協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化與提高AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)的實(shí)踐與研究

京能十堰熱電有限公司李闖郭宏

隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的不斷發(fā)展，電網(wǎng)對于各個(gè)發(fā)電機(jī)組的AGC負(fù)荷響應(yīng)品質(zhì)提出了更高的要求。電網(wǎng)已全面實(shí)施“兩個(gè)細(xì)則”，從影響電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量的各個(gè)方面對網(wǎng)上所有投入AGC模式的機(jī)組進(jìn)行考核，包括一次調(diào)頻、自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）、調(diào)峰、無功調(diào)節(jié)、自動(dòng)電壓控制（AVC）等。其中AGC 的負(fù)荷響應(yīng)品質(zhì)尤為重要，也是決定“兩個(gè)細(xì)則”考核盈虧的重要指標(biāo)。某公司一期兩臺(tái)600兆瓦機(jī)組為亞臨界自然循環(huán)汽包爐，在網(wǎng)內(nèi)大部分為超臨界或超超臨界直流爐的情況下，由于鍋爐自身的大慣性，大延遲特性，在負(fù)荷響應(yīng)方面處于劣勢。本文從AGC 考核性能指標(biāo)的各方面入手，對機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)邏輯和控制策略方面進(jìn)行分析，進(jìn)一步挖掘協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能，進(jìn)行提高機(jī)組AGC負(fù)荷響應(yīng)品質(zhì)方面的實(shí)踐與探索。

AGC性能指標(biāo)的定義

AGC調(diào)節(jié)性能指標(biāo)主要為Kp值及調(diào)節(jié)深度指標(biāo)，Kp值是一個(gè)綜合指標(biāo)，包括三部分內(nèi)容，分別為響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度，用K1、K2、K3表示。調(diào)節(jié)深度反應(yīng)了機(jī)組響應(yīng)AGC負(fù)荷變化的多少，用D 表示。“兩個(gè)細(xì)則”的日補(bǔ)償計(jì)算以及Kp值、調(diào)節(jié)深度計(jì)算公式如下：

其中，Di為機(jī)組第i次的調(diào)節(jié)深度，V 和Vn 分別為調(diào)節(jié)速率及其基準(zhǔn)值；△P 和Pn 分別為機(jī)組調(diào)節(jié)偏差及其額定容量；△T和Tn分別為實(shí)際響應(yīng)時(shí)間及其基準(zhǔn)值。

AGC性能指標(biāo)各因素的分析

Kp 值的三個(gè)方面，其中響應(yīng)時(shí)間是最根本的因素，從本質(zhì)上影響了調(diào)節(jié)速率及調(diào)節(jié)精度的優(yōu)劣。

響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算是從AGC 指令開始變化到實(shí)際負(fù)荷變化超過死區(qū)范圍的時(shí)間，對于600 兆瓦機(jī)組來說，死區(qū)為6 兆瓦，過完響應(yīng)時(shí)間，才進(jìn)入有效的調(diào)節(jié)速率及調(diào)節(jié)精度計(jì)算時(shí)間。

AGC 負(fù)荷響應(yīng)中另一個(gè)主要指標(biāo)為調(diào)節(jié)速率，調(diào)節(jié)速率品質(zhì)的優(yōu)劣決定了機(jī)組是否能快速響應(yīng)AGC負(fù)荷指令。

調(diào)節(jié)精度是指機(jī)組響應(yīng)穩(wěn)定以后，實(shí)際出力和設(shè)定值出力之間的差值。指標(biāo)反映了機(jī)組響應(yīng)AGC 負(fù)荷指令的精確性，即機(jī)組調(diào)整平穩(wěn)后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段機(jī)組負(fù)荷與AGC指令的靜態(tài)偏差大小。

通過協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化以提高AGC負(fù)荷響應(yīng)品質(zhì)的方案探討

減少AGC 負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間及提高調(diào)節(jié)精度的協(xié)調(diào)控制優(yōu)化思路探討

AGC指令變化后，實(shí)際負(fù)荷必須按正確方向跨越調(diào)節(jié)死區(qū)，且不能大于規(guī)定的門檻時(shí)間40秒。但是，如果設(shè)定的機(jī)組負(fù)荷變化率為額定調(diào)節(jié)速率，響應(yīng)時(shí)間必然大于40秒；而提高機(jī)組的負(fù)荷變化率，又會(huì)影響變負(fù)荷過程中的汽壓品質(zhì)，必須利用協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的其它方法來減少AGC變化后負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間。

圖1 AGC指令初期增加負(fù)荷變化率曲線

如圖1所示，要在AGC指令變化的初始階段，增大負(fù)荷變化率，使機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令快速越過調(diào)節(jié)死區(qū)。第二，優(yōu)化汽機(jī)主控系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)，使機(jī)組實(shí)際負(fù)荷能夠快速響應(yīng)速率后機(jī)組負(fù)荷指令的變化，而穩(wěn)態(tài)時(shí)，實(shí)際負(fù)荷能夠以機(jī)組負(fù)荷指令為中心，在AGC允許的偏差內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)，偏差值越小越好。

很明顯，在AGC 負(fù)荷指令變化初期，短時(shí)增加負(fù)荷變化率后，能夠使機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令快速越過允許偏差。

除了初期改變變負(fù)荷速率的方法，還可以將機(jī)組負(fù)荷指令通過函數(shù)直接作為前饋信號加至汽機(jī)主控PID出口，使機(jī)組負(fù)荷像一次調(diào)頻一樣瞬間快速動(dòng)作，但幅值不宜過大，以免引起主汽壓力不穩(wěn)定。

機(jī)組的調(diào)節(jié)精度做為機(jī)組響應(yīng)AGC指令穩(wěn)態(tài)偏差的度量，要減小負(fù)荷偏差，提高調(diào)節(jié)精度，需要在AGC 指令變化后，機(jī)組負(fù)荷接近負(fù)荷指令時(shí)避免機(jī)主控超調(diào)，以減小進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)的負(fù)荷振蕩?？稍跈C(jī)組負(fù)荷接近AGC 指令時(shí)切除機(jī)主控微分前饋，在提高調(diào)節(jié)精度的同時(shí)，減小主汽壓力的波動(dòng)幅度。

提高機(jī)組AGC負(fù)荷響應(yīng)速率的協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方法探討

對于機(jī)組正常運(yùn)行情況下采用的爐跟機(jī)協(xié)調(diào)控制方式，爐主控指令由兩大部分構(gòu)成，分別為基礎(chǔ)值指令（前饋）與PID出口指令。

在理論上，對于大延遲、大慣性的控制對象，前饋是粗調(diào)，是根基，而PID調(diào)節(jié)只是細(xì)調(diào)，沒有前饋的合適調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)品質(zhì)不可能提高。在變負(fù)荷工況下，鍋爐主控采用粗調(diào)+超調(diào)+微調(diào)的控制策略。首先鍋爐指令按照與負(fù)荷的函數(shù)關(guān)系快速正確地變化，且其變化的速率要比機(jī)組實(shí)際變負(fù)荷快，進(jìn)行適度超調(diào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組快速變負(fù)荷和主汽壓力盡快恢復(fù)的控制目標(biāo)。當(dāng)變負(fù)荷階段結(jié)束逐步轉(zhuǎn)為穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，此時(shí)機(jī)組主汽壓力與設(shè)定置的偏差由爐主控的PID 進(jìn)行微調(diào)，最終理想的狀態(tài)是使機(jī)組負(fù)荷和主汽壓力穩(wěn)定在其設(shè)定值上。

另外，熱值校正回路是直接的反映煤種發(fā)熱量的參數(shù)，也直接影響著鍋爐主控調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，煤的發(fā)熱量會(huì)根據(jù)煤種和氣候等因素不斷變化，這就需要優(yōu)化熱值校正回路，以適應(yīng)煤質(zhì)變化對燃燒的影響。

協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方案的實(shí)現(xiàn)方法

以某電廠一期600 兆瓦亞臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化方案為例，來探討優(yōu)化方法的實(shí)現(xiàn)策略。

汽機(jī)主控的優(yōu)化策略

在圖2所示中，加入以下控制策略：

1.在以下條件下，將變負(fù)荷速率由設(shè)定值乘以1.1 的系數(shù)，使負(fù)荷更快速地響應(yīng)。條件為：機(jī)組負(fù)荷指令與當(dāng)前實(shí)際負(fù)荷的差值在10～30 兆瓦之間；主汽壓力大于16.5千帕；機(jī)組速率后負(fù)荷指令在320～570之間。滿足以上條件，說明鍋爐蓄熱量及機(jī)主控裕量足以支撐機(jī)組更快速地調(diào)速負(fù)荷。待條件不滿足后，又切回至設(shè)定的變負(fù)荷速率。

2.在單元負(fù)荷指令前饋的基礎(chǔ)上，增加AGC 負(fù)荷指令微分前饋，將負(fù)荷微分前饋通過函數(shù)直接累加到汽機(jī)主控的輸出中，讓汽機(jī)調(diào)門在變負(fù)荷前期加大開度，快速的響應(yīng)負(fù)荷變化。

3.對調(diào)節(jié)精度進(jìn)行優(yōu)化，在AGC負(fù)荷指令微分基礎(chǔ)上，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷接近負(fù)荷指令時(shí)切除此微分前饋，從而在減少響應(yīng)時(shí)間的基礎(chǔ)上提高機(jī)組調(diào)節(jié)精度，減小主蒸汽壓力波動(dòng)幅度。

4.通過對協(xié)調(diào)參數(shù)的調(diào)整，盡量將機(jī)組變負(fù)荷速率調(diào)整到18 兆瓦/分鐘，提高速率指標(biāo)的同時(shí)，提高響應(yīng)速度減少響應(yīng)時(shí)間。

鍋爐主控及熱值校正回路的優(yōu)化策略

在圖3 所示邏輯中，加入或改進(jìn)以下控制策略：

1.鍋爐燃燒中煤種變化頻繁，通過煤種變化后機(jī)組穩(wěn)態(tài)時(shí)的煤量與機(jī)組負(fù)荷對應(yīng)關(guān)系，將鍋爐主控的基礎(chǔ)煤量前饋進(jìn)行修正，使基礎(chǔ)煤量與汽輪機(jī)負(fù)荷對應(yīng)完好，以避免在基礎(chǔ)煤量不對應(yīng)的前提下，負(fù)荷改變時(shí)鍋爐主控PID 調(diào)節(jié)過于頻繁，主汽壓力發(fā)生較大的波動(dòng)。對于某電廠一號機(jī)組，我們將基礎(chǔ)煤量前饋函數(shù)輸出調(diào)整為速率后指令百分比數(shù)值加上5%的增量，效果較為顯著。

2.對于AGC 指令大幅變動(dòng)時(shí)鍋爐響應(yīng)慢的弊端，將鍋爐主控的負(fù)荷微分前饋進(jìn)行修改，對微分環(huán)節(jié)出口系數(shù)進(jìn)行分段控制，用AGC 指令與速率后指令作偏差，當(dāng)偏差大于6 兆瓦時(shí)，系數(shù)較大，在6 兆瓦以內(nèi)時(shí)，系數(shù)稍小。在變負(fù)荷時(shí)，實(shí)現(xiàn)適度超調(diào)，又防止超調(diào)過度，維持主汽壓力的穩(wěn)定。

3.根據(jù)煤種的變化，在機(jī)組穩(wěn)態(tài)時(shí)根據(jù)煤量與機(jī)主控的數(shù)值對比分析，修正熱值校正回路中模擬鍋爐指令對應(yīng)鍋爐出力的慣性環(huán)節(jié)，使其與鍋爐實(shí)際工況相對應(yīng)。

通過上述優(yōu)化方法，某電廠一期機(jī)組在DCS 側(cè)觀察機(jī)組的負(fù)荷調(diào)整速率可19 兆瓦/分鐘左右，響應(yīng)時(shí)間可在20～24秒之間。Kp值大部分時(shí)間都在3以上，調(diào)節(jié)品質(zhì)好的時(shí)候可達(dá)到4 以上，大部分情況下主汽壓力也維持在可控范圍之內(nèi)。說明通過發(fā)掘協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)潛力，優(yōu)化相關(guān)邏輯及參數(shù)，是可以大幅提高AGC負(fù)荷響應(yīng)品質(zhì)的。

結(jié)束語

圖2 某電廠一期汽機(jī)主控邏輯圖

圖3 某電廠一期鍋爐主控邏輯圖

通過優(yōu)化機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)自動(dòng)參數(shù)，的確可以在機(jī)組安全的前提下，大幅提高機(jī)組響應(yīng)AGC 指令的Kp 值，但對于“兩個(gè)細(xì)則”考核指標(biāo)來說，Kp值只是一方面，提升空間畢竟是有限的，更重要的是調(diào)節(jié)深度指標(biāo)。機(jī)組AGC 的投入模式對于兩個(gè)細(xì)則考核指標(biāo)來說更為重要，機(jī)組投入BLR方式的調(diào)節(jié)深度是投入BLO方式的十倍以上，因此，機(jī)組協(xié)調(diào)控制得當(dāng)，響應(yīng)AGC 負(fù)荷指令快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的前提下，機(jī)組投入BLR 模式的時(shí)間將會(huì)大大增加，這樣在Kp值有保證的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)深度又成倍增加。自然對“兩個(gè)細(xì)則”AGC考核的收益將會(huì)非常有利。另外，安全運(yùn)行是燃煤機(jī)組的第一要?jiǎng)?wù)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化也要在保證機(jī)組運(yùn)行安全的前提下進(jìn)行?！?/p>