超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化與AGC指標(biāo)提升

常耀天

(山西興能發(fā)電有限責(zé)任公司， 山西 古交 030206)

某廠600 MW超超臨界直接空冷燃煤機(jī)組2018年投入商業(yè)運(yùn)行，由于電網(wǎng)對供電質(zhì)量的要求不斷提高，華北網(wǎng)《華北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》和《華北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》簡稱“兩個(gè)細(xì)則”實(shí)施后，考核力度不斷加大，機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)品質(zhì)不佳的缺陷逐漸顯現(xiàn)，不僅影響了機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)電網(wǎng)考核結(jié)果的不理想也影響了公司經(jīng)濟(jì)利益。因此優(yōu)化機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，提高機(jī)組的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能和變負(fù)荷性能，同時(shí)提高機(jī)組的 “兩個(gè)細(xì)則”盈利能力迫在眉睫。

1 機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要問題

通過對機(jī)組運(yùn)行狀況的摸底、控制邏輯的審查梳理、運(yùn)行曲線的分析研究，發(fā)現(xiàn)機(jī)組控制系統(tǒng)最突出的問題表現(xiàn)為運(yùn)行過程中變負(fù)荷性能不佳、穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)荷偏差較大，造成“兩個(gè)細(xì)則”的考核效果不理想。究其原因，主要是原機(jī)組的控制策略不適合超超臨界直流鍋爐的特點(diǎn)，DCS組態(tài)中存在大量不適應(yīng)直流鍋爐特點(diǎn)的控制邏輯，如作為直流爐最關(guān)鍵的給水控制設(shè)計(jì)不合理，制約了直流爐機(jī)組變負(fù)荷性能的發(fā)揮，并且其給水控制的設(shè)計(jì)存在嚴(yán)重漏洞，特殊工況下如堵煤現(xiàn)象發(fā)生時(shí)無法保證煤水比的匹配；又如機(jī)組變負(fù)荷性能關(guān)鍵的鍋爐超調(diào)的設(shè)計(jì)完全是汽包爐的思路，過于依賴燃煤量的超調(diào)，變負(fù)荷過程中煤量波動相當(dāng)大，變負(fù)荷效果卻不理想。

機(jī)組優(yōu)化前的變負(fù)荷曲線見圖1. 由圖1可見，機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)品質(zhì)較差，變負(fù)荷時(shí)負(fù)荷偏差較大，過熱度波動也較為明顯，最大幅度接近30 ℃，穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)荷調(diào)節(jié)的精度也不夠理想，遠(yuǎn)超“兩個(gè)細(xì)則”考核要求的1%死區(qū)范圍?？傮w上來看，機(jī)組穩(wěn)態(tài)及變負(fù)荷性能不理想，嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

因此結(jié)合機(jī)組設(shè)備的情況，制定并實(shí)施合理的協(xié)調(diào)控制策略非常必要。優(yōu)化機(jī)組的控制策略，提升機(jī)組變負(fù)荷的能力，在保證主要熱力參數(shù)在可控范圍內(nèi)，盡可能地滿足電網(wǎng)AGC的變負(fù)荷需求，達(dá)到AGC優(yōu)化的效果。

2 華北網(wǎng)AGC考核細(xì)則

機(jī)組變負(fù)荷性能的優(yōu)劣最終體現(xiàn)在電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”對AGC性能的考核指標(biāo)上，所以必須對AGC指令的形式及相應(yīng)的AGC補(bǔ)償考核辦法進(jìn)行分析，針對性地改進(jìn)AGC控制回路，從而提高電網(wǎng)對機(jī)組的考核成績，爭取更大的獎(jiǎng)勵(lì)。

圖1 機(jī)組優(yōu)化前變負(fù)荷曲線圖

2.1 華北網(wǎng)AGC考核補(bǔ)償計(jì)算方法

華北網(wǎng)AGC考核補(bǔ)償辦法是根據(jù)“兩個(gè)細(xì)則”定義的，從可用率和調(diào)節(jié)性能進(jìn)行AGC的考核補(bǔ)償，其中可用率反映了機(jī)組AGC功能良好可用的狀態(tài)；調(diào)節(jié)性能從調(diào)節(jié)速率K1、調(diào)節(jié)精度K2和響應(yīng)時(shí)間K3三方面進(jìn)行量化計(jì)算與考核補(bǔ)償，調(diào)節(jié)性能綜合指標(biāo)為：Kp=K1×K2×K3.

2.2 華北網(wǎng)AGC考核補(bǔ)償分析

由“兩個(gè)細(xì)則”可知，調(diào)節(jié)性能綜合指標(biāo)Kp越高，考核成績越好。若K1、K2、K3某項(xiàng)小于1，都會被考核。機(jī)組若要K1>1,實(shí)際變負(fù)荷速率必須大于1.5%/min(9 MW/min). 若要K2>1，機(jī)組負(fù)荷處于不變時(shí)，機(jī)組負(fù)荷的穩(wěn)靜態(tài)偏差必須小于6 MW. 若要K3>1,必須使機(jī)組負(fù)荷變化開始的前1 min內(nèi)負(fù)荷變化速率達(dá)到6 MW/min(即1 min內(nèi)必須跨出機(jī)組額定功率1%的調(diào)節(jié)死區(qū))。由此可見,“兩個(gè)細(xì)則”的考核對綜合指標(biāo)Kp要求是很高的，尤其是K1和K3的值很大程度上決定著考核成績的好壞。

3 基于智能化協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計(jì)

超超臨界直流爐由于沒有汽包，鍋爐蓄熱能力小、初始負(fù)荷響應(yīng)速率慢，在AGC方式下要滿足電網(wǎng)的控制要求存在一定的難度，且直流爐協(xié)調(diào)控制必須要求機(jī)組能量保持平衡，特別是入爐的燃料量和給水量之間的平衡關(guān)系，因此要達(dá)到AGC優(yōu)化的目標(biāo)，對機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計(jì)提出了更高要求。

3.1 直流爐的變負(fù)荷性能分析

與汽包爐機(jī)組相比，直流鍋爐蓄熱比較小。因此，在機(jī)組變負(fù)荷的過程中，當(dāng)汽輪機(jī)高壓主汽調(diào)節(jié)閥變化時(shí)，單位主汽壓力變化引起的機(jī)組負(fù)荷變化量比較小，所以直流爐機(jī)組汽機(jī)主汽調(diào)閥調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷的能力比汽包爐機(jī)組差。汽輪機(jī)高壓主汽調(diào)節(jié)閥變化時(shí)，機(jī)組可以利用鍋爐的蓄熱，快速響應(yīng)負(fù)荷的變化，但只能維持1 min左右，無法滿足AGC考核要求。

機(jī)組負(fù)荷的變化本質(zhì)上是依靠給煤量變化來實(shí)現(xiàn)的，而該機(jī)組制粉系統(tǒng)配置的是6臺直吹式磨煤機(jī)，對于該類制粉系統(tǒng)，從給煤機(jī)轉(zhuǎn)速的變化改變給煤量到磨煤機(jī)把煤加工成煤粉，最后通過一次風(fēng)把煤粉送到爐膛燃燒轉(zhuǎn)化成熱量需要經(jīng)過約3 min，因此單純靠改變給煤量，機(jī)組很難取得理想的變負(fù)荷性能。

直流爐的給水特性相對汽包爐存在較大差異，對于直流爐改變給水量能迅速改變機(jī)組的主蒸汽壓力，此時(shí)進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽量能快速變化，因此機(jī)組能快速響應(yīng)負(fù)荷變化，在變負(fù)荷初期給水量對負(fù)荷的響應(yīng)遠(yuǎn)比煤量快。但是給水量變化過快會引起機(jī)組主蒸汽溫度大幅波動，因此需要保持給水與燃燒率有比較好的動態(tài)和靜態(tài)匹配，所以在變負(fù)荷時(shí)給水量的變化速率不易過快且變化量也要適中。因此直流機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的給水控制是最關(guān)鍵的子回路，也是提高機(jī)組AGC性能的核心控制系統(tǒng)。

綜合考慮直流爐給煤量、給水量和汽機(jī)調(diào)門對機(jī)組負(fù)荷的響應(yīng)特性，最佳的協(xié)調(diào)控制策略：變負(fù)荷的前期(1.5 min前)主要由汽機(jī)高壓主汽調(diào)門來承擔(dān)，中期(0.5～2.5 min)主要由給水量的變換來響應(yīng)負(fù)荷的變化，后期(2.5 min)主要由給煤量和給水量共同響應(yīng)負(fù)荷的變化。

3.2 汽機(jī)主控的優(yōu)化設(shè)計(jì)

汽機(jī)調(diào)門調(diào)負(fù)荷的本質(zhì)是利用鍋爐的蓄能。雖然直流爐的蓄熱能力相對較小，但變負(fù)荷初期必須要充分利用這部分蓄能。因此合理利用機(jī)組的蓄能可以提高機(jī)組在變負(fù)荷初期的響應(yīng)速度。利用鍋爐蓄能快速響應(yīng)機(jī)組的負(fù)荷變化就要允許主汽壓力有適當(dāng)?shù)淖兓@是因?yàn)閷τ诨瑝哼\(yùn)行的直流鍋爐，主汽壓力主要是由給水壓力(給水泵出力)決定的，汽機(jī)調(diào)門只是在負(fù)荷動態(tài)調(diào)節(jié)、在利用或釋放鍋爐蓄熱的過程中暫時(shí)改變了主汽壓力，當(dāng)機(jī)組能量平衡達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，主汽壓力自然會恢復(fù)。

為了快速響應(yīng)AGC指令，對協(xié)調(diào)方式下的汽機(jī)主控TM回路控制策略進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，汽機(jī)主控先是完全根據(jù)負(fù)荷偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，允許主汽壓力在一定范圍內(nèi)波動，以快速響應(yīng)AGC指令的變化，保證負(fù)荷控制的效果。在壓力偏差較大時(shí)，汽機(jī)調(diào)門兼顧主汽壓力的控制，并且主汽壓力偏差越大，主汽門兼顧壓力的權(quán)重也越大，如果主汽壓偏差超過設(shè)定值，將會閉鎖機(jī)組負(fù)荷的變化，主汽門完全兼顧主汽壓力。通過主汽壓力偏差智能化處理的設(shè)計(jì)，最大程度地發(fā)揮機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)的能力。機(jī)組協(xié)調(diào)控制原理見圖2.

圖2 機(jī)組協(xié)調(diào)控制的原理圖

3.3 鍋爐主控的優(yōu)化設(shè)計(jì)

鍋爐主控的控制策略是以負(fù)荷指令前饋為主導(dǎo)，爐主控指令同步作用于給水、燃料和風(fēng)量回路，通過設(shè)置準(zhǔn)確的BM—給水量、BM—燃料量及BM—風(fēng)量F(x)函數(shù)關(guān)系，使得變負(fù)荷時(shí),前饋?zhàn)饔檬菇o水量、煤量和風(fēng)量的變化能基本一步到位，變化到預(yù)定值，從而保證了機(jī)組負(fù)荷也隨前饋基本到位。前饋起到粗調(diào)的作用，再以PID調(diào)節(jié)為反饋起細(xì)調(diào)作用，最終使機(jī)組的負(fù)荷達(dá)到其定值，并使主汽溫度和壓力穩(wěn)定于目標(biāo)值。

在變負(fù)荷過程中，當(dāng)汽機(jī)調(diào)門響應(yīng)負(fù)荷指令充分利用鍋爐蓄能時(shí)，主汽壓力若波動較大超出合理范圍，一方面通過汽機(jī)調(diào)門的壓力拉回作用，限制調(diào)門繼續(xù)拉大壓力偏差，另一方面在鍋爐前饋環(huán)節(jié)上疊加一預(yù)定的量，以加快鍋爐主控的調(diào)節(jié)作用，通過鍋爐和汽機(jī)協(xié)同作用，使主汽壓力快速回穩(wěn)，并恢復(fù)被利用了的鍋爐蓄能。

3.4 給水主控

在直流鍋爐變負(fù)荷的過程中，通過改變給水量的大小能快速改變機(jī)組的負(fù)荷。但由于直吹式制粉系統(tǒng)從煤量變化到轉(zhuǎn)化成鍋爐熱量的過程(燃燒率)有較大的延遲，為了保證鍋爐的給水與爐內(nèi)的熱量在變負(fù)荷的動態(tài)過程中也同步變化，在煤量變化延遲一段時(shí)間后,給水量才能跟隨變化，因此通過改變給水量快速響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷變化這一重要控制策略需要被合理抑制。

機(jī)組在變負(fù)荷的過程中，提前變化給水量，可以提高負(fù)荷變化速度，維持主汽壓力的穩(wěn)定，這對機(jī)組運(yùn)行是有利的；但是提前變化給水量也會造成鍋爐分離器出口溫度(過熱度)的動態(tài)變化增加：機(jī)組在加負(fù)荷時(shí)，鍋爐給水量增加要比燃燒率的變化快，因此過熱度有一段時(shí)間會下降；減負(fù)荷時(shí)，鍋爐給水量增加要比燃燒率的變化快，因此過熱度有一段時(shí)間會上升，同時(shí)主汽溫和再熱汽溫也會有較大的變化，所以通過調(diào)節(jié)給水量的變化快速響應(yīng)負(fù)荷變化在一定程度上要允許過熱度和主汽溫度有適當(dāng)?shù)牟▌印?/p>

為了使機(jī)組快速響應(yīng)負(fù)荷的變化，在鍋爐過熱度和主汽溫度變化允許的前提下，必須適當(dāng)加快給水流量的變化，通過給水的快速響應(yīng)提高機(jī)組負(fù)荷的響應(yīng)速度。基于此思路，優(yōu)化后的干態(tài)方式下給水指令前饋主導(dǎo)部分由基準(zhǔn)的BM-給水量關(guān)系得出，給水的慣性時(shí)間盡量縮短，以強(qiáng)化給水流量的變化對負(fù)荷的響應(yīng)；以給水來主調(diào)機(jī)組的煤/水比，分離器出口溫度用于給水流量的PID反饋修正。

給水控制的智能化處理體現(xiàn)在分離器出口溫度的智能化調(diào)節(jié)上，如加負(fù)荷時(shí)，為了提高變負(fù)荷性能，要求給水快速增加，分離器出口溫度一般會下降，此時(shí)溫度的調(diào)節(jié)作用會降低負(fù)荷，為了保證變負(fù)荷性能，實(shí)現(xiàn)先變負(fù)荷再恢復(fù)汽溫的策略，分離器出口溫度下降在安全范圍內(nèi)閉鎖減少給水流量的調(diào)節(jié)作用。在加負(fù)荷結(jié)束或溫度偏差過大時(shí)，恢復(fù)分離器出口溫度的調(diào)節(jié)作用。變負(fù)荷過程中允許分離器出口溫度在一定范圍內(nèi)波動，在一定程度上避免給水的溫度修正對負(fù)荷響應(yīng)的反作用。

3.5 智能超調(diào)的設(shè)計(jì)

機(jī)組在變負(fù)荷過程中，汽機(jī)調(diào)門快速動作，可以提高變負(fù)荷初期的負(fù)荷響應(yīng)性能，再通過給水量的提前變化，機(jī)組發(fā)電功率會持續(xù)較快變化，但由于鍋爐從煤量變化到熱量的變化客觀上存在著較大的延遲，總是滯后于發(fā)電功率的變化。因此在變負(fù)荷過程中必須對燃料量進(jìn)行超調(diào)處理，加快和加大鍋爐的熱量供給，這樣就可以補(bǔ)充汽機(jī)調(diào)門利用了的蓄熱，同時(shí)也可以使因給水量快速變化而引起的鍋爐蒸汽溫度恢復(fù)到正常值。

優(yōu)化后的超調(diào)采用了智能處理的方法，用于變負(fù)荷過程中主汽壓力的恢復(fù)和補(bǔ)充鍋爐的蓄能。變負(fù)荷時(shí)的鍋爐超調(diào)量與變負(fù)荷速率、實(shí)際負(fù)荷指令等有關(guān)，設(shè)置的變負(fù)荷速率越快，超調(diào)的量也越大；機(jī)組負(fù)荷指令越高，超調(diào)的量也越大。超調(diào)持續(xù)時(shí)間不同于常規(guī)超調(diào)僅在負(fù)荷指令變化的過程中存在，而是根據(jù)機(jī)組主汽壓力、溫度等熱力參數(shù)的變化而智能判斷的。通過這種超調(diào)持續(xù)時(shí)間的智能判斷，可以使機(jī)組在整個(gè)變負(fù)荷過程中，不僅可以快速響應(yīng)負(fù)荷的變化，還可以減小機(jī)組主汽溫度和壓力的變化幅度，使機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，滿足機(jī)組滑壓的運(yùn)行要求。鍋爐超調(diào)信號生成后疊加到爐主控指令上，作用于給水、煤量等調(diào)節(jié)回路，其邏輯原理圖見圖3.

4 基于兩個(gè)細(xì)則的針對性優(yōu)化

4.1 增大調(diào)節(jié)速率，提高K1值

為了使實(shí)際變負(fù)荷速率達(dá)到甚至超過9 MW/min(1.5%/min)，機(jī)組變負(fù)荷速率的設(shè)置不得不抬高，在優(yōu)化調(diào)試過程中變負(fù)荷速率逐步提高，目前機(jī)組速率都設(shè)置在15 MW/min.

變負(fù)荷速率提高后，更多更快地利用了鍋爐的蓄熱，這就必須提高燃燒率的超調(diào)量，需要足夠量的煤量、給水的超調(diào)來及時(shí)補(bǔ)充蓄熱。目前采用的是智能超調(diào)，煤量、給水的超調(diào)量都與變負(fù)荷速率有關(guān)。

4.2 加強(qiáng)汽機(jī)主控對負(fù)荷的響應(yīng)，提高K3值

分析AGC投用期間的考核結(jié)果，K3指標(biāo)的提升尚有余量，為了使機(jī)組在變負(fù)荷前1 min內(nèi)可靠跨出1%的調(diào)節(jié)死區(qū)，減小變負(fù)荷的響應(yīng)時(shí)間，在汽機(jī)主控邏輯中增加負(fù)荷指令的微分環(huán)節(jié)，利用汽機(jī)調(diào)門對負(fù)荷瞬時(shí)快速反應(yīng)，提高機(jī)組在變負(fù)荷初期的響應(yīng)速率，從而能夠提高響應(yīng)時(shí)間K3的值。

5 優(yōu)化后AGC投運(yùn)效果

通過定期跟蹤觀察AGC的投用情況，對機(jī)組運(yùn)行曲線和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)一步細(xì)化調(diào)整控制邏輯及參數(shù)，機(jī)組的變負(fù)荷性能有了一定程度的提高。目前機(jī)組的變負(fù)荷速率設(shè)置為15 MW/min(2.5%)，在AGC方式下實(shí)際負(fù)荷已經(jīng)基本能夠貼合負(fù)荷指令，且機(jī)組的主要運(yùn)行參數(shù)都控制在正常范圍內(nèi)，完全能夠滿足電網(wǎng)AGC運(yùn)行的需求。

機(jī)組優(yōu)化后的實(shí)際運(yùn)行曲線見圖4，允許負(fù)荷變化速率都設(shè)置為15 MW/min. 機(jī)組在各種工況下實(shí)際負(fù)荷都能完全貼合15 MW/min變化的負(fù)荷指令，過熱度、主汽溫度和再熱汽溫等都在合理范圍內(nèi)波動，變負(fù)荷結(jié)束后的穩(wěn)態(tài)性能良好。

圖3 鍋爐超調(diào)邏輯原理圖

圖4 機(jī)組AGC方式下頻繁三角波變負(fù)荷曲線圖

6 結(jié) 論

優(yōu)化后,該機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)異，機(jī)組在變負(fù)荷的過程中主汽壓力最大變化幅度在0.7 MPa，主汽溫度變化幅度在15 ℃以內(nèi)，接近能夠達(dá)到的理論值。鍋爐水冷壁沒有出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，減緩了鍋爐水冷壁氧化皮的生成，減少了鍋爐爆管次數(shù)。同時(shí)“兩個(gè)細(xì)則”的考核實(shí)現(xiàn)了由虧轉(zhuǎn)盈，機(jī)組“兩個(gè)細(xì)則”的盈利能力達(dá)每月100萬元，增加了機(jī)組在華北網(wǎng)的競爭力。