超臨界循環(huán)流化床機(jī)組負(fù)荷快速響應(yīng)的協(xié)調(diào)控制優(yōu)化

侯益銘，王智微，王晉權(quán)

超臨界循環(huán)流化床機(jī)組負(fù)荷快速響應(yīng)的協(xié)調(diào)控制優(yōu)化

侯益銘1，王智微2，王晉權(quán)3

（1.格盟國際能源有限公司，山西 太原 030006；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.山西格盟安全生產(chǎn)咨詢有限公司，山西 太原 030006）

超臨界循環(huán)流化床（CFB）機(jī)組采用常規(guī)煤水比控制策略，存在慣性大、滯后長等問題，導(dǎo)致主蒸汽壓力波動大，負(fù)荷響應(yīng)效果差，在區(qū)域控制誤差（ACE）模式下更為嚴(yán)重。本文根據(jù)CFB機(jī)組的特點(diǎn)，提出一種負(fù)荷快速響應(yīng)的協(xié)調(diào)控制優(yōu)化策略，采用主蒸汽流量協(xié)同中間點(diǎn)溫度實(shí)現(xiàn)全過程給水控制；前饋調(diào)節(jié)與PID偏差調(diào)節(jié)相結(jié)合，采用負(fù)荷和主蒸汽壓力偏差共同作用于鍋爐主控的負(fù)荷快速響應(yīng)；充分利用CFB鍋爐蓄熱，通過汽輪機(jī)主控與各調(diào)節(jié)閥指令響應(yīng)負(fù)荷變化。某超臨界350 MW CFB機(jī)組應(yīng)用該控制優(yōu)化策略后，主蒸汽壓力波動小且溫度穩(wěn)定，變負(fù)荷運(yùn)行時控制效果良好，ACE模式下負(fù)荷響應(yīng)綜合評價指標(biāo)Kp值達(dá)4.21，滿足電網(wǎng)考核指標(biāo)。

超臨界；CFB；火電機(jī)組；協(xié)調(diào)控制；負(fù)荷響應(yīng)；給水流量；主蒸汽流量

隨著電力市場化進(jìn)程的推進(jìn)，智能電網(wǎng)中電力輔助服務(wù)細(xì)則要求火電機(jī)組變負(fù)荷調(diào)節(jié)速率達(dá)到1.5% P/min（每分鐘額定功率），火電機(jī)組在自動發(fā)電控制（AGC）模式運(yùn)行時投入?yún)^(qū)域控制誤差（ACE）模式，并主要通過綜合評價指標(biāo)p進(jìn)行考核及補(bǔ)償。這就要求火電機(jī)組具有快速的負(fù)荷響應(yīng)速率和良好的控制品質(zhì)[1-5]。

現(xiàn)階段循環(huán)流化床（CFB）機(jī)組的協(xié)調(diào)控制主要采用常規(guī)PID加前饋解耦的方法，但由于CFB機(jī)組具有多變量、強(qiáng)耦合和大遲延的特性，常規(guī)的控制方法難以取得理想的調(diào)節(jié)效果[6-8]。目前國內(nèi)在役超臨界350 MW和600 MW CFB機(jī)組有30多臺。隨著智能電網(wǎng)、智能電廠對機(jī)組要求的提高，提高超臨界CFB機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速率及經(jīng)濟(jì)性，需要在協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方面進(jìn)行深入探索。

已投運(yùn)的超臨界CFB機(jī)組常規(guī)協(xié)調(diào)控制方式下，負(fù)荷指令、燃料量快速變化時，會出現(xiàn)給水和主蒸汽壓力大幅波動，甚至造成污染物排放超標(biāo)等問題，且目前運(yùn)行超臨界CFB機(jī)組的變負(fù)荷速率一般在1% P/min左右[8-10]。

山西河坡電廠超臨界2×350 MW CFB機(jī)組為變壓運(yùn)行直流鍋爐、一次中間再熱間接空冷機(jī)組，其分散控制系統(tǒng)（DCS）采用艾默生系統(tǒng)。該機(jī)組優(yōu)化前采用傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方式。當(dāng)電網(wǎng)AGC負(fù)荷指令快速變化時，會出現(xiàn)以下問題：1）主蒸汽壓力波動大，波動幅值達(dá)±3 MPa，90%負(fù)荷以上主蒸汽壓力不能高于23 MPa；2）機(jī)組燃用無煙煤時，慣性延時大，負(fù)荷響應(yīng)無法滿足山西電網(wǎng)電力輔助服務(wù)細(xì)則的要求，不能投入ACE方式；3）煤水比調(diào)節(jié)時，燃料量、給水控制波動大，機(jī)組主蒸汽溫度波動大。對此，本文結(jié)合CFB鍋爐的特點(diǎn)，對原協(xié)調(diào)控制方式進(jìn)行優(yōu)化，提出一種能快速響應(yīng)負(fù)荷的協(xié)調(diào)控制優(yōu)化策略，以滿足電網(wǎng)輔助服務(wù)細(xì)則要求，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 負(fù)荷快速響應(yīng)的協(xié)調(diào)控制策略

1.1 主蒸汽流量協(xié)同中間點(diǎn)溫度給水控制策略

對于直流鍋爐，給水控制的主要目的是保證煤水比，實(shí)現(xiàn)過熱汽溫的粗調(diào)，滿足負(fù)荷的響應(yīng)。原協(xié)調(diào)控制方式下給水流量設(shè)定是由煤水比控制。根據(jù)CFB鍋爐燃燒機(jī)理和特性，CFB鍋爐爐膛內(nèi)存有大量的循環(huán)物料，循環(huán)物料中有大量的未燃盡碳。在CFB鍋爐中，給煤機(jī)送入的新燃料并不能實(shí)時提供鍋爐燃燒所需的全部能量，爐膛內(nèi)循環(huán)物料中的碳燃燒產(chǎn)生的熱量在鍋爐輸出熱量中占很大比例。因此，以燃料量作為給水量的控制參數(shù)無法反映鍋爐的實(shí)時負(fù)荷要求。同時由于無煙煤燃燒延時較長，采用煤水比調(diào)節(jié)時，超臨界CFB鍋爐主蒸汽壓力和溫度波動很大，經(jīng)常出現(xiàn)超壓現(xiàn)象[11-13]。

超臨界CFB鍋爐響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷需要給水流量、燃料量、風(fēng)量同時快速響應(yīng)，然而燃料量不能及時反映鍋爐爐膛燃燒情況，而且CFB鍋爐燃料調(diào)節(jié)均需有一定量超調(diào)。直流鍋爐給水流量既影響蒸汽溫度也影響蒸汽壓力，所以負(fù)荷變動過程中給水流量控制需要精確[14-15]。給水流量與主蒸汽流量存在動態(tài)平衡，可以通過主蒸汽流量作為給水流量控制主輸入信號，以函數(shù)()表示，具體關(guān)系見表1。

表1 主蒸汽流量與給水流量關(guān)系()

Tab.1 Relationship between the steam flow and feedwater flow f(x)

為實(shí)時精確地控制給水量，將給水控制主控因素改為主蒸汽流量，加入減溫水量修正（過熱減溫水引接至省煤器前），同時疊加以下因素：1）負(fù)荷偏差修正函數(shù)作用于給水流量設(shè)定值；2）壓力偏差修正函數(shù)作用于給水流量設(shè)定值；3）分離器出口目標(biāo)溫度與分離器出口實(shí)際溫度的偏差，經(jīng)給水過熱度修正函數(shù)作用于給水流量設(shè)定值。

通過以上控制因素共同構(gòu)成給水流量設(shè)定值，且中間點(diǎn)溫度偏差同步作用于鍋爐主控。其控制策略流程如圖1所示。主蒸汽流量直接作用于給水流量，比原來常規(guī)煤水比控制更準(zhǔn)確地控制給水流量，避免了燃料量燃燒延時和物料循環(huán)中未燃盡碳燃燒的影響。另外給水流量的及時響應(yīng)，使主蒸汽壓力快速達(dá)到目標(biāo)壓力，減少了主蒸汽壓力和溫度的波動。

1.2 鍋爐主控負(fù)荷快速響應(yīng)優(yōu)化

當(dāng)負(fù)荷指令快速增加時，響應(yīng)負(fù)荷時主蒸汽壓力會降低，此時需要鍋爐側(cè)快速增加燃料量和風(fēng)量。鍋爐主控負(fù)荷快速響應(yīng)優(yōu)化策略采用前饋調(diào)節(jié)與PID偏差調(diào)節(jié)相結(jié)合的控制方法，PID的輸入為壓力偏差，PID比例、積分系數(shù)采用2路切換輸入。當(dāng)負(fù)荷偏差大于3 MW時采用快速響應(yīng)輸出，負(fù)荷偏差小于3 MW時采用較緩的速率變化，控制思路為負(fù)荷快速變化時，壓力偏差會快速作用燃料指令，最大程度消除燃料燃燒的響應(yīng)滯后問題。

前饋調(diào)節(jié)采用4路輸入共同作用：1）經(jīng)熱值修正后的燃料量反饋輸入；2）負(fù)荷偏差調(diào)節(jié)輸入；3）目標(biāo)負(fù)荷直接折算基礎(chǔ)燃料量輸入；4）壓力實(shí)時值偏差對應(yīng)燃料量輸入。4路信號輸入疊加，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況調(diào)整適合響應(yīng)機(jī)組的各輸入信號增益系數(shù)，最終輸出至鍋爐主控動態(tài)前饋。

動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，主要是負(fù)荷偏差和壓力偏差起主要前饋?zhàn)饔茫嘿|(zhì)穩(wěn)定的情況下，熱值修正后的燃料量和目標(biāo)負(fù)荷折算的燃料量僅起到基礎(chǔ)作用。鍋爐主控輸出分別作用于燃料量、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量，鍋爐主控對一次風(fēng)量設(shè)定直接影響CFB鍋爐的壓力跟蹤特性和負(fù)荷響應(yīng)速度。通過鍋爐主控與一次風(fēng)量形成一個基本關(guān)系，同時增加負(fù)荷指令變化對一次風(fēng)量設(shè)定修正系數(shù)，即負(fù)荷指令增加初期，一次風(fēng)量有一定階躍。具體為負(fù)荷指令變化達(dá)3 MW時，一次風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下增加20 000 m3/h，指令輸出時間為5 s，主要是增加CFB鍋爐爐膛內(nèi)物料中未燃盡碳的燃燒釋放熱量，通過過量加風(fēng)及時釋放爐膛內(nèi)蓄熱，燃料量隨后逐步增加，進(jìn)而維持整個負(fù)荷變化過程床溫穩(wěn)定，滿足機(jī)組對電網(wǎng)的負(fù)荷響應(yīng)速度要求。

1.3 汽輪機(jī)主控負(fù)荷快速響應(yīng)優(yōu)化

汽輪機(jī)主控在ACE模式下通過汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥快速動作至目標(biāo)位置以響應(yīng)負(fù)荷。為更好地響應(yīng)負(fù)荷，對汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥流量特性進(jìn)行優(yōu)化，對順序閥和單閥下流量特性曲線進(jìn)行修改，保證了汽輪機(jī)主控與各調(diào)節(jié)閥流量線性均勻流暢。同時根據(jù)修改后汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性，利用前饋調(diào)節(jié)加PID偏差調(diào)節(jié)的方法，前饋調(diào)節(jié)接入限速后的目標(biāo)負(fù)荷同滯后20 s信號求偏差，保證負(fù)荷指令變化時，汽輪機(jī)主控快速響應(yīng)，并依靠PID偏差調(diào)節(jié)穩(wěn)定在目標(biāo)負(fù)荷狀態(tài)。

2 應(yīng)用實(shí)例

采用上述方法對山西河坡電廠350 MW CFB機(jī)組原協(xié)調(diào)控制方式進(jìn)行優(yōu)化。首先在1號機(jī)組實(shí)施該控制策略，對協(xié)調(diào)優(yōu)化后負(fù)荷變動曲線進(jìn)行了對比，2018年11月24日運(yùn)行參數(shù)曲線如圖2所示。

從圖2可以看出：15 h中機(jī)組負(fù)荷升降變化明顯，負(fù)荷變化區(qū)間為220~310 MW，給水流量跟蹤良好且能夠及時響應(yīng)；主蒸汽壓力實(shí)際值與壓力設(shè)定值跟蹤效果良好，最大偏差在±1.0 MPa范圍內(nèi)；中間點(diǎn)溫度偏離設(shè)定值時，其及時作用于給水流量和燃料量指令，主蒸汽溫度波動不超±10 ℃。

圖3為采用優(yōu)化的協(xié)調(diào)控制策略后ACE方式運(yùn)行4 h的DCS曲線。

從圖3可以看出：在ACE模式下，負(fù)荷階躍變化約在20~30 MW區(qū)間，幅值較大，目標(biāo)負(fù)荷快速變化后給水流量稍有滯后，但滿足負(fù)荷響應(yīng)要求；主蒸汽壓力圍繞壓力設(shè)定值有一定波動，偏差基本在±1.0 MPa范圍內(nèi)，控制效果較好。采用優(yōu)化協(xié)調(diào)控制策略后，電網(wǎng)ACE方式運(yùn)行時，該機(jī)組的ACE綜合評價指標(biāo)P由原來1.09增加為4.21，達(dá)到山西省調(diào)電廠的優(yōu)秀水平。

3 結(jié) 語

根據(jù)超臨界CFB機(jī)組的特點(diǎn)，對機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，以主蒸汽流量為主輸入因素控制給水流量設(shè)定值，以鍋爐主控控制燃料量、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量，通過一次風(fēng)量的快速階躍變化，充分釋放CFB鍋爐蓄熱能力，進(jìn)而快速響應(yīng)負(fù)荷指令要求；同時結(jié)合中間點(diǎn)溫度修正鍋爐主控穩(wěn)定主蒸汽壓力和主蒸汽溫度。某超臨界350 MW CFB機(jī)組應(yīng)用該協(xié)調(diào)控制策略后，在ACE模式下，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，主蒸汽汽壓力和主蒸汽溫度基本維持穩(wěn)定，ACE綜合評價指標(biāo)p值達(dá)到4.21，滿足電網(wǎng)考核指標(biāo)。

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Optimization of coordinated control for rapid response to electric power in supercritical CFB unit

HOU Yiming1, WANG Zhiwei2, WANG Jinquan3

(1. Gemeng International Co., Ltd., Taiyuan 030006, China; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China;3. Shanxi Gemeng Safety Production Consultation Co., Ltd., Taiyuan 030006, China)

The supercritical circulating fluidized bed (CFB) boilers use the conventional coal-to-water ratio control strategy, which exists large inertia and long lag problem, resulting in large fluctuation in main steam pressure and poor load response performance. Under area control error (ACE) mode, the rapid change of AGC load will increase the fluctuation of fuel quantity and steam pressure, especially for circulating fluidized bed (CFB) units. Against this problem, according to the characteristics of CFB units, a coordinated control strategy of load rapid response is proposed. In this strategy, the feed water control of the whole process is realized by using the main steam flow rate and the intermediate point temperature. Both the load and the main steam pressure deviation act on the rapid response of the main control of the boiler by the combination of feedforward regulation and PID deviation adjustment. The heat storage of the CFB boiler is fully used and the load change is responded through the main control of the steam turbine and the instruction of each regulating valve. Moreover, this control strategy was applied in a supercritical 350 MW CFB unit of Shanxi Hepo Power Plant, and the results show that, the main steam pressure fluctuation was small, the steam temperature was stable, and the value of the load response comprehensive evaluation index Kp in ACE mode reached 4.21, which proves that the control effect of the supercritical CFB unit in varying load operation is good and the ACE index reaches excellent level.

supercritical, CFB, thermal power unit, coordinated control, load response, feedwater flow, main steam flow

TM621.6

B

10.19666/j.rlfd.201905139

2019-05-17

侯益銘(1969)，男，高級工程師，主要研究方向為火電廠熱工控制及節(jié)能優(yōu)化技術(shù)，houyiming2000@163.com。

侯益銘, 王智微, 王晉權(quán). 超臨界循環(huán)流化床機(jī)組負(fù)荷快速響應(yīng)的協(xié)調(diào)控制優(yōu)化[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(10): 33-37. HOU Yiming, WANG Zhiwei, WANG Jinquan. Optimization of coordinated control for rapid response to electric power in supercritical CFB unit[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(10): 33-37.

（責(zé)任編輯 杜亞勤）