高供熱負荷超臨界機組AGC控制優(yōu)化策略

摘要：當前，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，自動化程度的提高，AGC的需求日益增加，機組接收負載命令的頻率也在急劇增加；同時，機組主要設(shè)備的改造和控制參數(shù)的優(yōu)化沒有得到及時調(diào)整，導(dǎo)致AGC和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)不佳，造成機組負載響應(yīng)不夠快、AGC控制質(zhì)量降低。針對高供熱負荷超臨界AGC的負荷控制響應(yīng)滯后問題，本文主要研究超臨界機組的運行特性，并以某電廠超臨界機組為例，優(yōu)化控制參數(shù)，以供參考。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化；AGC；超臨界機組

超臨界機組由于具有良好的經(jīng)濟性能，目前已成為新型電力機組的主流，然而還不夠了解其性能，運行控制方法也并不完備，尤其在《華東區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》和《華東區(qū)域電力輔助服務(wù)管理實施細則》（“兩個細則”）的執(zhí)行情況下，AGC（Automatic Generation Contro l）綜合評價標準一般不高，影響該系統(tǒng)的評價和電力品質(zhì)。為此，需要有效控制AGC。

在關(guān)鍵參數(shù)下，超臨界單元極限值（氣壓22.115MPa，374℃）的氣液濃度是相同的，不能在超臨界壓下保持正常的周期。由于采用了直流加熱技術(shù)，會提高工作液的流動速度，導(dǎo)致系統(tǒng)的負載與燃燒不平衡。在超臨界DC爐中，由于沒有與蒸汽相結(jié)合的原始能量，在外部負載變化時，能量較低，易引起裝置內(nèi)的壓力溫度改變。在直流爐中，汽水兩相沒有明顯的界限，由于燃燒、給水、汽輪機調(diào)閥的影響，各工序的長短都會受到影響，引起負荷、壓力和溫度的變化。此外，超臨界機組大部分采用滑參數(shù)操作，在負荷變動時，實際工作處于亞臨界狀態(tài)，控制性能與之截然相反，這是一個具有復(fù)雜變化特征的非線性控制目標。

一、超臨界機組特性

（一）超臨界機組的動態(tài)特性

從控制觀點考慮，可以把超臨界機組簡單分解成三輸入、三輸出的被控目標，輸入量為燃料量FF、給水量FW、汽機調(diào)閥開度U，輸出量為發(fā)電量N、主蒸氣壓力Pt、主蒸汽溫度T。圖1顯示了超臨界系統(tǒng)的主輸出功率階躍干擾。通過對給水量的擾動，發(fā)現(xiàn)主蒸氣壓力先上升后下降，最后保持在一個較高的水平，隨著主蒸汽溫度的下降，機組的負荷呈現(xiàn)先上升、后下降的趨勢。通過分析燃料擾動，可以發(fā)現(xiàn)主蒸氣壓力上升后，始終保持在一個較高水平。在提高主蒸汽溫度后，會提升機組的工作效率。通過擾動開度可以發(fā)現(xiàn)，機組的負載先上升后下降，最后保持在較低水平，主蒸氣壓力下降，主蒸汽溫度先降低、后上升。

（二）強烈的非線性特性

由于超臨界直流系統(tǒng)是一個較復(fù)雜的系統(tǒng)，動力性能的參量會隨負荷的大幅改變而變化。同時，由于系統(tǒng)中有不穩(wěn)定的延遲，也會隨負荷條件的變化而變化。

二、超臨界參數(shù)機組及其模型

機組工作過程如圖2所示。

其中，μt為汽機調(diào)閥開啟；m為給煤量；μd為給水流量；pt為機組主氣壓設(shè)定值；psm為加熱段的出氣壓；pjr為加熱區(qū)出口蒸氣壓力；pzf為蒸發(fā)區(qū)的出氣壓；pgr為過熱區(qū)域的出氣壓；0gr為過熱的蒸汽的溫度；0sm為鍋爐的排汽水蒸汽的溫度；0jr為加熱區(qū)域的出汽溫度；0zf為蒸發(fā)區(qū)出口蒸汽溫度；0zff為蒸發(fā)區(qū)的出汽溫度；Qgr為加熱段內(nèi)的金屬管內(nèi)的蒸汽傳遞熱量；Qjrf為加熱區(qū)域內(nèi)的金屬管的熱傳遞；Qzf為蒸發(fā)區(qū)域內(nèi)的水蒸氣在金屬管內(nèi)的熱傳遞；Qzff為蒸發(fā)區(qū)域內(nèi)的金屬管的熱傳遞；Qgr為過熱段內(nèi)由蒸汽向金屬管內(nèi)的熱傳遞；Qgrf為過熱段內(nèi)的金屬管的熱傳遞；P為單位的輸出功率。

該裝置的工作原理是：由給水泵出口的工質(zhì)水經(jīng)過高加的預(yù)熱后，進入到鍋爐的加熱面上，在加熱段期間，在爐中為給水加熱、蒸發(fā)和過熱，將其轉(zhuǎn)化為過熱的水蒸氣，然后輸送到汽輪機和發(fā)電機。在超臨界條件下，水蒸汽的壓力比閾值還要高0.129MPa，飽和水與飽和蒸汽之間不再存在二相區(qū)，因此，在超臨界工況下，不宜使用蒸汽鍋爐。同時，機組的運行壓力也是機組和汽輪機能源供需的均衡，而過熱的蒸汽溫度會直接影響整個系統(tǒng)的運行。以此，可以將控制對象分為完成負荷追蹤、機前壓力、過熱蒸汽在指定范圍內(nèi)。

三、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化措施

在新的調(diào)度模式下，負載命令按照“ACE”（Area Control Error）模式進行控制，負載命令每次使用調(diào)整一次。同時，由于超臨界機組的熱容容量較低，當外部負載發(fā)生波動時，會使其溫度發(fā)生變化，影響機組的安全生產(chǎn)。所以，超臨界機組的協(xié)調(diào)控制既要達到“兩個細則”的運行目標，確保機組壓力、溫度等運行參數(shù)的穩(wěn)定性，又要保障AGC的投入量，實現(xiàn)機組AGC的有效利用及調(diào)整性能的目的。

（一）協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

在常規(guī)的協(xié)同控制系統(tǒng)中，多采取以蒸汽為動力的啟動方式實現(xiàn)機組的穩(wěn)定。超臨界機組比亞臨界汽包爐的儲熱容量要低，容量和負載的反應(yīng)速度也低于亞臨界汽包爐，僅靠蒸汽發(fā)動機調(diào)整負載容易引起系統(tǒng)的工作壓力變化。由此，供水系統(tǒng)的供水干擾及燃料水率改變，會導(dǎo)致主要蒸汽的溫度急劇改變。因此，在超臨界汽輪機的協(xié)同運行中，沿用常規(guī)的跟蹤式爐主跟蹤控制方法是不可行的。

事實上，在超臨界蒸汽包爐中，由于水冷卻壁面的熱耗量與工作物資儲備較低，因而熱容和慣量比亞臨界汽包爐低，且負載反應(yīng)速度比亞臨界汽包爐高。在此情況下，超臨界機組的協(xié)同控制可以實現(xiàn)汽機對主蒸氣壓力的調(diào)節(jié)，而鍋爐負載是基于機械跟蹤，也就是初期加壓?；诔跏級毫Φ腃CS系統(tǒng)，既可以達到負載的反應(yīng)速度，又可以更好的穩(wěn)定系統(tǒng)工作性能。

當機組在鍋爐端受到干擾而產(chǎn)生負載和壓力改變時，利用蒸汽發(fā)動機調(diào)整主蒸氣壓力可以有效減少主蒸汽的波動，但調(diào)整后的主蒸氣壓力會使機組的負載波動更加劇烈，無法達到對AGC測試的需求。超臨界機組沒有蒸汽包，不能實現(xiàn)直接的能源均衡，同時，由于背后的壓力受到外部環(huán)境的影響，例如，環(huán)境溫度等，因此，如果采取負載指示的間接均衡方式，會產(chǎn)生很大的浪費，無法確保各機組之間的能源均衡。

（二）綜合優(yōu)化提高K值

超臨界機組AGC的標準調(diào)整速度是1.5%Pe，調(diào)節(jié)差異區(qū)是額定負載的1%，這樣機組負荷跨出調(diào)節(jié)差異區(qū)時間為45s，而向機組下達負荷調(diào)度指令，通常要延遲20s，相加大于火電機組AGC控制響應(yīng)時間標準60s。當計算機群的負載達到命令時，要求實際負載超出目標負載，需要對負載命令具有很高的響應(yīng)能力。

1.負荷指令前饋

在鍋爐控制系統(tǒng)中，加入負載命令差分法的動力前向，利用差動效應(yīng)，在負載變化的早期加入一定的超調(diào)節(jié)，以消除機組的惰性，能迅速反應(yīng)負載，在差分時間控制方面，將差分法與固定差分法相結(jié)合，使差分法在負載命令逼近目標時逐步降低，以達到準確的前饋過調(diào)，該系統(tǒng)能較好適應(yīng)AGC對負載的調(diào)整和響應(yīng)時間的要求。在汽機主控制系統(tǒng)的設(shè)置值回路中，加入一個單元負載命令的差動環(huán)，使其在負載命令發(fā)生改變時發(fā)生調(diào)門動作，并最大程度上發(fā)揮機組的熱量。在負載命令中加入差動環(huán)后，負載的反應(yīng)速度會得到明顯改善，使負載的反應(yīng)時間達到AGC響應(yīng)的要求。

2.利用機組給水加快AGC的響應(yīng)速度

超臨界蒸汽爐的蓄熱量只有亞臨界汽包爐的1/4～1/3，其負載反應(yīng)比亞臨界汽包爐低。在該過程中，由于不存在類似汽包之類的蓄熱組件，因此，在超臨界DC鍋爐的汽液流經(jīng)過程中，經(jīng)過連續(xù)加熱、蒸發(fā)、過熱，最終會轉(zhuǎn)化為主要的蒸汽。結(jié)果表明，超臨界機組供給量的大小對機組負載和主蒸氣壓的變化有較大的影響。通過對作為供水系統(tǒng)燃料比命令的設(shè)備負載命令進行動力前饋，可以使負載偏離和負載命令改變關(guān)系，在提升負載時，提前增加或減少供水量，以此提高機組負載的反應(yīng)速度。該方法可以有效解決因增加負載反應(yīng)汽機速率的調(diào)門過大引起的主蒸氣壓力起伏，使其在變載期間保持主蒸氣壓力平穩(wěn)，進而改善系統(tǒng)的負載調(diào)整精度。

3.優(yōu)化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)壓力控制回路

在大慣性延遲的情況下，汽輪機則能對負荷快速響應(yīng)，雖然超臨界鍋爐的熱容量及慣性明顯小于亞臨界鍋爐，但負載反應(yīng)速度低于AGC的負載能力。當AGC命令根據(jù)ACE方式進行調(diào)整時，由于負載指示的重復(fù)變化，很容易使主蒸氣壓力發(fā)生變化，影響汽輪機的控制系統(tǒng)，對負載調(diào)整的準確性和轉(zhuǎn)速產(chǎn)生不利影響。在確保機組安全性的情況下，應(yīng)允許主蒸氣壓力適當變化，改善負載反應(yīng)時間及負載反應(yīng)速率。在“蒸汽功率需求”的基礎(chǔ)上，通過為“蒸汽動力需求”增加一個整數(shù)數(shù)值，在一定程度上降低蒸氣壓力的調(diào)整精度，實現(xiàn)負載調(diào)整。

（三）實時熱耗計算校正燃料熱值

精確校正燃料發(fā)熱是機組協(xié)調(diào)控制的前提。燃料量的波動不但會直接影響負載的精確和速率，還會影響協(xié)同控制的投入量。當前，超臨界機組的熱值修正一般都利用機組的蒸汽流量表示，但由于超臨界機組在運行中的水汽溫度波動很大，且實際熱耗率受環(huán)境溫度、風向等外部環(huán)境因素的影響，無法精確反映燃油發(fā)熱量，使熱值修正功能在超臨界機組中很難獲得有效運用，并進行負載調(diào)整。利用鍋爐的熱耗進行預(yù)測，修正燃煤溫度，可以有效克服超臨界熱能的不足。

（1）

公式中：Q1為實際燃料熱值，kJ/kg；Q2為實際熱耗量，kJ/h；B1為實際燃料量，kg/h。

可以將鍋爐的實際熱耗分解成兩個吸熱部分，即把整個鍋爐的媒質(zhì)流動劃分成一個節(jié)溫區(qū)至過熱器出口和再熱器入口區(qū)至再熱器出口處，并將兩個區(qū)的吸熱系數(shù)進行求和。每一階段的吸熱為該區(qū)段出口熱減去該區(qū)段入口熱，而在各個區(qū)段邊界處的熱能為該區(qū)內(nèi)的熱源與該區(qū)內(nèi)媒質(zhì)的流速之積。

B2=B1（Q1/Q2） （2）

公式中：B2為設(shè)計燃料量，kg/h；Q3為設(shè)計燃料熱值，kJ/kg。

四、結(jié)語

綜上所述，超臨界機組具有蓄熱量低、負載初期反應(yīng)緩慢的劣勢，因此本文優(yōu)化了機組AGC的自動調(diào)節(jié)策略，引入了初壓型協(xié)同控制，既能滿足AGC的控制需求，又能有效改善系統(tǒng)的負載調(diào)整和運行性能。通過優(yōu)化超臨界機組的綜合負荷控制，AGC的可用率和各項性能指數(shù)都可以得到極大改善，更好地滿足電力系統(tǒng)的自動化調(diào)度要求，確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全。因此，對電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟和平穩(wěn)供電具有重要意義。

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作者簡介：龔蘇平（1984），男，江西省進賢縣人，大學(xué)本科，工程師/技師，從事火電廠儀控專業(yè)系統(tǒng)設(shè)備檢修、維護工作，致力于生產(chǎn)現(xiàn)場實際問題的研究處理，主要研究方向為儀控設(shè)備技術(shù)監(jiān)督、自動控制系統(tǒng)及熱力系統(tǒng)性能優(yōu)化。