基于燃煤電廠集控運(yùn)行和機(jī)組協(xié)調(diào)控制的研究

鄧萬平

（寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏　靈武　750400）

基于燃煤電廠集控運(yùn)行和機(jī)組協(xié)調(diào)控制的研究

鄧萬平

（寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏靈武750400）

燃煤電廠在我國的電力生產(chǎn)領(lǐng)域占據(jù)著極大的比重，集控運(yùn)行和協(xié)調(diào)控制是現(xiàn)代電子信息技術(shù)發(fā)展以及電力生產(chǎn)領(lǐng)域向自動化、信息化轉(zhuǎn)型的產(chǎn)物。基于此，分別對集控運(yùn)行和機(jī)組協(xié)調(diào)控制進(jìn)行探討，提出將集控運(yùn)行和機(jī)組協(xié)同控制進(jìn)行集成，對燃煤電廠機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著極好的促進(jìn)作用。

燃煤電廠；集控運(yùn)行；協(xié)調(diào)控制

燃煤電廠在我國電力生產(chǎn)領(lǐng)域占據(jù)著極其重要的地位，從2000年到2015年我國燃煤發(fā)電裝機(jī)容量約724GW，對于滿足我國人民用電需求提供了極大的助力。隨著我國推進(jìn)電網(wǎng)自動化以及經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，電力生產(chǎn)領(lǐng)域的自動化建設(shè)離不開集散控制技術(shù)與機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。就集散控制系統(tǒng)來說，實(shí)現(xiàn)了電力生產(chǎn)的集中管理和分散過程控制，而機(jī)組協(xié)調(diào)控制則對機(jī)組整體運(yùn)行的安全、可靠提供了助力［1］。因此，有必要對二者進(jìn)行分析，嘗試探索二者結(jié)合運(yùn)行的可能。

1　集控運(yùn)行與機(jī)組協(xié)調(diào)控制

1.1集控運(yùn)行

燃煤電廠集控運(yùn)行的核心在于集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS），該系統(tǒng)的關(guān)鍵在于集中管理和分散控制［2］。從系統(tǒng)構(gòu)成（見圖1）來看，主要分為3個層級，上位綜合管理層、中間集中操作監(jiān)控層和下位現(xiàn)場分布式控制層。DCS系統(tǒng)的應(yīng)用使得燃煤電廠的生產(chǎn)管理出現(xiàn)了新的模式，進(jìn)一步推動了我國電力生產(chǎn)領(lǐng)域的自動化進(jìn)程。

從圖1可以看出，實(shí)現(xiàn)燃煤電廠集控運(yùn)行與機(jī)組協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵就在于下位現(xiàn)場分布式控制層。分布式控制的功能就是針對分散的過程對象實(shí)現(xiàn)每個單元機(jī)組的協(xié)調(diào)控制，并通過網(wǎng)絡(luò)通信連接集控中心實(shí)現(xiàn)集中的管理、操作和監(jiān)控。每一個現(xiàn)場控制單元與整套DCS系統(tǒng)有著聯(lián)系但相對獨(dú)立，在上級設(shè)備通信終端或上級設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下，依然能夠獨(dú)立控制單元內(nèi)控制對象的正常運(yùn)行，可靠性高。

1.2機(jī)組協(xié)調(diào)控制

鍋爐和汽輪機(jī)是燃煤電廠發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，二者與發(fā)電機(jī)共同組成一個發(fā)電單元（生產(chǎn)整體）。而實(shí)現(xiàn)機(jī)組控制的關(guān)鍵是要解決機(jī)組功率的自動調(diào)節(jié)，即發(fā)電單元適應(yīng)外界電網(wǎng)負(fù)荷的需要。這就涉及到鍋爐與汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)能力。鍋爐和汽輪機(jī)在調(diào)節(jié)能力方面存在較大的差異。就電網(wǎng)來看，調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷需要快速的響應(yīng)，而就機(jī)組運(yùn)行來看，則需要在保證機(jī)組穩(wěn)定、安全、可靠的前提下進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。但鍋爐反應(yīng)慢，熱慣性大，汽輪機(jī)則反應(yīng)快、慣性小。在快速調(diào)節(jié)負(fù)荷時，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行快速調(diào)整會使機(jī)前壓力產(chǎn)生較大波動，進(jìn)而影響鍋爐使其爐內(nèi)壓力不穩(wěn)，影響機(jī)組的穩(wěn)定性、安全性。集控運(yùn)行及機(jī)組協(xié)調(diào)控制可以很好地解決快速負(fù)荷調(diào)節(jié)當(dāng)中鍋爐和汽輪機(jī)的矛盾。

圖1　DCS系統(tǒng)框架

1.2.1機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（Coordinated Control System，CCS），普遍用于大型單元機(jī)組的控制方式，發(fā)展自常規(guī)鍋爐、汽輪機(jī)局部控制系統(tǒng)，采用階梯式系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，將鍋爐和汽輪機(jī)看作一個生產(chǎn)整體進(jìn)行控制，結(jié)合自動調(diào)節(jié)、連鎖保護(hù)、邏輯控制等功能，滿足不同工況、運(yùn)行條件的一種多控制功能的系統(tǒng)。其核心就是外界電網(wǎng)負(fù)荷產(chǎn)生變化，需要快速調(diào)節(jié)功率時，汽輪機(jī)與鍋爐的子系統(tǒng)同步參與協(xié)調(diào)控制汽輪機(jī)功率及鍋爐汽壓。通俗講就是綜合考慮汽輪機(jī)和鍋爐的特點(diǎn)及差異，采用相應(yīng)措施使機(jī)、爐按電網(wǎng)負(fù)荷的變化同步調(diào)整自身參數(shù)，修正參數(shù)偏差實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，從而滿足電網(wǎng)負(fù)荷需求，同時保持機(jī)組安全穩(wěn)定的運(yùn)行。主要組成部分包括處理負(fù)荷指令的回路以及控制機(jī)、爐回路。

CCS系統(tǒng)主要提供2種控制方式，即CCS-BF（爐跟機(jī)）和CCS-TF（機(jī)跟爐），其控制原理如圖2所示。

圖2　協(xié)調(diào)控制方式的兩種原理

CCS-BF方式，比較常用，鍋爐和汽輪機(jī)的子系統(tǒng)同步參與，調(diào)節(jié)鍋爐汽壓、汽輪機(jī)功率，可加入電網(wǎng)調(diào)頻也可加入AGC（自動發(fā)電量控制）［3］。

CCS-TF方式，機(jī)爐各自的子系統(tǒng)同步參與，汽輪機(jī)子系統(tǒng)主調(diào)節(jié)汽壓、鍋爐子系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率。不加入電網(wǎng)調(diào)頻，調(diào)度所也無法直接調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷，只能由機(jī)組運(yùn)行人員調(diào)節(jié)給定功率，輸出功率跟隨給定功率的變化而變化，直到保持等值。

1.2.2機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的重要性。機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對于機(jī)組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要的作用，其重要性主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

其一，提高機(jī)組運(yùn)行安全性。將鍋爐和汽輪機(jī)看作一個生產(chǎn)整體，達(dá)到同步協(xié)調(diào)控制，可使操作準(zhǔn)確，運(yùn)行參數(shù)變化小，確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。若汽輪機(jī)或鍋爐局部發(fā)生異常掉線時，自動轉(zhuǎn)入基礎(chǔ)調(diào)節(jié)方式即TF或BF方式（汽輪機(jī)主控或鍋爐主控），防止故障擴(kuò)大，十分便于工作人員檢修排除故障。采用負(fù)荷變化率控制機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)，避免出現(xiàn)過快的負(fù)荷變化而產(chǎn)生過高的熱應(yīng)力，確保機(jī)組使用壽命，監(jiān)控保護(hù)功能相對較為完善。

其二，機(jī)組對負(fù)荷的響應(yīng)速度提高，機(jī)組狀態(tài)正常且允許的情況下，采用協(xié)調(diào)控制，能夠極大地改善機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力，降低負(fù)荷跟蹤延遲，實(shí)現(xiàn)快速的負(fù)荷跟蹤。

其三，機(jī)組效率提高。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)使燃料、水、風(fēng)等隨著機(jī)組的變化在較高效率下運(yùn)轉(zhuǎn)，高質(zhì)量地調(diào)節(jié)質(zhì)量，使機(jī)組組成部分的運(yùn)行參數(shù)保持平衡，可起到節(jié)能的作用。

2　機(jī)組協(xié)調(diào)控制的應(yīng)用

但在實(shí)際運(yùn)行中基于CCS-BF的方式，與主汽壓等相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)有較大波動，燃料、水、風(fēng)的供給隨鍋爐主控的基本值運(yùn)轉(zhuǎn)，使主汽壓產(chǎn)生變化，這代表了汽輪機(jī)和鍋爐在能量上的不平衡。因此，還需要根據(jù)壓力差對燃料、風(fēng)、水的供給進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。該CCS系統(tǒng)主要功能如下。

2.1負(fù)荷設(shè)定回路

根據(jù)RUNBACK計(jì)算和上下限限制，運(yùn)行人員設(shè)定負(fù)荷指令，包括升降負(fù)荷速率定額、上下限定額及負(fù)荷指令增減閉鎖等。經(jīng)運(yùn)算后將負(fù)荷指令發(fā)送至汽輪機(jī)、鍋爐主控回路，加入AGC，自動接受電網(wǎng)調(diào)頻指令。

2.2汽壓設(shè)定回路

根據(jù)負(fù)荷指令折算獲得主汽壓，運(yùn)行人員手動偏置，經(jīng)增減速率限制、慣性環(huán)節(jié)等計(jì)算，發(fā)送至汽輪機(jī)、鍋爐等主控回路，目前提供滑壓運(yùn)行設(shè)定值，該值為負(fù)荷的函數(shù)f（x）。

2.3汽輪機(jī)主控

機(jī)組負(fù)荷指令為汽輪機(jī)主控指令，鍋爐的響應(yīng)存在一定的延遲及蓄熱補(bǔ)償，需要對汽輪機(jī)的響應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难泳徧幚恚乐蛊麎撼霈F(xiàn)大幅波動。一般針對負(fù)荷指令，通過增加壓力拉回、慣性等來進(jìn)行修正。

2.4鍋爐主控

燃料、風(fēng)、水裝置接收鍋爐主控指令，通過鍋爐燃燒控制系統(tǒng)與負(fù)荷指令回路間的接口，接收修正后的壓力指令或機(jī)組負(fù)荷指令進(jìn)行調(diào)整。

2.5輔機(jī)故障快速降負(fù)荷回路

在較高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組，若發(fā)生輔機(jī)跳閘，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)入RUNBACK工況，調(diào)整燃料輸送，降低負(fù)荷，轉(zhuǎn)入機(jī)主控模式（TF模式），使機(jī)組保持低負(fù)荷。該電廠的空氣預(yù)熱器、給水、引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)和磨煤機(jī)等都具備RUNBACK功能。

2.5.1RUNBCAK激活。根據(jù)裝置最大可能出力和鍋爐指令反饋，實(shí)行小選運(yùn)算，減去1%，求值。經(jīng)限速后，與最大可能出力比較大小，如果限速后的輸出值比最大可能出力大，則會激活RUNBACK動作。

2.5.2RUNBACK復(fù)位。復(fù)位方式包括手動復(fù)位與自動復(fù)位。其中，手動復(fù)位條件為觸發(fā)RUNBACK后，實(shí)際壓力與汽壓設(shè)定值的偏差＜1MPa時，工作人員進(jìn)行手動復(fù)位；自動復(fù)位則需滿足兩點(diǎn)，一是爐膛內(nèi)無火，二是負(fù)荷接近RUNBACK時計(jì)算負(fù)荷的最大值。

2.6電網(wǎng)調(diào)頻回路

汽輪機(jī)通過DEH（汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)）改變調(diào)節(jié)閥開度，響應(yīng)電網(wǎng)頻率差，發(fā)出指令信號，通過MCS（調(diào)制與編碼策略）接受信號，改變?nèi)剂稀L(fēng)、水供給量，克服汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥變化產(chǎn)生的氣壓偏差。同時加入調(diào)頻作用，解決符合要求動作反向與一次調(diào)頻的問題，要注意DEH需要處于限壓控制方式，方能投入到一次調(diào)頻中。

2.7熱值修正回路

熱值修正的基準(zhǔn)信號為鍋爐負(fù)荷與電負(fù)荷的偏差值，該回路主要作用于給煤機(jī)，當(dāng)燃料（煤種）產(chǎn)生變化，給煤機(jī)接受熱值修正發(fā)生的信號，調(diào)整轉(zhuǎn)速改變?nèi)剂瞎┙o量，確保機(jī)組功率保持不變。該電廠5號爐還采用了壓力PID來進(jìn)行熱值校正。

3　結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對電能的需求越來越大，燃煤電廠的發(fā)電機(jī)組需要適應(yīng)不斷增強(qiáng)的運(yùn)行負(fù)荷，這種情況下對控制管理系統(tǒng)提出了更加嚴(yán)格的要求。集控運(yùn)行當(dāng)中的核心——DCS系統(tǒng)改變了燃煤電廠的生產(chǎn)管理模式，實(shí)現(xiàn)集中管理和分布式過程控制；CCS系統(tǒng)將鍋爐、汽輪機(jī)看作一個生產(chǎn)整體，進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使鍋爐與汽輪機(jī)當(dāng)中的能量傳輸保持平衡，響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的變化，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行［4］。基于此，可以將DCS系統(tǒng)與CCS系統(tǒng)結(jié)合起來，使CCS系統(tǒng)集成到DCS系統(tǒng)當(dāng)中，基于DCS的分布式過程控制功能，統(tǒng)和鍋爐與汽輪機(jī)，實(shí)現(xiàn)集中管理和協(xié)調(diào)控制，確保機(jī)組的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，為我國的電力事業(yè)作出貢獻(xiàn)。

［1］蔣敏華，黃斌.燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展展望［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012（29）：1-8，19.

［2］斯林軍，張成文，陳若春，等.基于單域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的主輔DCS一體化控制方案［J］.浙江電力，2015（6）：31-34，55.

［3］李樹山，廖勝利，申建建，等.廠網(wǎng)協(xié)調(diào)模式下梯級AGC控制策略［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014（7）：1113-1123.

［4］俞鋒.寧海電廠2×1000MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制簡介及應(yīng)用［J］.制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2011（5）：85-88.

Research on Centralized Control Operation and Unit Coordinated Control of Coal Fired Power Plant

Deng Wanping
（Ningxia Jingneng Ningdong Power Generation Co.Ltd.，Lingwu Ningxia 750400）

Coal-fired power plants in the field of power production in China occupies a great proportion，centralized control operation and coordinated control is the development of modern electronic information technology and electric power production，product to the automation and information transformation.Based on this，the control unit operation and coordination control were discussed，the integration of centralized control unit operation and cooperative control was put forward，which had an excellent role in promoting the safe and stable operation of coal-fired power plant unit of gas.

coal-fired power plant；centralized control operation；coordinated control

TM621

A

1003-5168（2016）07-0021-03

2016-06-08

鄧萬平（1986-），男，本科，助理工程師，研究方向：電廠集控運(yùn)行。