熱電聯產機組的控制優化策略研究

張德才

陽煤平原化工有限公司 山東德州 253100

1 常規的控制方法

熱電聯產機組是一個多輸入、多輸出的被控對象。輸入有鍋爐燃料量、抽汽蝶閥開度、汽輪機高調門開度；輸出有汽輪機中壓缸排汽壓力、汽輪機機前壓力、機組發電負荷。當前普遍采用的熱電聯產機組控制方法為鍋爐燃料量控制汽輪機前壓力；汽輪機高調門開度控制機組發電負荷；汽輪機中壓缸壓力由調節蝶閥來調整[1]。

熱電聯產機組額定發電負荷指令（AGC）通過速率約束后即為實際發電指令，一般發電負荷指令設定為每分鐘調節1.5%Pe（Pe為額定負荷），對于300MW機組，通過計算可知其發電負荷速率約為4.5MW/min。供熱回路汽輪機抽汽壓力經調整調節蝶閥開度來控制。鍋爐主控輸出到控制燃燒系統：為響應鍋爐主控輸出變化，相應的鍋爐給煤量也要隨之調整，一次風量、二次風量均需乘以一不同系數進行修正以適應鍋爐主控輸出變化，在此選擇一階慣性環節1/（10s+1）來描述；汽輪機同樣也選擇一階慣性環節1/（10s+1）；對于抽汽蝶閥開度的變化速率，控制系統一般采用慣性或者限速環節來約束，這里也用一階慣性環節1/（10s+1）來描述。下面對熱電聯產機組在不同工況下的運行特性進行分析，首先看一下常規控制系統在額定發電負荷工況、額定供熱負荷工況下的運行性能[2]。

圖1 常規熱電聯產機組控制系統原理

2 改進后的控制方法

由上述仿真結果及分析可知，常規控制方案中機前壓力波動并不明顯，但存在一個明顯的不足，就是AGC的指令跟隨性能差，延遲時間太長，不能滿足電網快速性響應要求，無法實時參與電網調峰。要解決這一問題，需要考慮新的系統控制方案來提高系統發電負荷響應能力這一關鍵性能指標的快速性，這里提出一種基于熱慣性的改進控制方案來解決這一關鍵的系統性能指標。新的方案利用鍋爐燃料量控制機組發電負荷，汽輪機高調門開度控制汽輪機機前壓力，通過改變供熱抽汽調節蝶閥開度控制供熱抽汽流量，優化后的控制系統發電功率能夠快速跟蹤功率指令變化[3]。

改進后的熱電聯產機組控制原理通過引入非線性濾波器，將AGC指令分解成基本負荷指令和波動負荷指令兩個部分。其中，基本負荷指令仍然由常規機組控制系統進行調控，而將蝶閥開度指令與慣性環節疊加之后，由波動負荷指令對蝶閥開度進行控制。

對改進后的控制方案在額定發電負荷工況下和額定供熱負荷工況下進行仿真分析，觀察系統的相關運行情況。無論是額定發電負荷工況還是額定供熱負荷工況，整體仿真時間都設定為3000s，其中在1000s時，額定發電負荷工況下給定負荷由300MW漸變到270MW；額定供熱負荷工況下給定負荷由235MW漸變到215MW。

對比常規控制方法和改進后的控制方法，可以發現：

（1）無論是額定發電負荷工況還是額定供熱負荷工況，改進后的控制系統的機前壓力波動都要大于常規控制系統，在額定發電負荷工況時，機前壓力值最大達到18.5MPa；在額定供熱負荷工況時，機前壓力值最大達到18MPa。系統無論工作在額定發電負荷工況還是額定供熱負荷工況，改進后的系統控制方案中發電負荷的控制性能不管在跟隨性還是在穩定性上，都要明顯優于常規控制系統。

（2）由于在發電負荷的控制性能上，改進后的控制系統優于常規控制系統，相應地，在額定供熱負荷工況下，改進后的控制系統的抽汽壓力波形和抽汽流量波形優于相應的常規控制系統下的波形。綜上所述，改進后的控制方案優于常規控制方案，特別是改進后的控制系統發電負荷的跟隨性能優異，能滿足熱電聯產機組發電負荷控制的快速性要求，而發電負荷控制的快速性又是熱電聯產機組參與電網系統調峰的先決條件。

3 結語

在額定發電工況和額定加熱工況下，對常規的熱電聯產控制系統進行了分析和仿真，仿真結果表明，常規控制系統對發電負荷響應這一指標的跟隨性，有大約200秒的時間延遲。熱電聯產系統的控制方法通過利用鍋爐燃料量控制裝置的發電負荷和汽輪機高門開關控制汽輪機前壓力進行了改進，并且與常規控制方法模擬進行比較的結果是對各種控制系統進行了改進。改進后的發電機負載響應指數響應速度快，可跟蹤性好，改進后的控制方案的總體性能優于常規控制方案。