李長春

（大唐江蘇發(fā)電有限公司，江蘇南京210058）

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區(qū)外來電接入電網(wǎng)影響研究

先進控制技術(shù)在1000 MW超超臨界機組上的應(yīng)用

李長春

（大唐江蘇發(fā)電有限公司，江蘇南京210058）

摘要：針對潮州電廠1000 MW超超臨界機組存在變負荷速率低、主要控制參數(shù)波動大、主汽溫易超溫的問題，利用有機融合預(yù)測控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)技術(shù)及自適應(yīng)控制技術(shù)，提出了現(xiàn)代大型超超臨界火電機組自動發(fā)電控制（AGC）的先進控制方法，并利用基于PLC的熱工控制應(yīng)用平臺（INFIT）實時優(yōu)化控制系統(tǒng)將上述控制方案在現(xiàn)場成功實現(xiàn)。機組上的實際應(yīng)用表明，采用INFIT平臺實現(xiàn)的先進控制技術(shù)明顯提高了機組的負荷調(diào)節(jié)性能、機組運行穩(wěn)定性和平均主、再熱汽溫，提高了機組的整體運行安全性和經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：超超臨界機組；自動發(fā)電控制；預(yù)測控制；自適應(yīng)控制

目前，國內(nèi)火電機組的自動發(fā)電控制（AGC）策略主要采用國外各大分散控制系統(tǒng)（DCS）廠商提供的組態(tài)邏輯，采用負荷指令前饋+PID反饋的調(diào)節(jié)方案，其核心思路在于：盡可能將整個控制系統(tǒng)整定成開環(huán)調(diào)節(jié)的方式，反饋調(diào)節(jié)僅起小幅度的調(diào)節(jié)作用［ 1，2 ］。這種方案要求前饋控制回路的參數(shù)必須整定得非常精確，對于煤種穩(wěn)定、機組設(shè)備穩(wěn)定、機組運行方式成熟的國外機組，這種方案比較有效，因此一直以來都采用國外DCS廠商的推薦方案。但是對于煤種多變、機組控制及測量設(shè)備不精確、運行參數(shù)經(jīng)常與設(shè)計參數(shù)存在較大偏差的國內(nèi)機組，則控制效果會明顯變差。

大唐國際潮州電廠2×1000 MW超超臨界機組投產(chǎn)一段時間以來，由于DCS協(xié)調(diào)控制方案的先天設(shè)計不足以及機組面臨的燃煤品質(zhì)多變、運行工況多變、執(zhí)行機構(gòu)設(shè)備可靠性差等多種惡劣運行環(huán)境，造成目前的自動控制性能較差，機組只能以5～10 MW/min的速率投入AGC運行，主汽壓力始終處于0.5～1.0 MPa的振蕩過程，過熱度的調(diào)節(jié)振蕩也比較明顯。同時由于燃水比控制不合理，汽溫控制系統(tǒng)性能較低，主汽溫度控制極易出現(xiàn)明顯超溫或者長時間低于設(shè)定值10 ℃以上運行的情況，機組運行的安全性和經(jīng)濟性明顯受到影響。

文中首先在鍋爐主控回路中采用預(yù)測控制技術(shù)來提前調(diào)整鍋爐的負荷指令，加快鍋爐的熱負荷響應(yīng)速度；同時針對超超臨界機組，采用了新的燃水比控制方法，在汽水分離器溫度發(fā)生偏移時通過解耦策略同時改變?nèi)剂狭亢徒o水流量來匹配燃水比率；最后通過智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)技術(shù)，不斷動態(tài)調(diào)整控制系統(tǒng)的特性參數(shù)和部分機組設(shè)定參數(shù)，一方面使控制系統(tǒng)性能始終保持最佳，另一方面也使機組運行工況不斷向最經(jīng)濟狀態(tài)逼近。

1　基于先進控制技術(shù)的AGC協(xié)調(diào)控制方案

該廠2×1000 MW超超臨界機組優(yōu)化前的AGC協(xié)調(diào)控制策略均只采用負荷指令前饋+PID反饋的調(diào)節(jié)方案，鍋爐明顯跟不上汽機的能量變化，導(dǎo)致：（1）機組變負荷率低，難以面對日益提高的電網(wǎng)AGC考核要求；（2）機組主汽壓力等重要參數(shù)的波動較大，明顯影響機組安全性及長期運行壽命；（3）過熱度設(shè)置不合理，造成長期低參數(shù)運行，明顯影響機組效率。

優(yōu)化控制技術(shù)的核心思路在于：采用預(yù)測控制技術(shù)對鍋爐的負荷指令進行優(yōu)化控制，加快鍋爐的熱負荷響應(yīng)速度，從而提高機組的負荷升、降速率；對于超超臨界機組，通過新的燃水比調(diào)整方法，協(xié)調(diào)修正燃料量和給水流量，有效抑制分離器溫度變化，并盡可能減小對機組負荷的影響；通過智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)技術(shù)，不斷動態(tài)調(diào)整控制系統(tǒng)的特性參數(shù)和部分機組設(shè)定參數(shù)，使得在機組運行環(huán)境發(fā)生改變的情況下，控制系統(tǒng)性能基本保持不變，并使機組始終運行在最合理、經(jīng)濟的工況點。

1.1基于預(yù)測控制技術(shù)的鍋爐主控控制策略

基于預(yù)測控制技術(shù)的鍋爐主控控制策略如圖1所示。在控制結(jié)構(gòu)上，新方案保留了常規(guī)鍋爐主控方案中的“前饋”＋“反饋”的控制模式，但是在反饋回路中，采用了廣義預(yù)測控制器（GPC）代替常規(guī)的PID控制器，為了說明GPC預(yù)測控制器的計算原理，假定主汽壓力定值、主汽壓力以及鍋爐負荷指令的變化曲線如圖2所示。

圖2中，k為當前時刻，k-1，k-2，k-3，…為以前各個采樣時刻；k+1，k+2，k+3，…為未來各個采樣時刻。在k時刻（即當前時刻），GPC首先根據(jù)主汽壓力被控過程的動態(tài)數(shù)學(xué)模型及主汽壓力、鍋爐負荷指令的歷史數(shù)據(jù)（如圖2中的曲線1和曲線2數(shù)據(jù)），并假定在當前時刻鍋爐負荷指令保持不變的情況下 （如圖2中曲線4），預(yù)測出主汽壓力在未來一段時間內(nèi)的變化（如圖中曲線3）。則預(yù)測控制器的輸出為：

圖1　基于預(yù)測控制技術(shù)的鍋爐主控控制策略

圖2　假定的主汽壓力、定值與鍋爐負荷指令的變化曲線

式中：e（k），e（k-1），…，e（k-m）分別為當前及以前各個采樣時刻的控制偏差；→（k+1），→（k+2），…，→（k+n）分別為預(yù)測的未來各個時刻的控制偏差；Δe→（k+1），Δ（k+2），…，Δ→（k+n）為未來各個時刻的預(yù)測誤差；u （k），u（k-1）分別為當前及前一個采樣時刻的控制作用，本例中即為鍋爐的負荷指令；F1｛·｝為計算函數(shù)，它是控制作用中與當前及以前各個采樣時刻控制偏差相關(guān)的分量；F2｛·｝為計算函數(shù)，它是控制作用中與預(yù)測的未來各個時刻的控制偏差相關(guān)的分量，預(yù)測控制作用主要由這部分分量決定；F3｛·｝為計算函數(shù)，它是控制作用中與未來各個時刻的預(yù)測誤差相關(guān)的分量。F1｛·｝，F(xiàn)2｛·｝，F(xiàn)2｛·｝ 可根據(jù)被控過程的動態(tài)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)獲得。

1.2新型超超臨界機組燃水比調(diào)整控制策略

鍋爐的燃水比是根據(jù)分離器溫度的偏差進行調(diào)整的，常規(guī)的調(diào)整方法有調(diào)整給煤量或給水流量2種方法。調(diào)整給煤量方法的缺點是給煤量對分離器溫度的影響較慢，通過調(diào)整給煤量來控制分離器溫度的效果相對較差；優(yōu)點是給煤量對主汽壓力和負荷的影響也慢，有利于主汽壓力和機組負荷的穩(wěn)定。而調(diào)整給水流量的方法，給水流量對分離器溫度的影響較快，因此調(diào)整給水流量有利于控制分離器的溫度，但是對機組負荷及主汽壓力的影響相對較大。綜合這2種方法的優(yōu)點，文中提出了同時調(diào)整給煤量和給水流量的協(xié)調(diào)解耦控制策略，整個控制方案分為2個部分，首先計算燃水比控制分配系數(shù)λw，λw是一個數(shù)值在0～1之間的系數(shù)，λw表示給水側(cè)的校正強度，1-λw則表示燃料側(cè)的校正強度。燃水比控制分配系數(shù)λw的計算回路如圖3所示。

圖3　燃水比控制分配系數(shù)的計算回路

從圖中不難看出，燃水比控制分配系數(shù)的確定遵循如下原則：

（1）當分離器溫度偏差不大時，說明燃水比失配并不嚴重，此時單純校正燃料側(cè)燃料量來調(diào)節(jié)燃水比，減小對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的擾動。

（2）當分離器溫度偏差大于某一閾值時，即中間點溫度控制偏差（ΔT）>中間點溫度控制偏差的計算閥值（DW）時，給水側(cè)校正回路開始投入，彌補燃料側(cè)調(diào)節(jié)響應(yīng)慢的缺點，控制汽溫偏差在合理范圍內(nèi)。

（4）在考慮中間點溫度偏差的同時，還參考偏差的變化趨勢：若溫度差和溫度差變化率的乘積LED （ΔT）×ΔT為正，說明溫度差有逐步擴大的趨勢，則給水側(cè)校正回路提前投入，相應(yīng)增加λw。

（5）若溫度差和溫度差變化率的乘積LED（ΔT）× ΔT為負，說明溫度差有逐步收斂的趨勢，相應(yīng)減少λw，削弱給水側(cè)校正強度，防止過調(diào)。

燃水比控制分配系數(shù)計算后，燃料量指令和給水流量指令修改量的控制方案如圖4所示。

圖4　燃料量指令和給水流量指令修改量的控制方案

考慮到分離器溫度的變化過程也是一個大滯后的被控過程，為了提高分離器溫度的控制性能，控制方案的反饋回路中，均采用了廣義預(yù)測控制器GPC。

1.3基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的控制參數(shù)和運行工況的自適應(yīng)調(diào)整

對于大型超超臨界火電機組這樣復(fù)雜的控制對象，更由于國內(nèi)電廠煤種多變、執(zhí)行設(shè)備質(zhì)量差的運行特點，整個AGC協(xié)調(diào)被控對象的模型存在非常明顯的時變性和非線性特征。在控制策略設(shè)計中，若只采用單一靜態(tài)模型，必然無法面對電廠復(fù)雜的實際運行環(huán)境，控制系統(tǒng)長期投用的性能無法得到保證。為此，文中采用智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)技術(shù)［ 3 ］，不斷動態(tài)調(diào)整控制系統(tǒng)的特性參數(shù)和部分機組設(shè)定參數(shù)，一方面使控制系統(tǒng)性能始終保持最佳，另一方面也使機組運行工況不斷向最經(jīng)濟狀態(tài)逼近。

1.3.1控制系統(tǒng)模型及控制參數(shù)的自適應(yīng)機制

采用如下方法校正機組被控模型中的重要參數(shù)：

（1）實時擬合機組真空-汽耗率的函數(shù)關(guān)系，從而保證鍋爐指令-給水指令的前饋/反饋通道的靜態(tài)增益始終與實際工況保持一致；

（2）實時擬合機組功率-燃料量的函數(shù)關(guān)系，從而保證鍋爐指令-燃料指令的前饋/反饋通道的靜態(tài)增益始終與實際工況保持一致；

（3）通過每次典型升、降負荷時燃料量變化后的實際負荷、主汽壓力變化情況，實時計算制粉系統(tǒng)慣性模型的參數(shù)，并以此為依據(jù)調(diào)整機組主汽壓力的預(yù)測模型和GPC預(yù)測控制器參數(shù)，使控制系統(tǒng)的對象滯后模型與鍋爐實際滯后特性保持一致；

通過上述技術(shù)的應(yīng)用，整個控制系統(tǒng)將始終處于在線學(xué)習(xí)的狀態(tài)，控制性能不斷向最優(yōu)目標逼近。

1.3.2機組工況的自適應(yīng)調(diào)整

超超臨界機組中間點溫度 （通常是汽水分離器出口溫度）的設(shè)定值是決定機組運行狀況的重要參數(shù)，在原DCS協(xié)調(diào)設(shè)計中，該設(shè)定值僅是分離器壓力的靜態(tài)函數(shù)，在機組煤質(zhì)、磨組合、工況改變時，該函數(shù)必然將偏離實際運行工況，從而導(dǎo)致機組不能運行在最經(jīng)濟的工況點上。

為解決上述問題，文中設(shè)計了中間點溫度設(shè)定值的智能動態(tài)校正策略，主要規(guī)律如下：

首先根據(jù)機組運行的歷史數(shù)據(jù)，通過滾動優(yōu)化擬合出基本的“分離器壓力、磨煤機組合、燃料熱值—過熱度”的多元函數(shù)關(guān)系；

在機組日常運行中，按照如下規(guī)律（優(yōu)先級從上至下遞減），動態(tài)調(diào)整過熱度設(shè)定值，盡可能使機組運行在最合理、經(jīng)濟性最高的模式下：

（1）調(diào)整過熱度，使機組主汽溫能達到設(shè)定值；

（2）調(diào)整過熱度，使機組再熱汽溫能達到設(shè)定值，同時再熱減溫水量盡量為零；

（3）調(diào)整過熱度，使機組的過熱減溫水量隨負荷點的不同維持在合理數(shù)值。

通過上述技術(shù)的應(yīng)用，可使機組自動調(diào)整工況，始終運行在最合理、經(jīng)濟的模式下。

2　優(yōu)化控制系統(tǒng)的實施方式

工程選用基于PLC的熱工控制應(yīng)用平臺（INFIT）優(yōu)化控制系統(tǒng)作為優(yōu)化控制策略現(xiàn)場實施的軟硬件平臺。INFIT控制系統(tǒng)采用MODBUS通信方式與DCS系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，從而以類似擴展DPU的方式接入到DCS中，完成實際的優(yōu)化控制功能。

2.1優(yōu)化系統(tǒng)的軟件和硬件平臺

硬件方面：INFIT實時優(yōu)化控制系統(tǒng)選用Siemens S7系列PLC為硬件平臺，系統(tǒng)采用“雙冗余電源+CPU模塊+modbus通信模塊”的硬件配置［ 4 ］。軟件方面：在Siemens Step7編程環(huán)境中采用SCL、STL語言開發(fā)了所有的高級算法模塊，并通過面向?qū)ο蟮姆庋b技術(shù)，建立了類似一般DCS系統(tǒng)的組態(tài)函數(shù)庫（但功能更為強大），之后可通過函數(shù)調(diào)用以類似DCS組態(tài)的方式完成具體機組負荷性能優(yōu)化工程的建立。

2.2采用獨立硬件平臺的優(yōu)點

INFIT系統(tǒng)采用這種獨立于DCS系統(tǒng)的硬件平臺，具有如下優(yōu)點：

（1）DCS只能實現(xiàn)常規(guī)的PID控制，控制性能有明顯的局限性，而INFIT優(yōu)化裝置可實現(xiàn)任何先進的控制算法，是應(yīng)用現(xiàn)代控制技術(shù)來解決火電機組疑難控制問題的必備平臺；

（2）采用INFIT后，整個優(yōu)化控制系統(tǒng)的調(diào)試過程十分簡單，不需要在DCS中反復(fù)在線下載控制組態(tài)，調(diào)試過程中機組的安全性大大提高，完全避免了由于下載不當而導(dǎo)致機組跳機事故的發(fā)生；

（3）INFIT是作為一個擴充的分散處理單元融入到整個DCS系統(tǒng)中，運行人員的操作方式保持不變；

（4）采用INFIT后，無需改變原有DCS中的控制策略，運行人員可方便地在原有控制方案和新的優(yōu)化控制方案之間無擾動地切換，增加了系統(tǒng)的靈活性和安全性。

3　現(xiàn)場應(yīng)用效果

文中所設(shè)計的控制方案均已通過INFIT實時優(yōu)化平臺成功實施于潮州電廠3號和4號機組。圖5和圖6分別是機組以20 MW/min速率進行變負荷試驗的運行曲線。變負荷中的各項控制指標列于表1。

圖5　20 MW/min變負荷運行曲線1

圖6　20 MW/min變負荷運行曲線2

結(jié)合圖4、5以及表1的數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用新型控制策略后，機組變負荷率由原先的10 MW/min提高至20 MW/min，并且在變負荷過程中控制性能非常優(yōu)秀，特別是主汽溫度在各種變負荷下最大波動僅為1～2 ℃，各項指標均遠優(yōu)于國家行業(yè)標準。

表1　12 MW/min速率降負荷試驗數(shù)據(jù)

圖7、8是投用文中提出的新型INFIT協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)停用F磨煤機的同時啟動A磨煤機的運行曲線，切磨工況是正常運行中比大幅度變負荷擾動強度更大的工況。從圖7、8可以看出，在整個切磨過程中機組運行非常平穩(wěn)，主汽壓力最大僅波動0.4 MPa，主汽溫度最大僅波動3～4 ℃，過熱度最大僅波動5 ℃，整體控制性能同樣非常優(yōu)秀。

圖7　切換磨煤機運行曲線1

圖8　切換磨煤機運行曲線2

4　結(jié)束語

該大型火電機組AGC優(yōu)化控制策略依靠INFIT實時優(yōu)化控制平臺，成功實現(xiàn)鍋爐主控回路預(yù)測控制技術(shù)、燃水比控制中的新型解耦技術(shù)、控制模型參數(shù)和機組工況自適應(yīng)調(diào)整等多種先進控制技術(shù)，使機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)性能得到提高。在潮州電廠3號和4號機組上實際應(yīng)用中表明，在INFIT新型優(yōu)化系統(tǒng)控制下機組運行穩(wěn)定、各項考核指標均居于全省前列，為廠里帶來了明顯的經(jīng)濟效益。且由于INFIT系統(tǒng)獨立性和與DCS的完美融合性，其具有非常好的推廣前景。

參考文獻：

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李長春（1980），男，江蘇鹽城人，工程師，從事設(shè)備管理工作。

國家自然科學(xué)基金項目：51576043

Application of Advanced Control Technology in the 1000 MW Ultra-supercritical Unit

LI Changchun
（Datang Jiangsu Power Generation Co. Ltd.， Nangjing 210058， China）

Abstract：With the problems of low speed of changing load， high fluctuation of main control parameters and the over-heat of main steam temperature of the 1000 MW ultra supercritical unit in Chaozhou power plant， this paper proposed an advanced control method of automatic generation control （AGC）， which can be applied in the field with the INFIT real-time optimization system. The performance indicated that the advanced control technology can significantly improve load regulation ability， the operation stability of the unit and the average steam temperature of superheat and reheat， thus global safety and economy of the unit were improved.

Key words：ultra-supercritical unit； automatic generation control； model predictive control； self-adaptation control

中圖分類號：TM621

文獻標志碼：A

文章編號：1009-0665（2016）03-0005-05

作者簡介：

收稿日期：2015 -12-07；修回日期：2016-01-29