周松國(guó)，羅昌福

（華電電力科學(xué)研究院西安分院，陜西西安710032）

百萬(wàn)級(jí)超超臨界火電機(jī)組新型協(xié)調(diào)控制策略分析

周松國(guó)，羅昌福

（華電電力科學(xué)研究院西安分院，陜西西安710032）

目前，國(guó)內(nèi)超超臨界火電機(jī)組普遍存在AGC模式下電負(fù)荷響應(yīng)速率不足的問題，主要原因是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的主汽壓力調(diào)節(jié)品質(zhì)差。由于主汽壓力控制存在多變量相互耦合的因素，如何消除各變量互耦作用就成為提高主汽壓力調(diào)節(jié)品質(zhì)的核心技術(shù)。通過理論分析提出一種新型協(xié)調(diào)控制策略，將協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)變負(fù)荷公用指令進(jìn)行分解，形成多個(gè)彼此獨(dú)立的子系統(tǒng)變負(fù)荷前饋量，并設(shè)計(jì)一套智能型防燃料超調(diào)邏輯，成功地達(dá)到了解耦目的。該控制策略應(yīng)用到中電投安徽平圩三期2×1050MW超超臨界火電機(jī)組，并取得良好的應(yīng)用效果，實(shí)踐證明該策略能夠改善主汽壓力調(diào)節(jié)品質(zhì)，進(jìn)而提高電負(fù)荷響應(yīng)速率。

速率；主汽壓力；獨(dú)立；前饋；解耦；燃料閉鎖

0 引言

目前，發(fā)展高效率、低煤耗的大容量超超臨界火力發(fā)電機(jī)組已是我國(guó)火力發(fā)電的主要方向，國(guó)內(nèi)不少超超臨界火電機(jī)組在負(fù)荷變化過程中，由于主汽壓力調(diào)節(jié)品質(zhì)差，最終影響到AG C電負(fù)荷的響應(yīng)速率。如何提高超超臨界機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)就成為了火電機(jī)組自動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。

影響機(jī)組電負(fù)荷響應(yīng)速率的根本原因是汽機(jī)側(cè)與鍋爐側(cè)的能量不平衡，最直接的表現(xiàn)就是主汽壓力出現(xiàn)較大的控制偏差。

變負(fù)荷過程中，當(dāng)主汽壓力控制偏差量達(dá)到一定值后，電負(fù)荷指令將出現(xiàn)將反向調(diào)節(jié)甚至被閉鎖，機(jī)組失去響應(yīng)AG C指令變化的能力。如何控制主汽壓力就成為了提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的核心技術(shù)。

圖2 汽機(jī)閥門階躍擾動(dòng)

圖3 燃料量階躍擾動(dòng)

圖4 給水量階躍擾動(dòng)

1 主汽壓力控制問題分析

直流狀態(tài)下影響主汽壓力的因素是多樣的，包括蒸汽流量、燃料、給水、汽溫及鍋爐燃燒率等諸多變量。各種變量關(guān)系如圖1所示。下面對(duì)各種變量之間的耦合關(guān)系進(jìn)行討論。

圖1 超臨界直流鍋爐機(jī)組簡(jiǎn)化模型

1.1 汽機(jī)閥門階躍擾動(dòng)

當(dāng)汽機(jī)調(diào)閥發(fā)生正向階躍且給水流量和燃料不變情況下，蒸汽流量初始階段將發(fā)生階躍，隨著鍋爐金屬和工質(zhì)蓄熱量的下降，主汽壓力及主汽溫度將跟隨著下降；待蒸汽流量回落到初始值時(shí)主汽溫度將恢復(fù)初始值，而主汽壓力將趨于穩(wěn)定并保持與初始值一定的負(fù)向偏差值。具體過程如圖2所示。

1.2 燃料量擾動(dòng)

當(dāng)燃料發(fā)生正向階躍且給水流量和汽機(jī)調(diào)閥不變情況下，經(jīng)過短暫延時(shí)后，由于鍋爐各受熱面吸熱量大幅增加，蒸汽流量將迅速增加，主汽壓力跟隨著上升，主汽溫度初期因?yàn)槲鼰崃颗c蒸汽流量相當(dāng)能夠保持短時(shí)的穩(wěn)定；由于給水流量沒有改變導(dǎo)致蒸汽流量逐漸回落，此時(shí)由于水煤比發(fā)生大的變化汽溫經(jīng)過一定延時(shí)后將迅速上升，而主汽壓力雖然因?yàn)檎羝髁康南陆禃?huì)伴隨著下降，但是因?yàn)檎羝莘e流量的增大而引起沿程壓降的增加，所以蒸汽壓力最終保持與初始值一定的正向偏差值。具體過程如圖3所示。

1.3 給水量擾動(dòng)

當(dāng)給水流量發(fā)生正向階躍且燃料和汽機(jī)調(diào)門不變的情況下，蒸汽流量將迅速上升，主汽壓力伴隨著上升，主汽溫度在初始階段保持短時(shí)的穩(wěn)定；由于水煤比發(fā)生比較大的改變引起主汽溫度經(jīng)過延時(shí)后將迅速下跌，主汽壓力將伴隨主汽溫度的下降而回落到初始值。具體過程如圖4所示。

1.4 風(fēng)量擾動(dòng)

在鍋爐風(fēng)量或者煙氣流量改變且其它變量不變的情況下，鍋爐燃燒率將發(fā)生大的變化，主汽溫度和主汽壓力將會(huì)伴隨著同向變化。

上述可見，如果不對(duì)各個(gè)變量進(jìn)行特殊處理將嚴(yán)重制約主汽壓力控制的速度和精度。各個(gè)變量之間如何解耦成為亟需解決的問題。

2 預(yù)給煤邏輯

在機(jī)側(cè)能量需求發(fā)生改變時(shí)，要求鍋爐側(cè)各個(gè)子系統(tǒng)（包括風(fēng)量、燃料、給水、一次風(fēng)壓、磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量及過熱器減溫水等系統(tǒng)）必須同時(shí)作出相應(yīng)的調(diào)整。為此，設(shè)計(jì)一個(gè)鍋爐側(cè)超前控制量，作為機(jī)組變負(fù)荷初期協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的公用指令，同時(shí)作用到各子系統(tǒng)，以提高鍋爐側(cè)熱負(fù)荷響應(yīng)速度，俗稱“預(yù)給煤”。

3 具有解耦功能的子系統(tǒng)前饋量

前面提到影響主汽壓力的諸多變量必須實(shí)現(xiàn)解耦，在此講解具體的方法。根據(jù)圖2-圖4的曲線可以得知，燃料量與主汽壓力變化趨勢(shì)同向，因此燃料量可以作為主汽壓力正常調(diào)節(jié)的手段。真正對(duì)主汽壓力造成擾動(dòng)的因素是汽機(jī)閥門開度、蒸汽溫度及給水量。

首先，消除蒸汽溫度擾動(dòng)的方法就是通過調(diào)節(jié)燃料來(lái)穩(wěn)定中間點(diǎn)溫度。利用燃料對(duì)主汽壓力的正向調(diào)節(jié)作用來(lái)抵消掉主汽溫度對(duì)主汽壓力的負(fù)向擾動(dòng)，同時(shí)穩(wěn)定了主汽壓力和蒸汽溫度。例如:當(dāng)中間點(diǎn)溫度降低時(shí)，由于末級(jí)過熱器蒸汽溫度（后面簡(jiǎn)稱主汽溫度）必定降低，導(dǎo)致主汽壓力降低。此時(shí)增加燃料量，則必然同時(shí)提高中間點(diǎn)溫度（主汽溫度）和主汽壓力，具體過程如圖3所示。

其次，為了防止給水量的擾動(dòng)，將中間點(diǎn)溫度調(diào)節(jié)器輸出量（后面簡(jiǎn)稱水煤比輸出）繞過鍋爐主控指令，直接作為燃料指令的一部分；而給水指令則取自相對(duì)穩(wěn)定的鍋爐主控指令對(duì)應(yīng)的函數(shù)。水煤比失調(diào)時(shí)通過調(diào)節(jié)燃料量既穩(wěn)定了蒸汽溫度又避免了給水量對(duì)主汽壓力造成擾動(dòng)。

最后，重點(diǎn)分析如何消除汽機(jī)閥門開度變化對(duì)主汽壓力的擾動(dòng)，即變負(fù)荷工況下主汽壓力如何控制的問題。在變負(fù)荷過程中上述的幾種擾動(dòng)因素同時(shí)并存，必須對(duì)各個(gè)變量的控制實(shí)行“解耦”，這是決定AG C品質(zhì)的一項(xiàng)核心技術(shù)。

前面提到變負(fù)荷時(shí)各子系統(tǒng)將同時(shí)接收到“預(yù)給煤”公用信號(hào)，必須根據(jù)各自的系統(tǒng)特性設(shè)立獨(dú)立的響應(yīng)速度及調(diào)節(jié)幅度，圖5的邏輯正是為此而設(shè)計(jì)的。圖5以燃料前饋量控制為例，說明各子系統(tǒng)前饋量是如何形成的。

圖5中，左右對(duì)稱的兩部份分別為升/降負(fù)荷的前饋量運(yùn)算邏輯，其中PID1和PID2為純積分環(huán)節(jié)。

調(diào)整f（x）1/f（x）4參數(shù)可以改變各子系統(tǒng)的前饋量；調(diào)整f（x）3/f（x）6參數(shù)（可以改變積分量）

或者調(diào)整PID功能塊的積分時(shí)間，二者均可以改變前饋量調(diào)節(jié)速率；調(diào)整K1/K2可以分別設(shè)置“預(yù)給煤”初始階段和結(jié)束階段的速率，實(shí)現(xiàn)“快加（減）慢回”的目的。

f（x）2/f（x）5是在兼顧鍋爐燃燒穩(wěn)定性和功煤比特性后，特意設(shè)置的前饋量修正系數(shù)。具體功能是在低負(fù)荷區(qū)升（降）負(fù)荷時(shí)自動(dòng)加大（減小）前饋量系數(shù)；而在高負(fù)荷區(qū)升（降）負(fù)荷時(shí)自動(dòng)減小（加大）前饋量系數(shù)。

圖5 變負(fù)荷至燃料前饋量

從上面的分析可以看出，在變負(fù)荷工況下，各子系統(tǒng)的前饋量幅度和響應(yīng)速率是可以獨(dú)立設(shè)置的，互不影響。通過上述邏輯能夠很好地分解給水、燃料、汽溫等子系統(tǒng)對(duì)主汽壓力的耦合作用。只要遵循下面幾個(gè)原則合理搭配各子系統(tǒng)關(guān)系，就能精確控制主汽壓力和蒸汽溫度。

（1）燃料前饋量與給水前饋量必須嚴(yán)格遵循正常的水煤比關(guān)系，并且要求給水量滯后燃料量一定的時(shí)間。

（2）一次風(fēng)壓和磨煤機(jī)熱風(fēng)調(diào)門的前饋量響應(yīng)速率必須與燃料量前饋量同步；其調(diào)節(jié)幅度不宜太大，只要能夠有效地改變磨煤機(jī)內(nèi)部的存粉量即可。

（3）過熱器減溫水調(diào)門前饋量幅度應(yīng)匹配燃料量的幅度，但是響應(yīng)速率要相對(duì)緩慢。

（4）總風(fēng)量前饋量在升降負(fù)荷兩種不同工況下必須區(qū)別對(duì)待，降負(fù)荷的幅度要小于升負(fù)荷的幅度，其目的是防止欠氧運(yùn)行危及鍋爐燃燒穩(wěn)定性能。

綜上所述，通過上述各自獨(dú)立的子系統(tǒng)前饋邏輯能夠很好地解決變負(fù)荷過程中的主汽壓力與其它變量的耦合作用。

4 智能型防燃料超調(diào)邏輯

由前述得知，為了提高機(jī)組變負(fù)荷過程鍋爐熱負(fù)荷響應(yīng)速度，有多個(gè)控制系統(tǒng)同時(shí)作用到燃料子系統(tǒng)（包括變負(fù)荷“預(yù)給煤”量、鍋爐主控的輸出量及水煤比調(diào)節(jié)量）。如不對(duì)總?cè)剂险{(diào)節(jié)量加以限制，有可能危及鍋爐燃燒穩(wěn)定性，因此，設(shè)計(jì)了一套智能型防燃料超調(diào)邏輯，如圖6所示。

圖6 燃料自動(dòng)閉鎖邏輯框圖

圖6中，變負(fù)荷開始時(shí)通過T1自動(dòng)記憶住單位電負(fù)荷對(duì)應(yīng)的燃料量，并根據(jù)實(shí)際負(fù)荷指令的變化由MUL1計(jì)算出動(dòng)態(tài)的燃料指令基準(zhǔn)值。

在基準(zhǔn)值上疊加變負(fù)荷燃料前饋量后，再給予± 15t/h煤量的調(diào)節(jié)裕度（分別對(duì)應(yīng)升降負(fù)荷兩個(gè)不同工況）。三者之和即為變負(fù)荷階段燃料量的限制值。

當(dāng)燃料指令超過限制值時(shí)同時(shí)給鍋爐主控及中間點(diǎn)溫度控制器發(fā)出閉鎖增（或閉鎖減）信號(hào)。（若是升負(fù)荷，則閉鎖增；降負(fù)荷則閉鎖減）。

圖7為鍋爐主控SAM A圖。在燃料閉鎖期間，鍋爐主控的前饋量原始值SUM2保持變化趨勢(shì)，但調(diào)節(jié)器PID1的前饋?zhàn)兞縁F被T1暫時(shí)凍結(jié)；待閉鎖信號(hào)消除后FF以0.15M W/s的速度緩慢接近SUM2的輸出值。

智能型燃料閉鎖邏輯不但可以防止燃料超調(diào)；而且可以放開變負(fù)荷前饋量的幅度和持續(xù)時(shí)間，加快鍋爐熱負(fù)荷響應(yīng)速度，提高了主汽壓力的控制能力，更進(jìn)一步加快了機(jī)組AG C模式電負(fù)荷的響應(yīng)速率。

圖7 鍋爐主控SAM A

5 實(shí)際運(yùn)行效果

選取了2015年4月29日22：30~23：10機(jī)組的變負(fù)荷曲線，如圖8所示。圖中電負(fù)荷變動(dòng)范圍為950-800M W，電負(fù)荷變化速率為15M W/m in。

圖8 平圩電廠#5機(jī)組實(shí)際變負(fù)荷曲線

從實(shí)際運(yùn)行曲線來(lái)看，AG C控制方案經(jīng)受了負(fù)荷變動(dòng)的考驗(yàn)，過程中主要參數(shù)的調(diào)節(jié)品質(zhì)均達(dá)到《DL/T 657－2006火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗(yàn)收測(cè)試規(guī)程》的要求，完全能夠滿足機(jī)組變負(fù)荷的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

通過分析主汽壓力各種擾動(dòng)因素之間的耦合關(guān)系，結(jié)合超臨界機(jī)組的運(yùn)行特征，制定出針對(duì)性的解決方案，將機(jī)組變負(fù)荷過程中各個(gè)子系統(tǒng)的前饋量分隔開進(jìn)行獨(dú)立控制，很好地解決了主汽壓力與多變量之間相互耦合耦的問題，在智能型防燃料超調(diào)邏輯的輔助控制下，有效地提高了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)AG C模式下電負(fù)荷的響應(yīng)能力。

（華電集團(tuán)2016年科研項(xiàng)目《火電機(jī)組低氮燃燒器NOx排放指標(biāo)與蒸汽溫度自動(dòng)平衡控制技術(shù)的研究》，編號(hào)：CHECKJ16-03-75）

[1]田婭菲，趙文杰，田嵐.火電機(jī)組快速響應(yīng)負(fù)荷指令的優(yōu)化[J].設(shè)計(jì)自動(dòng)化與儀表，2014，（1）:38-42.

[2]惠雪松，余志永，劉文會(huì).超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制方法研究及模型分析[J].電站輔機(jī)，2015，（01）:13-16.

[3]韓忠旭，等.超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)新方法及其工程應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，（3）:75-81.

[4]沙友平，王利國(guó)，管春雨.超臨界機(jī)組典型系統(tǒng)的控制策略[J].中國(guó)電力，2006，（3）:82-85.

[5]劉立偉，方廷璋，吳延龍.600M W超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[J].電力建設(shè)，2009，（7）:68-71.

[6]桑保華，薛曉中.多變量解耦控制方法[J].火力與指揮，2007，（11）: 14-16.

[7]陳銘，劉嬈，呂泉，等.AG C機(jī)組分群控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，（03）:307-312.

[8]馬平，楊金芳，崔長(zhǎng)春，等.解耦控制的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].控制工程. 2005，（03）:2-5.

Analysis of a New Coordinated Control Strategy for one Million Ultra Supercritical Thermal Power Units

ZHOU Song-guo，LUO Chang-fu
（Huadian Electric Power Research Institute Xi’an Branch，Xi’an 710032，China）

A tpresent,the dom estic ultra-supercriticaltherm alpowerunit AG C m ode are widespread the problem of insufficientelectricity load response rate,the m ain reason isthatthe poorquality ofcoordinated controlsystem ofm ain steam pressure control.Due to the m ain steam pressure controlofm ultivariable coupling factors are variables how to elim inate the m utualcoupling effectbecom esthe core technology to im prove quality ofm ain steam pressure control.The authorthrough the theoreticalanalysis,a new coordinated control strategy is proposed to load change public instruction in decom position of coordinated controlsystem,to form m ultiple independentsubsystem s variable load feedforw ard quantity,and design a setof intelligentfuelovershootlogic,successfully achieve decoupling.The control strategy is applied to the CLP vote for anhui pingweithree periods of2×1050M W ultra supercriticaltherm alpower unit,and achieved good application effect,practice showsthatthisstrategy can im prove the quality ofm ain steam pressure control,electric load response rate can be im proved.

rate；M SP；independent；feedforw ard；decoupling；fuel-locking

TK 323

B

2095-3429（2017）02-0016-05

2017-02-13

修回日期:2017-03-27

周松國(guó)（1973-），男，湖南衡陽(yáng)人，本科，高級(jí)工程師，從事火電機(jī)組自動(dòng)控制領(lǐng)域的研究工作；

羅昌福（1981-），男，青海湟中人，本科，高級(jí)工程師，從事火電機(jī)組鍋爐燃燒領(lǐng)域的研究工作。

D O I:10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.02.004