INFIT系統在超超臨界發電機組汽溫和協調控制中的應用

徐建中，陳益飛（江蘇射陽港發電有限責任公司，江蘇射陽224345）

INFIT系統在超超臨界發電機組汽溫和協調控制中的應用

徐建中，陳益飛
（江蘇射陽港發電有限責任公司，江蘇射陽224345）

直流鍋爐發電機組由于控制對象大滯后，加之傳統的分散控制系統（DCS）方式的局限，普遍存在負荷升降速率低、參數波動大和燃燒煤種適應性差等問題。分析了大型直流鍋爐動態特點和實際控制應注意的策略，針對某超臨界600 MW機組投產后控制特性的不足，對5號機組控制系統進行優化改造，即增加了1套INFIT實時優化控制系統，介紹了該優化控制系統的基本特點和主要控制邏輯，并利用實際運行曲線說明了這套系統應用的有效性。

直流鍋爐；INFIT系統；優化；安全評估

隨著電網容量的不斷擴大，為確保電網安全，國家各大電網都對機組自動發電量控制（AGC）的質量和一次調頻提出明確的考核要求。機組AGC和一次調頻功能是建立在協調控制系統具有良好品質的基礎上。當前超超臨界機組普遍存在負荷升降速率慢和調節精度差等問題，根據江蘇省統調機組熱控監督報告顯示，2013年上半年600 MW級機組AGC平均速率和精度分別為1.26 Pe%/min和0.65%，低于江蘇省經貿委不低于1.5Pe%/min和不高于0.5%的標準要求。部分電廠為滿足上級部門AGC的考核要求，通過犧牲機組穩定性進行調整，結果AGC和一次調頻滿足了考核要求，但同時機組運行穩定性變差，主汽壓力、主再溫度等參數波動急劇加大，給安全運行帶來很大隱患。國內外科研院校對此進行了針對性技術攻關和研究，先后有多個優化控制系統應運而生，如西門子PRORI UCC系統等，實踐證明這些優化系統對提高機組控制品質和穩定性都取得了一定效果。文中針對某超超臨界發電機組控制特性的不足，介紹了東南大學INFIT實時優化系統在其汽溫和協調控制中的應用。

1　直流鍋爐控制要求

直流鍋爐沒有汽包和下降管，水冷壁管采用小管徑，故制造簡單、節省鋼材，同時可采用超（超）臨界壓力參數運行，啟停時間短，經濟效益高。但直流鍋爐也存在一些缺點，從運行操作看，直流鍋爐較汽包鍋爐復雜，安全性要求更高。

直流爐與汽包爐主要是汽水系統不同，直流爐的各段受熱面之間沒有明顯的分界面，給水、燃燒和汽溫調節相互影響，即一個調節機構動作，可能影響其他運行參數，給自動調節帶來較大困難，這就要求有較高的自動控制水平和相應的保護措施。

基于以上特點，在對直流鍋爐發電機組協調控制策略設計時，應充分考慮以下問題：在協調控制中盡量克服純時延、大滯后環節對控制系統穩定性的影響，盡可能加快鍋爐的動態響應；盡可能保持燃燒率與給水量之間的平衡關系。在鍋爐跟蹤協調方式下，鍋爐主控維持機前壓力，汽輪機主控用于控制機組負荷，使機組的負荷響應速度較快，控制精度較高。由于機前壓力波動幅度較大，按照電網調度對機組投入AGC的運行指標要求，在鍋爐跟蹤協調方式下，機組最適合投入AGC運行［1］。

2　優化前運行分析

江蘇射陽港發電有限責任公司5號機組為660 MW超超臨界機組，單元機組控制采用Emerson公司Ovation分散控制系統，設計包含數據采集（DAS）、鍋爐燃燒控制（BMS）、熱控自動調節（MCS）、順序控制（SCS）和汽輪機電液控制（DEH）等分系統。2011年8月機組投產發電，2012年6月為了減小汽機調門節流損失，提高機組經濟性，由單閥控制改為多閥控制。

5號機組投入運行后，總體運行穩定，但由于鍋爐燃燒煤種偏離設計煤種，特別是燃燒印尼煤以后，鍋爐負荷大幅度變化時經常出現鍋爐煤水比失調，不得不采用解除AGC和協調系統進行人工干預，期間主汽壓力、主汽溫度、再熱汽溫等參數波動較大。機組變負荷工況下參數變化曲線如圖1所示。

由圖1可以看出：（1）變負荷過程中，機組主汽壓力偏離設定值有時達1 MPa左右，并出現震蕩波形。實際運行中，為防止鍋爐超壓運行，往往不得不在原滑壓定值下增加-0.5 MPa的偏置，降低了機組運行的經濟性。調節過程中燃料量、給水量波動幅度大，對鍋爐金屬管材壽命有一定的影響。（2）再熱減溫水用量大，不利于經濟運行。由于煙道擋板調節溫度存在較大的滯后，煙道擋板自動無法投入，再熱汽溫調節主要依靠再熱事故噴水來控制。減溫水電動調門調節頻繁，再熱減溫水用量大，不利于經濟運行。

圖1　優化前機組變負荷工況曲線

同時，機組AGC速率較慢，精度較差，特別是汽機由單閥改為順序閥后，調節速率和精度水平進一步下降，2012年10月份江蘇省電力調度對5號機組AGC的測試結果顯示，平均速率為1.1 Pe%/min，日調節精度為0.6%左右，未達到江蘇省經貿委的要求。

3　 INFIT系統改造

3.1INFIT系統汽溫和協調控制策略

火電機組之所以出現上述調節不正常現象，究其原因是隨著工況和煤種的變化，被控對象動態特性將越來越差，過程的滯后和慣性越來越大，在這種情況下，常規的采用負荷指令前饋+PID反饋的集散控制系統（DCS）調節方案已很難協調好控制快速性和穩定性之間的矛盾。要從根本上解決問題，可將預測和神經網絡控制、自適應控制、模糊控制等應用到優化控制中。INFIT實時優化系統汽溫和協調控制策略原理如圖2所示，該系統具有如下特點。

（1）采用預測控制技術作為閉環控制的核心環節。INFIT系統仍采用前饋+反饋的控制模式，與常規DCS控制策略不同的是，控制系統中以預測控制技術取代了原有的PID控制：能夠提前預測被調量的未來變化趨勢，并進行控制，從而有效提前調節過程，可大幅提高機組協調閉環穩定性和抗擾動能力。

（2）對機組運行特性參數進行全工況實時校正。常規DCS控制回路，其控制參數一經整定就不會改變，因而對日后機組工況的變化無能為力；INFIT系統采用競爭型神經網絡學習算法，實時校正機組運行中與控制系統密切相關的各種參數，并根據這些參數實時計算控制系統前饋和反饋回路中各項控制參數，使系統始終處于在線學習狀態，性能不斷向最優目標逼近。

（3）對機組AGC模式進行了特別優化。常規DCS控制對于機組運行在協調控制CCS方式還是AGC是不加區分的，INFIT系統中包含AGC運行模式下的特別優化模塊，即采用智能預測算法，一方面根據當前AGC指令、實發功率、電網頻率等參數實時預測“調度EMS系統AGC指令”在未來時刻的變化趨勢；另一方面根據燃料量、風量、給水流量等參數預測鍋爐做功能力的“鍋爐熱功率信號”在未來時刻的變化值，并依據這兩者間匹配程度來修正鍋爐指令變化量。

圖2　INFIT協調控制策略原理

（4）用大滯后控制技術對再熱汽溫控制系統進行優化。INFIT將自適應SMITH控制技術和相位補償技術融于一體，通過對多種大滯后控制策略的有效組合，成功實現以煙氣擋板調節為主、事故噴水調節為輔的再熱汽溫控制，有效減少再熱汽溫的噴水流量，取得了明顯的經濟效益。

3.2INFIT控制系統安全性分析

INFIT系統選用Siemens S7系列PLC為硬件平臺，作為一個擴展DPU融入到DCS系統中。DCS原有控制邏輯完全保留，僅增加少量切換邏輯，運行人員可以方便地在DCS系統和INFIT之間進行無擾切換。INFIT系統能及時與機組DCS通過modbus通信融為一體，并通過多種技術來檢測通信數據的正常，即使系統故障也不會出現危險，其原因為：（1）INFIT系統以不斷向DCS發送心跳波的方式來表征系統的運行狀態，DCS一旦檢測不到心跳波，立即切回原DCS控制系統；（2）INFIT系統不斷檢測由DCS側獲取的實時數據的正確性（包括上、下限，變化率等），一旦發現任一信號故障，立即將所有輸出控制指令（燃料指令、給水指令、汽機調門指令等）保持，并立即切回原DCS控制系統；（3）DCS側接受到INFIT系統新的控制指令（燃料指令、給水指令、汽機調門指令等）后，根據當前負荷進行上、下限約束，以保證INFIT系統的故障不會使控制指令大幅突變。

4　應用效果評估

4.1優化系統安裝和調試

5號機組INFIT系統于2012年9月機組B修期間完成硬件安裝、DCS組態修改并靜態調試，并于2012年10月30日機組運行后投入，經5 d調試及調節參數的完善，機組的AGC控制和主、再汽溫穩態和動態性能均有了顯著的提高。

4.2優化后機組調節參數分析

INFIT控制系統投用后，5號機組大幅度增減負荷過程中其相關重要參數變化曲線見圖3。投用INFIT系統后，機組即使在擾動工況下運行也非常穩定，由550 MW負荷快速升至滿負荷時，機組主汽壓力動態偏差在±0.3 MPa、主汽溫偏差在±4.0℃之內。

2012年11月份江蘇省電力調度進行的AGC速率測試結果顯示，AGC上升和下降速率平均為2.1 Pe%/min，遠高于上級部門要求的不低于1.5 Pe%/min的要求；而AGC日平均調節精度水平也大幅度提高，由投入前的0.6%左右提高到0.23%～0.32%。后經過一段時間實際在線學習，調節精度進一步提高到0.12%左右。

圖3　優化后變負荷時重要參數過程曲線

4.3優化綜合評估

（1）機組運行更加平穩。由于采用了預測控制等先進技術，穩態工況下機組主汽壓力、主汽溫度的波動幅度在（±0.2 MPa/±3.0℃）范圍內；變負荷工況下，上述參數波動在（±0.3 MPa/±5.0℃）內，提高了機組運行的穩定性，從根本上防止鍋爐超溫、超壓。

（2）機組運行中的燃料、給水波動大幅減小。5號機組在AGC運行中的燃料、給水等控制量的波動幅度較優化前減小60%左右，對于減小機組設備磨損、延長鍋爐金屬管材壽命、減少爆管極為有利，提高了機組的安全性。

（3）保證機組在額定工況下運行。由于調節性能穩定，徹底改變了系統投入前降低參數運行的局面，最大限度地提高機組經濟性。

（4）系統投入后，再熱汽溫正常情況下，均由旁路擋板進行調節，基本不再使用再熱器減溫水，取得了明顯的經濟效益。

（5）AGC調節速率和精度提高，避免了因上述參數達不到上級部門要求每月十幾萬元的罰款，更提升了公司對外形象。

5　結束語

INFIT控制系統的投入，使5號機組的AGC控制及主、再汽溫調節水平等得到明顯改善，取得了經濟性和安全性雙贏的效果，同時優化系統的投入大大減輕了運行人員工作量，該系統成功實施對同類型機組具有較強的借鑒意義。

［1］尹 峰，朱北恒，李 泉.超（超）臨界機組協調控制特性與控制策略［J］.中國電力，2008，40（3）：66-69.

Application of INFIT System For Steam Temperature and Coordination Control in Ultra-supercritical Power Unit

XU Jianzhong，CHEN Yifei
（Jiangsu Sheyanggang Power Generation Co.Ltd.，Sheyang 224345，China）

Due to the existence of large delay in the control of some objects，issues such as low temperatureincrease rate，large parameter fluctuation，and poor adaptability for different kinds of coal are frequently encountered in once-through boilers employing traditional DCS.Through analyzing the dynamic characteristics of large-scale once-through boilers and practically adopted control strategy，we have performed optical transform in the control system of 5#unit by installing the INFIT real-time control system.The basic characteristics and control logic of this system are introduced in this paper，and its effectiveness is also illustrated by using actual operation curve.

once-through boiler；INFIT system；optimize；safety evaluation

TK229

B

1009-0665（2015）03-0072-03

2014-11-28；

2015-03-01

徐建中（1971），男，江蘇建湖人，工程師，高級技師，從事發電廠熱控技術管理工作；

陳益飛（1969），男，江蘇鹽城人，高級工程師，從事發電廠設備管理工作。