羅志浩，陳小強(qiáng)，陳 波

(浙江省電力試驗研究院，杭州 310014)

近年來，超（超超）臨界機(jī)組在電網(wǎng)中的比例不斷增加，對超（超超）臨界機(jī)組進(jìn)行機(jī)組控制策略優(yōu)化，進(jìn)一步提高機(jī)組的安全性和可控性十分必要。針對上述需求，浙江省電力試驗研究院開展了超（超超）臨界機(jī)組主重要參數(shù)的優(yōu)化研究和控制策略優(yōu)化工作，主要圍繞機(jī)組功率、主汽壓力、中間點(diǎn)溫度、主汽溫度、再熱汽溫等機(jī)組主重要參數(shù)進(jìn)行控制策略、控制參數(shù)的優(yōu)化及工程實踐，取得了顯著的效果。

1 功率、主汽壓力的控制策略優(yōu)化

功率和主汽壓力是機(jī)組協(xié)調(diào)控制的主要參數(shù)，反映了機(jī)組的整體控制水平。隨著AGC控制品質(zhì)要求的提高，常規(guī)的協(xié)調(diào)控制策略已無法滿足每臺機(jī)組的需求，在機(jī)組運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)主汽壓力波動較大、負(fù)荷變化速率不滿足要求、負(fù)荷控制精度較差等現(xiàn)象。經(jīng)過理論研究和仿真試驗，對控制回路中的控制目標(biāo)、前饋生成和控制參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，取得了較好的效果。

1.1 功率指令生成回路的變參數(shù)調(diào)節(jié)

由于機(jī)組對燃料延時響應(yīng)的特性，在負(fù)荷變化初期必須依靠機(jī)組蓄熱來滿足負(fù)荷變動的要求。在協(xié)調(diào)控制回路中，為了保證汽機(jī)能量輸出和鍋爐能量輸入之間的動態(tài)平衡，在功率指令至汽機(jī)主控回路中增加了慣性環(huán)節(jié)，該慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)一般為定值。而在實際變負(fù)荷過程中，因負(fù)荷變化的幅度不同，對蓄熱利用的要求也不同，因此可以根據(jù)負(fù)荷變化幅度來調(diào)整慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，以滿足機(jī)組能量的動態(tài)平衡。當(dāng)負(fù)荷變化量較小時，采用較小的時間常數(shù)，使機(jī)組能及時響應(yīng)功率指令，機(jī)組的整體參數(shù)變化由鍋爐蓄熱來消化。當(dāng)負(fù)荷變化量較大時，則采用較大的時間常數(shù)，保證負(fù)荷變化量不超出機(jī)組蓄熱利用的極限幅度，減小主汽壓力的波動。

功率指令變時延的控制策略已成功應(yīng)用于勝龍電廠1號機(jī)組和鳳臺電廠2號機(jī)組，大幅提高了上述機(jī)組在AGC控制方式下小負(fù)荷變動時的有功合格率，滿足了功率快速調(diào)節(jié)的要求。圖1為該邏輯實現(xiàn)的示意圖。

圖1 機(jī)組有功指令變時延控制回路示意圖

1.2 具有自適應(yīng)功能的鍋爐主控及前饋調(diào)整

機(jī)組負(fù)荷變化幅度通常與鍋爐燃燒要素的微分前饋關(guān)聯(lián)不大。鍋爐燃燒要素的微分量主要是滿足滑壓機(jī)組參數(shù)變化以及彌補(bǔ)鍋爐制粉系統(tǒng)燃燒滯后的補(bǔ)充手段，在固定的負(fù)荷變化率下，燃料、給水前饋量是基本固定的。在穩(wěn)態(tài)工況下，通過調(diào)整鍋爐燃燒出力來控制主汽壓力，而變工況時，主汽壓力主要由燃料和給水的前饋環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)負(fù)荷變化初期機(jī)組蓄熱的改變。因此，當(dāng)燃料量、給水量和機(jī)組出力之間已確定準(zhǔn)確的對應(yīng)關(guān)系后，在負(fù)荷變化期間不必過于注重過程中的壓力偏差。燃料量、給水量和機(jī)組出力之間的準(zhǔn)確對應(yīng)關(guān)系是影響整個負(fù)荷變化過程及穩(wěn)定周期的主要因素。根據(jù)常用煤種和發(fā)熱量準(zhǔn)確定位出幾個基本負(fù)荷點(diǎn)的煤量，從而確定該機(jī)組的煤量基準(zhǔn)線，可以保證負(fù)荷的實際響應(yīng)，同時減少鍋爐主控的調(diào)節(jié)量，防止鍋爐主控對主汽壓力過分修正帶來的內(nèi)擾。

為保持機(jī)組蓄熱利用和出力間的動態(tài)平衡，協(xié)調(diào)控制回路中設(shè)有一定的前饋量，且可以根據(jù)負(fù)荷變化初期的主汽壓力偏差和微分量進(jìn)行動態(tài)修正。主汽壓力偏差和微分量表征了機(jī)組的蓄熱水平，當(dāng)機(jī)組蓄熱水平較高時，可以采用較小的前饋量；當(dāng)機(jī)組蓄熱水平較低時，需要采用較大的前饋量。該策略已應(yīng)用于鳳臺電廠2號機(jī)組，提高了機(jī)組在不同工況下負(fù)荷變動的適應(yīng)性。圖2為升負(fù)荷過程中動態(tài)調(diào)整前饋的邏輯示意圖。

圖2 根據(jù)主汽壓力調(diào)整前饋量的邏輯示意圖

1.3 變負(fù)荷工況下鍋爐調(diào)壓回路變積分控制

機(jī)組主汽壓力控制可以分為動態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種工況。動態(tài)工況下的壓力調(diào)節(jié)主要由前饋量實現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)工況下壓力調(diào)節(jié)主要由鍋爐主控壓力修正實現(xiàn)，因此在機(jī)組變負(fù)荷過程中應(yīng)盡量弱化鍋爐主控的壓力調(diào)節(jié)。

動態(tài)工況下，尤其是長時間的增、減負(fù)荷過程中，當(dāng)鍋爐主控壓力修正過量時，會導(dǎo)致負(fù)荷指令到位后鍋爐主控指令（即實際鍋爐出力）偏離功率指令。鍋爐調(diào)壓滯后（相對于汽機(jī)調(diào)門）還將引起壓力控制回路的超調(diào)，進(jìn)而引起負(fù)荷的波動。因此要使壓力控制相對平穩(wěn)，需要有準(zhǔn)確的煤水基準(zhǔn)線和動態(tài)前饋量來保證。同時，為了防止動態(tài)過程中壓力偏差引起的鍋爐主控積分量超調(diào)致使后期超壓，在弱化壓力積分器的同時，還在積分恢復(fù)時設(shè)置了一定的延時，該延時時間可根據(jù)過程需要的平穩(wěn)時間來確定，基本實現(xiàn)了機(jī)組壓力的線性控制。

圖3為升負(fù)荷過程中對主汽壓力偏差的邏輯修正處理，降負(fù)荷工況也可以借鑒。當(dāng)實際主汽壓力與滑壓曲線偏差較大或方向趨勢相反時，滑壓過程可稍作等待，而不必過于強(qiáng)調(diào)壓力的偏差控制，該策略已應(yīng)用于鳳臺電廠2號機(jī)組。

1.4 負(fù)荷指令傳遞精度的控制邏輯優(yōu)化

目前1000 MW等級機(jī)組的汽機(jī)控制大都采用純功率控制，功率指令由DCS至DEH的模擬量通道傳輸，在傳輸過程中不可避免會存在通道誤差。通過圖4所示的控制邏輯優(yōu)化，可在源頭對信號進(jìn)行誤差實時修正。該策略已應(yīng)用于玉環(huán)電廠4臺機(jī)組中，有效消除了通道誤差對負(fù)荷指令傳遞精度的影響，提升了機(jī)組的有功合格率及一次調(diào)頻動作的雙向有效性。

圖3 變負(fù)荷工況下壓力偏差處理邏輯示意圖

圖4 功率指令傳遞優(yōu)化控制邏輯

2 中間點(diǎn)溫度的控制策略優(yōu)化

中間點(diǎn)溫度是直流機(jī)組控制中特有的關(guān)鍵參數(shù)，該參數(shù)較為靈敏地反映了鍋爐燃燒和給水配比的情況（以下簡稱燃水比）。為了提高中間點(diǎn)溫度的控制品質(zhì)，需要保證準(zhǔn)確的燃水比、快速穩(wěn)定的BTU（熱值校正）修正和完善中間點(diǎn)溫度異常時的調(diào)節(jié)手段。

2.1 保證準(zhǔn)確的燃水比

中間點(diǎn)溫度與水冷壁吸熱量、水冷壁入口工質(zhì)溫度及流量密切相關(guān)，并直接影響過熱汽溫，是過熱汽溫的導(dǎo)前信號。不同類型鍋爐的中間點(diǎn)溫度選取位置有所不同，三菱鍋爐采用汽水分離器入口過熱度，日立鍋爐采用屏式過熱器出口汽溫，ALSTOM鍋爐采用一級過熱器入口焓值。根據(jù)中間點(diǎn)溫度的選取方式，中間點(diǎn)溫度控制調(diào)節(jié)手段也有所差異，三菱、日立鍋爐借助于燃料量調(diào)整，ALSTOM鍋爐則調(diào)整鍋爐補(bǔ)水量。

保持合理的燃水比是直流鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件，過熱汽溫主要由燃水比來控制，控制要求比汽包爐更高。過熱器減溫水則主要是在工況較惡劣或變工況時的應(yīng)急或者細(xì)化手段。

超（超超）臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用直接指令平衡，給水、燃料指令主要來自鍋爐主控指令的靜態(tài)分配，精確的指令分配對于維持合適的燃水比至關(guān)重要。鍋爐制造廠提供的燃料、給水分配曲線要在調(diào)試過程中根據(jù)實際工況進(jìn)行修正，使之與實際情況相吻合。

基準(zhǔn)定位試驗時，汽機(jī)一般置于壓力控制模式，鍋爐處于手動控制。每個工況點(diǎn)要穩(wěn)定60 min以上，在鍋爐金屬受熱面留有一定安全余量的前提下，盡量讓汽溫、過熱度等參數(shù)接近設(shè)計值，從而確定基準(zhǔn)線的定位。

2.2 快速穩(wěn)定的BTU修正

基準(zhǔn)線定位完成后，并不能保證各種工況下的燃水比均能滿足控制要求。鍋爐燃燒特性、運(yùn)行方式、煤種變化都會影響燃水比。當(dāng)煤種變化時，需要通過BTU自動修正來調(diào)節(jié)。

BTU是對實際燃煤與設(shè)計煤種的校正，通過BTU將實際燃煤量轉(zhuǎn)化為設(shè)計煤量。好的BTU設(shè)計能保證機(jī)組負(fù)荷和汽溫調(diào)節(jié)的魯棒性。傳統(tǒng)的BTU修正回路對實際煤種熱值修正的速度較慢，只能滿足燃料較長時間段變化的修正需求。對于煤種的短暫變化，依靠傳統(tǒng)的BTU修正無法有效抑制汽溫、負(fù)荷的波動。

圖5為快速BTU修正回路的邏輯示意，是在常規(guī)BTU基礎(chǔ)上增加了一個快速計算的PID，利用快速PID判斷BTU的實時修正方向和修正幅度，通過定步長修正加速PID的計算過程，使BTU的修正過程快速穩(wěn)定。該方法已應(yīng)用于鳳臺電廠2號機(jī)組和樂清電廠3號機(jī)組。

2.3 完善中間點(diǎn)溫度異常時的調(diào)節(jié)手段

對于通過燃水比控制中間點(diǎn)溫度的直流機(jī)組，一旦出現(xiàn)中間點(diǎn)溫度超出高限或者低限的惡劣工況，將威脅到鍋爐的受熱面和其他熱力設(shè)備的安全運(yùn)行。如果仍然通過正常的燃水比控制來調(diào)整燃料與給水的比例，在異常工況下將無法滿足控制要求。因此在給水指令設(shè)計中，增加了應(yīng)急作用的迫增、迫減功能，即在中間點(diǎn)溫度處于失控的應(yīng)急狀態(tài)下，迫增、迫減給水。

圖5 快速BTU校正控制邏輯

3 汽溫控制策略優(yōu)化

在超(超超)臨界機(jī)組的過熱器溫度控制中，燃水比是汽溫控制的關(guān)鍵，減溫水僅作為動態(tài)調(diào)節(jié)手段。因此減溫水應(yīng)保持合適的控制余量，以滿足變工況時的動態(tài)調(diào)節(jié)要求。各級減溫水流量之間的動態(tài)協(xié)調(diào)、總減溫水流量和給水流量的動態(tài)協(xié)調(diào)是保持控制余量的有效手段。

3.1 各級減溫水流量之間的動態(tài)協(xié)調(diào)

由于超（超超）臨界機(jī)組中間點(diǎn)與主汽溫測點(diǎn)間的流程跨度很長，控制作用無法直接體現(xiàn)，只能通過多級減溫控制逐級分解傳遞才能有效控制汽溫。雖然各級過熱器出口溫度控制回路是相對獨(dú)立的，但可通過各級回路設(shè)定值的相互聯(lián)動、控制偏差的前后傳遞、減溫水分配關(guān)系的動態(tài)調(diào)整實現(xiàn)汽溫控制的整體平衡。

超（超超）臨界鍋爐一般配置2級或3級減溫器，其中末級減溫器控制末級過熱器出口汽溫，上級減溫器或控制下級過熱器入口汽溫，或控制減溫水的總量。不同類型鍋爐的減溫水控制策略也不同，以日立1000 MW鍋爐為例，配置3級過熱器、2級減溫裝置。二級減溫控制末級過熱器出口汽溫，一級減溫控制一級減溫水流量。一級減溫水流量設(shè)定由鍋爐主控的靜態(tài)分配和二級減溫水流量偏差疊加而成，即一級減溫水流量隨二級減溫水流量變化而變化，一旦主汽溫度上升，二級減溫噴水增加，一級減溫也相應(yīng)增大開度。

3.2 總減溫水流量和給水流量的動態(tài)協(xié)調(diào)

通過不同的減溫水與給水的平衡控制方法，可防止減溫水在燃水不平衡時向某級減溫集中，以平衡減溫水在各級減溫器間的分布。逆向傳遞策略中，鍋爐給水僅控制水冷壁流量，當(dāng)減溫水流量變化引起水冷壁流量變化，進(jìn)而引起分離器出口焓值或過熱度變化時，給水指令將及時改變，以保持水冷壁流量的相對穩(wěn)定，阻斷溫度傳導(dǎo)的正強(qiáng)化通道，提高鍋爐汽溫控制水平。

4 結(jié)語

對超（超超）臨界機(jī)組主重要參數(shù)控制策略的優(yōu)化研究，有效提高了機(jī)組AGC考核的有功響應(yīng)率，減小了負(fù)荷變化過程中機(jī)組主汽壓力的波動，機(jī)組過熱度、汽溫等參數(shù)的控制偏差也明顯減小，機(jī)組的自動調(diào)節(jié)品質(zhì)有所改善。但目前國內(nèi)超（超超）臨界機(jī)組的自動調(diào)節(jié)品質(zhì)與日美同類型機(jī)組相比還有較大的差距，對超（超超）臨界機(jī)組自動控制的研究任重而道遠(yuǎn)。

[1] 尹峰.超（超）臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制特性與控制策略[J].中國電力，2008，41（3）∶66-69.

[2] 尹峰.超（超超）臨界機(jī)組主汽溫度控制系統(tǒng)控制傳遞策略研究與應(yīng)用[J].華東電力，2009，37（4）∶0644-0647.