基于功率信號階躍修正的供熱機組AGC優(yōu)化

(1.浙江浙能紹興濱海熱電有限責任公司，浙江 紹興 312073; 2.哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150001; 3.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學)，北京 102206)

電網(wǎng)“兩個細則”給出了機組的有償調(diào)峰補償服務(wù)標準，火力發(fā)電市場份額的壓縮使得這一部分補償也逐漸成為電力市場不斷爭奪的對象，越來越多的機組由傳統(tǒng)帶基礎(chǔ)負荷變?yōu)檎{(diào)峰機組[1]。火電機組投AGC運行時，要求其對調(diào)度指令的響應(yīng)更迅速，即更快的變負荷速率。作為AGC的考核指標之一的調(diào)節(jié)性能Kp取決于調(diào)節(jié)速率K1、調(diào)節(jié)精度K2和響應(yīng)時間K3。Kp值被電網(wǎng)用于核算最終的補償電量，直接決定機組的經(jīng)濟效益，如何提高機組的Kp一直是AGC系統(tǒng)優(yōu)化的重點。一些學者從電網(wǎng)的角度出發(fā)，通過優(yōu)化負荷分配、超短期負荷預報等手段改善區(qū)域內(nèi)的AGC性能[2-3]。也有一些學者從機組側(cè)的角度出發(fā)，尋求提升機組速率對AGC指令的跟蹤能力的方法。文獻[4]通過增加鍋爐主控前饋信號和優(yōu)化磨煤機熱風擋板控制邏輯等方法解決了機組由于鍋爐的大延遲特性無法投AGC運行的問題。文獻[5]在鍋爐側(cè)采用動態(tài)變負荷控制、在汽機側(cè)修正調(diào)門控制邏輯的策略，保證變負荷時機組蒸汽參數(shù)波動仍處于正常波動范圍內(nèi)。文獻[6]對AGC指令在限速濾波前增加慣性濾波的方案，避免了機組變負荷時出現(xiàn)較大的機前壓力偏差。文獻[7]建立基于煤量預測前饋的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，通過煤量預測前饋使得煤量供給變化滿足負荷響應(yīng)要求。文獻[8]和[9]分別研究了利用凝結(jié)水節(jié)流和增加儲能的方式對改善AGC的影響。此外，通過直接改變機組變負荷速率設(shè)定值也是一種用于提升機組AGC指令跟蹤能力的手段；但過大地變負荷速率設(shè)置會對機組設(shè)備的使用壽命造成影響[10-11]。因此，部分學者試圖建立汽輪機的壽命監(jiān)測系統(tǒng)，為機組安全變負荷運行提供保障[12-13]。但這種利用實時數(shù)據(jù)計算預警的監(jiān)測方法仍存在一定的滯后性，致使真正投入實際應(yīng)用的方法比較少。因此，保證變負荷速率設(shè)置在正常范圍內(nèi)有效改善機組AGC性能的方法仍是一種必要的手段。通過設(shè)計前饋階躍控制策略、利用調(diào)門儲能提升機組AGC指令跟蹤能力的研究未見公開權(quán)威詳細論述。

本文在綜合前人研究工作的基礎(chǔ)上分析了機組投AGC運行時對各設(shè)備的影響，針對機組設(shè)備自身的特性以及電網(wǎng)考核標準，提出了基于功率信號階躍修正的AGC綜合優(yōu)化方法，通過對去往汽輪機主控制器的實際功率信號階躍修正改善機組的指令跟蹤性能。該方法充分利用調(diào)門自身的儲能特性，在保證機組AGC指令跟蹤能力的同時將機組變負荷速率設(shè)定值調(diào)整至正常范圍，緩解了機組追求快速變負荷能力和自身設(shè)備使用壽命間的矛盾，具有極大的實際推廣應(yīng)用價值。

1 實際機組AGC性能問題及分析

1.1 機組概況及存在的問題

某電廠330 MW亞臨界六調(diào)門機組，為了提升機組對AGC指令的跟蹤能力，將變負荷速率設(shè)定值由7 000 W/min提升至9 000 W/min。由此不僅引發(fā)調(diào)門擺動問題，并且過大地變負荷速率設(shè)定值嚴重影響了機組的使用壽命。針對以上存在的問題，前期通過對汽輪機前饋及主控制器參數(shù)變增益優(yōu)化設(shè)計，如圖1所示。但問題仍無法解決，最終機組只能在高變負荷速率狀態(tài)下長期運行。

1.2 機組AGC性能問題分析

在機組諸多AGC優(yōu)化方法中，直接提升機組變負荷速率設(shè)定值是一種最為直接的方法，但由此給機組帶來很多不利影響，可以概括為以下兩個方面：

(a)汽輪機側(cè)

在汽輪機側(cè)，調(diào)頻機組投AGC后，負荷不斷變化，使得調(diào)門頻繁動作，加快磨損，降低了調(diào)門使用壽命。并且機組需要有較高的變負荷速率才能更快速的跟蹤AGC指令，而變負荷速率過高會加快轉(zhuǎn)子壽命的損耗。研究表明，當變負荷速率由3 MW/min變?yōu)? MW/min時，由此對轉(zhuǎn)子壽命損耗提升了4～7倍[8]。

(b)鍋爐側(cè)

對于爐跟機的調(diào)頻機組，負荷波動使調(diào)門動作，引發(fā)機前蒸汽壓力變化，這種偏差信號傳遞給鍋爐主控制器，從而改變?nèi)剂狭?，送風量等。偏差信號越大，燃料量改變了越大。特別是在升負荷末，降負荷開始的階段，AGC指令正反變化引起燃料調(diào)整量的疊加，會產(chǎn)生更大的擾動，如圖2所示。

燃料量、送風量等參數(shù)的波動對鍋爐造成的影響包括煙氣內(nèi)NOx參數(shù)大幅波動；過熱/再熱蒸汽溫度等參數(shù)頻繁波動；爐膛內(nèi)水冷壁、換熱器等管道壁面超溫；甚至在一定負荷區(qū)域內(nèi)，燃料量的變化可能導致磨煤機頻繁啟停[6]。

2 功率補償信號階躍優(yōu)化策略

2.1 傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法

機組投AGC要求機組必須投協(xié)調(diào)控制，AGC負荷指令最終通過協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實現(xiàn)對機組負荷出力的控制。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)用于協(xié)調(diào)機組鍋爐側(cè)，汽機側(cè)各控制量，讓機組出力按電網(wǎng)負荷要求變化，并且在滿足電網(wǎng)負荷要求的同時還確保機組各運行參數(shù)的波動在合理范圍內(nèi)。圖3所示為爐跟機的協(xié)調(diào)控制方案。當機組投AGC時，汽機側(cè)以AGC負荷指令和機組實際功率間的功率偏差作為前饋信號傳入汽輪機主控制器。各種變負荷速率優(yōu)化的本質(zhì)是調(diào)節(jié)各設(shè)備的控制信號，使設(shè)備提前動作，減小延遲。對偏差信號修正，設(shè)置動態(tài)的超調(diào)量，可以直接改善機組變負荷能力。

3.2 控制回路優(yōu)化設(shè)計

綜合以上分析，提出了一種基于功率信號階躍修正的機組AGC綜合優(yōu)化方法，邏輯如圖4所示。該方法對去往汽輪機調(diào)節(jié)器的實際功率信號P進行修正：首先判斷機組是否投入AGC模式，若AGC未投入運行，傳遞給汽輪機調(diào)節(jié)器的功率信號仍為機組的實際功率信號P；若AGC已投入運行，首先計算指令偏差ΔP

ΔP=P′-P

(1)

隨后，判斷指令偏差ΔP與常量ΔP1的大小關(guān)系：當ΔP(-ΔP1, ΔP1)時，去往汽輪機主控制器的功率信號仍為實際功率信號P；當指令偏差ΔP>ΔP1時，用常量ΔP2修正去往汽輪機調(diào)節(jié)器的功率信號

PT=P′-ΔP2

(2)

當ΔP<-ΔP1時，修正信號為

PT=P′+ΔP2

(3)

2.2 控制參數(shù)估計方法

修正實際功率信號進行時，需要給定常量ΔP1、ΔP2，具體計算公式如下

ΔP1=KaP0

(4)

ΔP2=KbP0

(5)

式中P0——機組的額定負荷；

Ka、Kb——比例系數(shù)，取值范圍由下式確定

Ka=1%×(35%～40%)

(6)

Kb=1%×(90%～92%)

(7)

其中，1%的設(shè)定根據(jù)電網(wǎng)發(fā)布的“兩個細則”標準規(guī)定的調(diào)節(jié)過程中最大的偏差不能超過機組額定負荷P0的1%，因此ΔP1在1%機組額定負荷的基礎(chǔ)上以該值的35%～40%(約1/3)作為是否對去往汽輪機主控制器的功率信號做修正的判斷依據(jù)；常量ΔP2為機組1%額定負荷的90%～92%，確保了修正量不超過電網(wǎng)規(guī)定值。

該策略對AGC整體性能都有改善：當指令偏差ΔP(-ΔP1,ΔP1)時，不做信號修正，可以減少閥門動作，防止過調(diào)；當指令偏差ΔP(-ΔP1,ΔP1)對傳遞至汽輪機主控制器的偏差信號修正，可以提高AGC響應(yīng)速度，縮短AGC響應(yīng)時間。當偏差值ΔP位于上述區(qū)間外時，調(diào)門關(guān)小，提高AGC響應(yīng)精度。

這種優(yōu)化策略在保證機組安全運行(即汽壓在允許范圍內(nèi)變化)的前提下，合理利用機組的蓄熱能力。即在負荷變動時，通過汽輪機調(diào)門的適當動作，允許汽壓有一定波動而釋放或吸收部分蓄能，加快機組初期負荷的響應(yīng)速度。隨著負荷變化，AGC指令與實際功率偏差減小，當偏差ΔP(-ΔP1,ΔP1)時，結(jié)束信號修正。在此時，送往汽輪機主控制器的偏差信號階躍性減少了ΔP2，可以減小調(diào)節(jié)速率，提高調(diào)節(jié)精度，防止過調(diào)。相對未做信號修正之前，調(diào)門總行程沒有改變，因此不會減少調(diào)門的壽命。同樣，這種優(yōu)化方法合理的利用了調(diào)門自身儲能，不會引發(fā)蒸汽參數(shù)的大范圍波動，因此也不會對鍋爐使用壽命造成影響。

3 實際應(yīng)用測試及結(jié)果分析

表1為優(yōu)化前后各參數(shù)的對比，調(diào)節(jié)速率K1、調(diào)節(jié)精度K2和響應(yīng)時間K3，并得出調(diào)節(jié)性能Kp值

Kp=K1×K2×K3

(8)

從表1可看出：在9 000 W/min的變負荷速率下，優(yōu)化使Kp值由1.79提升至2.52；當減小變負荷速率至7000 W/min時，Kp值仍為2.49，符合電網(wǎng)考核要求。

表1 330MW機組優(yōu)化前后各參數(shù)對比

性能指標變負荷速率/W·min-1K1K2K3Kp階躍修正前9 0001.091.011.631.79階躍修正后9 0001.21.211.742.52階躍修正后7 0001.21.211.722.49

4 結(jié)論及展望

本文針對過大地變負荷速率下投AGC運行給機組各設(shè)備的安全運行及使用壽命造成不利影響的實際問題進行理論分析及試驗研究，得到的結(jié)論如下：

(1)針對一臺實際機組AGC問題，分析了傳統(tǒng)優(yōu)化方法的機理、特點及局限性；

(2)在此基礎(chǔ)上提出了一種基于實際功率信號階躍修正的AGC系統(tǒng)前饋優(yōu)化方法，通過對去往汽輪機主控制器的實際功率信號做階躍修正；

(3)實際測試效果證明，該方法可以充分利用調(diào)門自身的儲能特性，在減小變負荷速率大小設(shè)置至正常值的同時，實現(xiàn)對AGC指令的良好跟蹤。

本方法對于其它類型的大功率燃煤機組AGC優(yōu)化、減少電網(wǎng)考核，具有極大的實際推廣應(yīng)用價值。