300 MW循環(huán)流化床機(jī)組AGC控制策略優(yōu)化

李 根 ，畢德忠 ，張?jiān)~赟，馬 莉，王洪凱

(1．遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽 110179; 2．撫順礦業(yè)中機(jī)熱電有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113001)

循環(huán)流化床(Circulating Fluidized Bed，CFB)燃燒技術(shù)是潔凈煤技術(shù)中最具商業(yè)化潛力、污染排放控制成本最低的技術(shù)之一[1-2]，同時(shí)，CFB燃燒技術(shù)煤種適應(yīng)性強(qiáng)，是消納大量煤矸石、煤泥的最有效手段[3]。隨著循環(huán)流化床技術(shù)不斷發(fā)展，大容量、高參數(shù)循環(huán)流化床鍋爐成為節(jié)能降耗的主要技術(shù)之一。但在實(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)中，循環(huán)流化床鍋爐自身的熱慣性及遲滯性較大，變量多且耦合性強(qiáng)[4]，因其煤種適應(yīng)性強(qiáng)，燃煤熱值經(jīng)常出現(xiàn)大幅波動(dòng)，造成鍋爐燃燒系統(tǒng)的時(shí)變性較為頻繁，而機(jī)組參數(shù)又因鍋爐特性存在慢時(shí)變性與大慣性，給機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響[5]。

隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的不斷提高，電網(wǎng)對(duì)大型火力發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)發(fā)電控制(Automatic Generation Control，AGC)負(fù)荷響應(yīng)能力的要求也越來越嚴(yán)格，按照《東北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》以及《東北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》，循環(huán)流化床機(jī)組AGC調(diào)節(jié)速率應(yīng)每分鐘不小于0.8%機(jī)組額定容量[6-7]，這對(duì)循環(huán)流化床機(jī)組的協(xié)調(diào)控制水平提出了更高要求。

撫順礦業(yè)中機(jī)熱電有限責(zé)任公司300 MW亞臨界循環(huán)流化床機(jī)組自投產(chǎn)以來，其AGC控制效果并不理想，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷變化率不足1 MW/min，AGC運(yùn)行性能指標(biāo)不能滿足電網(wǎng)考核要求，機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性均受到嚴(yán)重影響。為提高機(jī)組AGC功能的響應(yīng)能力，對(duì)其原有協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行調(diào)整、控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，通過實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn)，有效提升了機(jī)組的變負(fù)荷能力，為循環(huán)流化床機(jī)組AGC控制系統(tǒng)的優(yōu)化提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 AGC控制邏輯梳理

循環(huán)流化床機(jī)組因其鍋爐的特性影響，鍋爐側(cè)的變負(fù)荷能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于汽機(jī)側(cè)，因此針對(duì)協(xié)調(diào)AGC控制系統(tǒng)的優(yōu)化重點(diǎn)，對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)的策略優(yōu)化和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

通過對(duì)控制邏輯梳理發(fā)現(xiàn)，鍋爐主控邏輯存在4點(diǎn)需要優(yōu)化。

a.鍋爐主控PI參數(shù)設(shè)置不佳。原有邏輯采用變參數(shù)控制策略，比例帶、積分時(shí)間根據(jù)主汽壓力偏差進(jìn)行折算。當(dāng)機(jī)組變負(fù)荷時(shí)，鍋爐前饋?zhàn)饔媚軌蛴行аa(bǔ)充變負(fù)荷所需的燃料變化，但由于汽機(jī)、鍋爐響應(yīng)速度的差異，勢必造成主汽壓力的響應(yīng)滯后。這就要求鍋爐主控的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)需預(yù)留一定的緩沖時(shí)間用于消化鍋爐燃燒滯后所帶來的主汽壓力響應(yīng)遲延的問題，以防止充分燃燒后造成的主汽壓力超調(diào)。

b.機(jī)組負(fù)荷指令前饋環(huán)節(jié)的負(fù)荷-煤量折算曲線擬合度較差。原折線函數(shù)參考機(jī)組168 h試運(yùn)行期間的煤質(zhì)進(jìn)行折算，而機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行后，其煤質(zhì)較理論煤質(zhì)存在偏差，因此導(dǎo)致現(xiàn)有功煤曲線存在失真。因此需對(duì)原有的功煤曲線進(jìn)行調(diào)整，以提高前饋?zhàn)饔玫捻憫?yīng)精度。

c.機(jī)組負(fù)荷指令前饋環(huán)節(jié)的負(fù)荷信號(hào)選取存在問題。負(fù)荷指令前饋環(huán)節(jié)的負(fù)荷信號(hào)選取“疊加一次調(diào)頻后實(shí)際負(fù)荷指令”信號(hào)。此信號(hào)的選擇存在2點(diǎn)問題：一是選擇的實(shí)際負(fù)荷指令信號(hào)是速率后信號(hào)，這導(dǎo)致鍋爐主控的給煤前饋?zhàn)饔酶鼮闇螅荒軐?shí)現(xiàn)前期的快速給煤；二是此前饋信號(hào)的選擇不應(yīng)疊加一次調(diào)頻指令，因?yàn)橐淮握{(diào)頻的原理是利用機(jī)組蓄熱來實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)頻率的補(bǔ)償[8]，而疊加一次調(diào)頻指令用于鍋爐主控，無益于一次調(diào)頻的響應(yīng)，不利于機(jī)組的穩(wěn)定控制。

d.原有控制邏輯并未設(shè)計(jì)超壓保護(hù)回路?？紤]到循環(huán)流化床鍋爐主汽壓力控制的滯后性，增設(shè)超壓保護(hù)回路有利于提高機(jī)組運(yùn)行的安全性，能夠?yàn)閰f(xié)調(diào)AGC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有效保障。

2 AGC控制策略優(yōu)化

AGC控制策略優(yōu)化主要針對(duì)上述內(nèi)容展開，重點(diǎn)處理鍋爐側(cè)燃燒滯后的問題。通過調(diào)整機(jī)組PI變參數(shù)策略、修正協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功煤曲線、優(yōu)化鍋爐主控的前饋來改善機(jī)組燃料響應(yīng)的速度與精度；通過增設(shè)超壓保護(hù)回路、調(diào)整壓力拉回函數(shù)的作用強(qiáng)度來提升機(jī)組運(yùn)行的安全性。

2.1 鍋爐主控PI變參數(shù)邏輯優(yōu)化

原鍋爐主控PI參數(shù)雖已采用變參數(shù)策略，但比例帶與積分時(shí)間為全時(shí)段主蒸汽壓力偏差信號(hào)的函數(shù)，并未設(shè)置前饋調(diào)整緩沖區(qū)。因此需對(duì)PI變參數(shù)邏輯進(jìn)行優(yōu)化：在變負(fù)荷初期，弱化調(diào)節(jié)作用以等待前饋?zhàn)饔玫捻憫?yīng)。當(dāng)前饋?zhàn)饔贸浞猪憫?yīng)后，再通過比例積分作用消除穩(wěn)態(tài)偏差[9]。

2.2 功煤曲線優(yōu)化

根據(jù)表1可知，原功煤前饋折線函數(shù)設(shè)計(jì)較為簡單，折點(diǎn)較少且并未針對(duì)常態(tài)負(fù)荷段進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化。

通過對(duì)機(jī)組歷史曲線的采集與整理，并結(jié)合運(yùn)行專業(yè)的經(jīng)驗(yàn)與建議，對(duì)原功煤曲線進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，細(xì)化了功煤曲線的負(fù)荷區(qū)間、優(yōu)化了功煤曲線的折點(diǎn)數(shù)值，使功煤曲線的擬合度得到提高。優(yōu)化后功煤曲線數(shù)值見表2。

表2 機(jī)組優(yōu)化后功煤曲線參數(shù)

2.3 機(jī)組負(fù)荷指令前饋優(yōu)化

對(duì)于大型循環(huán)流化床鍋爐，燃料穩(wěn)態(tài)熱能的釋放具有大滯后的缺陷，燃煤從進(jìn)入爐膛到全部能量釋放需要約10 min[10]，是制約協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)響應(yīng)速度的主要因素。

原負(fù)荷指令前饋環(huán)節(jié)并不能滿足燃料響應(yīng)的快速性，一次調(diào)頻負(fù)荷增量的疊加又帶來了擾動(dòng)因素。因此需要對(duì)負(fù)荷指令前饋部分的策略進(jìn)行調(diào)整，邏輯進(jìn)行優(yōu)化，以提高前饋?zhàn)饔玫捻憫?yīng)速度，并排除內(nèi)部擾動(dòng)。

本次優(yōu)化重點(diǎn)進(jìn)行2處調(diào)整：一是將負(fù)荷指令信號(hào)改為限幅后但未經(jīng)速率限制的目標(biāo)負(fù)荷信號(hào)，此信號(hào)不疊加一次調(diào)頻負(fù)荷增量部分；二是在負(fù)荷發(fā)生變化前30 s內(nèi)，實(shí)現(xiàn)90%理論燃料調(diào)整量的迅速改變，以實(shí)現(xiàn)燃料量的快速響應(yīng)。優(yōu)化后的功煤前饋?zhàn)饔眯Ч鐖D1所示。

2.4 超壓保護(hù)回路優(yōu)化

對(duì)原有壓力拉回函數(shù)進(jìn)行調(diào)整，閉鎖一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)的壓力拉回作用，優(yōu)化壓力拉回參數(shù)。增加超壓保護(hù)回路，當(dāng)主汽壓力達(dá)到一定值且主汽壓力變化率超速時(shí)，禁止減少機(jī)組負(fù)荷，迫降機(jī)組主汽壓力設(shè)定值，以確保機(jī)組的安全運(yùn)行。

3 AGC優(yōu)化效果分析

3.1 優(yōu)化前AGC效果

優(yōu)化前，機(jī)組負(fù)荷變化率設(shè)置為1 MW/min，因燃料量的變化為機(jī)組負(fù)荷指令的函數(shù)，所以燃料的變化較為緩慢。又由于原有功煤曲線設(shè)置不合理，導(dǎo)致實(shí)際煤量的變化遠(yuǎn)達(dá)不到變負(fù)荷的煤量需求，因此導(dǎo)致鍋爐熱負(fù)荷的變化不足以匹配機(jī)組的變負(fù)荷需求。最終導(dǎo)致AGC功能控制效果不佳，主汽壓力波動(dòng)較大，對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 優(yōu)化后AGC效果

經(jīng)優(yōu)化，煤量及時(shí)調(diào)整，變負(fù)荷期間鍋爐主控響應(yīng)速度明顯加快，機(jī)組AGC變負(fù)荷能力得到顯著提升。

圖2為機(jī)組優(yōu)化后連續(xù)降125 MW負(fù)荷曲線。機(jī)組負(fù)荷變化率設(shè)置為2.5 MW/min，機(jī)組AGC指令由280.00 MW逐步降至155.62 MW，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷由280.88 MW降至156.04 MW，變負(fù)荷期間實(shí)際負(fù)荷變化率為2.35 MW/min，期間實(shí)際燃料量由176.17 t/h降至87.32 t/h，實(shí)際減少88.85 t/h。

圖3為機(jī)組優(yōu)化后升50 MW負(fù)荷曲線。機(jī)組負(fù)荷變化率設(shè)置為2.5 MW/min，機(jī)組AGC指令由173.58 MW升至221.00 MW，19 min17 s后機(jī)組實(shí)際負(fù)荷由174.16 MW升至220.61 MW，實(shí)際負(fù)荷變化率為2.41 MW/min，期間實(shí)際燃料量由123.33 t/h升至155.50 t/h，實(shí)際增加32.17 t/h。

由圖2、圖3優(yōu)化后的變負(fù)荷曲線可知：機(jī)組負(fù)荷變化率由原有1 MW/min升至2.5 MW/min，實(shí)際負(fù)荷變化率由原來不足0.9 MW/min升至2.4 MW/min，實(shí)際負(fù)荷變化率提升達(dá)267%。

3.3 存在問題

經(jīng)本次優(yōu)化后，機(jī)組AGC負(fù)荷調(diào)整速率得到明顯提升，機(jī)組主汽壓力控制品質(zhì)得到一定改善。但尚存在一些問題需進(jìn)一步改善：一是在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中存在機(jī)組出力還沒完成本次調(diào)節(jié)指令要求，而AGC負(fù)荷指令卻開始要求反調(diào)，導(dǎo)致鍋爐燃料雖已響應(yīng)，但因循環(huán)流化床鍋爐的慢時(shí)變性與大慣性，導(dǎo)致燃燒系統(tǒng)尚未完全響應(yīng)，負(fù)荷指令的反調(diào)會(huì)加劇機(jī)組主汽壓力的波動(dòng)，造成主汽壓力的飛升或機(jī)組出力的長滯后；二是煤質(zhì)波動(dòng)對(duì)機(jī)組AGC控制系統(tǒng)造成的負(fù)面影響。煤質(zhì)波動(dòng)增加了系統(tǒng)的內(nèi)擾，對(duì)機(jī)組穩(wěn)態(tài)時(shí)的穩(wěn)定性與變負(fù)荷的快速性均造成了一定影響。這些問題是制約機(jī)組AGC控制品質(zhì)的重要因素，通過超壓保護(hù)回路、煤質(zhì)校正環(huán)節(jié)能夠起到抑制作用，但尚需進(jìn)一步確定更有效的改進(jìn)方案。

4 結(jié)束語

循環(huán)流化床鍋爐是電廠生產(chǎn)中的重要設(shè)備，由于其高效、節(jié)能、污染低的優(yōu)點(diǎn)，近些年發(fā)展應(yīng)用較快[11]。但因循環(huán)流化床鍋爐自身特性的原因，常規(guī)AGC控制策略使用效果并不理想。

本次優(yōu)化針對(duì)循環(huán)流化床鍋爐燃燒遲滯性較大的問題，重點(diǎn)對(duì)鍋爐主控進(jìn)行修改，對(duì)PID策略進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)給煤前饋進(jìn)行調(diào)整，對(duì)主汽壓力給予保護(hù)。調(diào)整優(yōu)化后有效改善了AGC控制效果，提升了AGC控制品質(zhì)，減輕了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，增加了單元機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益，可為循環(huán)流化床機(jī)組的AGC控制提供一定參考。