350 MW機組DEB協調控制對AGC的適應性分析

趙振書，祝海光

(1.華能上安發電廠 檢修部，河北 上安 050300;2.華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003)

350 MW機組DEB協調控制對AGC的適應性分析

趙振書1，2，祝海光1

(1.華能上安發電廠 檢修部，河北 上安 050300;2.華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003)

對火電機組采用的直接能量平衡 (DEB)協調控制系統以及發電自動控制 (AGC)方式的響應特性及其影響因素進行分析，指出了采用AGC對火電機組進行控制與優化時應注意的問題，并提出了進一步提高負荷響應速度的主要途徑，對華能上安電廠一單元2×350 MW機組分析與優化，實驗結果表明，優化后的DEB控制方式達到了協調控制系統快速性和穩定性的要求。

直接能量平衡;協調控制;自動發電控制;負荷適應性

0 引言

單元機組協調控制系統CCS(Coordinate Control System)根據負荷控制的特點，把鍋爐和汽輪機發電機組作為一個整體進行控制，使其同時按照電網負荷需求指令和內部主要運行參數的偏差要求協調運行。其任務是使機組負荷緊密跟蹤外界負荷的要求，并保持機前汽壓穩定。隨著電網容量擴大和對電能質量要求的提高，對電力系統自動發電控制的要求日益迫切。采用自動發電控制系統AGC(Automatic Generation Control)控制方式對提高負荷調度能力和電網的經濟性、確保電網供需平衡和穩定運行及為用戶提供優質的電能有著重要的意義，也是電網調度自動化水平的突出標志［1，2］。

目前國內不少單元機組的負荷控制實現了AGC，但投運效果并不十分理想，突出表現在對外界負荷響應的滯后時間較長，對負荷的響應速率較慢，負荷適應性差［3～5］。針對華能上安電廠一期2×350 MW機組原協調控制系統采用間接能量平衡 (IEB)負荷控制品質差，調節過程負荷響應慢、主蒸汽壓力和汽包水位波動大、主蒸汽溫度和再熱汽溫超溫等現象，對原協調控制系統進行了新的設計與優化，新的協調控制系統采用了前饋和直接能量平衡 (DEB)相結合的控制方式，解決了因燃煤品質變化大而使機組負荷適應性差的問題。

1 自動發電控制系統

AGC是根據電網負荷指令，直接控制發電機功率的自動控制系統。以電網調度自動化系統和電廠發電機組協調控制系統為基礎，通過兩者間實時閉環運行，控制發電機組的運行功率隨時跟蹤電網的負荷變化，并迅速平穩地將系統頻率偏差及聯絡線功率偏差調整在規定的范圍內。

火電廠ACC控制系統主要由電網調度中心實時控制系統、信息傳輸通道、遠動控制裝置 (RTU)、單元機組控制系統組成。電網調度中心利用控制軟件對整個電網的用電負荷情況、機組運行情況進行監視，然后對掌握的數據進行分析，并對電廠的機組進行負荷分配，產生ACC指令。ACC指令通過信息傳輸通道將此指令傳送到電廠的RTU裝置。同時，電廠將機組的運行狀況及相關信息通過RTU裝置和信息傳輸通道送至電網調度中心的實時控制系統中去。系統構成如圖1所示。

圖1 AGC控制結構框圖Fig．1 AGC control structure

ACC指令是電網調度中心的計算機產生的被控機組的目標功率，按RTU的通信規定組裝成AGC遙調報文輸送給電廠RTU，RTU裝置將接收到的ACC控制信號轉換成4～20 mA的信號送至發電機組的功率調節系統。同時，功率變送器將發電機組有功功率轉換成4～20 mA信號，送到電網調度實時控制系統中。

2 DEB協調控制及其影響因素分析

直接能量平衡 (DEB)協調控制系統采用能量平衡信號作為鍋爐主控能量需求信號，鍋爐燃燒釋放的熱量作為反饋信號，以機組的能量平衡為出發點，以能量需求和能量釋放為控制信號的控制系統［6］。實際上是一種運用了前饋控制技術的以鍋爐跟蹤為基礎的協調控制系統。

PS×P1/PT稱為能量平衡信號或能量指令信號，反映了汽機對鍋爐的能量需求。其中PS為給定值，P1/PT為汽輪機第一級汽壓對主蒸汽壓力之比，線性代表了汽機的有效閥位，提供了實際調節閥開度的精確測量。(P1+CB×dPd/dt)稱為熱量釋放信號或簡稱熱量信號，用第一級汽壓P1加上鍋爐蓄能變化 (用汽包壓力Pd的微分表示)來表示，間接代表了進入鍋爐的燃料量的測量，其中CB為鍋爐蓄熱系數。當鍋爐和汽機穩定運行時，兩者應達到平衡，即:

進入鍋爐燃料入口能量偏差信號為:

其中ΔPt=PS－PT為壓力偏差。靜態工況下dPd/dt=0，即Δe=ΔPt×P1/PT，燃料調節器的積分作用總是消除調節器入口偏差，使Δe最終等于零。由于P1/PT恒不等于零，所以需使ΔPt=0，即機前壓力PT等于給定值PS。可見此系統中的燃料調節器具有維持機前壓力PT等于壓力給定值的能力，而無需另加壓力校正調節器。

隨著電網的負荷分配采用AGC方式，要求機組在確保穩定的前提下，具有更快的負荷響應。然而火電機組常常難以滿足負荷快速調度要求。具體影響機組AGC運行的主要因素有以下幾方面。

2.1 鍋爐響應的遲延特性

火電機組在能量產生和轉換過程中存在著較大的遲延，對負荷響應的遲延主要取決于鍋爐在接到負荷指令后，改變燃燒量到蒸汽流量發生變化所需要的時間。試驗表明，純遲延主要發生在制粉過程，由于一次風量和煤粉細度受運行要求的限制，該遲延時間難以克服。

2.2 協調運行方式

DEB協調控制系統從理論上有效地解決了機、爐控制模型的多參數耦合解耦設計問題，但從實際運行情況看，該系統采用的熱量信號，受鍋爐燃燒工況、受熱面導熱系數等多種因素的影響。增加了熱量信號轉換過程與鍋爐實際燃燒工況不一致帶來的隱患。

另外一個問題是燃燒控制系統的參數整定比較困難。由于DEB控制方案中，控制效果好壞的關鍵在于鍋爐蓄熱系數CB的整定。而CB的整定方法，則是機組帶負荷運行在穩定狀態的情況下，機組運行人員給汽機調門一個階躍變化后，調整CB，使熱量信號的代數和保持不變。由于整定CB時要多次較大幅度地變更機組的運行狀況，加之做實驗及辨識方法的不準確性，給CB的最佳化整定帶來了困難。

2.3 滑壓運行及鍋爐蓄熱

滑壓運行有利于機組快速啟動及變負荷運行，但是滑壓運行對負荷的適應性產生不利的因素。機組負荷變動在滑壓運行階段 (30%～80%MCR)，鍋爐蓄熱能力將隨參數的變化而變化，變化方向恰好與負荷需求方向相同:當需要增加負荷時，鍋爐同時需要吸收一部分熱量來提高參數，使其蓄熱能力增加;反之，在降低負荷時，參數降低，釋放蓄熱。這兩種結果都阻礙機組對外界負荷需求的響應，降低了負荷響應的速率。在實際試驗過程中，試驗曲線出現了負荷升降的遲延平臺，如圖2所示，其中P為壓力，N為功率，B為煤量。

圖2 負荷升降遲延示意Fig．2 Load control signal delay

3 提高火電機組負荷適應性的途徑

華能上安電廠一單元1號、2號機組為2×350 MW機組是全套引進的國外機組。鍋爐為加拿大B＆W公司生產的CAROCINA“W”型亞臨界壓力一次再熱自然循環輻射爐。汽輪發電機組為美國GE公司提供的亞臨界一次中間再熱、雙缸、雙排冷凝式機組，并配置了30%流量的旁路裝置，該裝置由瑞典EUR-CONTROL公司提供。機組控制設備主要采用美國貝利公司的infi-90分散控制系統。為提高機組負荷的適應性，必須在分析AGC特點的基礎上，提出具體的提高負荷響應速度的途徑。

3.1 充分利用鍋爐的蓄熱能力

鍋爐是一個巨大的蓄熱裝置，盡管大型鍋爐的蓄熱能力相對較小，但必須利用這部分蓄熱，這是加快機組負荷響應的先決條件。要利用好鍋爐蓄熱，關鍵是協調好鍋爐負荷指令和汽輪機負荷指令，并協調好鍋爐快速性和穩定性間的矛盾。通過調試熱量信號P1+CB×dPd/dt選擇合適的蓄熱系數CB使熱量信號能更加準確地反映鍋爐的實際發熱量。當升負荷之初允許主汽壓力適當下降，開始降負荷時則允許主汽壓力適當上升。一般認為對于配備直吹式制粉系統機組而言，允許主壓力偏差在0.0～0.3 MPa之間。

3.2 協調控制方式的改進

協調控制系統的控制策略，關鍵在于處理機組的負荷適應性與運行的穩定性這一矛盾。對汽機控制既要充分利用鍋爐蓄能，滿足機組負荷要求，又要動態超調鍋爐的能量輸入，補償鍋爐蓄能。同時要對前饋環節進行優化。必須加快鍋爐煤量的調節，包括加快磨煤機一次風的流量調節，以便吹出磨煤機中的少量存粉，加快鍋爐的動態響應。增強煤量和一次風量的前饋作用:利用負荷變化的前饋信號，迅速改變給煤量，使鍋爐的燃燒率發生變化，適應負荷變化需要。試驗證明，綜合利用上述兩種前饋作用可達到較為理想的效果。

另外取消風煤間的交叉限制。目前通用的燃料和送風控制中一般都設計有風煤交叉限制邏輯，即升負荷時先加風后加燃料，減負荷時先減燃料后減風。在機組負荷變動中，此功能往往成為制約機組負荷響應速度的一個因素。由于變負荷時燃料和送風系統往往同時動作，而燃料一般都會滯后于風量，鍋爐一般不會出現欠風運行。實際上燃煤鍋爐一般都采用較大的過量空氣系數，而近年來新投產機組一般都投入了氧量自動，使得風煤交叉限制失去了現實意義。

3.3 在AGC調節負荷范圍內，升降負荷采用定壓方式

滑壓升降負荷存在著鍋爐蓄熱能力變化對負荷調度的負面效應，而采用定壓方式不改變鍋爐蓄熱能力，可消除對負荷響應的負面影響。因而在AGC調節負荷的范圍內，可以轉入定壓運行，增強對負荷變化的適應性。實際運行中可根據機組實際狀況選擇定壓或滑壓運行方式。

其他優化包括提高機組自動化控制水平，完善機組的RB功能，對遲延較大的主設備 (如煤粉制備)運行中采取特殊措施等來提高機組的響應能力。

3.4 優化后升降負荷曲線分析

華能上安電廠一單元350 MW機組協調控制系統優化后，機組降負荷過程主要參數曲線如圖3所示。該時間段內采用滑壓運行方式，負荷先下降然后上升。由圖可知優化后變負荷過程實際負荷跟隨負荷定值迅速及時，負荷變化過程壓力跟隨定值迅速平穩，壓力和定值曲線基本平行，壓力偏差很小，給煤量調節比較迅速及時，水位波動較小，在允許的范圍內。

圖3 協調控制系統優化后機組升降負荷過程負荷壓力曲線Fig．3 CCS optimized load-pressure process curve of load control

優化后的主汽壓力跟隨給定值較好，二者基本平行，主汽壓力在大范圍負荷波動仍能在允許范圍內，主汽壓力波動明顯小于優化前。從實驗結果看，優化后的DEB控制方式成功實現了負荷變化的要求，確保了運行參數穩定，達到了CCS快速性和穩定性的要求。

4 結論

大型火電廠AGC為保證電網安全、穩定運行發揮了重要作用。AGC的實施成為電網調度自動化系統安全經濟運行的關鍵組成部分之一。本文分析了電網調度自動化和機組運行自動化之間實現AGC及其優化的途徑，針對華能上安電廠一單元350 MW機組，詳細分析討論了DEB控制方式及其影響因素，并提出了優化方法。實驗結果表明本文提出的優化方案既有良好的升降負荷適應能力，又能保證機組參數穩定。

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Analysis of the AGC Adaptability Based on the DEB Coordinated Control Method

Zhao Zhenshu1，2，Zhu Haiguang1
(1.Huaneng Shang'an Power Plant，Shang'an 050300，China;2.North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

The response characteristics and influencing factors of the direct energy balance(DEB)coordinated control system of automatic generation control(AGC)in fossil-fired generating unit have been analyzed．At the same time，the paper pointed out the questions on the AGC controlling in fossil-fired generating unit and the main methods to further raise load response speed．The experiment results show that the DEB control method reached the requirements of the load speed rate and stability of the 350 MW unit in Shangan power plant．

direct energy balance(DEB);coordinated control;automatic generation control(AGC);load adaptability

TM76

A

2011－01－02。

趙振書 (1969－)男，工程師，從事火電熱工自動化工作，E-mail:zzs_12345@163．com。