楊大錨

(華能國際電力開發公司銅川照金電廠，陜西 銅川 727100)

變PID參數法在電廠自動發電控制中的應用

楊大錨

(華能國際電力開發公司銅川照金電廠，陜西 銅川 727100)

華能國際電力開發公司銅川照金電廠2×600 MW機組在自動發電控制(AGC)方式下升降負荷時，存在主蒸汽壓力波動大的問題。針對機組協調控制品質差的問題，在汽機主控邏輯中設計了一套變比例、積分、微分(PID)參數的功能塊，并合理設置該功能塊中的比例增益和積分時間，保證在AGC方式下機組能以較快的速度升降負荷，且能將主蒸汽壓力偏差控制在允許范圍內。

變負荷；汽機主控；變參數；主蒸汽壓力

0 引言

華能國際電力開發公司銅川照金電廠裝機容量為2臺600 MW亞臨界機組，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司生產的汽包爐，采用四角切圓燃燒，磨煤機為直吹式，鍋爐慣性較大，汽包蓄熱較少。汽輪機為東方汽輪機有限公司產品，單閥控制，滑壓運行方式。自2014年陜西電網要求該廠投入自動發電控制(AGC)系統后，由于負荷指令變動較為頻繁，且電網要求的變負荷速度較快，該電廠2臺機組均存在升降負荷時主蒸汽壓力波動較大的問題，嚴重影響機組的安全、穩定運行。

1 機組升降負荷時存在的問題

該電廠2臺機組升降負荷時存在的情況相同，本文以#1機組為例進行說明。機組升降負荷時，由于運行工況不盡相同，主要參數的變化也不同。如早晚高峰期機組在AGC方式下以較高速率大范圍升負荷時，在升負荷的初始階段，如果主蒸汽壓力高于或等于設定值，負荷指令增加后使得汽機主控按照一定的比例-積分-微分(PID)參數進行調節，調節的方向是汽機調節閥逐漸開大，實際負荷會較快跟隨AGC負荷指令，主蒸汽壓力與設定壓力在整個過程中偏差不大；如果主蒸汽壓力低于設定值較多或仍然有下降趨勢，負荷指令增加后汽機主控仍舊按照一定的PID參數進行調節，調節速度即汽機調節閥開啟的速度與主蒸汽壓力高于或等于壓力設定值時相同，實際負荷跟隨AGC負荷指令的速度會較慢，且隨著閥門的開大，主蒸汽壓力的實際值會有下降的趨勢，由于機組是滑壓運行，主蒸汽壓力的設定值隨著負荷指令的升高逐漸升高，導致主蒸汽壓力的設定值與實際值的偏差增大，使得實際負荷跟隨AGC負荷指令的速度變得更慢。由于該電廠鍋爐的滯后很大，因主蒸汽壓力減小而增加的煤量不能立即使主蒸汽壓力提高，因此，由于主蒸汽壓力的偏差增大，鍋爐的總煤量增加了很多，當增加的煤量充分燃燒后主蒸汽壓力會迅速升高，導致升負荷后期主蒸汽壓力高于設定壓力較多[1]；同時，實際負荷高于AGC負荷指令較多，接下來汽機調節閥快速關小，主蒸汽壓力會有繼續憋高的趨勢，這種情況在高負荷時非常危險，如果不及時解除協調控制，機組主蒸汽壓力很可能會超壓，存在很大的安全隱患，影響機組的穩定運行。同理，在機組以較高速率大范圍降負荷時，如果主蒸汽壓力高于設定值較多或有繼續升高的趨勢，汽機調節閥的快速關小會導致主蒸汽壓力憋高，實際負荷跟隨AGC負荷指令的速度會較慢；由于機組是滑壓運行，主蒸汽壓力的設定值隨著負荷指令的下降逐漸下降，會導致主蒸汽壓力設定值與實際值的偏差增大，總煤量會減少很多，在降負荷后期主蒸汽壓力低于設定值很多，負荷實際值低于負荷設定值較多；接下來汽機調節閥快速開大，主蒸汽壓力會有繼續下降的趨勢，整個過程壓力和負荷都控制得不好，還會導致汽溫等參數大大偏離正常值。

2 控制策略

針對這種情況，通過分析每次升降負荷時的協調控制曲線，該電廠熱控專業設計了一套汽機主控變PID控制策略，即變比例增益P和積分時間T。該策略的核心思想為：在AGC方式下升降負荷時，根據主蒸汽壓力與設定壓力的偏差修正汽機主控的P和T，從而改變汽機調節閥開度的變化速度，當升負荷主蒸汽壓力高于設定值時，要求汽機調節閥以較高的速度開啟，當升負荷主蒸汽壓力低于設定值時，要求汽機調節閥以較低的速度開啟；當降負荷主蒸汽壓力高于設定值時，要求汽機調節閥以較慢的速度關小，當降負荷主蒸汽壓力低于設定值時，要求汽機調節閥以較快的速度關小。汽機調節閥開啟和關小的具體速度靠汽機主控的P和T來實現，其均設計為穩態和動態2部分，穩態是指負荷穩定的狀態，動態是指升降負荷時的狀態，穩態與動態的P相加得到汽機主控調節器的P，穩態與動態的T相加得到汽機主控調節器的T[2-3]。動態的P和T在汽機主控邏輯中通過函數模塊來實現，函數模塊的輸入為主蒸汽壓力實際值與設定值的偏差，輸出為汽機主控的動態P和T。

3 汽機主控中P和T的函數

在分散控制系統(DCS)邏輯中，汽機主控的穩態和升降負荷時的P，T通過采用幾套不同的函數來實現變化的功能，函數中的數值可以通過表格的形式體現。表1為穩態時不同負荷指令對應的汽機主控調節器的P和T，從表1可以看出，隨著負荷指令的升高，P逐漸減小，T逐漸加大，即比例作用和積分作用均減小，這種改變是從高負荷時穩定主蒸汽壓力的角度考慮的。

表1 穩態時不同負荷指令對應的汽機主控調節器P和T

表2為升負荷時主蒸汽壓力設定值與實際值之差對應的汽機主控調節器的P和T，從表2可以看出：升負荷時主蒸汽壓力越高，P越大，T越小，即比例和積分的作用越強；升負荷時主蒸汽壓力越低，P越小，T越大，即比例和積分作用越弱。表中數值為熱控人員通過分析協調控制曲線，經多次修改參數后得出，下同。

表2 升負荷時參數設置與調整

表3為降負荷時主蒸汽壓力設定值與實際值之差對應的汽機主控調節器P和T，從表3可以看出：降負荷時主蒸汽壓力越高，P越小，T越大，即比例和積分的作用越弱；降負荷時主蒸汽壓力越低，P越大，T越小，即比例和積分作用越強。

表3 降負荷時參數設置與調整

4 升負荷時動態P和T的邏輯實現

圖1為升負荷時動態P和T邏輯圖，圖中：LDCSP為負荷指令；SELGENMW為實際負荷；MWSP為負荷指令計算值，即負荷指令經過機組協調控制系統(CCS)側一次調頻疊加后作為汽機主控調節器設定值的負荷指令；MAINPRESS為主蒸汽壓力；MAINPRESSSP為主蒸汽壓力設定值；SELRATE為升降負荷指令的開關量；TOTMP4為升負荷時的動態P，TOTMT4代表升負荷時的動態T。邏輯中的2個函數f(x)分別為主蒸汽壓力的偏差與動態P和T的函數，函數中的設置見表2。邏輯中設計了2個高選模塊：(1)LDCSP-SELGENMW值的高選，高選值設定為6 MW，且高選后有延時關的模塊；

圖1 升負荷時動態比例增益和積分時間邏輯

(2)MWSP-SELGENMW值的高選，高選值設定為4 MW。當2個高選值均滿足且SELRATE=1的情況下邏輯中的與門出口為1，通過2個切換器取2個函數f(x)輸出，將計算出的TOTMP4和TOTMT4疊加到汽機主控的穩態P和T上(見表1)；實際負荷接近負荷指令后，邏輯中與門出口為0，2個切換器切至0，TOTMP4和TOTMT4將按照切換器設定好的速率由當前值變為0，動態比例和積分作用消失。例如：當實際負荷SELGENMW在380 MW時升負荷，負荷指令LDCSP為400 MW，主蒸汽壓力的設定值為13.2 MPa，主蒸汽壓力實際值為13.7 MPa，主蒸汽壓力設定值與實際值之差為-0.5 MPa，根據表1和表2，穩態P為0.80，穩態T為115，動態P為0.40，動態T為-30，通過計算得出在升負荷初期作用到汽機主控調節器的P為1.20，T為85，使得汽機調節閥以較快的速度開啟，實際負荷能夠較快響應負荷指令。當升負荷過程中主蒸汽壓力偏差減小至-0.1 MPa時，動態P為0.25，動態T為-10，調節閥的開啟速度較之前會有所減小，主蒸汽壓力下降的速度也會減慢，起到穩定壓力的作用。當實際負荷接近負荷指令時，動態P和T均為0，汽機主控調節器的P為0.80，T為115，回歸到穩態值。

5 降負荷時動態P和T的邏輯實現

圖2為降負荷時動態P和T的邏輯圖，圖中： TOTMP5為降負荷時的動態P；TOTMT5為降負荷時的動態T。邏輯中的2個函數f(x)分別為主蒸汽壓力的偏差與動態P和T的函數，函數中的設置見表2。 邏輯中設計了2個低選模塊：(1)LDCSP-SELGENMW值的低選，低選值設定為-6 MW，且低選后有延時關的模塊；(2)MWSP-SELGENMW值的低選，低選值設定為-4 MW。當2個低選值均滿足且SELRATE=1的情況下邏輯中的與門出口為1，通過2個切換器取2個函數f(x)輸出，將計算出的TOTMP5和TOTMT5疊加到汽機主控的穩態P和T上，當實際負荷接近負荷指令時，邏輯中與門出口為0，2個切換器切至0，TOTMP5和TOTMT5將按照切換器設定好的速率由當前值變為0，動態比例和積分作用消失。例如：當實際負荷SELGENMW在580 MW時降負荷，負荷指令LDCSP為560 MW，主蒸汽壓力的設定值為15.5 MPa，主蒸汽壓力實際值為16.5 MPa，主蒸汽壓力設定值與實際值之差為-1.0 MPa，根據表1和表3，穩態P為0.65，穩態T為130，動態P為-0.40，動態T為70，通過計算得出降負荷初期作用到汽機主控調節器的P為0.25，T為200，使得汽機調節閥以較慢的速度關小，防止主蒸汽壓力由于調節閥的快速開啟而被憋高，從而避免機組超壓。當實際負荷接近負荷指令時，動態P和T均為0，汽機主控調節器的P和T回歸到穩態值。

6 控制策略優化后的升降負荷曲線

汽機主控控制策略優化后，在AGC控制方式下，該電廠2臺機組均能夠以較高的速度升降負荷，且能將主蒸汽壓力偏差控制在允許范圍內。圖3、圖4分別為升降負荷初期和后期的主要參數趨勢，圖中：MAINPRESS為主蒸汽壓力實際值；MAINPESSSP為主蒸汽壓力設定值；10DCSFMYDAI001為電網AGC負荷指令；MWSP為負荷指令計算值，即負荷指令經過CCS側一次調頻疊加后作為汽機主控調節器設定值的負荷指令；SELGENMW為實際負荷；BMOUT為鍋爐主控輸出；TMOUT為汽機主控輸出；TOTCOALFLOW為總煤量。

圖2 降負荷時動態P和T邏輯

圖3 升降負荷初期(315 MW)主要參數趨勢

圖4 升降負荷后期(600 MW)主要參數趨勢

從圖3、圖4可以看出，08:11:00—20:10:00，電網AGC指令頻繁地升降負荷，#1機組實際負荷能夠較快地跟蹤負荷指令，主蒸汽壓力實際值與設定值偏差始終在允許范圍內，負荷變動時最大偏差為0.58 MPa，負荷穩定時最大偏差為0.30 MPa。

7 結束語

華能國際電力開發公司銅川照金電廠熱控專業在汽機主控邏輯中設計了一套變PID參數的功能塊，對機組協調控制起了積極的作用。在機組升降負荷時鍋爐側的預加減煤以及預加減一次風壓對整個協調控制的作用是不能忽視的，正是這些作用與汽機主控調節閥動作的相互協調和配合，才能保證在AGC方式下既能滿足電網要求的負荷響應速度，又能保持機組主蒸汽壓力等重要參數在可控范圍內。

[1]田亮，曾德良，劉吉臻，等.簡化的330MW機組非線性動態模型[J].中國電機工程學報，2004，24(8)：180-184.

[2]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.

[3]房方，劉吉臻，譚文.火電單元機組協調控制系統的多變量IMC-PID設計[J].動力工程，2004，24(3)：360-365.

(本文責編：劉芳)

2017-05-29；

2017-07-14

TM 621.6

A

1674-1951(2017)08-0006-04

楊大錨(1977—)，男，內蒙古赤峰人，工程師，熱控專工，工學碩士，從事火電機組熱控及優化方面的工作(E-mail:47773152@qq.com)。