APC先控系統(tǒng)在超臨界機組中的應用

牛浩 王新亭 許倩倩 國投欽州發(fā)電有限公司

一、基于APC-PID的新協(xié)調(diào)控制策略

（一）組合慣性濾波器ICF的工程原理

傳統(tǒng)PID控制器由比例、積分、微分構成，時域表達式為：

具體推導方法請參考《一種內(nèi)反饋控制器 IFC 的研究與應用》[1]

由ICF構造新型積分器NI（即使用組合慣性濾波器ICF替換傳統(tǒng)的一階慣性濾波器FOIF）則新型積

ICF具有多種重要的用途，基于ICF的NI（積分作用）能有效的提高跟蹤值擾動的效率，基于ICF的ND（微分作用）能有效提高微分性能。基于P作用和NI 的NPI，在控制性能上包括在簡單性和工程易用性上較好的超越了PI控制?；贜PI和NPD的NCC，在控制性能上較好的超越了PID控制。

APC先控系統(tǒng)投用前的主要測試項目：

1.鍋爐主控-機組負荷/主汽壓力特性試驗

（1）控制機組負荷在預定的試驗負荷范圍（40%-50%Pe）并穩(wěn)定20min。

（2）在DCS設置機組負荷、主汽壓力、中間點溫度、燃料量、給水流量、總風量、鍋爐主控輸出、汽機主控輸出并記錄歷時曲線。

（3）鍋爐主控、汽機主控切至手動，給水主控投入自動。

（4）手動快速改變鍋爐主控5%，汽機主控保持不變。

（5）等在機組負荷、主汽壓力過渡到新的穩(wěn)定值。

（6）重復步驟4反方向改變鍋爐主控5%，汽機主控保持不變。

（7）等在機組負荷、主汽壓力過渡到新的穩(wěn)定值。

（8）提取數(shù)據(jù)并打印記錄。

2.汽機主控-流量特性試驗

（1）控制機組負荷在預定的試驗負荷范圍（40%-50%Pe）并穩(wěn)定20min。

（2）在DCS設置機組負荷、主汽壓力、中間點溫度、燃料量、給水流量、總風量、鍋爐主控輸出、汽機主控輸出并記錄歷時曲線。

（3）鍋爐主控切至手動，汽機主控、燃料、給水主控投入自動，此時，機組在汽機跟隨控制方式。

（4）保持鍋爐主控輸出不變，按照0.3MPa/min速率降低主汽壓力設定值，直到2個汽機高調(diào)閥全開。

（5）等待機組負荷、主汽壓力過渡到新的穩(wěn)定值。

（6）重復步驟4反方向按照0.3MPa/min速率增加主汽壓力設定值至原始值。

（7）提取數(shù)據(jù)并打印記錄。

3.給水流量-中間點溫度特性測試

（1）控制機組負荷在預定的試驗負荷范圍（40%-50%Pe）并穩(wěn)定20min。

（2）在DCS設置機組給水流量、燃料量、中間點溫度并記錄曲線。

（3）汽機主控、給水控制、燃料控制分別切至手動。

（4）手動快速增加給水流量60-100t/h，總風量、總燃料量保持不變。

（5）等待中間點溫度過渡到新的穩(wěn)定值。

（6）手動快速減少給水流量60-100t/h，總風量、總燃料量保持不變。

（7）等待中間點溫度過渡到新的穩(wěn)定值。

（8）提取數(shù)據(jù)并打印記錄。

過熱、再熱減溫水調(diào)門及擋板特性試驗不再詳細贅述。

（二）APC先控系統(tǒng)的工程應用

APC先控系統(tǒng)包括鍋爐主控先控、給水主控先控、一、二、三級過熱氣溫先控、再熱氣溫微量噴水先控等控制回路。各回路主要采用以組合慣性濾波器ICF和常規(guī)DCS算法相結合的新型先進控制器APC-PID，其原理圖如圖1所示（以鍋爐主控為例圖1）。

圖1 鍋爐主控先控原理圖

（三）APC先控系統(tǒng)的實施方式

APC先控系統(tǒng)采用 MODBUS通訊方式與DCS系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，從而以類似擴展CPU的方式接入到DCS中，完成實際的優(yōu)化控制功能。

1. APC先控系統(tǒng)的軟、硬件平臺

硬件方面：APC先控系統(tǒng)選用施耐德P342020系列PLC為硬件平臺，系統(tǒng)采用“CPU模塊 + modbus通訊模塊”與DCS系統(tǒng)的LC卡進行數(shù)據(jù)通訊。

軟件方面：在 Unity Pro XL編程環(huán)境中采用ST語言開發(fā)了所有的高級算法模塊，并通過面向對象的封裝技術，建立了類似一般DCS系統(tǒng)的組態(tài)函數(shù)庫（但功能更為強大），之后可通過函數(shù)調(diào)用以類似DCS組態(tài)的方式完成具體機組負荷性能優(yōu)化工程的建立。

2.采用獨立硬件平臺的優(yōu)點

APC先控系統(tǒng)采用這種獨立于DCS系統(tǒng)的硬件平臺，采用APC先控后，整個優(yōu)化控制系統(tǒng)的調(diào)試過程十分簡單，由于不需要在DCS中反復在線下載控制組態(tài)，調(diào)試過程中機組的安全性大大提高，完全避免了由于下載不當而導致機組跳機事故的發(fā)生；APC先控系統(tǒng)是作為一個擴充的分散處理單元融入整個DCS系統(tǒng)中，運行人員的操作方式保持不變；采用APC先控系統(tǒng)后，無須改變原有DCS中的控制策略，運行人員可方便地在原有控制方案和新的優(yōu)化控制方案之間無擾動地切換，增加了系統(tǒng)的靈活性和安全性。

圖2為APC先控系統(tǒng)硬件安裝效果，圖3為機組在AGC模式下啟停磨過程中的變負荷的運行曲線。

圖2 APC先控系統(tǒng)硬件安裝效果

圖3 AGC模式下升負荷（含啟磨）

二、應用效果評價

結合圖3可以看出APC先控制系統(tǒng)在#4機組以20MW/min 速率下變負荷（包含啟停磨）的整體性能評價：

負荷控制：實際負荷按照設定變負荷速率變化，動態(tài)過程平穩(wěn)，無振蕩，超調(diào)量較小。實際速率、響應延遲時間、動態(tài)控制偏差、穩(wěn)態(tài)控制精度均滿足要求。

主汽壓力控制：與滑壓設定值基本保持相同趨勢變化，動態(tài)過程平穩(wěn)，無振蕩和過調(diào)，平均實際動態(tài)偏差小于0.6MPa。

主汽溫度控制：主氣溫基本平穩(wěn)，變負荷過程中的平均最大動態(tài)偏差小于 6℃，采用APC-PID參與主汽溫調(diào)節(jié)，極大的減少超溫現(xiàn)象。

南方區(qū)域統(tǒng)一調(diào)頻輔助服務市場技術支持系統(tǒng)查詢結果如圖4：

圖4 AGC調(diào)頻模式下機組性能指標

國投欽州發(fā)電有限公司#4機組自2021年1月開始應用APC先控系統(tǒng)對機組協(xié)調(diào)性能進行優(yōu)化，經(jīng)過7天的調(diào)試后投入使用，經(jīng)過查詢南方區(qū)域統(tǒng)一調(diào)頻輔助服務市場技術支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)（圖4）機組綜合性能指標K值在0.8左右，在火電機組中處于領先位置。

三、結束語

機組的協(xié)調(diào)控制狀況對發(fā)電廠的運營與發(fā)展有著很大影響。采用APC先控系統(tǒng)對發(fā)電機組進行控制，能夠有效提高發(fā)電機組的負荷調(diào)節(jié)性能，在機組參與AGC調(diào)頻過程中提高了主控制參數(shù)的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)超溫、超壓現(xiàn)象。