郝 欣，張 志，王 喆

(1．遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006;2．華電鐵嶺發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 鐵嶺 112000;3．國(guó)電康平發(fā)電有限公司，遼寧 康平 110008)

遼寧電網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組大量接入，電網(wǎng)對(duì)大容量火電機(jī)組的調(diào)峰、調(diào)頻能力及自動(dòng)發(fā)電功能提出了更高的要求。與此同時(shí)，隨著電煤供應(yīng)的日益緊張，機(jī)組燃煤成本大幅度增加，發(fā)電企業(yè)為了節(jié)約燃料成本，在煙煤中大量摻燒熱值低價(jià)格廉的褐煤，直接導(dǎo)致鍋爐主汽壓力遲延進(jìn)一步加大，機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力顯著下降［1］。火電機(jī)組在日益提高的電網(wǎng)AGC及一次調(diào)頻性能要求和機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行降低發(fā)電成本的雙重壓力下，必須優(yōu)化機(jī)組控制策略及運(yùn)行方式，將先進(jìn)的現(xiàn)代控制理論應(yīng)用于機(jī)組控制中，進(jìn)一步挖掘機(jī)組潛力來面對(duì)電力市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。

1 問題的提出

機(jī)組運(yùn)行AGC方式下時(shí)電網(wǎng)負(fù)荷指令變化頻繁，大容量鍋爐所固有的大遲延、大慣性、參數(shù)慢時(shí)變等特性造成機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)遲緩難以滿足電網(wǎng)調(diào)度要求。同時(shí)，發(fā)電企業(yè)迫于經(jīng)營(yíng)壓力和節(jié)能降耗，必須盡可能降低機(jī)組運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)目標(biāo)，一是降低燃料成本，大量摻燒褐煤;二是機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，鍋爐改定壓運(yùn)行為滑壓運(yùn)行。目前，多數(shù)火電機(jī)組都采取了AGC方式下滑壓運(yùn)行，機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)慢、鍋爐參數(shù)波動(dòng)大，如何在AGC方式下機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，已成為發(fā)電廠控制領(lǐng)域急需解決的一個(gè)問題。

a． 電廠為了節(jié)約燃料成本，大量購(gòu)入熱值低、水分大的褐煤代替設(shè)計(jì)煤種作為鍋爐燃料，造成主汽壓力控制通道純滯后時(shí)間超過300 s，控制通道τ/Ti值大幅度增加，常規(guī)協(xié)調(diào)控制已無法滿足機(jī)組運(yùn)行要求。

b． 摻燒褐煤導(dǎo)致制粉系統(tǒng)出力減少，磨煤機(jī)干燥出力嚴(yán)重下降，中速磨煤機(jī)出口溫度經(jīng)常低于60℃，為了盡量避免磨煤機(jī)出口溫度過低，運(yùn)行時(shí)只好將磨煤機(jī)入口的冷一次風(fēng)門全關(guān)、熱一次風(fēng)門全開，造成一次風(fēng)風(fēng)煤比無法保證，一次風(fēng)控制子系統(tǒng)喪失了調(diào)節(jié)能力，加大了協(xié)調(diào)系統(tǒng)的控制難度。

c． 為了降低鍋爐煤耗，鍋爐由定壓運(yùn)行改為滑壓運(yùn)行?；瑝悍绞较轮髌麎毫刂苹芈返臄_動(dòng)除了負(fù)荷指令外又增加了主汽壓力的定值擾動(dòng)，對(duì)鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了更大的不利影響。當(dāng)負(fù)荷指令出現(xiàn)大幅度變動(dòng)時(shí)，主汽壓力設(shè)定值也相應(yīng)變化，鍋爐非常容易振蕩，CCS只好進(jìn)入機(jī)跟爐方式運(yùn)行，導(dǎo)致AGC及一次調(diào)頻均不能投入。

2 控制策略

2.1 基本設(shè)計(jì)思路

常規(guī)控制策略中采用實(shí)際負(fù)荷指令及其微分作為鍋爐主控前饋輸入變量，實(shí)際負(fù)荷指令與煤量的函數(shù)曲線是前饋的基本控制分量，變量動(dòng)作波形如圖1所示。由于鍋爐的大遲延特性，當(dāng)負(fù)荷指令前饋分量快速將燃料量 (圖1中變量5)調(diào)整到負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的燃料值以后，燃料并不能轉(zhuǎn)換成熱量提供給汽輪機(jī)，汽輪機(jī)能量依舊要利用鍋爐蓄熱來平衡，鍋爐表現(xiàn)為主汽壓力波動(dòng)，主汽壓力波動(dòng)必然引起壓力校正調(diào)節(jié)器動(dòng)作，調(diào)節(jié)燃料量產(chǎn)生波動(dòng)來補(bǔ)償主汽壓力波動(dòng)，燃料量非常容易過調(diào)，導(dǎo)致主汽壓力 (圖1中變量3)調(diào)整的過渡過程時(shí)間加長(zhǎng)，衰減率達(dá)不到0.9以上，系統(tǒng)控制效果惡化。根據(jù)上述分化，新型控制策略采用分時(shí)錯(cuò)峰的控制方式，鍋爐主控指令速率超過汽機(jī)主控指令速率N倍，其目的是鍋爐主控改變?nèi)紵实乃俣却蟠蟾哂谄麢C(jī)主控變負(fù)荷的速度，以克服鍋爐滯后所造成的鍋爐主汽壓力波動(dòng)。

新型控制策略基本架構(gòu)為以爐跟機(jī)為基礎(chǔ)的雙向解耦協(xié)調(diào)控制方式，提高機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度的方法從兩部分入手，一是更改鍋爐前饋值的輸入變量及修正靜態(tài)前饋函數(shù)值的精度;二是對(duì)滑壓運(yùn)行方式下主汽壓力定值的生成方式進(jìn)行修改。優(yōu)化后的控制方案用目標(biāo)負(fù)荷指令函數(shù)替換實(shí)際負(fù)荷指令，并對(duì)負(fù)荷指令與燃料量的函數(shù)曲線進(jìn)行修正。優(yōu)化后前饋函數(shù)值小于其靜態(tài)值，目的是減少由于鍋爐響應(yīng)滯后造成的壓力校正環(huán)節(jié)產(chǎn)生燃料量過調(diào)。

2.2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖1 常規(guī)協(xié)調(diào)控制參數(shù)調(diào)節(jié)過程

鍋爐主控指令模型由3部分構(gòu)成:高速鍋爐指令模型、基于分時(shí)滑壓動(dòng)態(tài)壓力定值指令模型的主汽壓力校正和基于預(yù)給煤方式的動(dòng)態(tài)鍋爐主控指令模型。

2.2.1 高速負(fù)荷指令模型

鍋爐主控中靜態(tài)前饋函數(shù)輸入變量采用變速負(fù)荷指令LDCh代替?zhèn)鹘y(tǒng)策略中的實(shí)際負(fù)荷指令LDC，即目標(biāo)負(fù)荷指令經(jīng)過智能函數(shù)變換后的計(jì)算值。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，該指令根據(jù)負(fù)荷變化幅度及負(fù)荷變化率設(shè)定值調(diào)節(jié)燃料量，其變化速度高于實(shí)際負(fù)荷指令，即汽輪機(jī)功率回路設(shè)定值，以達(dá)到鍋爐先于汽機(jī)動(dòng)作的目的，借以彌補(bǔ)鍋爐慣性過大的缺陷，提高機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度，滿足電網(wǎng)AGC的要求。

高速負(fù)荷指令數(shù)學(xué)模型:

式中:LDCh為高速負(fù)荷指令;ΔL為變負(fù)荷幅度;Rr為變負(fù)荷速率設(shè)定值;λ為修正系數(shù)。

2.2.2 滑壓定值指令模型

常規(guī)滑壓方式下主汽壓力定值是機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令的單值函數(shù)ps=f(LDC)，其中，ps為主汽壓力設(shè)定值，LDC為機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令。新型策略將負(fù)荷指令和主汽壓力指令錯(cuò)峰調(diào)節(jié)、通過對(duì)實(shí)際負(fù)荷指令和主汽壓力指令分時(shí)處理來充分利用鍋爐蓄熱滿足電網(wǎng)的功率需求，并減小對(duì)鍋爐主汽壓力的擾動(dòng)。新型控制策略中滑壓方式下主汽壓力定值ps=f(LDC，ep，LDCD，RL)為實(shí)際負(fù)荷指令等多個(gè)變量的單值函數(shù):

式中:ps為主汽壓力設(shè)定值;LDC為機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令;LDCD為機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷指令;ep為主汽壓力偏差;E為主汽壓力偏差限值。

分時(shí)控制使CCS在負(fù)荷變動(dòng)時(shí)保持在定壓方式下運(yùn)行，當(dāng)負(fù)荷變動(dòng)結(jié)束后，主汽壓力達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，主汽壓力指令開始變化，時(shí)間上錯(cuò)開了變負(fù)荷時(shí)的鍋爐擾動(dòng)階段，從而實(shí)現(xiàn)了滑壓過程中負(fù)荷與主汽壓力之間的解耦控制。

2.2.3 動(dòng)態(tài)鍋爐主控指令模型

修正鍋爐預(yù)給煤中的“正踢”與“反踢”功能，根據(jù)目標(biāo)負(fù)荷指令和實(shí)際負(fù)荷指令的差值，對(duì)負(fù)荷變化增量值進(jìn)行預(yù)測(cè)。針對(duì)AGC負(fù)荷指令的特點(diǎn)，預(yù)測(cè)規(guī)則為當(dāng)增量較小時(shí)，取消預(yù)給煤功能，以減小對(duì)鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)擾動(dòng)，有利于鍋爐控制中減小過渡過程時(shí)間;當(dāng)負(fù)荷增量較大時(shí)，投入預(yù)給煤功能。

鍋爐主控中動(dòng)態(tài)前饋指令的形成方案如圖2所示，程序根據(jù)目標(biāo)負(fù)荷指令與實(shí)際負(fù)荷指令自動(dòng)識(shí)別負(fù)荷變動(dòng)的方向、增量值及負(fù)荷變化率，并以此為輸入變量，計(jì)算出鍋爐主控動(dòng)態(tài)指令。在具體實(shí)現(xiàn)過程中，采用升負(fù)荷與降負(fù)荷分開實(shí)現(xiàn)的方式，由于大量摻燒褐煤，CCS在一定程度上存在著升負(fù)荷困難、降負(fù)荷相對(duì)容易的特點(diǎn)，因此在實(shí)際調(diào)試過程中采用了多模式參數(shù)整定方式。

圖2 鍋爐動(dòng)態(tài)指令方案框圖

3 算法參數(shù)整定與優(yōu)化

整個(gè)控制策略的參數(shù)整定過程分50%～70%Pe、70% ～90%Pe和90% ～100%Pe 3個(gè)負(fù)荷段進(jìn)行，在不同時(shí)間對(duì)每個(gè)負(fù)荷段進(jìn)行多次變負(fù)荷試驗(yàn)，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，取得負(fù)荷所對(duì)應(yīng)煤量的數(shù)學(xué)期望值作為鍋爐主控單向解耦控制的靜態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)也就確定主汽壓力調(diào)節(jié)器的靜態(tài)工作點(diǎn)，力求快速準(zhǔn)確響應(yīng)AGC負(fù)荷指令。

在變負(fù)荷過程中，機(jī)組負(fù)荷在50% ～70%Pe時(shí)，鍋爐開始進(jìn)入滑壓運(yùn)行模式，主汽壓力調(diào)節(jié)器增益為1.9，主汽壓力調(diào)節(jié)器積分時(shí)間為700 s，鐵嶺電廠4臺(tái)機(jī)組差別不大;機(jī)組負(fù)荷在70%～90%Pe時(shí)，鍋爐開始滑壓運(yùn)行，主汽壓力調(diào)節(jié)器增益為2.1，主汽壓力調(diào)節(jié)器積分時(shí)間為500 s，鐵嶺電廠的4臺(tái)機(jī)組差別不大;機(jī)組負(fù)荷達(dá)到90%Pe以上時(shí)，鍋爐進(jìn)入定壓運(yùn)行階段，主汽壓力調(diào)節(jié)器增益為2.2，主汽壓力調(diào)節(jié)器積分時(shí)間為400 s，鐵嶺電廠的4臺(tái)機(jī)組差別比較大。

通過變負(fù)荷試驗(yàn)確定變速負(fù)荷指令的速率，首先，采用3倍于實(shí)際負(fù)荷指令速率進(jìn)行3～5次試驗(yàn)，根據(jù)變負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)束后主汽壓力超調(diào)量及過渡過程時(shí)間確定速率是否合適。綜合多次試驗(yàn)結(jié)果表明，鐵嶺電廠1、2號(hào)機(jī)為2.5倍速率，3、4號(hào)機(jī)為3.5倍速率，主汽壓力控制的超調(diào)及過渡過程時(shí)間明顯減小。

燃料量測(cè)量的數(shù)據(jù)處理，由于機(jī)組投運(yùn)時(shí)間超過了15年，設(shè)備老化現(xiàn)象非常嚴(yán)重，給煤機(jī)的燃料測(cè)量值波動(dòng)范圍達(dá)到7～10 t/h，對(duì)燃料閉環(huán)投入自動(dòng)影響很大，在實(shí)際調(diào)試過程中，分別對(duì)每臺(tái)給煤機(jī)的測(cè)量值進(jìn)行濾波平滑處理，保證燃料閉環(huán)投入的穩(wěn)定性。每臺(tái)給煤機(jī)控制回路增加動(dòng)態(tài)增益調(diào)節(jié)功能，根據(jù)磨煤機(jī)出口溫度及給煤量，綜合計(jì)算出本臺(tái)磨煤機(jī)煤質(zhì)的相對(duì)熱值，動(dòng)態(tài)調(diào)整控制回路增益。

4 結(jié)束語

新型控制策略在鐵嶺電廠的4臺(tái)300 MW機(jī)組進(jìn)行了調(diào)試和運(yùn)行，新型方案所采用的壓力定值分時(shí)錯(cuò)峰調(diào)節(jié)及變速鍋爐主控指令模型保證了摻燒褐煤機(jī)組在AGC模式下以滑壓方式安全穩(wěn)定運(yùn)行，改變了此類機(jī)組只能定壓運(yùn)行的歷史，顯著提高了AGC模式下?lián)綗置簷C(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

［1］ 郝 欣．摻燒褐煤直吹式汽包爐機(jī)組AGC控制技術(shù)研究［J］．東北電力技術(shù)，2011，32(6):9－12．