火電機組寬負(fù)荷調(diào)峰汽溫控制技術(shù)應(yīng)用

王錫輝，朱曉星，陳厚濤，周科，朱光明，盛鍇，陶海林

(1.高效清潔火力發(fā)電技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410007；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；3.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032；4.大唐華銀攸縣能源有限公司，湖南 株洲 412300)

0 引言

構(gòu)建“雙新”電力系統(tǒng)是能源領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措[1-2]。國家要求完善支持靈活性煤電機組等調(diào)節(jié)性電源運行的價格補償機制?；痣姷恼{(diào)節(jié)性電源屬性進一步明確，寬負(fù)荷調(diào)峰和啟停調(diào)峰將成為運行常態(tài)[3-6]。

與正常調(diào)峰區(qū)間運行工況相比，火電機組進行深度調(diào)峰(最低運行負(fù)荷＜50%額定負(fù)荷)時能耗顯著增加[7-8]。部分機組為降低運行出力，采取滑氣溫的運行方式[9]，運行參數(shù)大幅度偏離設(shè)計值，長期運行危及汽輪機葉片的安全。深度調(diào)峰工況下，各系統(tǒng)調(diào)節(jié)裕度降低，執(zhí)行機構(gòu)線性特性變差，汽溫自動控制品質(zhì)不佳，運行操作強度驟增[10]，導(dǎo)致機組調(diào)峰能力受限。近年來，Smith預(yù)估控制[11]、多模型變論域模糊控制[12]、隱式廣義預(yù)測控制[13]、基于改進TOPSIS法的控制[14]、仿人智能控制[15]以及ARX-Laguerre模型PID預(yù)測控制[16]等先進控制算法被應(yīng)用于解決汽溫控制難題。相比單純的PID串級控制，應(yīng)用先進控制算法后，汽溫控制品質(zhì)有明顯的提升，但其應(yīng)用場景大都集中于50%額定負(fù)荷以上的工況，低負(fù)荷工況(＜40%額定負(fù)荷)涉及較少，且部分控制方法尚處于仿真驗證階段。汽溫控制具有大遲延性、大慣性特點，在寬負(fù)荷調(diào)節(jié)過程中，對象特性和執(zhí)行機構(gòu)線性均動態(tài)變化，對于有些機組還存在干濕態(tài)的切換，實現(xiàn)優(yōu)良的控制品質(zhì)難度增大。

基于此，本文提出寬負(fù)荷調(diào)峰汽溫控制技術(shù)，包含兩個方面:在直接調(diào)節(jié)汽溫的減溫水控制方案設(shè)計上，提出一種改進型串級PID控制算法，在原有的純線性控制器中疊加一路基于被控對象變化特性動態(tài)響應(yīng)的修正指令，通過調(diào)節(jié)參數(shù)的自學(xué)習(xí)功能實現(xiàn)控制指令的非線性響應(yīng)；在對汽溫有較大影響的燃水協(xié)調(diào)控制回路，提出基于狀態(tài)解析和仿人修正的協(xié)調(diào)控制算法，通過燃水比動態(tài)實時優(yōu)化輔助汽溫穩(wěn)定控制。所述技術(shù)分別在1 000 MW超超臨界機組和630 MW超臨界機組上應(yīng)用，取得了良好的工程實效，汽溫自動控制品質(zhì)優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提出的技術(shù)指標(biāo)，降低了運行人員的操作強度和調(diào)峰能耗，對火電機組參與寬負(fù)荷具有較大價值，對其他行業(yè)具有類似對象特性的控制器設(shè)計有借鑒意義。

1 控制方法

1.1 改進型串級PID控制器

如圖1所示，在常規(guī)串級PID控制器中增加一路基于被控對象實時偏差及變化趨勢變參數(shù)響應(yīng)的修正指令，構(gòu)成改進型串級PID控制器。具體實現(xiàn)流程如下:獲取主蒸汽溫度的測量值，與設(shè)定值求取差值后輸入至主調(diào)PID控制器；構(gòu)建以主汽溫設(shè)定值與測量值的偏差e以及該偏差對時間的一階導(dǎo)數(shù)為元素的反饋向量[e，de/dt]；設(shè)計與反饋向量維數(shù)相同的調(diào)節(jié)參數(shù)向量[w1i，w2i]，并同步設(shè)計調(diào)節(jié)參數(shù)的自學(xué)習(xí)規(guī)則；將獲得的反饋向量與調(diào)節(jié)參數(shù)向量的轉(zhuǎn)置進行點積計算，計算結(jié)果作為主調(diào)PID控制器輸出指令的修正部分；修正指令與主調(diào)輸出之和作為副調(diào)控制器的設(shè)定值。[w1t，w2t]的下標(biāo)t是指第t時刻。學(xué)習(xí)規(guī)則為w1t在第t次與第t+1次運算中的取值滿足如下關(guān)系:當(dāng)de/dt≥0時，w1t+1=w1t+△w1(△w1＞0)；當(dāng)de/dt＜0時，w1t+1=w1t+△w2(△w2＜0)，且△w1+△w2≠0。w2t的調(diào)整規(guī)則為:當(dāng)d(de/dt)/dt≥0時，w2t+1=w2t+△w3(△w3＞0)；當(dāng)d(de/dt)/dt＜0時，w2t+1=w2t+△w4(△w4＜0)，且△w3+△w4≠0。w1t，w2t的初始值以及△w1—△w4具備調(diào)試功能，并對w1t、w2t設(shè)置限值。

圖1 改進型串級PID控制器示意圖

1.2 控制器特點分析

由圖1所示控制器結(jié)構(gòu)可知，改進后主調(diào)控制器的輸出表達(dá)式變?yōu)?

假設(shè)△e=e(t+1)-e(t)，且de/dt＜0，d(de/dt)/dt≥0，則控制器的輸出在t+1時刻相比t時刻的變化量△u表示如下:

式(2)中前三項為一般PID控制輸出變化增量，后兩項為修正部分。改進后的PID響應(yīng)具有以下特點:1)調(diào)節(jié)參數(shù)根據(jù)被控變量的控制偏差和變化趨勢進行動態(tài)調(diào)整，修正部分使得執(zhí)行器的響應(yīng)指令具有二次非線性曲線響應(yīng)的加速功能。當(dāng)被控對象設(shè)定值與測量值偏差較大且有擴大趨勢時，控制器大幅度輸出使之向偏差減小方向動作的指令，具有快速性；當(dāng)被控對象設(shè)定值與測量值偏差減小時，控制器超前輸出防止超調(diào)的指令，具有預(yù)見性。2)考慮被控對象偏差的變化趨勢，使得控制器具有超前動作功能，有效緩解了遲延性。3)對調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置限幅而不是直接動態(tài)調(diào)整PID參數(shù)，充分保障了原PID的基準(zhǔn)調(diào)節(jié)作用，修正部分實現(xiàn)增速調(diào)節(jié)功能，有效防止了控制系統(tǒng)的發(fā)散，確保其良好的魯棒性。

汽溫控制采用串級結(jié)構(gòu)時，分為導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)[11-13]，通過傳遞函數(shù)的精準(zhǔn)辨識，設(shè)置對應(yīng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，可以獲得良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。而實際應(yīng)用中卻常出現(xiàn)汽溫控制不穩(wěn)的現(xiàn)象，其原因在于傳遞函數(shù)的相關(guān)參數(shù)甚至模型在不同負(fù)荷和工況下存在差異，工程中無法將所有工況都進行辨識然后針對性地整定調(diào)節(jié)參數(shù)。采用改進型串級PID控制后，可對典型工況進行辨識，并設(shè)置合適的調(diào)節(jié)參數(shù)，作為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)部分，利用修正指令的調(diào)節(jié)參數(shù)自學(xué)習(xí)功能實現(xiàn)對其他工況的動態(tài)適應(yīng)，從而達(dá)到全負(fù)荷工況下均能實現(xiàn)良好調(diào)節(jié)品質(zhì)的目的。

1.3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化方法

對超臨界機組或超超臨界機組而言，雖然減溫水的噴淋可以直接調(diào)節(jié)主汽溫度，但燃水比是否匹配對汽溫控制有極大影響，實際運行中經(jīng)常出現(xiàn)減溫水調(diào)門全開但主汽溫仍超溫，或者減溫水調(diào)門全關(guān)而主汽溫仍較低的情況，其原因就在于燃水比的失配。本文提出如圖2所示的協(xié)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，統(tǒng)籌汽溫和汽壓對于給水和燃料的調(diào)節(jié)需求，基于運行經(jīng)驗、燃料、給水與汽溫汽壓之間的耦合影響規(guī)律，設(shè)計修正指令，動態(tài)優(yōu)化燃水比的匹配，達(dá)到間接調(diào)節(jié)汽溫的目的。對于采用外掛式優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用場景，基于運行參數(shù)的狀態(tài)分析進行編碼和針對性地仿人修正指令設(shè)計。對于在原DCS系統(tǒng)中實現(xiàn)的應(yīng)用場景，對燃料指令的修正采用以主汽壓力控制偏差為自變量的函數(shù)型指令，并以主汽溫度控制偏差為自變量的函數(shù)輸出作為修正系數(shù)；對給水指令的修正，采用以主汽溫度控制偏差為自變量的函數(shù)型指令，并以主汽壓力控制偏差為自變量的函數(shù)輸出作為修正系數(shù)，以實現(xiàn)燃水比協(xié)調(diào)。

圖2 協(xié)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制方法示意圖

2 應(yīng)用對象概況

2.1 超臨界機組

某電廠630 MW機組于2016年投產(chǎn)，鍋爐為超臨界參數(shù)、帶啟動循環(huán)泵、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架、W型火焰燃燒、垂直內(nèi)螺紋管水冷壁、П型變壓直流鍋爐，配置6臺雙進雙出制粉系統(tǒng)，設(shè)計額定主汽壓力24.2 MPa，額定主汽溫度為566℃。汽輪機為超臨界、單軸、三缸(高中壓缸合缸)四排汽、一次中間再熱、雙背壓、凝汽式汽輪機，配置2臺50%容量汽動給水泵。當(dāng)前常態(tài)化運行最低負(fù)荷為180 MW，機組功率位于230～290 MW時，鍋爐側(cè)進行干濕態(tài)的切換。寬負(fù)荷調(diào)峰過程中汽溫自動控制品質(zhì)較差，運行人員頻繁操作煙氣擋板，導(dǎo)致煙溫波動而影響脫硝控制，影響機組的運行經(jīng)濟性和環(huán)保性。

2.2 超超臨界機組

某電廠1 000 MW新建機組鍋爐為DG3035/29.4-Ⅱ1超超臨界變壓運行直流爐，單爐膛、一次中間再熱、前后墻對沖燃燒方式、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、П型布置；采用四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，配置6臺中速磨煤機，設(shè)計主汽壓力為28 MPa，額定主汽溫度為605℃。汽輪機為N1046-28/600/620超超臨界、一次中間再熱、單軸、雙背壓、四缸四排汽、十級回?zé)岢槠?含零號高加)、凝汽式汽輪機。給水動力由一臺100%容量汽動給水泵提供。當(dāng)前常態(tài)化運行最低負(fù)荷為300 MW，在30%～100%額定負(fù)荷區(qū)間均為干態(tài)運行。

3 應(yīng)用結(jié)果與分析

3.1 超臨界機組濕態(tài)穩(wěn)定運行工況

超臨界機組濕態(tài)運行時，鍋爐給水經(jīng)省煤器進入爐膛水冷壁，受熱后進入汽水分離器，氣態(tài)工質(zhì)流經(jīng)后續(xù)各級過熱器，液態(tài)工質(zhì)經(jīng)連通管道返回儲水箱，由爐水循環(huán)泵重新打入省煤器。分離器內(nèi)的工質(zhì)呈混合態(tài)，鍋爐給水存在回流，并未100%轉(zhuǎn)化為蒸汽，燃水耦合影響作用相對減弱，減溫水的噴淋調(diào)節(jié)對汽溫控制的影響權(quán)重增大。因此，重點整定減溫水調(diào)節(jié)回路。在不同的負(fù)荷下進行PID調(diào)節(jié)參數(shù)整定，獲得典型工況的適配參數(shù)，根據(jù)參數(shù)之間的差別設(shè)定修正指令中調(diào)節(jié)參數(shù)自學(xué)習(xí)調(diào)整步長及初始值，即w1t、w2t以及△w1—△w4，再根據(jù)實際工況中的響應(yīng)特性進行精調(diào)。所有參數(shù)調(diào)試完成后投入運行。機組功率182 MW，濕態(tài)穩(wěn)定運行時，主蒸汽溫度控制效果如圖3所示。設(shè)定值為額定主汽溫度566℃，與設(shè)定值最大控制偏差處的實際溫度為568.1℃，差值為2.1℃。機組負(fù)荷小于50%額定負(fù)荷時，尚無關(guān)于汽溫控制品質(zhì)的國家或行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。在50%～100%額定功率區(qū)間段，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)明確主汽溫度的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)為±3℃。機組在深度調(diào)峰工況下的實際穩(wěn)態(tài)控制指標(biāo)滿足正常調(diào)峰區(qū)間規(guī)程要求。

圖3 超臨界機組濕態(tài)穩(wěn)定工況汽溫控制效果

3.2 超臨界機組濕態(tài)變負(fù)荷工況

與濕態(tài)穩(wěn)定運行工況相比，變負(fù)荷過程中的汽溫控制難度增加，原因在于動態(tài)過程中，蒸汽流量與流速、加熱器的換熱量以及燃料、給水等輸入條件都處于變化當(dāng)中，導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的傳遞函數(shù)特性是變化的，單純依靠典型工況下獲得的調(diào)節(jié)參數(shù)無法獲得良好的控制品質(zhì)，必須發(fā)揮修正部分的動態(tài)加速調(diào)節(jié)功能。圖4為超臨界機組濕態(tài)變負(fù)荷運行時主汽溫度的控制效果圖。從182 MW變負(fù)荷至242 MW過程中，正反兩個方向的最大控制偏差分別為2.6℃和-3.1℃，在50%～100%額定功率區(qū)間段，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)明確主汽溫度的動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)為±8℃。

圖4 超臨界機組濕態(tài)變負(fù)荷工況汽溫控制效果

3.3 超臨界機組干態(tài)變負(fù)荷工況

超臨界機組干態(tài)運行時，工質(zhì)在汽水分離器內(nèi)直接由飽和水100%轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱蒸汽后進入后續(xù)各級換熱器，分離器相當(dāng)于一段承載了工質(zhì)轉(zhuǎn)態(tài)的流通管道。此時的主汽溫度控制除減溫水噴淋直接調(diào)節(jié)外，還與燃水協(xié)調(diào)緊密相關(guān)，后者的作用甚至超過了前者。因此，該工況下應(yīng)同時關(guān)注協(xié)調(diào)控制回路和減溫水調(diào)節(jié)回路的作用。對協(xié)調(diào)控制策略進行優(yōu)化，減溫水調(diào)節(jié)采用改進型串級PID控制。解析主汽壓力和主汽溫度的狀態(tài)，綜合其對于燃料和給水的調(diào)節(jié)需求，進行適應(yīng)性修正，防止因燃水比失配而導(dǎo)致主汽溫度超溫或甩汽溫，再利用減溫水的噴淋對汽溫實現(xiàn)修正，獲得優(yōu)良的調(diào)節(jié)品質(zhì)。選用變負(fù)荷—穩(wěn)定—變負(fù)荷的復(fù)合工況進行舉例說明，超臨界機組干態(tài)運行，負(fù)荷由375 MW間斷變化至451 MW，主汽溫度控制效果如圖5所示，全過程最大控制偏差為2.7℃，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)(±3℃)。

圖5 超臨界機組干態(tài)變負(fù)荷工況汽溫控制效果

3.4 超超臨界機組穩(wěn)定運行工況

干態(tài)運行時，超超臨界機組與超臨界機組的汽溫控制特性相似，不同之處在于前者由于參數(shù)更高，加熱器換熱面積增大，擾動因素更多，對控制系統(tǒng)的動態(tài)適應(yīng)性要求更高。分別選用超超臨界機組干態(tài)最低技術(shù)出力工況以及額定負(fù)荷工況進行說明，兩工況下的汽溫控制效果分別如圖6和圖7所示。兩種工況下的系統(tǒng)調(diào)節(jié)裕度均有限，對減溫水控制系統(tǒng)的響應(yīng)精準(zhǔn)性要求更高。由圖6可知，機組負(fù)荷325 MW穩(wěn)定運行時，屬深度調(diào)峰工況，主汽溫度最大控制偏差不超過±1.5℃，控制品質(zhì)指標(biāo)滿足自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)調(diào)峰區(qū)間行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。由圖7可知，機組額定負(fù)荷穩(wěn)定運行，主汽溫度最大控制偏差不超過

圖6 最低負(fù)荷穩(wěn)態(tài)工況汽溫控制效果

圖7 額定負(fù)荷穩(wěn)態(tài)工況汽溫控制效果

±2℃。

3.5 超超臨界機組變負(fù)荷運行工況

如圖8所示，超超臨界機組負(fù)荷由700 MW上升至800 MW過程中，將主汽溫度設(shè)定減小4℃，穩(wěn)定后又增大3℃，在多重擾動下，主汽溫度控制優(yōu)良，全程最大動態(tài)偏差為7.9℃，最大穩(wěn)態(tài)控制偏差為-2.6℃，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要求。

圖8 變負(fù)荷工況汽溫控制效果

3.6 定值擾動工況

為進一步檢驗控制方法的有效性，在超超臨界機組上進行了汽溫控制系統(tǒng)定值擾動試驗，分別如圖9和圖10所示。由圖可知，控制系統(tǒng)的動、穩(wěn)態(tài)控制指標(biāo)及響應(yīng)時間均滿足規(guī)程要求。

圖9 超超臨界機組汽溫定值增擾動

圖10 超超臨界機組汽溫定值減擾動

為使表述更直觀，所述工況的注汽溫度控制品質(zhì)分析見表1。

表1 各工況控制品質(zhì)分析

4 結(jié)語

本文提出適用于火電機組寬負(fù)荷調(diào)峰的汽溫控制方法，包含用于減溫水控制回路的改進型串級PID控制算法和用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)的基于狀態(tài)解析和仿人修正的協(xié)調(diào)控制算法，并在不同爐型、不同容量、不同輔機配置和不同參數(shù)等級的機組進行工程應(yīng)用。某630 MW超臨界機組的應(yīng)用結(jié)果表明，在28.7%～100%額定負(fù)荷區(qū)間運行時，所述策略對濕態(tài)穩(wěn)定運行和變負(fù)荷工況，以及干態(tài)穩(wěn)定運行和變負(fù)荷工況下的汽溫控制均具有良好的適用性，無需降參數(shù)運行，所有工況的控制品質(zhì)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。某1 000 MW超超臨界機組的應(yīng)用結(jié)果表明，在30%～100%額定負(fù)荷區(qū)間運行時，汽溫穩(wěn)態(tài)控制品質(zhì)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，控制方法對多重擾動的復(fù)雜工況也具有優(yōu)良的響應(yīng)特性。