基于凝結(jié)水節(jié)流的新型協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略

趙 征，于悅波，孫昊天

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北保定 071003)

為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，新能源發(fā)電技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。但由于風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源電力具有隨機(jī)性和間歇性，其并網(wǎng)過程會對區(qū)域電網(wǎng)的供電品質(zhì)造成很大影響，這就需要燃煤機(jī)組快速變負(fù)荷以平抑新能源發(fā)電容量的大幅度波動，從而消納更多的可再生能源[1]。

凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)于1998年被提出，該方法通過調(diào)節(jié)抽氣管道閥門開度快速提升機(jī)組的變負(fù)荷速率[2]。姚峻等[3]將凝結(jié)水節(jié)流控制策略應(yīng)用在某電廠900 MW機(jī)組上，驗(yàn)證了凝結(jié)水節(jié)流對提升機(jī)組快速變負(fù)荷能力的可行性。唐星君等[4-5]驗(yàn)證了凝結(jié)水節(jié)流能夠配合協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)組一次調(diào)頻的能力。為明確凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)的效果及安全運(yùn)行條件，劉吉臻等[6]、王瑋等[7]又進(jìn)行了更深入的研究。

楊蕃[8]建立了凝結(jié)水節(jié)流與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)相結(jié)合的控制方案，在滿足功率增量的情況下對除氧器水位進(jìn)行控制，但是所用除氧器上水門開度與功率增量的模型為單一工況下的線性模型，沒有考慮模型參數(shù)在不同工況下的變化情況。孔德安等[9]給出了機(jī)組含凝結(jié)水節(jié)流調(diào)節(jié)的三入兩出非線性控制模型，設(shè)計(jì)了一種融合凝結(jié)水節(jié)流調(diào)節(jié)與傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的新型變負(fù)荷控制策略，克服了凝結(jié)水節(jié)流控制對除氧器水位的影響，但是沒有考慮到凝結(jié)水泵(以下簡稱為凝泵)出口母管壓力對機(jī)組運(yùn)行造成的影響。

筆者充分考慮了除氧器水位和凝泵出口母管壓力在凝結(jié)水節(jié)流過程中的特性，以及除氧器上水門開度與功率增量的模型參數(shù)在不同工況下的變化情況，設(shè)計(jì)了凝結(jié)水節(jié)流多回路控制系統(tǒng)，并結(jié)合機(jī)組原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，提出了一種新型協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略。

1 凝結(jié)水節(jié)流原理及模型對象辨識

1.1 凝結(jié)水節(jié)流原理

凝結(jié)水節(jié)流是一種利用機(jī)組蓄能的快速變負(fù)荷策略，其原理[10-11]可闡述為：以升負(fù)荷過程為例，假設(shè)機(jī)組在凝結(jié)水節(jié)流動作前處于靜態(tài)，通過凝泵變頻或改變除氧器上水門開度的方式使凝結(jié)水流量迅速減小，引起加熱器管側(cè)的水溫升高，進(jìn)而使加熱器內(nèi)壓升高；由于加熱器內(nèi)壓與汽輪機(jī)抽汽壓力的差值變小，導(dǎo)致部分抽汽無法進(jìn)入加熱器并留在汽輪機(jī)內(nèi)繼續(xù)做功，從而產(chǎn)生提升機(jī)組負(fù)荷的效果。凝結(jié)水節(jié)流實(shí)質(zhì)是通過利用回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)除氧器和凝汽器的蓄熱能力來改善機(jī)組的變負(fù)荷性能。

但是，在節(jié)流過程中，2種節(jié)流信號(除氧器上水門開度和凝泵變頻)會同時(shí)影響凝泵出口母管壓力進(jìn)而影響到節(jié)流效果。大多數(shù)學(xué)者在設(shè)計(jì)凝結(jié)水節(jié)流回路時(shí)，都只對功率增量和除氧器水位進(jìn)行了限制，而忽視了凝泵出口母管壓力對節(jié)流效果的影響。

1.2 凝結(jié)水節(jié)流模型對象辨識結(jié)果

趙征等[12]根據(jù)某350 MW機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過粒子群算法辨識得到75%、85%和95%負(fù)荷下除氧器上水門開度與凝結(jié)水流量模型以及凝結(jié)水流量與機(jī)組功率模型，結(jié)果如表1所示。具體的辨識方法參考文獻(xiàn)[12]，在此不再贅述。

表1 凝結(jié)水系統(tǒng)辨識對象模型[12]

楊蕃[8]根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過粒子群算法辨識得到凝結(jié)水流量與除氧器水位模型Ghf(s)：

(1)

式中：s為拉普拉斯算子。

文獻(xiàn)[8]忽略了凝泵出口母管壓力對節(jié)流效果的影響，沒有辨識凝泵出口母管壓力的相關(guān)模型。因此，筆者在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了凝泵出口母管壓力的相關(guān)模型辨識。

根據(jù)實(shí)際對象特性，選擇凝泵出口母管壓力與除氧器上水門開度的對象模型Gpa(s)為：

(2)

凝泵出口母管壓力與凝泵變頻的對象模型Gpf(s)為：

(3)

其中，k1、k2為比例增益；T1～T4為慣性時(shí)間常數(shù)。

通過粒子群算法對凝泵出口母管壓力與除氧器上水門開度和凝泵變頻的對象模型進(jìn)行辨識，得到的模型如式(4)和式(5)所示。

(4)

(5)

從圖1可以看出，辨識得到的模型能夠較好地反映凝泵出口母管壓力與2種節(jié)流信號之間的關(guān)系，具有良好的精度和準(zhǔn)確性。

2 凝結(jié)水節(jié)流多回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

凝結(jié)水節(jié)流過程中，除氧器水位和凝泵出口母管壓力的變化都會影響機(jī)組的安全運(yùn)行。除氧器水位過高時(shí)，大量水會從溢水管排出，造成工質(zhì)和熱量損失；除氧器水位過低則會造成給水泵汽化，嚴(yán)重時(shí)會造成給水泵損壞，危害機(jī)組安全。凝泵出口母管壓力異常時(shí)也會影響凝結(jié)水節(jié)流效果。

(a) 除氧器上水門開度與凝泵出口母管壓力模型的擬合效果

(b) 凝泵變頻與凝泵出口母管壓力模型的擬合效果圖1 凝泵出口母管壓力與節(jié)流信號模型的辨識效果

為保證節(jié)流效果及機(jī)組在凝結(jié)水節(jié)流過程中的安全穩(wěn)定運(yùn)行，凝結(jié)水節(jié)流控制策略設(shè)計(jì)了3條控制回路，包括凝結(jié)水節(jié)流功率增量控制回路、除氧器水位控制回路和凝泵出口母管壓力控制回路。

2.1 凝結(jié)水節(jié)流多回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

凝結(jié)水節(jié)流多回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)負(fù)荷偏差超出凝結(jié)水節(jié)流啟動死區(qū)且凝結(jié)水節(jié)流相關(guān)參數(shù)處于安全限度內(nèi)時(shí)，邏輯切換為投入凝結(jié)水節(jié)流功率增量控制回路，該回路通過改變凝結(jié)水流量來提升機(jī)組功率；在凝結(jié)水節(jié)流功率增量控制回路調(diào)節(jié)作用結(jié)束后邏輯切換至除氧器水位控制回路，除氧器開始回水直至水位達(dá)到設(shè)定值；凝泵出口母管壓力控制回路在整個(gè)凝結(jié)水節(jié)流過程中控制凝泵出口母管壓力，保證機(jī)組安全運(yùn)行。

圖2 凝結(jié)水節(jié)流多回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 凝結(jié)水節(jié)流功率增量控制回路

考慮凝結(jié)水節(jié)流控制系統(tǒng)的被控對象具有非線性，其相關(guān)參數(shù)會隨著運(yùn)行工況的變化而變化[13]，這會導(dǎo)致只使用單一典型工況下的線性模型不能良好地呈現(xiàn)凝結(jié)水節(jié)流控制系統(tǒng)的被控對象在變負(fù)荷過程中的動態(tài)特性。因此，通過模糊增益調(diào)度控制器將各典型工況下的除氧器上水門開度與節(jié)流功率變化量之間的關(guān)系模型進(jìn)行線性組合，使組合后的模型能夠更好地反映實(shí)際對象的動態(tài)特性；相應(yīng)的，針對各典型工況設(shè)計(jì)的控制器也由模糊增益調(diào)度控制器線性組合，以保證在變工況下依然能有良好的控制效果。

基于模糊增益調(diào)度的凝結(jié)水節(jié)流功率增量控制回路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，輸出y和輸入r分別為功率增量和功率增量設(shè)定值；模型1～模型3分別為75%、85%、95%負(fù)荷下除氧器上水門開度與節(jié)流功率變化量的模型，PID1～PID3為對應(yīng)的控制器。ui為各子控制器的輸出；αi為模糊增益調(diào)度控制器輸出的各子模型的加權(quán)因子；yi為各典型工況線性模型的輸出；N為機(jī)組負(fù)荷，MW。選取N作為模糊增益調(diào)度控制器的調(diào)度變量，范圍為245～350 MW。則整個(gè)凝結(jié)水節(jié)流控制系統(tǒng)的輸出為：

(6)

全局控制量u為：

(7)

其中，αi滿足

(8)

圖3 基于模糊增益調(diào)度的凝結(jié)水節(jié)流功率增量回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 模糊增益調(diào)度控制器

模糊增益調(diào)度控制器的本質(zhì)為隸屬度函數(shù)，如圖4所示，模糊增益調(diào)度控制器的輸入為機(jī)組負(fù)荷，輸出為各個(gè)子模型和子控制器的權(quán)重值。

圖4 機(jī)組運(yùn)行工況對應(yīng)的隸屬度函數(shù)

2.2.2 子控制器設(shè)計(jì)

針對已選取的3種凝結(jié)水節(jié)流典型工況，根據(jù)各個(gè)工況點(diǎn)辨識得到的模型設(shè)計(jì)子控制器。由于凝結(jié)水節(jié)流可以在機(jī)組變負(fù)荷初期為機(jī)組有效提升快速變負(fù)荷能力，且響應(yīng)速度快,因此選用PI控制作為子控制器。通過粒子群算法整定得到各典型工況下子控制器參數(shù)如表2所示。表中，δ為比例帶常數(shù),Ti為積分時(shí)間常數(shù)。

2.3 凝泵出口母管壓力控制回路設(shè)計(jì)

筆者在除氧器上水門節(jié)流下，用凝泵變頻控制母管壓力，將除氧器上水門開度對凝泵出口母管壓力的影響看成擾動，采用前饋-反饋控制系統(tǒng)來克服這種干擾，提升控制質(zhì)量。并與不考慮除氧器上水門開度的影響，只用凝泵變頻控制凝泵出口母管壓力的反饋控制進(jìn)行了對比。

表2 各子控制器參數(shù)

根據(jù)辨識得到的凝結(jié)水節(jié)流模型推導(dǎo)得出凝泵出口母管壓力控制回路的前饋控制器傳遞函數(shù)Gcf(s)為：

(9)

圖5為引入前饋控制前后凝泵出口母管壓力控制回路的控制效果對比。從圖5可以看出，所提出的這種前饋-反饋控制具有更好的控制效果。

圖5 不同控制方式的效果對比

3 新型協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 新型協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

凝結(jié)水節(jié)流控制系統(tǒng)雖然能夠在響應(yīng)初期有效地提高機(jī)組變負(fù)荷能力，但由于在調(diào)節(jié)過程結(jié)束之后需將凝結(jié)水流量恢復(fù)原始狀態(tài)，且在機(jī)組變負(fù)荷操作末期，電網(wǎng)的變負(fù)荷任務(wù)應(yīng)完全由機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過改變給煤量來承擔(dān)，凝結(jié)水節(jié)流僅僅作為前期提高變負(fù)荷速率的輔助手段。因此，凝結(jié)水節(jié)流控制系統(tǒng)需與機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)共同動作，相互協(xié)調(diào)配合來完成變負(fù)荷操作。

3.1.1 新型協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6給出了新型協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中,ΔNcw為凝結(jié)水節(jié)流功率增量控制回路中凝結(jié)水節(jié)流功率增量設(shè)定值,ΔNcw限值由通過線性插值法確定的機(jī)組負(fù)荷與凝結(jié)水節(jié)流功率增量的函數(shù)關(guān)系確定；pm、H和ΔNe分別為凝泵出口母管壓力、除氧器水位和凝結(jié)水節(jié)流為機(jī)組帶來的功率增量。

圖6 新型協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(10)

3.1.2 新型協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)原理

當(dāng)機(jī)組接收到變負(fù)荷指令時(shí)，負(fù)荷設(shè)定值經(jīng)過計(jì)算生成凝結(jié)水節(jié)流功率增量的設(shè)定值輸入給凝結(jié)水節(jié)流功率增量控制回路，立即激活凝結(jié)水節(jié)流動作來快速響應(yīng)機(jī)組變負(fù)荷需求；同時(shí)，將機(jī)組負(fù)荷與凝結(jié)水節(jié)流功率增量控制回路輸出的功率增量之差作為反饋量引入?yún)f(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，以更好地實(shí)現(xiàn)對機(jī)組變負(fù)荷的控制。

除氧器水位控制回路和凝泵出口母管壓力控制回路可以保證機(jī)組相應(yīng)參數(shù)在凝結(jié)水節(jié)流過程中處于安全范圍，從而使機(jī)組在安全運(yùn)行的情況下有效利用凝結(jié)水節(jié)流系統(tǒng)部分蓄能。

圖7(a)為機(jī)組在310 MW負(fù)荷下新型協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)和原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制效果對比圖。在3 000 s時(shí)接收到升20 MW負(fù)荷指令后，新型協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)10 s后跳出死區(qū)，40 s后負(fù)荷升至315.5 MW，變負(fù)荷速率達(dá)到最大為每分鐘3.1%額定負(fù)荷。從圖7(a)可以明顯看出，所提出的新型協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)在節(jié)流初期負(fù)荷變化速度更快，而且在快速變負(fù)荷的情況下，超調(diào)量也有所減小。

圖7(b)為節(jié)流過程中各參數(shù)的變化情況。在機(jī)組運(yùn)行至3 098 s時(shí)，節(jié)流過程結(jié)束，凝結(jié)水節(jié)流系統(tǒng)控制回路發(fā)生切換，由凝結(jié)水節(jié)流功率增量控制回路立即切換至除氧器水位控制回路，機(jī)組開始回水以備下次利用。在節(jié)流過程中受凝泵出口母管壓力控制回路控制，凝泵出口母管壓力幾乎無明顯變化。

對比圖7(a)和圖7(b)還可以看出，凝結(jié)水質(zhì)量流量的恢復(fù)雖然會引起機(jī)組變負(fù)荷速率的下降，但在除氧器回水速率的限制下，機(jī)組依然能夠獲得良好的負(fù)荷提升效果。

3.2 新型協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)在“兩個(gè)細(xì)則”下自動發(fā)電控制(AGC)考核指標(biāo)的計(jì)算

根據(jù)國家能源局華北監(jiān)管局[14]提出的“兩個(gè)細(xì)則”，將機(jī)組AGC調(diào)節(jié)性能分為調(diào)節(jié)速率K1、精度K2和響應(yīng)時(shí)間K33個(gè)指標(biāo)，結(jié)果見表3。通過計(jì)算其綜合指標(biāo)的形式對機(jī)組進(jìn)行考核，綜合指標(biāo)Kp表達(dá)式為：

(a) 控制方案的效果對比

(b) 過程參數(shù)變化圖7 機(jī)組在310 MW負(fù)荷下的變負(fù)荷響應(yīng)曲線Fig.7 Load response curve of the unit at 310 MW

表3 AGC考核指標(biāo)Tab.3 AGC inspection index

Kp=K1×K2×K3

(11)

從表3可以看出，相比于機(jī)組原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，新型協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)的各項(xiàng)AGC考核指標(biāo)都有所提升，表明新型協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)具有更優(yōu)秀的動態(tài)性能。

4 結(jié) 論

(1) 所提出的新型協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方案可以在保證機(jī)組安全平穩(wěn)運(yùn)行的前提下，使凝結(jié)水節(jié)流控制系統(tǒng)較好地配合原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，彌補(bǔ)原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)變負(fù)荷初期響應(yīng)速率慢的缺點(diǎn)，提升機(jī)組的動態(tài)性能。試驗(yàn)表明，凝結(jié)水節(jié)流在響應(yīng)初期為機(jī)組提供的最高變負(fù)荷速率達(dá)到每分鐘3.1%額定負(fù)荷。

(2) 用凝泵變頻控制母管壓力，將除氧器上水門開度對凝泵出口母管壓力的影響看成擾動，采用前饋-反饋控制系統(tǒng)可有效克服除氧器上水門開度變化對凝泵出口母管壓力的干擾，提升了凝泵出口母管壓力的控制質(zhì)量。