火電機組深度調(diào)峰下的優(yōu)化控制技術(shù)研究

楊建衛(wèi)

(中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，江蘇 蘇州 215123)

隨著《可再生能源法》的頒布和實施，我國新能源產(chǎn)業(yè)迎來了爆發(fā)式的發(fā)展。由于新能源發(fā)電的波動性以及配套政策的不完善，新能源電力消納成了一個亟待解決的新問題。據(jù)國家能源局發(fā)布資料顯示：2016年、2017年全國平均棄風(fēng)率為15%左右；“三北”地區(qū)的棄風(fēng)問題尤為嚴峻，棄風(fēng)率超過30%。火電作為我國的主力電源，目前裝機容量超過9 億kW，其中大容量火電機組的調(diào)峰深度不到50%，北方地區(qū)熱電機組的調(diào)峰深度只有20%左右。因此，探尋提升火電機組靈活性的技術(shù)路徑以適應(yīng)新的能源戰(zhàn)略要求，更好地接納新能源入網(wǎng)，以及實現(xiàn)在役大容量火電機組的技術(shù)改造優(yōu)化都有實際意義。

2016 年11 月初，國家能源局發(fā)布的《電力發(fā)展"十三五"規(guī)劃( 2016—2020 年)》中明確表示，要充分挖掘現(xiàn)有系統(tǒng)調(diào)峰潛力，著力增強系統(tǒng)尤其是火電機組的靈活性[1-2]?？刂萍夹g(shù)和控制策略是火電靈活性改造中不可或缺的一環(huán)，本文以現(xiàn)有分布式控制系統(tǒng)(DCS)的控制策略為基礎(chǔ)，提出以協(xié)調(diào)優(yōu)化和改進為基礎(chǔ)、多控制策略組合優(yōu)化的方法，可更好適應(yīng)機組的靈活性改造和深度調(diào)峰。

1 火電機組控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

在確保機組運行安全性和經(jīng)濟性的前提下，提高火電機組的靈活性和深度調(diào)峰能力，對機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和自動發(fā)電控制 (AGC)方式提出很高的要求[3]。為提高機組靈活性和深度調(diào)峰能力，必須研究和開發(fā)新型的控制策略和算法，使機組主蒸汽壓力、主蒸汽溫度等主要參數(shù)運行在安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟的范圍，使機組的安全和經(jīng)濟運行達到新的高度，增強電廠在市場中的競爭力，有助于電力體制改革的深化。

由于DCS制造商在應(yīng)用軟件的設(shè)計、組態(tài)方面投入不多，大多數(shù)火電機組沿用許多國外早期的控制方案和算法，現(xiàn)場調(diào)試工作也進行得不夠充分和細致，控制系統(tǒng)只能基本滿足小幅度負荷變動或低速率負荷變動工況下的調(diào)節(jié)，在大幅度、較高速率的負荷變動工況下，控制系統(tǒng)均難以保證機組安全穩(wěn)定運行，出現(xiàn)主汽壓、功率、主汽溫、水位等主要運行參數(shù)的大幅度波動。

2 機爐協(xié)調(diào)方式

常見的機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)有兩種構(gòu)成方式，即以鍋爐跟蹤為基礎(chǔ)的機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CBF)和以汽機跟蹤為基礎(chǔ)的機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CTF)。CBF控制方式圖見圖1。CTF控制方式圖見圖2。

在CBF系統(tǒng)中，機組功率由汽機側(cè)功率控制系統(tǒng)保持，由于機組功率對汽機調(diào)速汽門的開度變化響應(yīng)迅速，故應(yīng)用CBF系統(tǒng)，可得到較好的機組功率穩(wěn)態(tài)特性。由于是通過鍋爐燃燒率控制系統(tǒng)保持機組主蒸汽壓力，主蒸汽壓力動、靜態(tài)偏差往往偏大，特別是在負荷變化速率較大工況下，主蒸汽壓力的偏差更大，為了穩(wěn)定機組運行，相當一部分機組采用了“壓力拉回”控制策略，即限制負荷變動速率，這樣實際上降低了機組的負荷變動響應(yīng)性能。

圖1 CBF控制方式圖

在CTF系統(tǒng)中，主蒸汽壓力由汽機側(cè)主控制器保持，機組的功率主要由鍋爐主控制器通過調(diào)整燃料量來控制。由于CTF系統(tǒng)的主汽壓力是由汽機側(cè)控制系統(tǒng)通過調(diào)整汽機調(diào)速汽門去控制的，因此有可能達到十分良好的主汽壓力控制特性，然而由于主要通過控制燃料量來控制功率，燃料量擾動下，機組功率響應(yīng)特性和主汽壓力響應(yīng)特性類似，其速率是較小的，而且燃料控制不可能階躍動作，這使得在負荷變動時，機組功率變動的起始慣性較大，控制過程中機組功率之動、靜態(tài)偏差較大。

圖2 CTF控制方式圖

無論是CBF系統(tǒng)還是CTF系統(tǒng)都存在缺陷，為適應(yīng)機組靈活性和深度調(diào)峰，必須加以改進和優(yōu)化。由于CBF系統(tǒng)或CTF系統(tǒng)在電廠中應(yīng)用多年，相當實用且主要部分是成熟的，對其進行改進和創(chuàng)新是有意義的，也更易于被電廠現(xiàn)有技術(shù)人員接受和掌握。

3 機爐協(xié)調(diào)方式的優(yōu)化和改進

在CBF系統(tǒng)中，主汽壓力變化是要靠鍋爐燃燒率的控制去消除的。當汽機調(diào)速汽門開度不變時，燃料擾動下的主汽壓力響應(yīng)速度遠小于汽機調(diào)門擾動下的主汽壓力響應(yīng)速度，并且汽機調(diào)門開度隨機組功率控制的需要在不斷變化，而根據(jù)機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計的初衷，機組功率的快速響應(yīng)和機組主參數(shù)的穩(wěn)定性是必須同時考慮的兩個方面。在CBF系統(tǒng)中必須適當限制機組功率起始的控制速率，不使主汽壓力初始變化過快，最終達到主汽壓力必要的穩(wěn)定性。這使得在CBF控制系統(tǒng)中機組功率實際變化速率往往難于有較大提高，而同時主汽壓力動態(tài)偏差也已經(jīng)較大了。在深度調(diào)峰中，為改善其負荷變動特性，可以采用能量平衡信號前饋、燃料量超前/滯后、熱量信號反饋等控制策略，提高鍋爐側(cè)的響應(yīng)速度。

在CTF系統(tǒng)中情況有所不同，在汽機側(cè)保證主汽壓力不變、燃料擾動時，機組功率將達到較快的平均變化速率，當機組負荷指令變化時，在主汽壓力控制系統(tǒng)中，除引入機組負荷指令前饋信號外，還引入一個主汽壓力給定值增量，主動讓主汽壓力有一定的變化，則可以大大減小繼而消除機組功率變化的起始慣性，并達到較快的機組功率變化速率。在CTF系統(tǒng)中，調(diào)整燃料或燃料擾動所引起的主汽壓力波動，是由汽機側(cè)的主汽壓力控制系統(tǒng)通過調(diào)整汽機調(diào)速汽門去控制的。由于響應(yīng)特性的差異，CTF系統(tǒng)可能達到非常好的主汽壓力控制特性。因此，采用CTF控制系統(tǒng)，在達到CBF系統(tǒng)難以達到的快速機組功率響應(yīng)的同時，獲得了CBF控制系統(tǒng)無法達到的主汽壓力的良好動、靜態(tài)控制品質(zhì)。通過改進CTF控制系統(tǒng)的控制策略，并仔細整定參數(shù)，可將機組快速負荷響應(yīng)和主要運行參數(shù)穩(wěn)定較好地結(jié)合起來。在CTF系統(tǒng)中，機組功率由鍋爐側(cè)通過對燃燒率的控制去保持，除控制對象慣性稍大外，深度調(diào)峰時，鍋爐運行中各種隨機擾動頻繁發(fā)生，使機組穩(wěn)態(tài)品質(zhì)較CBF系統(tǒng)略差。

帶前饋的控制方式圖見圖3。

圖3 帶前饋的控制方式圖

綜合分析確定了如下改造原則：在深度調(diào)峰過程中，負荷變動速率較大時，主要采用經(jīng)過改進的前饋CTF系統(tǒng)，而在機組深度調(diào)峰末期，對功率的穩(wěn)態(tài)精度要求高時，變?yōu)椴捎媒?jīng)過改進的前饋CBF系統(tǒng)，并進行雙向補償，以充分發(fā)揮兩種系統(tǒng)各自的優(yōu)越性。

雙向串聯(lián)補償協(xié)調(diào)控制圖見圖4。

圖4 雙向串聯(lián)補償協(xié)調(diào)控制圖

4 多控制策略的組合和優(yōu)化

根據(jù)深度調(diào)峰機組的特性、機爐協(xié)調(diào)控制優(yōu)化的側(cè)重面等具體要求，靈活地應(yīng)用直接能量平衡的控制原理和控制策略。在CTF系統(tǒng)和CBF系統(tǒng)中均設(shè)計主汽壓力控制器，主汽壓力設(shè)定值與實際值的偏差經(jīng)PI運算后乘以權(quán)重系數(shù)，再與能量平衡信號及負荷指令信號與各自的權(quán)重因子乘積進行求和，最后輸出燃料控制指令。各控制項的權(quán)重因子參數(shù)要進行比較和整定，最終獲得最優(yōu)的控制項組合。

直接能量平衡協(xié)調(diào)控制圖見圖5。

圖5 直接能量平衡協(xié)調(diào)控制圖

在燃料控制回路中，對燃料量反饋采用給煤量(或轉(zhuǎn)速)、熱量信號切換應(yīng)用，或?qū)⒔o煤量增加熱量信號的時間特性，模擬燃料的燃燒發(fā)熱過程等，采用這些控制策略的優(yōu)化組合，可大大提高鍋爐負荷變化時燃料量的控制速度，改善機組功率的動、靜態(tài)控制品質(zhì)。

對于汽溫控制系統(tǒng)，可采用傳統(tǒng)串級PID控制和Smith預(yù)估器在線切換方案，根據(jù)實際情況選用。理論上，Smith預(yù)估器對模型誤差十分敏感，要求預(yù)估模型很準，這使工程應(yīng)用時有難度，并且DCS廠商推出的Smith預(yù)估補償算法并不對用戶開放，其控制器參數(shù)的整定有一定的難度。

串級控制圖見圖6。Smith預(yù)估控制圖見圖7。

圖6 串級控制圖

圖7 Smith預(yù)估控制圖

5 結(jié)語

要保證火電機組靈活性改造和深度調(diào)峰的控制系統(tǒng)的快速性、準確性和穩(wěn)定性，對火電機組原控制系統(tǒng)的優(yōu)化和改進是必要的。本文以火電機組原有協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對控制策略進行優(yōu)化和改造，并在子回路控制系統(tǒng)中應(yīng)用多種控制策略的組合，最終使控制系統(tǒng)適應(yīng)火電機組的深度調(diào)峰。本方法不使用外掛設(shè)備，也不對控制器進行升級改造，僅僅對現(xiàn)有控制系統(tǒng)的控制策略進行優(yōu)化和改造，具有投資少、效率高、可移植性好的特點，可以進一步推廣。