殷 喆， 張明法，張洪濤，劉 健

(1.河北省電力研究院，石家莊 050021；2.河北國(guó)華定洲發(fā)電有限責(zé)任公司,河北 保定 073000；3.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031)

1 概述

河北國(guó)華定洲發(fā)電有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱(chēng)“定洲電廠(chǎng)”)二期工程三四號(hào)機(jī)組為國(guó)產(chǎn)超臨界空冷機(jī)組。鍋爐為SG-2080/25.4-M969的超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，采用定-滑-定運(yùn)行方式，單爐膛、四角切向燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、半露天布置、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)的∏型鍋爐。采用中速磨冷一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)爐配6臺(tái)HP型中速磨煤機(jī)，其中1臺(tái)備用。汽輪機(jī)為超臨界、單軸、二缸二排汽、高中壓合缸、一次中間再熱、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為CLNZK660-24.2/566/566。發(fā)電機(jī)為水氫氫冷卻汽輪發(fā)電機(jī)，型號(hào)為QFSN-660-2。機(jī)組的輔機(jī)配置主要包括：2臺(tái)空氣預(yù)熱器、6臺(tái)磨煤機(jī)(5臺(tái)磨煤機(jī)可帶MCR負(fù)荷)、2臺(tái)送風(fēng)機(jī)(單臺(tái)帶50%額定負(fù)荷)、2臺(tái)引風(fēng)機(jī)(單臺(tái)帶50%額定負(fù)荷)、2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)(單臺(tái)帶50%額定負(fù)荷)、3臺(tái)電動(dòng)給水泵(可帶35%額定負(fù)荷)。熱工控制系統(tǒng)(DCS)采用SPPA- T3000分散控制系統(tǒng)，機(jī)組模擬量控制系統(tǒng)(MCS)是分散控制系統(tǒng)的功能之一，對(duì)鍋爐、汽輪機(jī)主要系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行連續(xù)閉環(huán)控制， 保證機(jī)組主要參數(shù)穩(wěn)定，滿(mǎn)足安全啟、停及定壓、滑壓及正常運(yùn)行的要求。模擬量控制系統(tǒng)分為上、下級(jí)控制，上級(jí)為單元機(jī)組負(fù)荷控制級(jí)(協(xié)調(diào)級(jí))，下級(jí)為基本控制級(jí)。汽輪機(jī)數(shù)字式電液控制系統(tǒng)(DEH)采用OVATION控制系統(tǒng)。機(jī)組協(xié)調(diào)級(jí)控制系統(tǒng)中包括自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)功能。在DEH側(cè)和協(xié)調(diào)控制回路均設(shè)計(jì)有一次調(diào)頻回路，快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)，穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。

2 協(xié)調(diào)控制策略

定洲電廠(chǎng)2臺(tái)660 MW 超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要包括汽輪機(jī)主控回路(TM)、鍋爐主控回路(BM)、負(fù)荷指令設(shè)定、主蒸汽壓力設(shè)定、協(xié)調(diào)方式切換、輔機(jī)故障減負(fù)荷(RUNBACK)、頻率校正、熱值校正等功能回路。對(duì)應(yīng)于汽輪機(jī)、鍋爐主控回路，通常有4種運(yùn)行控制方式：機(jī)爐協(xié)調(diào)方式(鍋爐主控系統(tǒng)自動(dòng)，汽輪機(jī)主控系統(tǒng)自動(dòng))，汽輪機(jī)跟隨方式(鍋爐主控系統(tǒng)手動(dòng)，汽輪機(jī)主控系統(tǒng)自動(dòng))，鍋爐跟隨方式(鍋爐主控系統(tǒng)自動(dòng)，汽輪機(jī)主控系統(tǒng)手動(dòng))，機(jī)爐手動(dòng)方式(鍋爐主控系統(tǒng)手動(dòng)，汽輪機(jī)主控系統(tǒng)手動(dòng))。定洲電廠(chǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式。爐跟機(jī)協(xié)調(diào)方式下，鍋爐主控系統(tǒng)負(fù)責(zé)維持機(jī)前壓力，汽輪機(jī)主控系統(tǒng)用于控制機(jī)組負(fù)荷，機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速度快、負(fù)荷控制精度較高，但機(jī)前壓力波動(dòng)幅度較大，按照調(diào)度部門(mén)對(duì)機(jī)組投入AGC運(yùn)行指標(biāo)的要求，在這種協(xié)調(diào)方式下機(jī)組最適合投入AGC運(yùn)行，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)[1]設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意

2.1 機(jī)組負(fù)荷指令與主蒸汽壓力定值處理回路

負(fù)荷指令回路的主要任務(wù)是：根據(jù)機(jī)組可以接受的各種外部負(fù)荷指令，處理后作為負(fù)荷給定值，分別送到鍋爐主控系統(tǒng)和汽輪機(jī)主控系統(tǒng)，有3個(gè)子回路：負(fù)荷控制站，最大、最小限制回路，變化率限制回路[2]。設(shè)計(jì)了定壓、滑壓2種壓力運(yùn)行方式。在滑壓方式時(shí)，根據(jù)負(fù)荷-主蒸汽壓力設(shè)定值曲線(xiàn)確定機(jī)前壓力定值。主蒸汽壓力設(shè)定值變化時(shí)，按給定的壓力變化速率進(jìn)行限速。滑壓設(shè)定值偏執(zhí)和定壓設(shè)定值可以在操作員畫(huà)面上進(jìn)行設(shè)定。

2.2 鍋爐主控回路

鍋爐主控回路是負(fù)荷指令回路或壓力回路與燃燒控制系統(tǒng)之間的接口，即通過(guò)該回路將經(jīng)過(guò)修正的機(jī)組負(fù)荷指令或壓力指令發(fā)送到風(fēng)量控制回路及燃料控制回路，以協(xié)調(diào)鍋爐出力與負(fù)荷指令之間的匹配關(guān)系[3]。鍋爐主控有2種工作模式：非鍋爐跟蹤(即CCS模式)，鍋爐跟隨(即BF模式)。該機(jī)組的協(xié)調(diào)控制是以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的，即汽輪機(jī)側(cè)控制負(fù)荷，鍋爐主要維持主蒸汽壓力。在CCS模式下，鍋爐主控調(diào)節(jié)器主調(diào)信號(hào)為壓力偏差反饋，同時(shí)在前饋回路接受機(jī)組負(fù)荷指令。前饋是粗調(diào)，反饋是細(xì)調(diào)。

2.3 汽輪機(jī)主控回路

汽輪機(jī)主控回路相當(dāng)于負(fù)荷指令回路與汽機(jī)控制器之間的接口，有汽輪機(jī)跟隨(TF)和機(jī)爐協(xié)調(diào)(CCS)2種運(yùn)行方式[4]。汽輪機(jī)跟隨方式是指鍋爐主控系統(tǒng)在手動(dòng)，汽輪機(jī)主控系統(tǒng)在自動(dòng)的方式，即用汽輪機(jī)調(diào)門(mén)來(lái)控制汽壓。采用這種方式的特點(diǎn)是壓力控制響應(yīng)快，主蒸汽壓力很容易穩(wěn)定在給定值上，但在煤種變化大時(shí)，負(fù)荷波動(dòng)較大。汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度指令的大小完全決定于主蒸汽壓力偏差信號(hào)的PID控制運(yùn)算，汽輪機(jī)負(fù)荷則隨調(diào)門(mén)開(kāi)度的大小而變化。在煤種變化比較大而鍋爐燃燒不穩(wěn)定的工況下，采用汽輪機(jī)跟隨方式有利于鍋爐穩(wěn)定燃燒。而在機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式下，汽輪機(jī)主控系統(tǒng)按照功率偏差控制汽輪機(jī)調(diào)門(mén)的開(kāi)度，保證機(jī)組實(shí)際功率滿(mǎn)足負(fù)荷要求。

3 存在的問(wèn)題與優(yōu)化策略

3.1 存在的問(wèn)題

3.1.1 鍋爐特性差

調(diào)試期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單純加煤，壓力反應(yīng)延遲大概20 min以上；保持煤水比，加煤同時(shí)加水，壓力純延遲3 min左右，但慣性時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20 min以上；單純加煤，分離器出口焓值純延遲時(shí)間2 min，慣性時(shí)間達(dá)20 min以上。由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出該鍋爐反應(yīng)極慢，采用常規(guī)的PID控制要達(dá)到中調(diào)要求的1.5%速率，這對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)提出了高要求。

3.1.2 被控參數(shù)之間的耦合關(guān)聯(lián)性強(qiáng)

對(duì)于超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，煤、水、調(diào)門(mén)開(kāi)度(溫度、壓力、功率)耦合性非常強(qiáng)。要滿(mǎn)足中調(diào)要求的變負(fù)荷速率，變負(fù)荷時(shí)只能靠水的快速響應(yīng)來(lái)滿(mǎn)足功率及壓力的要求，以升負(fù)荷為例，燃煤與給水快速上升，給水保證初期的功率響應(yīng)及壓力跟蹤設(shè)定值，但由于煤對(duì)溫度響應(yīng)的滯后，分離器出口焓值就會(huì)迅速下降，并在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)才回到設(shè)定值，這是焓值控制回路及煤的作用造成的，這期間水的變化也會(huì)引起功率及壓力的不穩(wěn)定。由于煤的大延遲大慣性，鍋爐主控PID調(diào)節(jié)器參數(shù)過(guò)慢，會(huì)導(dǎo)致壓力長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)偏差，PID參數(shù)稍快，又會(huì)導(dǎo)致壓力不穩(wěn)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.2 優(yōu)化策略

3.2.1 制粉系統(tǒng)燃燒自動(dòng)調(diào)節(jié)

為加快鍋爐動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，在各磨入口一次風(fēng)熱風(fēng)調(diào)節(jié)門(mén)的設(shè)定值中加入鍋爐主控輸出的微分。原邏輯中熱風(fēng)調(diào)節(jié)門(mén)維持磨的一次風(fēng)量，該設(shè)定值為本磨煤機(jī)煤量的函數(shù)，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，鍋爐主控輸出增加10 t/h時(shí)，假設(shè)4臺(tái)磨投入自動(dòng)則每臺(tái)磨的煤量增加2.5 t/h，根據(jù)煤量-風(fēng)量對(duì)應(yīng)函數(shù)，每臺(tái)磨的一次風(fēng)量設(shè)定值大約多出1 t/h，在一次風(fēng)量設(shè)定值疊加上鍋爐主控微分，以1.5%速率升負(fù)荷為例，每臺(tái)磨的一次風(fēng)量會(huì)較原來(lái)增加5 t/h，這就可以保證所加煤量能夠快速進(jìn)入爐膛，提高鍋爐動(dòng)態(tài)響應(yīng)。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，啟、停磨對(duì)壓力、溫度的影響較大，因此加入啟、停磨校正回路。如有磨啟動(dòng)，則在鍋爐主控輸出上疊加-1.5%的煤量，持續(xù)1 min，以消除起磨導(dǎo)致壓力升高的影響，停磨所疊加作用與起磨相反。加入該回路后，很好的控制了啟、停磨對(duì)壓力及溫度的影響。

3.2.2 優(yōu)化鍋爐動(dòng)態(tài)前饋

a.負(fù)荷指令微分信號(hào)。在各負(fù)荷區(qū)間進(jìn)行升降負(fù)荷時(shí)取不同的系數(shù)，使其更加符合機(jī)組特性，另外，可以對(duì)升降負(fù)荷加以區(qū)分。

b.滑壓運(yùn)行方式下壓力設(shè)定值微分。將滑壓曲線(xiàn)產(chǎn)生的壓力設(shè)定值加入三階慣性環(huán)節(jié)，并對(duì)慣性時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到一定的解耦目的。

c. 定壓方式下壓力設(shè)定值微分。單純靠鍋爐主控的PID調(diào)節(jié)就可以保證壓力較為快速的響應(yīng)及穩(wěn)定，因此將該部分前饋舍去。

d. 各前饋?zhàn)饔脺p弱為非AGC方式下的0.9倍左右。由于AGC方式下，可能會(huì)出現(xiàn)中調(diào)反復(fù)升降負(fù)荷指令的情況，動(dòng)態(tài)前饋過(guò)強(qiáng)容易引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以AGC方式下，各前饋?zhàn)饔脺p弱為非AGC方式下的0.9倍左右。

3.2.3 加入穩(wěn)態(tài)壓力偏差校正回路

由于機(jī)組鍋爐側(cè)反應(yīng)過(guò)慢，所以鍋爐主控的PID控制器中的積分作用選擇較慢，當(dāng)鍋爐提供的能量與汽輪機(jī)功率相匹配時(shí)，壓力偏差不易消除，因此加入穩(wěn)態(tài)壓力偏差校正回路。當(dāng)壓力偏差大于0.3 MPa時(shí)，煤量增加(或減少)1%～2%，持續(xù)1 min恢復(fù)。根據(jù)煤水-壓力的延遲時(shí)間，該回路每3 min起一次作用。該回路加入后可有效抑制動(dòng)態(tài)壓力偏差過(guò)大。

3.2.4 將煤水比函數(shù)進(jìn)行動(dòng)靜分離

煤與水的對(duì)應(yīng)函數(shù)作為靜態(tài)前饋送至給水調(diào)節(jié)回路中，由于煤與水對(duì)溫度的響應(yīng)特性不同，為了溫度的穩(wěn)定，一般的處理方法為煤水比函數(shù)加入2到4階慣性環(huán)節(jié)以匹配煤水響應(yīng)，達(dá)到解耦及穩(wěn)定目的。由于該機(jī)組鍋爐響應(yīng)較慢，負(fù)荷及壓力變化要求給水能較快響應(yīng)，因此該慣性環(huán)節(jié)慣性時(shí)間設(shè)置較短，但較短的慣性時(shí)間在穩(wěn)態(tài)時(shí)又不利于壓力的穩(wěn)定，所以變負(fù)荷期間采用較短的慣性時(shí)間以維持快速響應(yīng)，非變負(fù)荷時(shí)采用正常的慣性時(shí)間以維持分離器出口焓值及溫度的穩(wěn)定。

4 現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)情況

在試運(yùn)期間機(jī)組負(fù)荷在300～600 MW以1.5%速率變化，并且經(jīng)過(guò)AGC方式下功率指令反復(fù)升降的考驗(yàn)，壓力動(dòng)態(tài)偏差最大一次0.7 MPa，其余均在0.5 MPa以?xún)?nèi)，并能迅速穩(wěn)定，非變負(fù)荷時(shí)壓力偏差基本不超過(guò)0.2 MPa，調(diào)節(jié)效果良好，變負(fù)荷時(shí)功率及壓力響應(yīng)曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 變負(fù)荷時(shí)功率及壓力響應(yīng)曲線(xiàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

由于660 MW超臨界機(jī)組壓力等級(jí)高，導(dǎo)致工作介質(zhì)剛性提高，動(dòng)態(tài)過(guò)程加快；另外鍋爐為直流鍋爐，蓄熱能力小，各子系統(tǒng)的相互聯(lián)系更加緊密，機(jī)爐之間，給水、燃燒、汽溫之間等各系統(tǒng)的控制是一個(gè)相互耦合的過(guò)程，因此在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要統(tǒng)籌全局，合理解耦，采用靜態(tài)、動(dòng)態(tài)前饋，引入汽輪機(jī)側(cè)壓力拉回回路，鍋爐側(cè)加快響應(yīng)，充分利用鍋爐蓄熱，才能提高機(jī)組的負(fù)荷適應(yīng)性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)定洲電廠(chǎng)2臺(tái)660 MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的邏輯及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能較好，可以長(zhǎng)期可靠投入，為機(jī)組的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行打下了基礎(chǔ)。

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