600 MW機組協(xié)調(diào)控制方案及優(yōu)化策略

楊俏發(fā)

(西山煤電(集團)有限責(zé)任公司 發(fā)電分公司，山西 太原 030053)

采用汽包爐的單元機組，其協(xié)調(diào)控制策略已經(jīng)很成熟，控制效果也比較理想。但是，目前國內(nèi)滑壓運行的超臨界機組的協(xié)調(diào)控制策略可以說是百花齊放，但在實際工程應(yīng)用中都不完善，仍然需要進(jìn)行深入研究。本文根據(jù)古交電廠二期新投產(chǎn)的2×600 MW超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計和運行，介紹了本機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的特點，并對超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制策略及品質(zhì)進(jìn)行了分析和綜述。

1 超臨界機組的主要特性

超臨界直流鍋爐沒有汽包，當(dāng)給水流量及燃燒量發(fā)生變化時，受熱面的吸熱比率將發(fā)生變化，其汽水分界面也隨之發(fā)生移動，同時鍋爐出口溫度以及蒸汽流量和壓力都將發(fā)生變化。因此，給水、氣溫、燃燒系統(tǒng)是密切相關(guān)的，不能獨立控制，應(yīng)該作為整體進(jìn)行控制［1］。這是直流爐同汽包爐之間最大的區(qū)別，從控制角度分析，超臨界機組具有以下主要特性［3］。

1.1 三輸入三輸出相互耦合關(guān)聯(lián)極強

直流鍋爐在燃料、給水、汽機調(diào)門開度之間存在著強烈的耦合性，表現(xiàn)特性有:汽機調(diào)門開度不僅影響了鍋爐出口壓力，還影響著蒸汽溫度的變化;鍋爐燃料率的改變，使壓力、溫度、蒸汽流量均增加;水量增加，會增大蒸汽量，將導(dǎo)致主汽壓力和功率初期增加，在經(jīng)過一定延時后汽溫下降，使得主汽壓力及功率又有所降低?？梢钥闯?，超臨界機組是一個三輸入三輸出的多變量調(diào)節(jié)對象，它具有非常強的非線性耦合特性［3］。

1.2 非線性特性很強

超臨界機組多采用滑參數(shù)運行，而隨著機組負(fù)荷的變化，機組的動態(tài)特性參數(shù)亦隨之大幅度變化。如燃水比調(diào)節(jié)的溫度對象，在300～600 MW負(fù)荷變化范圍內(nèi)，對象特性時間常數(shù)的變化也有近3倍，汽溫響應(yīng)特性慣性增加，時間常數(shù)和延遲時間增加，因此，從控制角度考慮，直流爐需要設(shè)計較汽包爐更為復(fù)雜化的控制手段，才能適應(yīng)對象復(fù)雜特性的控制要求。

1.3 其他特點

直流爐沒有汽包，汽水循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量相比汽包爐大大下降，且爐蓄熱較少，因此，在任何時候都必須保持機組的能量和物質(zhì)平衡［3］。另一方面現(xiàn)階段大容量機組在制粉系統(tǒng)設(shè)計上多配置直吹式制粉系統(tǒng)，它的大滯后特性更不利于機、爐間的協(xié)調(diào)控制，這對整個協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)也是不利的。

從以上分析可以看出，從協(xié)調(diào)控制的角度來說超臨界機組是一個復(fù)雜的多變量非線性被控對象。在協(xié)調(diào)控制方案的設(shè)計中，應(yīng)充分考慮對象特性，需要采用變參數(shù)PID，變結(jié)構(gòu)控制策略［2］，以保證在各個負(fù)荷點上控制系統(tǒng)具有良好的效果。

2 2×600 MW超臨界機組協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方案

古交電廠二期設(shè)計所用的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化基于初壓模式的能量控制理念，借鑒了DEB控制方案的特點，將“汽機能量需求”應(yīng)用在汽機主控的閉環(huán)控制和鍋爐主控的前饋控制中，有效解決了鍋爐和汽機之間的能量需求平衡以及控制系統(tǒng)對外界負(fù)荷響應(yīng)特性間的差異［3］。另外，針對目前較為突出的水煤比動態(tài)失調(diào)現(xiàn)象，重點在給水控制策略上進(jìn)行了了優(yōu)化。

1)機組主控函數(shù)的優(yōu)化。以機組優(yōu)化后的煤、風(fēng)、水與負(fù)荷的靜態(tài)關(guān)系，蒸汽壓力、溫度定值與負(fù)荷的靜態(tài)關(guān)系、鍋爐的配風(fēng)都是機組優(yōu)化調(diào)整的結(jié)果，保證機組穩(wěn)態(tài)運行接近最佳經(jīng)濟點，從一個負(fù)荷點過渡到另一個負(fù)荷點的變負(fù)荷過程中，各調(diào)節(jié)量和相關(guān)參數(shù)的變化也能保證經(jīng)濟損失接近最小，以減小變負(fù)荷的運行成本，實現(xiàn)經(jīng)濟運行的自動控制。

2)汽機調(diào)門控制方式確定。通過試驗，尋求滿足機組變負(fù)荷需求的合理的汽機調(diào)門控制方式。確定在滿足機組初期的變負(fù)荷要求下，減小汽機調(diào)門節(jié)流損失的運行方式。

3)智能化控制方式。根據(jù)機組變負(fù)荷和穩(wěn)態(tài)的工況，使控制系統(tǒng)處于合適的控制方式，即在保證機組安全的前提下發(fā)揮出機組變負(fù)荷性能，及時滿足電網(wǎng)的變負(fù)荷要求，又能使機組穩(wěn)定、經(jīng)濟地運行。

4)智能化的超調(diào)控制。根據(jù)變負(fù)荷幅度、機組當(dāng)時的運行參數(shù)等，預(yù)估給水和燃料的超調(diào)幅度，及時平衡汽機對鍋爐蒸發(fā)量的要求，減小汽壓的變化幅度，并最終使汽壓恢復(fù);及時平衡機組的能量，減小汽溫的變化，最終使汽溫恢復(fù)。

5)機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)保護分析及改進(jìn)。協(xié)調(diào)控制CCS保護邏輯安全性分析及改進(jìn)，包括負(fù)荷高低限、交叉限制、方式切換邏輯、CCS報警邏輯完善等。

6)給水控制系統(tǒng)優(yōu)化。改進(jìn)給水控制系統(tǒng)，優(yōu)化動態(tài)煤水比控制策略，滿足變負(fù)荷和穩(wěn)態(tài)工況下分離器溫度的控制要求，能實現(xiàn)給水全程自動化。

7)風(fēng)量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能優(yōu)化和調(diào)整。

主要工作內(nèi)容包括:爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)化;風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)品質(zhì)優(yōu)化，氧量校正回路優(yōu)化;風(fēng)箱風(fēng)門，SOFA控制方式優(yōu)化等。

8)燃料熱值自動修正回路改進(jìn)和調(diào)整。通過燃料熱值修正回路的邏輯優(yōu)化和調(diào)整，達(dá)到燃料熱值自動修正的目的，使熱值修正后的煤量代表煤的熱量，使以煤量為基準(zhǔn)的協(xié)調(diào)、給水、風(fēng)量控制系統(tǒng)正常運行。

9)磨煤機控制系統(tǒng)優(yōu)化和調(diào)整。優(yōu)化磨煤機的冷熱風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，結(jié)合機組優(yōu)化試驗結(jié)果，通過調(diào)整控制系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)自動控制下的磨煤機優(yōu)化運行。

2.1 優(yōu)化后的汽機主控回路

優(yōu)化后的汽機主控回路見圖1。汽機主控回路中，采用壓力比修正的功率信號作為汽機主控的被調(diào)量，即:作為汽機主控的被調(diào)量。采用能量控制的理念在汽包爐的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)工程應(yīng)用中已獲得了成功經(jīng)驗［3］，它能夠?qū)崿F(xiàn)各被控量間的單向完全解耦，有效地簡化了對象的復(fù)雜程度;另外，在汽機主控制回路中的負(fù)荷設(shè)定值設(shè)計有負(fù)荷指令的微分信號，以及負(fù)荷指令微分作用的前饋回路，大大提高了負(fù)荷響應(yīng)時間，但同時兩種微分作用的加入，也造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素。

圖1 古交二期CCS汽機主控回路示意圖

2.2 鍋爐主控回路的優(yōu)化

鍋爐主控回路的優(yōu)化見圖2。優(yōu)化后的鍋爐主控回路具有以下特點:

1)采用機組功率信號作為總被調(diào)量，通過閉環(huán)控制回路調(diào)整機組負(fù)荷，克服來自鍋爐側(cè)由于燃燒變化等各種擾動因素，實現(xiàn)對機組能量輸入的控制。

2)將汽機能量需求信號應(yīng)用在鍋爐主控的前饋控制方案中，機爐之間的能量需求平衡以及控制系統(tǒng)對外界負(fù)荷的響應(yīng)由“汽機能量需求信號”作為鍋爐主控靜態(tài)前饋。

圖2 古交二期CCS鍋爐主控回路框圖

3)負(fù)荷指令前饋回路的優(yōu)化。原協(xié)調(diào)投入運行后，當(dāng)負(fù)荷指令變化時，汽壓波動大、協(xié)調(diào)響應(yīng)速度低，其原因為負(fù)荷指令前饋過小，動態(tài)補償效果不好。優(yōu)化后的負(fù)荷指令前饋環(huán)節(jié)采用經(jīng)負(fù)荷變動率限制后的機組負(fù)荷指令的動態(tài)前饋，來補償機爐間負(fù)荷響應(yīng)特性的差異，該回路采用負(fù)荷指令的實際微分環(huán)節(jié)來實現(xiàn)，并能根據(jù)負(fù)荷指令的階躍變動量智能化適配微分作用強度，合理控制燃料的動態(tài)超調(diào)量以及超調(diào)部分作用時間，能夠適應(yīng)AGC方式下復(fù)雜多變的外界負(fù)荷變化。另外，在該超調(diào)回路中為保證整個系統(tǒng)的安全界限，對該部分作用加以限制，限制量為±60 MW。

4)鍋爐主控制輸出指令經(jīng)風(fēng)煤交叉限制處理，分別送至燃料控制回路及送風(fēng)量控制回路，來改變鍋爐燃燒率，快速響應(yīng)外界負(fù)荷的變動。

2.3 給水控制回路的優(yōu)化

給水控制的目的是控制總給水流量，時刻維持鍋爐燃燒過程中給水與燃料輸入量之間合理關(guān)系，防止鍋爐發(fā)生超溫或汽溫、汽壓大幅波動現(xiàn)象［1］。在優(yōu)化后的給水控制系統(tǒng)設(shè)計中，采用的中間點焓值作為燃水比的反饋信號，理論上中間點焓在負(fù)荷變化過程中靈敏度和線性度具有明顯優(yōu)勢，對燃水比失調(diào)反應(yīng)迅速。因此，采用中間點焓值控制更有利于在工況變化時的負(fù)荷控制和溫度控制，本優(yōu)化方案提出基于過熱度調(diào)整的中間點焓值控制系統(tǒng)，其主要包含下述各環(huán)節(jié):

1)中間點焓值設(shè)定值的生成:通過分離器出口壓力確定其微過熱度，以及運行人員對微過熱溫度設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整，形成最終分離器出口溫度設(shè)定值，再根據(jù)分離器出口壓力和溫度設(shè)定值計算中間點焓值設(shè)定值。同時根據(jù)當(dāng)前壓力計算出其壓力下的最大及最小焓值設(shè)定值，通過高低限對最終焓值設(shè)定進(jìn)行安全有效地限定。

2)中間點實際焓值的生成:根據(jù)當(dāng)前分離器出口壓力、溫度通過焓值生成功能塊得出當(dāng)前中間點的實際焓值。

3)中間點焓值與焓值設(shè)定值構(gòu)成閉環(huán)回路，焓值控制器的輸出作用到給水流量設(shè)定值中，來修正穩(wěn)態(tài)及動態(tài)過程中燃水比的失調(diào)，并最終維持分離器的微過熱度在設(shè)定范圍內(nèi)。

4)中間點焓值設(shè)定值與省煤器入口焓的焓差，即給水的有效焓增量，基于鍋爐發(fā)熱量計算出理論給水量，焓值控制器的靜態(tài)前饋，作為機組靜態(tài)、動態(tài)過程中燃水比的基準(zhǔn)控制通道，始終保持給水跟隨燃料量變化來快速動作。

5)采用了機組負(fù)荷指令，通過熱耗修正作為鍋爐的發(fā)熱量代替燃料量作為給水控制的燃水比指令，作為機組變負(fù)荷工況下燃水比的控制手段，保證動態(tài)工況下燃水比在合理范圍內(nèi)。

6)采用了機組負(fù)荷指令的動態(tài)微分前饋，并通過機組特性試驗，較準(zhǔn)確地得到變負(fù)荷工況下燃水比合理的配比特性，通過優(yōu)化動態(tài)前饋參數(shù)，控制給水動態(tài)變量動作時間及幅度，保證在動態(tài)過程中給水同燃料超調(diào)量在幅值及時間上的最佳配合，克服了鍋爐在燃燒率同給水?dāng)_動特性間的巨大差異，有效改善了變負(fù)荷工況下水冷壁頻繁超溫的問題。

3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化前后運行情況的對比

本套協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在優(yōu)化前，整體控制性能表現(xiàn)較好，但是在某些時間段也曾出現(xiàn)過一些問題，經(jīng)過對整體控制方案的分析、局部控制策略及參數(shù)的優(yōu)化，使其調(diào)節(jié)回路設(shè)計更加合理，調(diào)節(jié)品質(zhì)已大有改觀，下面將協(xié)調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)的主要問題作以分析。

1)協(xié)調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)的主要問題。

a)機組變負(fù)荷過程中，過熱度變化幅度較大，鍋爐金屬壁溫局部超溫現(xiàn)象較為常見。

b)控制系統(tǒng)消除功率偏差的能力差，動靜態(tài)功率偏差可達(dá)20 MW，時常發(fā)生AGC考核。

c)控制系統(tǒng)在低負(fù)荷階段穩(wěn)定性能差，表現(xiàn)為負(fù)荷、汽壓、汽溫等主要參數(shù)不穩(wěn)定。

d)機組變負(fù)荷過程中，燃料超調(diào)幅度較大，對低負(fù)荷工況下鍋爐燃燒穩(wěn)定性不利。

2)針對上述問題，將系統(tǒng)性地加以分析并進(jìn)行改進(jìn)。

a)原控制方案及參數(shù)匹配主要存在燃水比動態(tài)失調(diào)嚴(yán)重現(xiàn)象，造成動態(tài)過程中過熱度波動較大，同時主汽壓、溫度以及負(fù)荷等參數(shù)調(diào)節(jié)品質(zhì)較差;通過對比動態(tài)過程中煤量與給水量的變化，問題在于給水超調(diào)量在時間上較為滯后、幅度上欠缺，通過修改滯后時間及幅值，基本上得到了解決。

b)汽機主控回路采用的壓力比修正的功率信號，對外界負(fù)荷響應(yīng)不利，特別是在燃水比失調(diào)嚴(yán)重的工況下，由于負(fù)荷偏差是通過改變?nèi)紵蕘硐@在對象特性上就存在很大的滯后，故造成了機組消除負(fù)荷偏差的能力較差。

c)直流爐具有很強的非線性特點，一般較為常規(guī)的控制手段不能完全適應(yīng)，需在控制方案上和過程控制參數(shù)搭配等方面進(jìn)行改進(jìn)。在低負(fù)荷工況下，機組各主要被調(diào)量、調(diào)節(jié)量有波動趨勢，原因在于協(xié)調(diào)控制策略存在弊端，另外爐主控制器及焓值控制器參數(shù)不匹配，解耦關(guān)系不明確，系統(tǒng)間存在著的較強的耦合、共振現(xiàn)象。目前，主要是采用對各控制參數(shù)的調(diào)整、優(yōu)化手段，并進(jìn)一步摸索系統(tǒng)特性，以達(dá)到最佳參數(shù)匹配，該問題已在#4機組上得到解決。

4 結(jié)束語

在機組運行中對#4機組協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了以下改進(jìn)、優(yōu)化，經(jīng)過一年來的實踐，效果顯著，究其原因是控制方案的局部改進(jìn)及優(yōu)化針對性強，對原系統(tǒng)較為突出的矛盾通過調(diào)整獲得改觀，但縱觀整體控制方案，特別是采用的焓值控制方案概念較為模糊，線性化處理手段過多，造成系統(tǒng)對運行工況及機組特性依賴較大;以及采用汽包爐能量平衡原理的協(xié)調(diào)基型，因其直流爐同汽包爐特性上的差異，在工程應(yīng)用中雖然采用了熱值修正、智能化動靜態(tài)前饋等控制手段，仍然難以獲得能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)機爐能量間平衡的表征量，因而控制系統(tǒng)表現(xiàn)品質(zhì)上存在反復(fù)現(xiàn)象。這些將是下一步對整個協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在整體策略上需優(yōu)化的重點方向。

［1］熊淑燕，王興葉，田建艷.火力發(fā)電廠集散控制系統(tǒng)［M］.北京:科學(xué)出版社，2003:1－3.

［2］巨林倉.電廠熱工過程自動調(diào)節(jié)［M］.北京:中國電力出版社，1994:2.

［3］孟祥榮，王貴明.協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)［M］.濟南:山東電力研究院，1999:4.