1 000 MW超超臨界燃煤機組協調控制策略優化

張杰，張于平，鄭渭建

（1.浙能嘉興發電有限公司，浙江嘉興314201；2.浙能能源技術有限公司，杭州310018）

1 000 MW超超臨界燃煤機組協調控制策略優化

張杰1，張于平1，鄭渭建2

（1.浙能嘉興發電有限公司，浙江嘉興314201；2.浙能能源技術有限公司，杭州310018）

對嘉興發電廠三期工程2臺1 000 MW超超臨界直吹式燃煤汽輪發電機組基建調試及商業運行后協調控制系統的品質性能進行研究，分析原設計控制策略的不足；結合機組特性，提出優化與改進的措施，完善機組協調控制品質和性能。

超超臨界；1 000 MW；五階慣性；協調控制

以往機組投產后，都有很長一段時間來優化自動發電量控制（AGC）和一次調頻效果，現在只要機組一投入商業運行，就開始AGC和一次調頻的考核，用于優化協調品質的時間大為縮短，這對熱控專業技術人員是一個很大的挑戰。為了滿足這兩項考核要求，在較短的時間里對新機組進行了系列的控制策略優化，提高了機組AGC和一次調頻性能和品質。

1 機組及協調控制策略設計概況

嘉興發電廠三期工程2×1 000 MW超超臨界燃煤機組采用哈爾濱鍋爐廠生產的單爐膛、雙切圓燃燒Π型變壓直流爐和上海汽輪機廠生產的一次中間再熱、單軸四缸四排汽、八級回熱抽汽、雙背壓凝汽式汽輪機（簡稱汽機）。發電機采用上海電機廠生產的THDF125/67發電機組。分散控制系統（DCS）采用愛默生公司OVATION-400，工作站操作系統采用Win3.2.1，組態工具為Delecoper Studio。數字電液控制系統（DEH）采用西門子T-3000控制系統，控制對象為DEH、汽輪機危急遮斷系統（ETS）、主機潤滑油、EH油、主機軸封系統、主機盤車等。機組于2011年6月23日、10月18日相繼投入商業運行。

三期機組協調控制采用基于鍋爐跟隨模式的協調控制方式，由汽機控制負荷，鍋爐控制汽壓。操作員手動設置或接收調度指令形成目標指令Loadtarget,經高、低限和速率運算形成經速率限制的目標負荷指令（MWD）。MWD送鍋爐主控，同時經慣性環節后送DEH系統的汽機主控。MWD經鍋爐主控運算回路后形成鍋爐輸入指令（BID），鍋爐手動操作時BID指令由操作員手動輸入。BID指令分別送至總風量控制、給水控制、燃料量控制。MWD指令和BID指令進行切換后形成負荷指令（LD）。DEH側汽機主控接受DCS負荷指令，經過速率限制回路進入比例-積分-微分運算（PID），再經過OSB三選回路控制負荷。

2 原協調控制系統設計問題

2.1 協調品質不能滿足要求

2.1.1 主汽壓力控制滯后

升降負荷時，主汽壓力初期總是慢于滑壓曲線，后期由于慣性而過調嚴重，在整個過程中壓力偏差始終較大，成為協調控制一個很大的內擾，調整壓力控制參數效果不明顯，如圖1所示。

圖1 優化前壓力趨勢

2.1.2 機組負荷前饋計算邏輯缺陷

機組負荷前饋計算回路原設計為負荷變化微分量乘以負荷變化范圍來進行系數修正。邏輯設計過于簡單，未考慮大范圍變負荷和AGC小范圍變負荷的不同特性。在大負荷變化時，汽機調門變化較快，主汽壓力會朝反方向動作0.5 MPa左右；而變負荷初期，燃料前饋變化相對平緩，初期鍋爐熱負荷下降偏慢。

常規協調設計通常不考慮變負荷速率對前饋回路的修正，參數以機組最常用的變負荷速率來整定。當機組出現異常時，采用其他變負荷速率運行，原來的參數將不能滿足要求，引起機組壓力和負荷的較大波動。

2.1.3 汽機慣性回路考慮不周

機爐協調回路采用經速率限制后機組負荷指令MWD同步送鍋爐主控和汽機主控。因鍋爐熱負荷具有較大慣性，而汽機調門響應快速，通常在MWD指令送汽機主控之間設置一慣性環節，考慮不同負荷段鍋爐響應差異，慣性時間根據負荷指令對應函數設置，一般以大范圍變負荷需要而決定。

AGC和一次調頻考核要求機組負荷能快速響應AGC指令的變換，AGC模式下，汽機慣性時間由于還是大范圍變負荷時的慣性時間，實際機組負荷就不能有效地跟隨AGC指令的變化，AGC考核就不能滿足要求。

另外由于鍋爐不同負荷段響應特性的差異，汽機與之匹配的慣性也應有所不同，而原邏輯未考慮該因素相對應的響應。

2.1.4 給水流量指令響應慢

給水流量指令原設計由BID指令經線性轉換的基準流量指令與手動偏置之和，經水煤交叉限制后再經過一階慣性后形成。在機組剛轉為干態運行時，過熱度較難控制，經常容易超調，此時操作員以手動改變偏置來干預過熱度，由于偏置經過了一階慣性，給水流量響應緩慢。

另外，在加負荷過程中，手動偏置值如果較大，當燃料指令達到高限時，給水流量指令還在增加，此時過熱度會大幅下降，而燃料已無調節裕量，鍋爐管壁溫度急劇下降，加大了管壁的熱應力，影響鍋爐壽命。

2.2 DEH與CCS間調節匹配不當

DEH控制回路中，汽輪機溫度裕度通過計算得出一個速率，該速率與設定速率取小后用于機組實際變負荷速率，以防止汽機缸體、閥殼溫度上升或下降過快。在機組運行中，多次出現大幅度降負荷過程中主汽溫度下降過快，汽機溫度裕度閉鎖負荷現象。出現該情況后，DEH閉鎖負荷指令，而DCS側繼續減風、煤、水，主汽壓力下降，導致鍋爐汽機能量不平衡，汽機為了維持負荷，不斷開大調門直至全開，操作員只有將協調模式切為初壓控制，汽機控制壓力，鍋爐控制負荷，機組才會穩定。

另外，當汽機調門指令和反饋出現一定偏差后，DEH會觸發“CONTROLER NOT OK”報警，同時閉鎖負荷指令，維持當前負荷。當機組變化負荷時，會出現鍋爐風、煤、水在變化，而汽機維持當前負荷不變，形成主汽壓力波動大，調門與主汽壓力反向波動的情況。

2.3 一次調頻單向調節不響應

一次調頻投入后，發現實際動作效果較差，正確動作率經常低于0.8。查看趨勢發現，一次調頻和AGC同向動作時，一次調頻均能正確動作，滿足要求；一次調頻和AGC反向動作時，一次調頻動作效果很差，幾乎不能動作。

3 控制系統優化措施

3.1 協調品質策略優化

3.1.1 主汽壓力設定五階慣性擬合

負荷變化初期雖然改變了燃料量，但由于鍋爐熱負荷慣性較大，主汽壓力變化也存在較大的滯后性。同時高調門快速響應機組負荷指令，改變調門開度，進一步抑制了主汽壓力的變化，導致在變負荷初期大約2 min左右的時間內，主汽壓力未發生明顯變化，而壓力設定值隨滑壓曲線經一階慣性先于主汽壓力變化。負荷變化后期由于壓力設定值變化平緩，而實際壓力由于鍋爐熱負荷慣性大而未能及時回調，這些都會使主汽壓力偏差大，形成內擾。

實際壓力的變化非常接近于五階慣性環節，初期變化較慢，中間過程變化較快，后期相對平緩。根據主汽壓力變化這一特點，用滑壓曲線經過五階慣性環節后作為主汽壓力設定值，盡量消除變負荷過程中的壓力偏差，消除系統內擾。

3.1.2 機組負荷變化前饋計算回路優化

增加大范圍變負荷和小范圍變負荷兩個回路切換，采用不同的參數，分別滿足大負荷變化和AGC變負荷運行需要。考慮機組在不同負荷段，鍋爐熱負荷響應特性有所差異，增加不同負荷對前饋進行修正的回路。

在變負荷初期快速疊加一定值，然后該定值根據設定速率逐步變化為0，這樣能使初期鍋爐熱負荷快速響應，主汽壓力初期保持平穩，跟隨滑壓曲線運行。另外增加小負荷變化時對該回路切除的邏輯，防止AGC變負荷時燃料量大幅波動，影響機組經濟性。

增加機組變負荷速率對前饋回路的修正，其他變負荷速率在整定好的參數上進行修正，以滿足各種變負荷速率工況需求，增強了機組調節的適應性。

3.1.3 汽機慣性回路優化

增加負荷變化鎖定回路，根據變化負荷幅度設置慣性時間，同時增加不同負荷段對汽機慣性時間的修正回路。這樣可有效區分大負荷變化和AGC小負荷變化的慣性時間，同時可根據不同負荷段機組響應特性而設置慣性時間修正，見圖2。

3.1.4 給水流量指令回路優化

將給水流量手動偏置回路移至慣性環節之后，有效提高了鍋爐管壁超溫時通過手動偏置加入給水流量的快速響應性能。增加燃料指令到達高限后，同步閉鎖增給水指令，這樣可防止過多的給水進入鍋爐，引起過熱度大幅下降，見圖3。

圖2 優化后汽機慣性時間邏輯

圖3 優化后給水流量指令邏輯

3.2 DEH與CCS間匹配回路優化

增加汽機溫度裕度升、降速率至限速率負荷指令MWD回路，溫度裕度升負荷速率與設定升負荷速率取小作為實際升負荷速率，溫度裕度降負荷速率與設定降負荷速率取大后作為實際降負荷速率。這樣，當汽機溫度裕度閉鎖汽機升、降負荷時，同步閉鎖限速率負荷指令MWD，保持鍋爐和汽機能量平衡，機組保持穩定。將“CONTROLER NOT OK”信號從DEH系統通過硬接線送至DCS系統，用來將機組升、降負荷速率切為0，保持MWD指令不變，維持鍋爐和汽機能量平衡，見圖4。

圖4 優化后負荷速率回路

3.3 一次調頻回路優化

檢查發現雖然一次調頻動作時，閉鎖了AGC指令和MWD指令，但MWD指令至汽機主控負荷指令之間還有一個慣性環節，AGC和MWD閉鎖時未發生變化，而汽機主控負荷指令還在變化。AGC指令和一次調頻同向動作時，AGC指令加劇了一次調頻的動作幅度，AGC指令和一次調頻反向動作時，AGC指令削弱了一次調頻變化量，甚至表現出來一次調頻與需求變化相反的情況。

在汽機主控負荷指令慣性環節后增加一次調頻閉鎖回路，AGC與一次調頻回路反向動作時閉鎖該指令，一次調頻動作小于30 s，閉鎖時間為一次調頻實際動作時間，一次調頻動作大于30 s，閉鎖時間為30 s。

4 實施效果

經過一系列優化措施的實施，2臺1 000 MW機組協調品質、AGC及一次調頻性能得到明顯的提高（見圖5）。大負荷變化時，負荷能按照預定速率變化，壓力緊密跟隨滑壓曲線，壓力波動在設定值±0.5 MPa范圍內。機組處于AGC運行時，負荷跟隨AGC指令變化，負荷偏差在允許范圍內，壓力波動在設定值±0.5 MPa范圍內。一次調頻正確動作率在0.8以上，滿足AGC和一次調頻的考核要求，為機組的安全、經濟運行奠定基礎。由于機組的協調控制品質與機組特性密切相關，因此協調系統的優化還須繼續跟蹤和完善。

圖5 實施優化后協調趨勢

[1]劉吉臻.協調控制與給水全程控制[M].北京：水利電力出版社，1995.

[2]朱北恒.火電廠熱工自動化系統試驗[M].北京：中國電力出版社，2006.

（本文編輯：陸瑩）

Optimization of Coordinated Control Strategy for 1 000 MW Ultra Supercritical Coal-fired Units

ZHANG Jie1，ZHANG Yu-ping1，ZHENG Wei-jian2
（1.Jiaxing Power Generation Co.，Ltd，Jiaxing Zhejiang 314201，China；2.Zhejiang Energy Technology Co.，Ltd，Hangzhou 310018，China）

This paper studies the quality and performance of coordinated control system after the capital construction commissioning and commercial operation of 2×1 000 MW ultra supercritical direct-fired coal-fired turbine generator units in the PhaseⅢproject of Jiaxing Power Plant.It analyzes the shortcomings of the original control strategy in design and proposes the optimization solutions based on the characteristics of the units in order to enhance the coordinated control quality and performance.

ultra-supercritical；1 000 MW；five-order inertia；coordinated control

TK323

：A

：1007-1881（2012）09-0031-04

2012-07-09

張杰（1979-），男，浙江平湖人，工程師，長期從事發電廠自動控制系統技術管理工作。