AGC模式下超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略的完善及應(yīng)用

蘇 燁，張 鵬，卓魯鋒，陳 列

（1.浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014； 2.浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 樂清 325609）

我國(guó)新建機(jī)組大部分是超臨界或超超臨界機(jī)組，容量從600 MW到1000 MW不等。隨著電網(wǎng)容量的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)對(duì)供電質(zhì)量的要求也越來越高，要求電廠機(jī)組能滿足AGC控制的要求，具有較強(qiáng)的調(diào)峰能力和響應(yīng)速度，對(duì)機(jī)組AGC控制功能及品質(zhì)的考核也越來越嚴(yán)格。

機(jī)組AGC功能的正常投運(yùn)建立在機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有良好的控制品質(zhì)基礎(chǔ)上。根據(jù)超臨界機(jī)組的特點(diǎn)優(yōu)化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)策略，對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行和滿足AGC投運(yùn)條件很有意義。

1 原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)存在的問題

浙能樂清發(fā)電廠一期新建機(jī)組為2臺(tái)600 MW超臨界燃煤機(jī)組，鍋爐為上海鍋爐廠制造的超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛、四角切圓燃燒、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐，采用定-滑-定運(yùn)行方式。汽機(jī)為上海汽輪機(jī)有限公司制造的超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、高中壓合缸、反動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)。儀控采用北京ABB Bailey控制有限公司的Symphony控制系統(tǒng)。

機(jī)組調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)的問題主要有：

（1）機(jī)組鍋爐蓄熱量很小，不同的負(fù)荷段蓄熱能力也不一樣，給水量對(duì)機(jī)組參數(shù)和穩(wěn)定性影響明顯。直吹式制粉系統(tǒng)的大滯后特性不利于鍋爐和汽機(jī)之間的協(xié)調(diào)。

（2）機(jī)組正常運(yùn)行過程中，由于鍋爐蓄熱小和純遲延慣性大的強(qiáng)耦合性特點(diǎn)，使機(jī)組負(fù)荷大范圍變化時(shí)負(fù)荷響應(yīng)速度較快，而負(fù)荷小范圍變化時(shí)響應(yīng)速度較慢。如果小范圍變化滿足響應(yīng)速度快的要求，那么大范圍變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷超調(diào)過大，機(jī)組的安全穩(wěn)定性能受到一定影響。

（3）機(jī)組對(duì)給水量和煤量的變化反應(yīng)靈敏，給水量或煤量的變化對(duì)機(jī)組參數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大影響，燃水比在不同工況和負(fù)荷段的匹配是機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。

（4）負(fù)荷變化初始響應(yīng)慢，如果單純加大燃料主控動(dòng)態(tài)前饋量，可能使機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)超調(diào)，主要參數(shù)不穩(wěn)定。

基于以上情況，在CCS策略設(shè)計(jì)和參數(shù)整定時(shí)，必須考慮燃水比的協(xié)調(diào)，保證燃燒率和給水量之間的平衡關(guān)系；另外一方面要考慮到機(jī)組蓄熱小及純遲延和大慣性強(qiáng)耦合性的特點(diǎn)，使協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能滿足機(jī)組安全穩(wěn)定要求的同時(shí)，滿足AGC大、小負(fù)荷變化的快速響應(yīng)要求。

2 CCS結(jié)構(gòu)模型

負(fù)荷指令與各子系統(tǒng)控制指令之間存在線性關(guān)系，因此很多機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用直接指令平衡控制（direct instruction balance，DIB）。 DIB一般采用閉環(huán)校正和前饋指令相結(jié)合的方式，將單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制指令送給鍋爐主控、汽輪機(jī)主控、燃料主控和給水控制。直流鍋爐的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)象結(jié)構(gòu)模型可簡(jiǎn)化為三輸入三輸出控制系統(tǒng)，輸入為燃料量M、汽輪機(jī)調(diào)門開度μT和給水指令W，輸出為機(jī)前壓力PT、機(jī)組負(fù)荷NE、分離器出口蒸汽溫度θ或焓值H，相互之間存在著很強(qiáng)的耦合性。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的汽機(jī)指令Mt和燃料指令M時(shí)域指令模型如下：

式中：ND為負(fù)荷指令；GPI、GPID為調(diào)節(jié)器算法；k1～k4為負(fù)荷—汽壓分量的配比系數(shù)；f1（x）為汽輪機(jī)前饋函數(shù)；f2（x）為超前指令函數(shù)；f3（x）為煤水分配函數(shù)；λ為焓溫選擇系數(shù)。

以往整定協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)時(shí)，一般整定前饋函數(shù)和PID參數(shù)，但是由于直流爐的蓄熱較小，存在以下幾個(gè)問題：

（1）初始負(fù)荷響應(yīng)慢。

（2）AGC控制模式下，負(fù)荷指令小范圍變化時(shí)負(fù)荷響應(yīng)速度慢，而大范圍變化時(shí)速度能滿足要求。

（3）如果整定成負(fù)荷指令小范圍變化時(shí)速度較快，那么大范圍變化時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)超調(diào)過大，機(jī)組參數(shù)不穩(wěn)定。

（4）單獨(dú)固定的前饋函數(shù)已不能很好地滿足機(jī)組不同負(fù)荷段的控制要求，需要用新的控制回路予以完善。

當(dāng)機(jī)組處于AGC控制模式時(shí)，電力調(diào)度中心對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)速率往往采取以下計(jì)算方式：

響應(yīng)時(shí)間為實(shí)際功率超出響應(yīng)死區(qū)的時(shí)間，一般死區(qū)設(shè)置為2 MW。進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域時(shí)間為指令發(fā)出后實(shí)際功率和目標(biāo)負(fù)荷達(dá)到允許偏差范圍的時(shí)間，一般允許偏差也為2 MW。MCR為機(jī)組設(shè)計(jì)滿發(fā)功率。該計(jì)算方式的問題是需要扣除響應(yīng)時(shí)間，而超臨界和超超臨界機(jī)組的蓄熱小等特性往往使初始響應(yīng)慢，過了初始響應(yīng)區(qū)域后，后期負(fù)荷變化速率快。隨著電網(wǎng)的發(fā)展，對(duì)機(jī)組初始負(fù)荷響應(yīng)能力的要求將有所提高，也會(huì)要求減小響應(yīng)死區(qū)、降低響應(yīng)時(shí)間或取消響應(yīng)時(shí)間，對(duì)機(jī)組初始負(fù)荷響應(yīng)速度和安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求也會(huì)相應(yīng)提高。

3 控制策略完善

3.1 汽機(jī)主控前饋

由于超臨界直流爐蓄熱小和制粉系統(tǒng)的純遲延特性，依靠調(diào)整燃料主控前饋和PID參數(shù)不能很好滿足機(jī)組在一定AGC速率下負(fù)荷小幅變動(dòng)的要求?？紤]到AGC考核要求和機(jī)組變負(fù)荷初期響應(yīng)慢的特點(diǎn)，在汽機(jī)主控前饋回路增加一前饋回路，在變負(fù)荷初期犧牲一定的壓力調(diào)節(jié)品質(zhì)，以滿足機(jī)組變負(fù)荷初期響應(yīng)要求。邏輯如圖1所示， 函數(shù) f（x）跟隨燃料量動(dòng)態(tài)前饋量函數(shù) f2（x）變化，當(dāng)負(fù)荷指令變化時(shí)，燃料量動(dòng)態(tài)前饋f2（x）起作用，f（x）同時(shí)作用到汽機(jī)前饋，直接對(duì)汽機(jī)調(diào)門進(jìn)行調(diào)節(jié)。在整定f（x）函數(shù)時(shí)，需要考慮汽輪機(jī)的控制方式和參數(shù)整定情況。汽輪機(jī)調(diào)門控制分為單閥控制和順序閥控制2種。當(dāng)單閥控制時(shí)，有3個(gè)主汽調(diào)門參與進(jìn)汽量的調(diào)節(jié)；順序閥控制時(shí)，只有1個(gè)調(diào)門對(duì)進(jìn)汽量進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此整定順序閥控制的f（x）應(yīng)比單閥控制時(shí)小。

圖1 優(yōu)化后的汽機(jī)主控前饋

增加此控制回路的作用是為了提高變負(fù)荷時(shí)的初始負(fù)荷響應(yīng)速度，對(duì)負(fù)荷指令進(jìn)行快速響應(yīng)，緩解超臨界直流爐機(jī)組蓄熱小、大慣性和大遲延的問題，以滿足AGC控制方式下初始負(fù)荷響應(yīng)的要求。特別是在AGC模式下的負(fù)荷指令小范圍變動(dòng)過程中，如600 MW機(jī)組變化20 MW負(fù)荷指令，如果以12 MW/min的速率變化，負(fù)荷指令從起作用到負(fù)荷指令到位時(shí)間只需要100 s，但是從指令變化到煤量變化及鍋爐起作用的時(shí)間大概需要1 min左右，雖然在磨煤機(jī)一次風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中增加了微分超前環(huán)節(jié)，但還是不能克服機(jī)組蓄熱小帶來的問題，無法滿足AGC模式下快速響應(yīng)的要求。增加此回路后還能提高機(jī)組的一次調(diào)頻能力，這點(diǎn)已在實(shí)際一次調(diào)頻動(dòng)作中得到證明。

3.2 燃料主控前饋

鍋爐靜態(tài)前饋是DIB協(xié)調(diào)控制的基本組成回路，通過記錄不同負(fù)荷下相應(yīng)的燃料量，得到鍋爐的靜態(tài)前饋參數(shù)。鍋爐動(dòng)態(tài)前饋是DIB協(xié)調(diào)控制的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償回路，對(duì)機(jī)組實(shí)際響應(yīng)負(fù)荷指令的速率和快速響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度目標(biāo)負(fù)荷具有根本性的作用。從原理來說，機(jī)組負(fù)荷指令的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償信號(hào)主要是在機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)時(shí)補(bǔ)償機(jī)組蓄熱的減少，通過參數(shù)調(diào)整可以得到燃料量前饋f2（x）的參數(shù)。在負(fù)荷變動(dòng)AGC試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，單一的f2（x）函數(shù)還無法滿足機(jī)組變負(fù)荷的需要。當(dāng)負(fù)荷指令小范圍變化時(shí)，機(jī)組響應(yīng)慢，如果把f2（x）函數(shù)的參數(shù)放大，會(huì)使負(fù)荷指令大范圍變動(dòng)時(shí)負(fù)荷超調(diào)；如果負(fù)荷指令大范圍變化時(shí)f2（x）參數(shù)滿足要求，那么小負(fù)荷指令變化時(shí)響應(yīng)很慢。因此，對(duì)燃料量動(dòng)態(tài)前饋增加了能根據(jù)負(fù)荷偏差變化的動(dòng)態(tài)可變前饋回路，如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的燃料主控前饋

（1）機(jī)組在增負(fù)荷過程中，如果負(fù)荷指令與實(shí)際負(fù)荷偏差變大，通過f4（x）對(duì)燃料主控動(dòng)態(tài)前饋進(jìn)行調(diào)整，加大燃料量；反之，如果負(fù)荷偏差變小，則通過f4（x）減少燃料量。

（2）機(jī)組在減負(fù)荷過程中，如果負(fù)荷偏差變大，通過f5（x）對(duì)燃料主控動(dòng)態(tài)前饋進(jìn)行調(diào)整，加大燃料量；如果負(fù)荷偏差變小，則通過f5（x）減少燃料量。

（3）機(jī)組在沒有負(fù)荷變化的穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，此回路失效，作用切為0。

（4）當(dāng)存在壓力閉鎖情況時(shí)，此回路作用也失效，由原CCS控制回路自身進(jìn)行閉鎖和調(diào)節(jié)。

3.3 應(yīng)用效果

經(jīng)過以上的策略完善和參數(shù)整定，浙能樂清發(fā)電廠600 MW超臨界機(jī)組從440 MW負(fù)荷增加至540 MW時(shí)的負(fù)荷初始響應(yīng)較快，過程變化平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)偏差小，汽溫波動(dòng)較小，實(shí)際負(fù)荷變化率接近12 MW/min，響應(yīng)曲線如圖3所示。燃料主控前饋和汽機(jī)主控前饋的幅值和時(shí)序匹配良好。圖4為機(jī)組負(fù)荷指令按470 MW→490 MW→510 MW→540 MW變動(dòng)的運(yùn)行參數(shù)記錄，從圖中可以看出，在模擬AGC負(fù)荷指令小幅連續(xù)變化時(shí)，機(jī)組初始響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)過程偏差小，運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定。

圖3 優(yōu)化后負(fù)荷指令大幅變動(dòng)時(shí)的運(yùn)行參數(shù)曲線

圖4 優(yōu)化后負(fù)荷指令小幅變動(dòng)時(shí)的運(yùn)行參數(shù)曲線

4 結(jié)語(yǔ)

超臨界直流爐機(jī)組最大的特點(diǎn)是蓄熱小，負(fù)荷變化初始響應(yīng)慢，在AGC方式時(shí)如何滿足電網(wǎng)自動(dòng)控制要求和提高調(diào)節(jié)品質(zhì)是大容量高參數(shù)機(jī)組必須考慮的問題。通過對(duì)汽機(jī)主控和燃料主控控制策略的完善，有效解決了機(jī)組升降負(fù)荷初期負(fù)荷響應(yīng)慢以及機(jī)組大小負(fù)荷變化時(shí)動(dòng)態(tài)偏差大的問題。從實(shí)際應(yīng)用效果看，改善后的控制策略能滿足良好的機(jī)組控制和品質(zhì)要求。

[1] 朱北恒.火電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)試驗(yàn)[M].中國(guó)電力出版社，2005.

[2] 尹峰，朱北恒，李泉.超（超）臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制特性與控制策略[J].中國(guó)電力，2008，41（3）∶66-69.

[3] 尹峰，朱北恒，羅志浩，等.基于預(yù)給煤動(dòng)態(tài)模型的直接指令平衡系統(tǒng)在火電廠協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用[J].中國(guó)電力，2007，40（11）∶89-92.

[4] 王家興，白焰，董玲，等.超臨界600 MW機(jī)組直流爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及AGC策略的改進(jìn)與應(yīng)用[J].熱力發(fā)電，2008，37（12）∶85-89.