基于深度調(diào)峰的火電機組熱工控制策略優(yōu)化

張 瀟，賈慶巖

（1.國家能源集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430077；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

為解決日益嚴重的棄風(fēng)（光、水）問題，提高新能源的消納能力，提高火電機組的運行靈活性已是迫在眉睫的任務(wù)，國家能源局2016年年初連續(xù)召開會議和發(fā)文，對開展火電靈活性改造提出明確要求，計劃“十三五”期間我國實施2.2 億kW 燃煤機組的靈活性改造，使機組具備深度調(diào)峰能力，并進一步增加負荷響應(yīng)速率，部分機組具備快速啟停調(diào)峰能力。目的是加快能源技術(shù)創(chuàng)新，挖掘燃煤機組調(diào)峰潛力，提升我國火電運行靈活性，全面提高系統(tǒng)調(diào)峰和新能源納能力。自2021 年國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布《關(guān)于開展全國煤電機組改造升級的通知》以來，我國大力實施煤電節(jié)能降碳改造、供熱改造、靈活性改造制造。

為使機組具備深度調(diào)峰能力，國內(nèi)電廠陸續(xù)進行了靈活性改造。熱工自動控制系統(tǒng)作為機組監(jiān)視和控制的基礎(chǔ)，應(yīng)對不同機組開展針對性的改造和優(yōu)化，以減少機組深調(diào)運行工況下由于控制問題造成的非停。高林［1］、馮樹臣［2］、張振宇［3］等人研究了機組深度調(diào)峰熱工控制技術(shù)與系統(tǒng)改造。李永生［4］、李通［5］等人研究了二次再熱機組調(diào)頻控制及邏輯優(yōu)化。部分學(xué)者進行了機組靈活性改造及深度調(diào)峰技術(shù)研究［6-26］。李文杰［27］、丁建良［28］、高奎等［29-30］探討了超超臨界機組深度調(diào)峰控制優(yōu)化技術(shù)。于明雙［31］、李建軍等［32］研究了機組寬負荷調(diào)峰控制關(guān)鍵技術(shù)。曹泉［33］、袁生明等［34］研究了協(xié)調(diào)控制優(yōu)化技術(shù)。本文通過摸底試驗數(shù)據(jù)、模擬量定值擾動試驗數(shù)據(jù)，對機組熱工控制策略的調(diào)整和優(yōu)化，使機組能在深調(diào)工況下投入?yún)f(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及各子系統(tǒng)自動控制，為機組安全性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟性打下基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 機組概況

某300 MW亞臨界機組鍋爐采用上海鍋爐廠的四角切向燃燒、平衡通風(fēng)的亞臨界中間再熱控制循環(huán)汽包爐，型號SG-1025/18.3-M836 型。汽輪機采用上海汽輪機廠制造的單軸、雙缸、雙排汽、高中壓合缸亞臨界中間再熱反動式汽輪機凝汽式汽輪機，型號為N300-16.7/538/538。發(fā)電機為上海電機廠引進美國西屋公司技術(shù)自行設(shè)計制造生產(chǎn)的QFSN-300-2型三相同步交流發(fā)電機。鍋爐主要設(shè)計參數(shù)如表1 所示，汽輪機主要設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)Table 1 Main design parameters of boiler

表2 汽輪機主要設(shè)計參數(shù)Table 2 Main design parameters of steam turbine

1.2 試驗方法

通過現(xiàn)場調(diào)研，查看機組運行歷史數(shù)據(jù)，查閱機組各主要設(shè)備的說明書及參數(shù)，參照《GB/T 10184-2015電站鍋爐性能試驗規(guī)程》、《GB/T 8117.2-2008 汽輪機熱力性能驗收試驗規(guī)程第2部分：方法B 各種類型和容量的汽輪機寬準確度試驗》、《DL/T 2497-2022 燃煤機組鍋爐深度調(diào)峰能力評估試驗導(dǎo)則》等相關(guān)標準對機組開展了深度調(diào)峰摸底試驗。通過摸底試驗數(shù)據(jù)、深度調(diào)峰工況電網(wǎng)考核數(shù)據(jù)，以及模擬量定值擾動試驗報告數(shù)據(jù)等，研究分析機組熱工自動控制系統(tǒng)主要存在的問題。

通過摸底試驗，50%Pe 以下機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)無法正常投入，通過手動控制開展30%Pe 的低負荷穩(wěn)燃試驗，機組主要參數(shù)波動較大。摸底試驗中機組主要參數(shù)參見表3。

表3 試驗中機組主要參數(shù)記錄Table 3 Record of the main parameters in the test

1.3 熱工自動控制系統(tǒng)制約機組深調(diào)問題研究

1.3.1 儀表測量問題

機組在低負荷深度調(diào)峰期間，由于儀表經(jīng)常偏離其正常測量范圍，就地測量元件測量準確性下降，測量誤差加大甚至失真，比如風(fēng)量、凝結(jié)水流量、給水流量等，對機組的參數(shù)監(jiān)視及自動控制帶來很大影響，嚴重影響相關(guān)回路穩(wěn)定性。

1.3.2 執(zhí)行機構(gòu)問題

機組在低負荷深度調(diào)峰期間，各執(zhí)行機構(gòu)開度偏離原有的正常調(diào)節(jié)區(qū)間，執(zhí)行機構(gòu)的死區(qū)、非線性問題在深調(diào)區(qū)間顯得尤為突出，嚴重影響機組自動控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

1.3.3 控制邏輯問題

低負荷深度調(diào)峰運行過程中組態(tài)和控制策略不能完全滿足低負荷運行要求，或參數(shù)未進行細化和調(diào)整，不滿足低負荷長期運行要求，如低負荷期間的鍋爐主控、風(fēng)煤線、各控制參數(shù)是否需要變參數(shù)控制運行等，其控制方式和邏輯是否滿足運行要求。保護定值的設(shè)計是否考慮到低負荷運行時的裕度問題，是否會造成機組保護誤動或拒動的問題。

1.3.4 自動控制問題

原有的機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)邏輯和參數(shù)整定都是按照中高負荷段進行設(shè)計和優(yōu)化的，由于未長期處于低負荷工況下運行，較多控制子系統(tǒng)控制品質(zhì)和控制策略得不到實際驗證和考驗，當(dāng)機組在低負荷階段運行時，原有的設(shè)計邏輯和自動控制參數(shù)不能滿足要求，造成機組調(diào)節(jié)品質(zhì)下降，甚至不能長期投入自動，影響機組安全穩(wěn)定運行。

1）針對于深度調(diào)峰的工況，機組目前的控制與保護邏輯還存在一些不合理的部分，整體自動化水平不高，不能滿足機組深度調(diào)峰的需求。在機組靈活性改造過程中，需要對機組的控制與保護邏輯進行優(yōu)化，確保在低負荷深度調(diào)峰工況及中高負荷正常運行時的機組安全穩(wěn)定性。

2）受機組低負荷運行方式下，主、再熱器換熱能力減弱，蒸汽溫度品質(zhì)降低的影響，減溫水量低，機組協(xié)調(diào)系統(tǒng)汽溫調(diào)節(jié)難度進一步增大，對深度調(diào)峰工況下AGC 性能制約嚴重。需對現(xiàn)有的協(xié)調(diào)控制進行進一步優(yōu)化，提高機組的變負荷能力，低負荷工況大幅變負荷條件下機組主要控制參數(shù)的穩(wěn)定性。

3）低負荷鍋爐穩(wěn)燃是低負荷深度調(diào)峰運行條件下面臨的核心問題之一，低負荷穩(wěn)燃本身具有一定的難度，爐內(nèi)流場的不均勻極易導(dǎo)致鍋爐壁溫超溫等異常情況的發(fā)生；此外對污染物排放來說，爐膛出口NOx含量的有效控制是在脫硝裝置能力有限條件下的關(guān)鍵，這些都需要結(jié)合鍋爐燃燒調(diào)整和機組的自動控制系統(tǒng)優(yōu)化來實現(xiàn)，從而緩解運行人員的壓力。

1.3.5 機組涉網(wǎng)性能下降問題

在低負荷工況運行時，機組參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的AGC、一次調(diào)頻性能急劇下降。華中電網(wǎng)經(jīng)過全面摸排，華中區(qū)域火電機組均在未開展深調(diào)工況涉網(wǎng)試驗的情況下進行深度調(diào)峰，出現(xiàn)了一些與涉網(wǎng)安全性要求不適應(yīng)的情況，如機組深調(diào)工況下一次調(diào)頻性能不達標、動作合格率偏低。機組深調(diào)工況下一次調(diào)頻性能急劇下降，其控制品質(zhì)不能得到有效保障。部分機組在深調(diào)工況下存在一次調(diào)頻功能閉鎖等問題，部分機組負荷低于45%左右運行時，一次調(diào)頻功能存在閉鎖減負荷等問題，大電網(wǎng)抵御系統(tǒng)頻率擾動的能力面臨巨大挑戰(zhàn)。

基于上述，國網(wǎng)華中電力調(diào)控分中心專門下發(fā)了《關(guān)于開展華中區(qū)域火電機組深度調(diào)峰運行工況下涉網(wǎng)性能試驗及整改的通知》。

2 結(jié)果與討論

2.1 深度調(diào)峰工況熱工自動控制問題解決方案

2.1.1 儀表測量

針對儀表測量準確性的問題，全面評估機組重要測點在深度調(diào)峰工況下的準確性，仔細檢查機組的主要控制參數(shù)測點，分析測量的誤差，以及可能產(chǎn)生的影響，必要時進行邏輯修正或應(yīng)用軟測量技術(shù)，保證在低負荷工況下，各測量參數(shù)的準確性。

2.1.2 執(zhí)行機構(gòu)

針對執(zhí)行機構(gòu)的死區(qū)問題，嚴格把控檢修環(huán)節(jié)，對磨損嚴重需要更換的執(zhí)行機構(gòu)及時進行更換，控制執(zhí)行機構(gòu)的死區(qū)在合理范圍。針對執(zhí)行機構(gòu)的分線性問題，通過反復(fù)試驗采集數(shù)據(jù)來摸清執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)節(jié)特性，控制策略組態(tài)中采用分段函數(shù)的方式進行對執(zhí)行機構(gòu)的特性進行補償修正。

2.1.3 控制邏輯

重點梳理機組設(shè)計說明書、運行規(guī)程、保護定值清冊，查閱機組重要保護邏輯和安全閾值，針對機組低負荷運行特點，提出增加保護邏輯優(yōu)化方案，采取修改保護閾值等重要技術(shù)手段，以同時滿足機組在低負荷調(diào)峰和高負荷穩(wěn)定運行的需求。

2.1.4 自動控制

原本協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的負荷變化區(qū)間為50%～100%Pe，機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)邏輯和參數(shù)整定都是按照中高負荷段進行設(shè)計和優(yōu)化的。針對機組自動控制問題，通過采用機理分析和試驗測試相結(jié)合的方法，建立被控對象在不同負荷下動態(tài)特性的經(jīng)驗知識，利用前饋、串級、解耦、非線性增益補償、變參數(shù)PID等多種經(jīng)典的復(fù)雜控制方案來彌補簡單PID控制的不足，使系統(tǒng)的控制性能得到優(yōu)化。主要開展以下方面的優(yōu)化工作：

1）為適應(yīng)深調(diào)區(qū)間協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)投入的要求，需要通過摸底試驗或定位試驗對機組協(xié)調(diào)控制相關(guān)的重要基礎(chǔ)函數(shù)進行優(yōu)化，延展負荷指令（LDC）至（30%Pe）深調(diào)區(qū)間。由于本機組為供熱機組，由于供熱系統(tǒng)的投入，鍋爐與汽輪機間的能量平衡被打破，鍋爐除滿足汽輪機的能量需求外，還要滿足抽汽供熱系統(tǒng)的能量需求。因此機組各子系統(tǒng)所對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系計算時應(yīng)引入熱負荷。

滑壓曲線PS=F1（LDC+熱負荷）；

LDC指令對應(yīng)的鍋爐風(fēng)量函數(shù)曲線Air=F2（LDC+熱負荷）；

LDC 指令對應(yīng)的燃料量函數(shù)曲線Coal=F3（LDC+熱負荷）；

LDC 指令對應(yīng)的鍋爐氧量函數(shù)曲線O2=F4（LDC+熱負荷）。

實現(xiàn)變負荷過程中的風(fēng)、煤、氧量、主汽溫、主汽壓力的前饋作用，實現(xiàn)機組主要控制指標的粗調(diào)，提高機組穩(wěn)態(tài)運行的剛性。

2）通過重構(gòu)機組變負荷前饋，提高燃料、一次風(fēng)、送風(fēng)、過熱器減溫水等系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力。

優(yōu)化思路：機組控制的核心是任何狀態(tài)下必須保證風(fēng)煤比例合理的匹配。包括：升負荷、減負荷、穩(wěn)態(tài)，不同的負荷變化率、不同的運行負荷段、不同的負荷變化幅度等。為此，需要構(gòu)建變負荷前饋邏輯作用于燃料、送風(fēng)、一次風(fēng)壓等環(huán)節(jié)，使機組的動態(tài)運行與穩(wěn)態(tài)運行相互分離。由此在控制上形成動態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種工況下的控制回路。

變負荷前饋優(yōu)化主要內(nèi)容：

①為了防止低負荷階段，動態(tài)前饋作用對機組安全性產(chǎn)生影響，對構(gòu)建變負荷前饋信號分高低負荷段分別做強度修正和限幅處理。

②在機組變負荷過程中，變負荷前饋信號針對增負荷、減負荷兩種情況區(qū)別對待。

③提供變負荷前饋信號“剎車”功能，即在變負荷起始階段，超前前饋幅度較大，待“負荷目標”接近“負荷設(shè)定”過程中變負荷前饋量動態(tài)減小，至一定可調(diào)范圍時，衰減至0。

優(yōu)化后變負荷前饋邏輯框圖如圖1所示。

圖1 變負荷前饋邏輯框圖Fig.1 Variable load feedforward logic block diagram

3）構(gòu)建BTU煤質(zhì)自動校正回路，以提高火電機組對煤質(zhì)變化的自適應(yīng)能力，增加調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的魯棒性。

優(yōu)化思路：采用直吹磨的制粉系統(tǒng)，一方面燃煤量反饋取自給煤機，優(yōu)點是易于測量，且較為準確。但另一方面，進入鍋爐的燃煤熱值的變化會直接引起鍋爐燃燒響應(yīng)同協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)各回路中的對應(yīng)函數(shù)發(fā)生偏離，影響調(diào)節(jié)品質(zhì)。尤其機組深調(diào)工況運行時，煤質(zhì)的變化對負荷對應(yīng)煤量的基準影響問題顯得更加突出，為確保燃煤熱值變化較大時保證協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的品質(zhì)，需要構(gòu)建燃煤自動BTU校正回路，實時對給煤量進行修正。

優(yōu)化主要包括以下內(nèi)容：

①提供機組變負荷時BTU閉鎖功能；

②提供投入油槍運行、主汽壓力偏差大時閉鎖功能；

③提供啟停給煤機非穩(wěn)定階段閉鎖功能；

④增加MFT、RB工況切手動功能；

⑤提供機組燃料量信號壞質(zhì)量、蒸汽流量信號壞質(zhì)量時BTU切手動功能。

對采集的各負荷段機組穩(wěn)態(tài)歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析和插值擬合，得到蒸汽流量-煤量對應(yīng)關(guān)系作為校正基準。

優(yōu)化后邏輯如圖2所示。

圖2 BTU校正邏輯框圖Fig.2 BTU calibration logic block diagram

4）優(yōu)化重要輔機參與深調(diào)運行時的控制邏輯

為使機組給水泵在任何負荷段安全運行，給水泵再循環(huán)閥需要能夠自動調(diào)節(jié)，保證給水泵出口流量在安全范圍內(nèi)。增加給水泵再循環(huán)閥自動控制邏輯，同時設(shè)置再循環(huán)閥開、關(guān)雙曲線，并設(shè)置速率限制（快開慢關(guān)），避免范圍較大的動作，防止再循環(huán)自動調(diào)節(jié)過程中，造成給水流量波動。設(shè)計雙折線控制系統(tǒng)來使再循環(huán)閥快速穩(wěn)定工作，如圖3 所示。閥門開關(guān)按照不同的折線進行，在閥門由開至關(guān)和由關(guān)至開過程中有一定的死區(qū)，這樣避免了閥門來回頻繁波動，給泵出口流量平穩(wěn)，保證了給水泵的安全運行。

圖3 給水泵再循環(huán)閥控制邏輯及控制曲線Fig.3 Control logic and control curve of feed water pump recirculation valve

2.1.5 機組涉網(wǎng)性能

針對機組涉網(wǎng)性能下降的問題，在協(xié)調(diào)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，開展閥門流量特性優(yōu)化，進一步提升深度調(diào)峰工況下AGC及一次調(diào)頻調(diào)節(jié)性能。

常規(guī)的閥門流量特性試驗，由于機組試驗工況僅在高負荷段進行，僅測取單閥和順閥方式下的流量特性，無法針對機組低負荷下的閥門流量特性進行測取和優(yōu)化。可以通過增加單個閥門流量特性試驗的方法，測取單個閥門流量特性，如圖4所示。

圖4 單個閥門流量特性曲線Fig.4 Single valve flow characteristic curve

建立單個高調(diào)門（GV1、GV2、GV3、GV4）流量特性建模。汽輪機高調(diào)門的總進汽流量為：

式（1）中，Q總(t)表示t時刻進入汽輪機的蒸汽總流量；Qi(t)表示t時刻第i個高調(diào)門的通流流量（共有n個高調(diào)門）；Di(t)表示t時刻第i個高調(diào)門的開度指令，Di(t) ∈[0，100]；fi(x)表示第i個高調(diào)門的升程-流量函數(shù)。

在總流量指令為0～100%范圍內(nèi)，利用單個閥門流量特性模型和實際測試的各調(diào)門升程-流量特性，對單閥控制方式和順序閥控制方式下流量特性曲線進行全行程擬合。

將擬合得到的流量特性，分別與測取的單閥和順閥方式的流量特性進行比對驗證，若二者吻合，則測取的單個閥門的流量特性模型可信，以此為依據(jù)開展閥門流量特性優(yōu)化工作，保證機組在全負荷段閥門流量的線性化。

2.2 控制策略優(yōu)化后實施效果

優(yōu)化前后機組流量特性曲線如圖5和圖6所示。優(yōu)化后機組變負荷控制曲線如圖7 所示，機組變 負荷過程中主要運行參數(shù)曲線如圖8所示。

圖5 優(yōu)化前機組流量特性曲線Fig.5 Flow characteristic curve of unit before optimization

圖6 優(yōu)化后機組流量特性曲線Fig.6 Flow characteristic curve of unit after optimization

圖7 優(yōu)化后機組變負荷控制曲線Fig.7 Variable load curve of unit after optimization

圖8 優(yōu)化后機組變負荷過程主要運行參數(shù)曲線Fig.8 Curves of main operating parameters of unit load changing process after optimization

通過一系列的控制策略優(yōu)化工作，機組深調(diào)能力得到顯著提升，實現(xiàn)了機組30%～100%全工況協(xié)調(diào)控制投入，同時，機組順利通過了機組調(diào)峰能力認定工作，既滿足了電網(wǎng)調(diào)峰需求，也爭取了更多的輔助服務(wù)收益。但機組控制系統(tǒng)仍有一定的優(yōu)化空間，比如機組制粉系統(tǒng)的一鍵啟停、給水泵的自動并退泵功能等，這些功能的實現(xiàn)，可以減少深調(diào)工況下運行人員的操作量，提升機組運行的安全性。

4 結(jié)語

火電機組在參與深度調(diào)峰的過程中，關(guān)注機組主設(shè)備安全運行的同時還需關(guān)注熱工控制系統(tǒng)出現(xiàn)的各種問題，在進行低負荷穩(wěn)燃試驗的基礎(chǔ)上，對不同機組開展針對性的改造和優(yōu)化，以適應(yīng)機組在低負荷工況下運行的安全性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟性，減少機組深調(diào)運行工況下由于控制問題造成的非?；蛘{(diào)度考核，提高機組的盈利能力。