火電機(jī)組深度調(diào)峰下的優(yōu)化控制策略

黃啟東

[摘? ? 要]截至目前，我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多元化發(fā)電，但是火力發(fā)電依然是我國(guó)主要的發(fā)電方式，因此火電廠在我國(guó)總能源當(dāng)中占有最大的比重，而火電機(jī)組調(diào)峰深度不足50%。我國(guó)北方冬季需要集中供熱，而在這一時(shí)期北方地區(qū)的火電廠電力組調(diào)峰深度僅有10%～20%。如此低效的調(diào)峰深度對(duì)我國(guó)能源高效利用十分不利，對(duì)此我國(guó)急需要探尋更加先進(jìn)的火電機(jī)組深度調(diào)峰技術(shù)途徑，從而更好地適應(yīng)新時(shí)期新能源戰(zhàn)略發(fā)展需求，使新能源入網(wǎng)比例進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)兼顧大容量火電機(jī)組節(jié)能減排，提升火電機(jī)組深度調(diào)峰、靈活性，有效提升新能源入網(wǎng)。

[關(guān)鍵詞]火電機(jī)組;深度調(diào)峰;控制技術(shù)

[中圖分類號(hào)]TM621 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）04–000–03

Optimal Control Technology under Deep Peak Load

Regulation of Thermal Power Units

Huang Qi-dong

[Abstract]Up to now， my country has achieved diversified power generation， but thermal power is still the main power generation method in my country. Therefore， thermal power plants account for the largest proportion of my country's total energy， and the peak shaving depth of thermal power units is less than 50%. In northern my country， central heating is needed in winter， and during this period， the peak shaving depth of thermal power plants in northern areas is only 10%-20%. Such inefficient peak shaving depth is very detrimental to the efficient use of energy in my country. For this reason， my country urgently needs to explore more advanced deep peak shaving technology for thermal power units， so as to better adapt to the new energy strategic development needs in the new era and increase the proportion of new energy into the grid. Further expansion， while taking into account the energy-saving and emission reduction of large-capacity thermal power units， is committed to improving the deep peak regulation and flexibility of thermal power units， and effectively improving the access of new energy to the grid.

[Keywords]thermal power unit; deep peak shaving; control technology

《可再生能源法》頒布以后，我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)開始爆發(fā)式增長(zhǎng)，由此新能源在我國(guó)能源當(dāng)中所占比例進(jìn)一步提升。因?yàn)槭褂眯履茉窗l(fā)電電能波動(dòng)性與電網(wǎng)配套政策缺失，給我國(guó)新能源進(jìn)一步發(fā)展造成影響，因此這也是我國(guó)新能源電力急需解決的一項(xiàng)問題。為了解決這一問題，我國(guó)電改也實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步深化，用電方面進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化，我國(guó)已經(jīng)開始了發(fā)電企業(yè)和用戶之間實(shí)現(xiàn)有效交易，同時(shí)擴(kuò)大了用電市場(chǎng)化以后在總交易量當(dāng)中所占比重，在很大程度上實(shí)現(xiàn)了電力市場(chǎng)的進(jìn)一步完善。為了進(jìn)一步統(tǒng)籌規(guī)劃電力市場(chǎng)化需求，急需要提升火電機(jī)組運(yùn)行靈活性，強(qiáng)化火電機(jī)組深度調(diào)峰能力。

1 現(xiàn)階段我國(guó)火電機(jī)組控制情況

我國(guó)現(xiàn)階段的火電機(jī)組控制均使用DCS（集散控制系統(tǒng)），對(duì)于大型的火電機(jī)組會(huì)配備協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。為了最大程度上保證火電機(jī)組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，使火電機(jī)組靈活性、深度調(diào)峰能力得到有效提升，需要對(duì)火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。深度調(diào)峰工作中，指標(biāo)、參數(shù)均是影響火電機(jī)組運(yùn)行供電品質(zhì)的主要因素?；痣姍C(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、主蒸汽壓力、主蒸汽溫度因?yàn)槭艿搅嘶痣姍C(jī)組鍋爐熱純遲延、高階慣性特性影響，單純使用DCS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)不能滿足現(xiàn)階段火電機(jī)組控制系統(tǒng)中控制算法、策略，不能達(dá)到理想的效果。

現(xiàn)階段我國(guó)的DCS制造商在軟件設(shè)計(jì)、組態(tài)等方面普遍沒有太多的投入，而是一直使用一些國(guó)際上早期使用的控制方案、算法。這些國(guó)際上早期的技術(shù)、方法實(shí)際上已經(jīng)不能滿足當(dāng)前我國(guó)電力改革背景下的發(fā)展需求，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作不能充分的、細(xì)致的實(shí)現(xiàn)。正因如此現(xiàn)階段火電機(jī)組控制系統(tǒng)僅能滿足小幅度的負(fù)荷變化以及低速率負(fù)荷變化調(diào)節(jié)。而對(duì)于大幅度、高速率負(fù)荷變化調(diào)節(jié)，特別是對(duì)于深度調(diào)峰，現(xiàn)階段的控制系統(tǒng)不能有效確?；痣姍C(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，與此同時(shí)在實(shí)際運(yùn)行過程中常常出現(xiàn)主汽壓、功率、氣溫等一系列參數(shù)大幅度變化。

2 機(jī)爐協(xié)調(diào)

傳統(tǒng)的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)大致可以分為以爐跟蹤為基礎(chǔ)的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CBF），以機(jī)跟蹤為基礎(chǔ)的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CTF）。每種控制系統(tǒng)各有利弊。CBF，汽機(jī)側(cè)DEH功率控制系統(tǒng)來控制機(jī)組功率信號(hào)。因?yàn)闄C(jī)組功率關(guān)系到汽機(jī)調(diào)速汽門開度變化，因此具有極其迅捷的響應(yīng)速度。使用CBF可以很好地確保火電機(jī)組的功率穩(wěn)定性，不過因?yàn)榛痣姍C(jī)組主蒸汽壓力受到鍋爐燃燒率控制，同時(shí)主蒸汽壓力具有更大的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)偏差，特別是火電機(jī)組負(fù)荷在較大變化速率的情況下，此時(shí)的主蒸汽壓力具有更大的偏差。為了使火電機(jī)組運(yùn)行更加穩(wěn)定，許多機(jī)組都使用壓力拉回策略進(jìn)行控制，有效地控制了負(fù)荷的變動(dòng)速率，同時(shí)降低了火電機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)響應(yīng)性能。

對(duì)于CTF而言，因?yàn)槠麢C(jī)側(cè)主控制器負(fù)責(zé)主蒸汽壓力的變化，鍋爐主控制器調(diào)整入爐燃料的總量實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組功率的控制，同時(shí)CTF汽機(jī)側(cè)控制系統(tǒng)調(diào)整汽機(jī)調(diào)速汽門實(shí)現(xiàn)對(duì)主蒸汽壓力的控制，由此往往可以達(dá)到較為理想的主蒸汽壓力特性控制效果。不過因?yàn)榛痣姍C(jī)組功率的控制是通過對(duì)燃料總量的控制來實(shí)現(xiàn)的，因此燃料成為確?；痣姍C(jī)組功率控制的主要影響因素。受到燃料總量的影響，火電機(jī)組功率的響應(yīng)特性、主蒸汽壓力響應(yīng)特性具有相似之處，這就會(huì)造成在負(fù)荷變動(dòng)情況下，火電機(jī)組功率具有較大的起始慣性，最終造成控制過程中火電機(jī)組的功率動(dòng)態(tài)、靜態(tài)偏差進(jìn)一步增加。

通過分析后可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段主要使用的兩種機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)各有利弊，而為了滿足火電機(jī)組靈活性，提升火電機(jī)組的深度調(diào)峰能力，需要對(duì)機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行改良、優(yōu)化?，F(xiàn)階段主要使用的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)運(yùn)行多年，因此具有相對(duì)成熟的運(yùn)行方案與設(shè)施組成，這為在最小變動(dòng)條件下展開最大的優(yōu)化、創(chuàng)新提供了條件。

3 優(yōu)化改進(jìn)機(jī)爐協(xié)調(diào)

對(duì)于CBF，消除主蒸汽壓力變化的主要因素是鍋爐的燃燒率。在汽機(jī)調(diào)速汽門開度沒有變化的情況下，在燃料總量影響的情況下，主蒸汽壓力響應(yīng)速度遠(yuǎn)不及汽機(jī)調(diào)門干擾情況下主蒸汽壓力響應(yīng)速度，同時(shí)汽機(jī)調(diào)門開度伴隨著火電機(jī)組的功率變化需要實(shí)時(shí)變化，并且結(jié)合機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)起初的設(shè)計(jì)，如果要實(shí)現(xiàn)機(jī)組功率快速響應(yīng)、火電機(jī)組參數(shù)穩(wěn)定，需要同時(shí)考慮到至少兩方面因素。

對(duì)于CBF，需要適當(dāng)?shù)叵拗苹痣姍C(jī)組起始功率速率控制，防止主蒸汽壓力變化過快，最終實(shí)現(xiàn)主蒸汽壓力穩(wěn)定。實(shí)現(xiàn)這些要求以后，CBF中的火電機(jī)組功率變化不能實(shí)現(xiàn)有效提升。但是主蒸汽壓力具有較大的動(dòng)態(tài)偏差。在進(jìn)行深度調(diào)峰時(shí)，為了有效改善負(fù)荷的變動(dòng)特性，可以選擇使用能量平衡信號(hào)反饋，以實(shí)現(xiàn)鍋爐側(cè)響應(yīng)速度的提升。

在使用CTF的情況下，因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)不同的情況，為了確保汽機(jī)側(cè)主蒸汽壓力不變，在燃料總量影響的情況下，火電機(jī)組功率的變化速率會(huì)相對(duì)較快。若火電機(jī)組負(fù)荷指令出現(xiàn)變化，主蒸汽壓力控制系統(tǒng)當(dāng)中往往會(huì)引進(jìn)前饋信號(hào)作為火電機(jī)組的負(fù)荷指令信號(hào)，同時(shí)引進(jìn)主蒸汽壓力給定值增量，從而實(shí)現(xiàn)主蒸汽壓力主動(dòng)發(fā)生一些變化，這樣就可以很大程度上減少甚至消除火電機(jī)組功率變化起始慣性，同時(shí)火電機(jī)組功率變化速率更快。CTF當(dāng)中的燃料因?yàn)樵谡{(diào)整、干擾時(shí)會(huì)引起主蒸汽壓力出現(xiàn)波動(dòng)情況，此時(shí)由汽機(jī)側(cè)主蒸汽壓力控制系統(tǒng)對(duì)汽機(jī)調(diào)速汽門進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)有效控制。

CBF、CTF的這些響應(yīng)特性存在的差異均使系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)有效控制主蒸汽壓力的控制特性。綜合考量后，最終選擇CTF，CTF可以實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組功率快速響應(yīng)，這是CBF難以完成的，同時(shí)具備CBF的主蒸汽壓力動(dòng)態(tài)、靜態(tài)有效控制特性。因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，對(duì)CTF控制策略進(jìn)行有效改進(jìn)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)整定，可以實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組負(fù)荷的快速響應(yīng)以及有機(jī)結(jié)合參數(shù)的穩(wěn)定運(yùn)行。

CTF的火電機(jī)組功率控制工作由鍋爐側(cè)燃燒率完成?？刂茖?duì)象具有較大的慣性，在深度調(diào)峰過程中，鍋爐在運(yùn)行過程中會(huì)受到多種隨機(jī)因素的影響，導(dǎo)致火電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定性不及CBF。

鑒于此，進(jìn)行優(yōu)化：深度調(diào)峰工作中，倘若具有較大的負(fù)荷變動(dòng)速率，此時(shí)主要采用經(jīng)過改進(jìn)的前饋CTF，火電機(jī)組深度調(diào)峰后期，對(duì)于功率零度、穩(wěn)定性往往存在較高要求，此時(shí)使用改進(jìn)后的前饋CBF，實(shí)現(xiàn)雙向補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)也發(fā)揮出系統(tǒng)各自的優(yōu)越性能。

4 多控制策略的組合優(yōu)化

結(jié)合深度調(diào)峰機(jī)組的特性、機(jī)爐協(xié)調(diào)的控制優(yōu)化等一系列具有側(cè)重面的要求，可以直接對(duì)能量平衡控制原理與控制策略進(jìn)行靈活應(yīng)用。無論是在CTF還是CBF當(dāng)中，均設(shè)計(jì)了主汽壓力控制器，求取主汽壓力數(shù)值與實(shí)際數(shù)值的偏差，使用PI進(jìn)行運(yùn)算以后再乘以權(quán)重系數(shù)，隨后再與能量平衡信號(hào)、負(fù)荷指令信號(hào)各自的權(quán)重因子乘積求和，最后將燃料控制指令輸出。每個(gè)控制項(xiàng)都需要對(duì)權(quán)重因子參數(shù)進(jìn)行對(duì)比、整定，最終可以獲得最佳的控制項(xiàng)組合。

對(duì)于燃料控制回路，燃料量反饋使用了給煤量、切換應(yīng)用熱量信號(hào)，或者是對(duì)給煤量加熱信號(hào)時(shí)間特性增加，對(duì)燃料的燃燒發(fā)熱過程進(jìn)行模擬，使用這些控制策略的優(yōu)化組合可以很大程度上提升鍋爐負(fù)荷變化過程中對(duì)燃料量的控制速度，同時(shí)改善機(jī)組功率動(dòng)態(tài)、靜態(tài)控制品質(zhì)，

氣溫控制系統(tǒng)，使用傳統(tǒng)的串級(jí)PID與Smith預(yù)估器在線切換，具體使用哪一種需要結(jié)合實(shí)際的情況。Smith具有自身的缺陷，因?yàn)镾mith預(yù)估器本身對(duì)于模型誤差具有高度的敏感性，對(duì)于模型的精度具有很高的要求，這給實(shí)際工程帶來一定的難度，并且DCS制造商的Smith預(yù)估器補(bǔ)償算法是不對(duì)用戶開放的，因此使用Smith預(yù)估器控制參數(shù)整定是具有一定難度的。

5 低壓加熱儲(chǔ)能參與調(diào)頻

對(duì)于汽輪機(jī)側(cè)熱力系統(tǒng)而言，通常有3臺(tái)高壓加熱器、4臺(tái)低壓加熱器、1臺(tái)除氧器。除氧器流出鍋爐給水經(jīng)過高壓加熱器加入到鍋爐換熱面，凝結(jié)的水從凝汽器流出至除氧器，途經(jīng)低壓加熱器。因?yàn)榻o水控制系統(tǒng)實(shí)際的控制性能會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行安全造成影響，所以高壓加熱器儲(chǔ)存的熱量才不容易被安全利用，不過對(duì)于凝結(jié)水而言，由于除氧器具有很大的容積且是一種熱力設(shè)備，因此具有一定的緩沖作用，在短時(shí)間緩凝結(jié)水與主給水供需未達(dá)到匹配的狀態(tài)下，改變凝結(jié)水流量是對(duì)機(jī)組負(fù)荷作為回?zé)嵯到y(tǒng)能量?jī)?chǔ)存的最佳選擇。

5.1 凝結(jié)水變負(fù)荷

操作開始前，機(jī)組首先退出CCS，鍋爐給水、給煤、控制風(fēng)量，這些操作均手動(dòng)，DEH汽輪機(jī)調(diào)整至閥位控制模式，操作躍式凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，從1 280 r/min減小至1 250 r/min，凝結(jié)水流量變化1 250 t/h極速下降至1 160 t/h，下降幅度在90 t/h左右，負(fù)荷從614 MW提升至617 MW，提升3 MW。自凝結(jié)水泵下達(dá)轉(zhuǎn)速指令，凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速變化，凝結(jié)水流量變化，全程結(jié)束需要3～5 s，全程變化與變頻器實(shí)際調(diào)節(jié)速率密切相關(guān)。

5.2 凝結(jié)水變負(fù)荷參與一次調(diào)頻

凝結(jié)水變負(fù)荷實(shí)際速率受到變頻器/調(diào)節(jié)閥實(shí)際動(dòng)作速率、低壓加熱器熱力特性等多重因素影響，所以只會(huì)出現(xiàn)在一次調(diào)頻當(dāng)中。輔助汽輪機(jī)DEH、CCS一同完成一次調(diào)頻。調(diào)頻動(dòng)作以前，DEH控制前饋系統(tǒng)率先動(dòng)作，與此同時(shí)凝結(jié)水變負(fù)荷邏輯也參與到調(diào)頻當(dāng)中，凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速/調(diào)節(jié)閥第一時(shí)間動(dòng)作，3～5 s后由于凝結(jié)水的變化引發(fā)了負(fù)荷響應(yīng)，這對(duì)于一次調(diào)頻中段調(diào)節(jié)是一種有力支持。

6 結(jié)束語

確?；痣姍C(jī)組深度調(diào)峰過程中控制系統(tǒng)迅速、穩(wěn)定、精確，需要對(duì)火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)。以火電機(jī)組原本的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，需要對(duì)火電機(jī)組控制策略進(jìn)行有效地優(yōu)化、升級(jí)、改良，最終選擇了最適合現(xiàn)階段火電機(jī)組深度調(diào)峰的控制系統(tǒng)方案。改良后的方案不僅效率高、成本低，還具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，這種方案不需要附加設(shè)備，不需要升級(jí)改造控制器，只需要對(duì)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)策略改良優(yōu)化，就可以達(dá)到預(yù)期效果，建議在行業(yè)內(nèi)推廣使用。

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