超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在崇信發(fā)電廠中的應(yīng)用?

馬林東，葛智平

（甘肅電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

近年來，隨著能源危機(jī)的加劇，人們不得不在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域探索先進(jìn)的技術(shù)來降低碳排放量和降低能源需求?；痣姍C(jī)組隨著蒸汽參數(shù)的提高，效率相應(yīng)提高，其平均煤耗在310g～320g左右，比亞臨界機(jī)組減少20g～40g［1］。隨著我國建設(shè)節(jié)約型社會的規(guī)劃，600 MW超臨界機(jī)組及1 000MW超超臨界機(jī)組在國內(nèi)日趨成為主流，盡快掌握先進(jìn)的超臨界機(jī)組控制技術(shù)，對于節(jié)能減排顯得尤為重要。

超臨界直流鍋爐由于其工藝流程與對象特性發(fā)生了較大的變化，因此在不同的工況下必須采用不同的控制策略，否則會造成超溫超壓，嚴(yán)重情況下會造成停機(jī)停爐。本文在分析已投產(chǎn)的超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對比不同控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，并且對崇信電廠2×660MW超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制方案進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)踐證明機(jī)組調(diào)節(jié)品質(zhì)良好。

1 超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)

直流爐沒有汽包環(huán)節(jié)，機(jī)組蓄熱能力下降，在超臨界參數(shù)下，壓力達(dá)到22.137MPa，溫度達(dá)到374.15℃時，汽水密度相等，在整個汽水流程中（加熱段、蒸發(fā)段和過熱段）任何一種擾動都會使分界線前移或后移，從而導(dǎo)致溫度和壓力變化，表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性和不可控性，因此要求協(xié)調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該能夠快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地保持機(jī)組的能量平衡。

協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)（如給水控制、燃料控制回路）之間有很強(qiáng)的非線性耦合，隨著燃料、給水和汽機(jī)調(diào)門開度的擾動而變化，從而影響負(fù)荷、壓力和溫度的變化。

如果采用直吹式分系統(tǒng)，由于從給煤到制成粉末再送到爐膛燃燒整個環(huán)節(jié)具有較大的遲滯性，對于整個協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)來說是一個控制難點(diǎn)。

2 協(xié)調(diào)控制方案分析及優(yōu)化

2.1 方案分析

崇信電廠2×660MW超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包括爐主控、機(jī)主控、壓力控制回路、負(fù)荷指令設(shè)定回路等。機(jī)組具有4種運(yùn)行方式：機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式、鍋爐跟蹤方式、汽機(jī)跟蹤方式及機(jī)爐手動方式。該電廠采用以鍋爐跟蹤為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)方式。該方式下機(jī)主控維持機(jī)組負(fù)荷，爐主控控制機(jī)前壓力，這種情況下機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度快，控制比較穩(wěn)定，但是機(jī)前壓力波動幅度比較大，在控制中是個難點(diǎn)。

2.1.1 鍋爐主控回路

由于采用直吹式制粉系統(tǒng)，給煤量變化反映到爐膛燃燒具有一定的延時和慣性時間，因此在設(shè)計鍋爐主控方案時，要考慮采用前饋控制來提高機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)能力。

在鍋爐跟隨（Boiler Follow，BF）方式下，根據(jù)主汽壓力與設(shè)定值的偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，PID輸出加上3個相當(dāng)于前饋?zhàn)饔玫姆至繕?gòu)成鍋爐主控輸出。這3個分量是：主汽壓力偏差、汽機(jī)調(diào)速級壓力×主汽壓力設(shè)定值/主汽壓力（限幅后）、經(jīng)50s濾波后的主汽壓力值（相當(dāng)于微分作用）。

在協(xié)調(diào)控制（Coordination Control System，CCS）投入時，根據(jù)主汽壓力與設(shè)定值的偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，指令構(gòu)成如下：PID輸出加上4個相當(dāng)去前饋?zhàn)饔玫姆至?。這4個分量分別是：主汽壓力的偏差、機(jī)組負(fù)荷指令函數(shù)、主汽壓力偏差和負(fù)荷指令函數(shù)、機(jī)組負(fù)荷指令經(jīng)濾波后減去機(jī)組負(fù)荷后的函數(shù)。

鍋爐主控回路的輸出主要控制燃燒量、風(fēng)量和給水量，以保證合適的燃水比和風(fēng)煤比來適應(yīng)負(fù)荷的變化。

2.1.2 汽機(jī)主控回路

汽機(jī)主控指令也由兩部分構(gòu)成，一部分是汽機(jī)跟蹤方式下汽機(jī)主指令，另一部分是協(xié)調(diào)方式下的汽機(jī)主指令。在汽機(jī)跟隨（Turbine Follow，TF）方式下汽機(jī)指令僅僅是主汽壓力偏差的PID運(yùn)算，在沒有投入TF的方式下跟蹤汽機(jī)主控的輸出值。

在CCS方式下，機(jī)組負(fù)荷指令經(jīng)一階慣性環(huán)節(jié)與機(jī)組負(fù)荷偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，同時引入主汽壓力偏差和負(fù)荷指令函數(shù)作為前饋量，以提高機(jī)組的負(fù)荷調(diào)整能力。

2.1.3 燃料量和給水量的比值控制回路

直流鍋爐的蒸發(fā)量不僅取決于燃料量，同時也取決于給水流量，機(jī)組負(fù)荷的控制與燃水比密切相關(guān)，燃料指令和給水指令與負(fù)荷指令成一定比例的關(guān)系。在崇信電廠，煤主控接收鍋爐主控和總風(fēng)量之間的小選（保證有足夠的風(fēng)量）與總?cè)剂狭肯鄿p之后進(jìn)行PID運(yùn)算構(gòu)成燃料指令；給水指令為兩階慣性環(huán)節(jié)后的鍋爐指令乘以燃水比函數(shù)再加上中間點(diǎn)溫度PID的輸出。以上這種設(shè)計方式是水跟煤加給水修正中間點(diǎn)溫度調(diào)整燃水比的控制方式，當(dāng)燃料量指令改變時自動改變給水指令的輸出值，這種方式對機(jī)組負(fù)荷和主氣壓影響平緩，機(jī)組穩(wěn)定性大大提高；但它的缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)特性慢，造成管壁超溫。當(dāng)中間點(diǎn)溫度偏離正常值以后會立即以微分的前饋量和負(fù)荷變化的前饋量來修正，剛好彌補(bǔ)水跟煤控制的不足，因此這樣的優(yōu)化設(shè)計有利于燃水比的控制，不至于造成機(jī)組超溫。

2.1.4 負(fù)荷指令和壓力設(shè)定回路

在機(jī)組投入?yún)f(xié)調(diào)以后接受中調(diào)（AGC）指令，經(jīng)過速率限制、負(fù)荷上下限后送往機(jī)主控和爐主控，頻差信號轉(zhuǎn)換成負(fù)荷信號后直接加到負(fù)荷指令上。

機(jī)組設(shè)計了定壓和滑壓兩種運(yùn)行方式，處在滑壓運(yùn)行方式時，根據(jù)負(fù)荷和壓力的關(guān)系函數(shù)確定壓力設(shè)定值，并進(jìn)行一定壓力變化速率的限制。

2.2 優(yōu)化措施

2.2.1 變參數(shù)PID設(shè)計

在負(fù)荷動態(tài)變化過程中起主要作用的還是前饋量，因此在這個過程中要通過變參數(shù)來減弱PID的調(diào)節(jié)作用，當(dāng)實(shí)際負(fù)荷接近目標(biāo)負(fù)荷時，前饋的作用開始慢慢減弱，這時候也通過變參數(shù)來增強(qiáng)PID的調(diào)節(jié)作用，使實(shí)際負(fù)荷盡快達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷，變參數(shù)是通過不斷的試驗(yàn)測得的一組數(shù)值，把這組數(shù)值植入函數(shù)發(fā)生器就會根據(jù)實(shí)際負(fù)荷與目標(biāo)負(fù)荷的差值大小相應(yīng)地調(diào)節(jié)PID的比例、積分、微分等系數(shù)。實(shí)際機(jī)組運(yùn)行證明，變參數(shù)的PID有利于負(fù)荷的快速響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定。

2.2.2 變負(fù)荷控制回路設(shè)計

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時，很難依靠調(diào)節(jié)器自身的作用來調(diào)節(jié)負(fù)荷。變負(fù)荷控制回路設(shè)計依靠前饋?zhàn)饔弥苯幼饔迷诮o水控制回路、煤主控回路及送風(fēng)控制回路，這樣當(dāng)負(fù)荷變化時能夠及時地將負(fù)荷拉回穩(wěn)態(tài)區(qū)域，當(dāng)實(shí)際負(fù)荷接近目標(biāo)負(fù)荷時通過調(diào)節(jié)器自身將負(fù)荷穩(wěn)定在設(shè)定值附近。

2.2.3 給水主調(diào)優(yōu)化

崇信發(fā)電廠根據(jù)過熱度來調(diào)節(jié)中間點(diǎn)溫度，首先按照鍋爐說明書寫入分離器出口壓力對應(yīng)工況下的飽和蒸汽溫度，然后加上過熱度作為中間點(diǎn)溫度的給定值，運(yùn)行人員可以手動設(shè)定過熱度。在邏輯組態(tài)中考慮了8℃的最小過熱度限制，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，在給水主調(diào)調(diào)節(jié)器加入燃料量指令前饋，水煤比為6∶1，這樣當(dāng)鍋爐主控指令發(fā)生變化時，可以提前改變給水流量的設(shè)定值。另外還加入了變負(fù)荷指令前饋，這樣的設(shè)計使得燃水比能夠很快地穩(wěn)定在一個數(shù)值，也有利于實(shí)際負(fù)荷很快接近目標(biāo)負(fù)荷。

3 應(yīng)用效果及結(jié)論

崇信發(fā)電廠鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司設(shè)計制造的HG-2145/25.4-YM12型超臨界、一次中間再熱、單爐膛、前后墻對沖燃燒方式、固態(tài)排渣、平衡通風(fēng)、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型變壓運(yùn)行直流鍋爐。汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)有限責(zé)任公司制造的CLNZK660-24.2/566/566型超臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽、單軸、單背壓、凝汽式、直接空冷汽輪機(jī)。DCS控制系統(tǒng)為上海FOXBORO控制系統(tǒng)。

機(jī)組在試運(yùn)行期間從實(shí)際負(fù)荷300MW開始，投入CCS，在420MW～660MW之間進(jìn)行負(fù)荷擾動試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線如圖1所示。通過圖1可知，機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)比較快，動態(tài)變化平穩(wěn)，速率變化為10MW/min，給水及煤主控變化匹配良好，機(jī)組在很短的時間內(nèi)能夠達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷，主汽壓力偏差不大于0.5MPa。

圖1 420MW～660MW負(fù)荷擾動曲線

由此可見，對于超臨界及超超臨界機(jī)組在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮各個子系統(tǒng)，合理采用靜態(tài)及動態(tài)前饋、大偏差拉回，并充分利用變參數(shù)控制器設(shè)計，這樣才能提高機(jī)組的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，滿足機(jī)組運(yùn)行和電網(wǎng)的要求。

［1］王娜娜，邊小君，曹云娟.600MW級超臨界與亞臨界鍋爐技術(shù)比較［J］.浙江電力，2003（6）：34-35.

［2］姚遠(yuǎn)，管慶相，吳松.直吹式鍋爐機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化［J］.東北電力技術(shù)，2007（8）：1-4.