把機組負荷—主汽壓力—汽包水位當作一個整體進行研究。

1.1 系統(tǒng)模型

參考文獻 [1]描述的負荷—主汽壓力—汽包水位簡化的非線性模型如下

式中，rm為進入磨煤機的實際煤量，kg/s；μB為鍋爐燃料量，kg/s；τ 為純遲延，s；Tf為制粉系統(tǒng)慣性時間，s；rB為鍋爐燃燒率，kg/s；Cb為鍋爐蓄熱系數(shù)，MJ/MPa；pd為汽包壓力，MPa；μw為給水流量，kg/s；γT為主蒸汽流量，kg/s；Tt為汽輪機慣性時間，s；Ne為機組負荷，MW；pt為主蒸汽壓力，MPa；Md為汽包容積系數(shù)，kg/m；ld為汽包水位，m；μT為汽輪機調(diào)門開度，%；

以山西某電廠300 MW 亞臨界機組為研究對象，根據(jù)機組設計數(shù)據(jù)和擾動試驗數(shù)據(jù)，得到最終的模型如下

1.2 直接能量平衡

從能量平衡的觀點出發(fā)，將協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)分為直接能量平衡DEB（direct energy balance）和間接能量平衡系統(tǒng)IEB（indirect energy balance）兩大類。通過構造能量平衡信號，并以此直接控制能量輸入的系統(tǒng)，稱為直接能量平衡系統(tǒng)。DEB 是指鍋爐的熱量釋放應該與機組的能力需求相平衡[2-3]。因此，DEB 控制系統(tǒng)將能量平衡信號和熱量信號直接引入鍋爐燃料調(diào)節(jié)器。

2 機組控制系統(tǒng)仿真建模

2.1 模型建立

利用MATLAB/Simulink 平臺，搭建了基于直接能量平衡控制系統(tǒng)的單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模型[6-7]，鍋爐主控方面采用比例—積分—微分PID（proportion integration differentiation） 控制器，汽機主控采用比例—積分PI（proportion integration）控制器，主汽壓力采用滑壓運行的方式，汽包水位控制采用串級三沖量控制。

基于直屬能量平衡控制系統(tǒng)的仿真模型，為了更好地平衡汽機能量需求和鍋爐熱量信號，對調(diào)節(jié)級壓力進行了修正。在汽機主控中，還設計有壓力拉回功能，防止AGC 指令變化時為了快速響應負荷而引起主汽壓力大幅波動，既能響應負荷的變化，又兼顧主汽壓的穩(wěn)定。從機組SIS 中導出數(shù)據(jù)，導入到仿真模型中，模型的輸出和實際的運行數(shù)據(jù)一致，能夠很好地用來研究機組的動態(tài)特性。模型輸入數(shù)據(jù)為AGC 指令，水位設定值為-55 mm，仿真時間設置為86 400 s，仿真模型輸出的負荷、主汽壓力、水位與實際運行中的對比如圖1～圖3 所示。

從對比圖中可以看出，仿真模型在趨勢上能夠很好地復現(xiàn)機組負荷、主汽壓力，但是模型輸出的水位與實際水位還存在一定的偏差，其原因主要是由于實際水位存在“虛假水位”，而且過熱器、再熱器的噴水減溫也會對其造成一定的影響。

2.2 DCS 組態(tài)

圖1 模型輸出的負荷與實際負荷對比

圖2 模型輸出的主蒸汽壓力與實際主蒸汽壓力對比

圖3 模型輸出的汽包水位與實際水位對比

根據(jù)仿真模型，對山西某電廠機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化，將原來的直接指令平衡控制系統(tǒng)更改為直接能量平衡系統(tǒng)。優(yōu)化后，實際主汽壓力、水位運行曲線如圖4～圖5 所示。從圖4 可以看出，機組運行時主汽壓力能夠與設定值很好地吻合，且偏差較小，滿足動態(tài)指標在±0.6 MPa以內(nèi)。從圖5 可以看出，機組設定值為-55 mm，實際運行水位有所波動，但波動的范圍在動態(tài)指標±50 mm 以內(nèi)。

機組的Kp 值由調(diào)度給出，優(yōu)化后平均值達到了4.0 以上，在山西省內(nèi)機組排名中名列前茅。

3 結論

圖4 實際主汽壓力運行曲線

圖5 實際水位運行曲線

根據(jù)機組簡化非線性模型，利用MATLAB/Simulink 平臺搭建的300 MW 亞臨界汽包鍋爐仿真模型，能夠很好地模擬機組運行狀態(tài)，可以用來指導機組協(xié)調(diào)控制參數(shù)的優(yōu)化。根據(jù)仿真模型進行的DCS 組態(tài)優(yōu)化，其主汽壓力、水位動態(tài)指標均滿足標準要求，Kp 值也有很大的提高，帶來較大的利潤收入。該模型可以進一步推廣到600 MW 亞臨界機組，通過機理建模和實際數(shù)據(jù)分析，建立符合實際的仿真模型用來指導機組控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化，具有很大的推廣價值。