超臨界火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制現(xiàn)狀分析及優(yōu)化

李玉杰

大唐甘肅發(fā)電有限公司景泰發(fā)電廠 甘肅白銀 730400

近年來(lái)，我國(guó)高度重視能源與環(huán)境問(wèn)題，為推動(dòng)和加快生態(tài)文明建設(shè)的步伐，大力推廣和普及火電機(jī)組的脫硫、脫銷、電除塵等環(huán)保措施。為提高綠色能源所占比重，積極促進(jìn)和發(fā)展新能源行業(yè)，電力行業(yè)的風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電，汽車行業(yè)的新能源汽車等等都是落實(shí)生態(tài)文明的重要舉措。然而，隨著新能源的大規(guī)模涌入，也面臨著傳統(tǒng)能源與新能源互補(bǔ)與匹配的問(wèn)題。例如風(fēng)力發(fā)電作為新能源發(fā)電的重要組成部分，處于高速發(fā)展階段，但其輸出的電力質(zhì)量參差不齊，難以并入電網(wǎng)。即使并入電網(wǎng)，對(duì)于電網(wǎng)的沖擊也比較大，會(huì)給電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來(lái)巨大的壓力和潛在的隱患。眾所周知，我國(guó)電網(wǎng)頻率需維持在50Hz左右，波動(dòng)范圍僅為±0．2Hz，這就要求部分并網(wǎng)機(jī)組具有較高的變負(fù)荷能力，這部分發(fā)電機(jī)組也就是調(diào)峰、調(diào)頻機(jī)組。因?yàn)殡娋W(wǎng)用戶的用電量是時(shí)刻變動(dòng)的，電網(wǎng)能量供應(yīng)側(cè)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量須能夠快速響應(yīng)電網(wǎng)能量需求側(cè)用電量的波動(dòng)，所以這些調(diào)峰、調(diào)頻機(jī)組的存在才能夠保證電網(wǎng)能量的供需平衡。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等具有隨機(jī)性的新能源的并網(wǎng)，相當(dāng)于給電網(wǎng)增加了新的波動(dòng)，這就對(duì)發(fā)電機(jī)組的快速變負(fù)荷能力提出了更高的要求。根據(jù)“兩個(gè)細(xì)則”規(guī)定，希望火電機(jī)組變負(fù)荷能力能達(dá)到額定功率的3%-5%/min，并且采取競(jìng)價(jià)上網(wǎng)，獎(jiǎng)罰政策。由此可以看出，機(jī)組變負(fù)荷能力不僅影響網(wǎng)側(cè)的安全，也直接關(guān)系到廠側(cè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

1 超臨界火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制特性及難點(diǎn)

1.1 機(jī)組改造項(xiàng)目多，運(yùn)行特性變化大

高等院校、電力科研機(jī)構(gòu)和發(fā)電企業(yè)分別從理論實(shí)驗(yàn)角度和運(yùn)行實(shí)踐角度對(duì)該系列機(jī)組運(yùn)行特性和數(shù)據(jù)進(jìn)行了建模分析。超（超）臨界直流單元機(jī)組具有純延遲、大慣性、非線性等特點(diǎn)，機(jī)組多參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)、制約，存在強(qiáng)烈的耦合特性。隨著環(huán)保等民生需求日益提升，火電機(jī)組先后歷經(jīng)了脫硫脫硝改造、電除塵環(huán)保改造，部分機(jī)組在節(jié)能降耗方面又開(kāi)展了機(jī)組通流升級(jí)改造。造成單元機(jī)組運(yùn)行特性發(fā)生了很大變化，原始設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)控制策略難以適應(yīng)機(jī)組新特性，出現(xiàn)了調(diào)節(jié)品質(zhì)下降，甚至在安全性與經(jīng)濟(jì)性方面都面臨著較大考驗(yàn)。

1.2 能源格局變換，電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻動(dòng)作造成單元機(jī)組擾動(dòng)的不確定性

隨著風(fēng)電、太陽(yáng)能新能源大規(guī)模應(yīng)用于電力系統(tǒng)，而我國(guó)缺乏大規(guī)模建設(shè)抽水蓄能電站條件。另一方面隨著電網(wǎng)直流特高壓工程的建設(shè)發(fā)展，已正式進(jìn)入特高壓交直流混聯(lián)的特大型電網(wǎng)時(shí)代。隨著電網(wǎng)“大直流弱受端”特征的凸顯，頻率運(yùn)行特性愈發(fā)復(fù)雜。華東電網(wǎng)分別于2015年9月19日和10月20日因線路直流閉鎖，發(fā)生了兩次頻率大幅波動(dòng)，頻率最大降幅分別為49．563Hz和49．767Hz，持續(xù)時(shí)間分別為447s和360s。各單元發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻指令幅值均在此過(guò)程中達(dá)到上限（6%額定負(fù)荷），根據(jù)華東網(wǎng)調(diào)數(shù)據(jù)分析，火電機(jī)組不合格比重大，機(jī)組協(xié)調(diào)控制品質(zhì)差又是造成一次調(diào)頻響應(yīng)能力受限的重要因素。目前電網(wǎng)主要還是依靠火電機(jī)組的負(fù)荷調(diào)整能力，大電網(wǎng)運(yùn)行對(duì)單元發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻、協(xié)調(diào)控制品質(zhì)提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求[2]。

1.3 發(fā)供雙方不平衡，面臨深度調(diào)峰

我國(guó)風(fēng)電和光伏等新能源在過(guò)去的“十二五”中發(fā)展迅速，在《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃中》首次提出了針對(duì)火電機(jī)組的“加強(qiáng)調(diào)峰能力建設(shè)，提升系統(tǒng)靈活性”。在這樣的基礎(chǔ)上，各發(fā)電機(jī)組在深度調(diào)峰的壓力下，機(jī)組協(xié)調(diào)控制將面臨著更大的難度。伴隨著機(jī)組負(fù)荷的升降，機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)隨之大幅變化。就主汽溫而言，在機(jī)組負(fù)荷變化50%-100%范圍內(nèi)，增益變化甚至達(dá)到5-6倍，而慣性等時(shí)間常數(shù)也有2-3倍。

1.4 單元發(fā)電機(jī)組重要輔機(jī)系統(tǒng)特性差

由于近年來(lái)，火力發(fā)電機(jī)組設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)不斷降低以及污染物排放相關(guān)環(huán)保壓力等因素，各發(fā)電企業(yè)發(fā)電成本增加，企業(yè)的經(jīng)營(yíng)利潤(rùn)空間逐步壓縮。各發(fā)電企業(yè)對(duì)機(jī)組的檢修周期、項(xiàng)目不斷進(jìn)行調(diào)整，難以根據(jù)設(shè)備的真實(shí)狀態(tài)來(lái)確定檢修內(nèi)容。

2 超臨界火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制現(xiàn)狀分析

由于技術(shù)原因和時(shí)間問(wèn)題，國(guó)內(nèi)的發(fā)電系統(tǒng)本身起點(diǎn)低、起步晚，受制于計(jì)算機(jī)的發(fā)展水平的落后，國(guó)內(nèi)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基本上吸取了國(guó)外的技術(shù)設(shè)計(jì)，直到20世紀(jì)90年代初，我國(guó)才在分散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)了符合國(guó)內(nèi)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，這套系統(tǒng)被應(yīng)用到200MW以上機(jī)組，基本能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組的協(xié)調(diào)控制，但效果不是很理想。2007年8月6日,在吸收了國(guó)外的一些先進(jìn)技術(shù)以及國(guó)內(nèi)控制策略的發(fā)展，一套由國(guó)外設(shè)備改良過(guò)的EDPF-NT自動(dòng)化控制系統(tǒng)完成了60萬(wàn)千瓦超臨界機(jī)組的168小時(shí)滿負(fù)荷測(cè)時(shí)，這一由北京國(guó)化智深控制技術(shù)公司完成的改裝和設(shè)計(jì)，標(biāo)志著我國(guó)在大容量機(jī)組方面協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了又一突破。目前，為了滿足工程實(shí)際中對(duì)發(fā)電廠生產(chǎn)效率安全方面的高要求，單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)工作始終是火電機(jī)組改進(jìn)與優(yōu)化的主要課題和方向，任何控制策略在CCS中的應(yīng)用都是通過(guò)建立鍋爐、汽機(jī)、發(fā)電機(jī)之間的能量平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)的，目前國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)的CCS系統(tǒng)主要有一下兩種，具有代表性的系統(tǒng)：

①第一種的設(shè)計(jì)思路是在鍋爐側(cè)和汽機(jī)側(cè)同時(shí)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)和主蒸汽壓力調(diào)節(jié)，這就是綜合性協(xié)調(diào)控制，以和利時(shí)的HS-2000系統(tǒng)的CCS設(shè)計(jì)方案為代表。②第二種在控制器的選擇上引入模糊自校正機(jī)構(gòu)，對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行在線整定，同時(shí)由于鍋爐主汽亞控制回路和機(jī)組電功率控制回路之間存在強(qiáng)耦合，引入此技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)兩回路的解耦，自調(diào)整技術(shù)可以對(duì)負(fù)荷變化快速響應(yīng)，也可以同時(shí)維持主汽壓的穩(wěn)定[3]。

3 優(yōu)化

對(duì)某處陳家港＃2機(jī)組的對(duì)象特性及控制系統(tǒng)的分析可知，機(jī)組不能滿足電網(wǎng)AGC要求的主要原因是，原協(xié)調(diào)系統(tǒng)采用的PID控制在變負(fù)荷過(guò)程中鍋爐側(cè)動(dòng)態(tài)特性較慢而帶來(lái)的機(jī)組穩(wěn)定性不足。因此本文采用了分段PID和變負(fù)荷前饋的方法代替原有控制方案，以解決燃燒調(diào)節(jié)控制滯后以及機(jī)爐間耦合性強(qiáng)的問(wèn)題，在高、中和低負(fù)荷段根據(jù)機(jī)組動(dòng)態(tài)特性設(shè)置多組鍋爐主控PID和前饋參數(shù)進(jìn)行模糊切換，同時(shí)優(yōu)化了主汽壓力設(shè)定以及變負(fù)荷速率設(shè)定。

3.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化

PID控制算法理論較為成熟，實(shí)現(xiàn)容易，因此應(yīng)用廣泛。其差分方程為：

分段PID是指在PID的基礎(chǔ)上，可根據(jù)控制對(duì)象的實(shí)際情況和偏差en的大小，在不同階段設(shè)置多組PID參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)在偏差小時(shí)減弱比例作用，適當(dāng)增強(qiáng)積分作用，反之在偏差大時(shí)增加比例作用，削弱積分作用，既增加了調(diào)節(jié)速度，同時(shí)保證超調(diào)量有限。與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)控制算法相比計(jì)算量較小，實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，可直接實(shí)現(xiàn)于DCS內(nèi)。

采用分段PID的鍋爐主控結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 改進(jìn)后的鍋爐主控結(jié)構(gòu)圖

圖1中，鍋爐主控PID前的選擇器用來(lái)判斷當(dāng)前主蒸汽壓力的偏差大小，已選擇合適的PID，PID（A）、PID（B）和PID（C）比例作用逐漸減弱，積分作用逐漸增強(qiáng)，在偏差較大時(shí)選擇PID（A），因?yàn)闉榱颂岣邏毫ψ兓俾剩仨毤涌戾仩t側(cè)的燃料和給水響應(yīng)速率，所以選擇調(diào)節(jié)速率較快的PID調(diào)節(jié)，適當(dāng)增加超調(diào)補(bǔ)償機(jī)組的蓄熱。變負(fù)荷前饋控制器1用來(lái)補(bǔ)償變負(fù)荷過(guò)程中鍋爐主控輸出，主要用于調(diào)整給水量變化速率，變負(fù)荷前饋控制器2疊加煤水比修正得到燃料量的加速信號(hào)，與鍋爐主控相加得到燃料量設(shè)定，進(jìn)入燃料主控進(jìn)而得到各個(gè)給煤機(jī)給煤量指令。

鍋爐內(nèi)給水對(duì)主蒸汽壓力和溫度的響應(yīng)速度與煤量相比較快，采用煤跟水的控制方式可以有效控制主汽壓力穩(wěn)定，因此改進(jìn)后的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)采用了煤跟水的控制方式[4]。

3.2 分段PID間模糊切換

為避免在分段PID切換時(shí)鍋爐主控輸出值發(fā)生跳變，給機(jī)組帶來(lái)沖擊。因此在分段PID的輸出側(cè)增加了權(quán)值模糊切換，在加快鍋爐側(cè)的響應(yīng)速度的同時(shí)保證機(jī)組運(yùn)行的安全性[5]。分別在300MW、450MW、600MW設(shè)置線性權(quán)值函數(shù)如圖2所示。

圖2 分段PID切換權(quán)值函數(shù)

所以最終鍋爐主控PID的輸出為三段PID的加權(quán)輸出，數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為：