張杰，張于平，鄭渭建

（1.浙能嘉興發(fā)電有限公司，浙江嘉興314201；2.浙能能源技術(shù)有限公司，杭州310018）

1 000 MW超超臨界燃煤機組協(xié)調(diào)控制策略優(yōu)化

張杰1，張于平1，鄭渭建2

（1.浙能嘉興發(fā)電有限公司，浙江嘉興314201；2.浙能能源技術(shù)有限公司，杭州310018）

對嘉興發(fā)電廠三期工程2臺1 000 MW超超臨界直吹式燃煤汽輪發(fā)電機組基建調(diào)試及商業(yè)運行后協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的品質(zhì)性能進行研究，分析原設(shè)計控制策略的不足；結(jié)合機組特性，提出優(yōu)化與改進的措施，完善機組協(xié)調(diào)控制品質(zhì)和性能。

超超臨界；1 000 MW；五階慣性；協(xié)調(diào)控制

以往機組投產(chǎn)后，都有很長一段時間來優(yōu)化自動發(fā)電量控制（AGC）和一次調(diào)頻效果，現(xiàn)在只要機組一投入商業(yè)運行，就開始AGC和一次調(diào)頻的考核，用于優(yōu)化協(xié)調(diào)品質(zhì)的時間大為縮短，這對熱控專業(yè)技術(shù)人員是一個很大的挑戰(zhàn)。為了滿足這兩項考核要求，在較短的時間里對新機組進行了系列的控制策略優(yōu)化，提高了機組AGC和一次調(diào)頻性能和品質(zhì)。

1 機組及協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計概況

嘉興發(fā)電廠三期工程2×1 000 MW超超臨界燃煤機組采用哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的單爐膛、雙切圓燃燒Π型變壓直流爐和上海汽輪機廠生產(chǎn)的一次中間再熱、單軸四缸四排汽、八級回?zé)岢槠㈦p背壓凝汽式汽輪機（簡稱汽機）。發(fā)電機采用上海電機廠生產(chǎn)的THDF125/67發(fā)電機組。分散控制系統(tǒng)（DCS）采用愛默生公司OVATION-400，工作站操作系統(tǒng)采用Win3.2.1，組態(tài)工具為Delecoper Studio。數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）采用西門子T-3000控制系統(tǒng)，控制對象為DEH、汽輪機危急遮斷系統(tǒng)（ETS）、主機潤滑油、EH油、主機軸封系統(tǒng)、主機盤車等。機組于2011年6月23日、10月18日相繼投入商業(yè)運行。

三期機組協(xié)調(diào)控制采用基于鍋爐跟隨模式的協(xié)調(diào)控制方式，由汽機控制負荷，鍋爐控制汽壓。操作員手動設(shè)置或接收調(diào)度指令形成目標指令Loadtarget,經(jīng)高、低限和速率運算形成經(jīng)速率限制的目標負荷指令（MWD）。MWD送鍋爐主控，同時經(jīng)慣性環(huán)節(jié)后送DEH系統(tǒng)的汽機主控。MWD經(jīng)鍋爐主控運算回路后形成鍋爐輸入指令（BID），鍋爐手動操作時BID指令由操作員手動輸入。BID指令分別送至總風(fēng)量控制、給水控制、燃料量控制。MWD指令和BID指令進行切換后形成負荷指令（LD）。DEH側(cè)汽機主控接受DCS負荷指令，經(jīng)過速率限制回路進入比例-積分-微分運算（PID），再經(jīng)過OSB三選回路控制負荷。

2 原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計問題

2.1 協(xié)調(diào)品質(zhì)不能滿足要求

2.1.1 主汽壓力控制滯后

升降負荷時，主汽壓力初期總是慢于滑壓曲線，后期由于慣性而過調(diào)嚴重，在整個過程中壓力偏差始終較大，成為協(xié)調(diào)控制一個很大的內(nèi)擾，調(diào)整壓力控制參數(shù)效果不明顯，如圖1所示。

圖1 優(yōu)化前壓力趨勢

2.1.2 機組負荷前饋計算邏輯缺陷

機組負荷前饋計算回路原設(shè)計為負荷變化微分量乘以負荷變化范圍來進行系數(shù)修正。邏輯設(shè)計過于簡單，未考慮大范圍變負荷和AGC小范圍變負荷的不同特性。在大負荷變化時，汽機調(diào)門變化較快，主汽壓力會朝反方向動作0.5 MPa左右；而變負荷初期，燃料前饋變化相對平緩，初期鍋爐熱負荷下降偏慢。

常規(guī)協(xié)調(diào)設(shè)計通常不考慮變負荷速率對前饋回路的修正，參數(shù)以機組最常用的變負荷速率來整定。當(dāng)機組出現(xiàn)異常時，采用其他變負荷速率運行，原來的參數(shù)將不能滿足要求，引起機組壓力和負荷的較大波動。

2.1.3 汽機慣性回路考慮不周

機爐協(xié)調(diào)回路采用經(jīng)速率限制后機組負荷指令MWD同步送鍋爐主控和汽機主控。因鍋爐熱負荷具有較大慣性，而汽機調(diào)門響應(yīng)快速，通常在MWD指令送汽機主控之間設(shè)置一慣性環(huán)節(jié)，考慮不同負荷段鍋爐響應(yīng)差異，慣性時間根據(jù)負荷指令對應(yīng)函數(shù)設(shè)置，一般以大范圍變負荷需要而決定。

AGC和一次調(diào)頻考核要求機組負荷能快速響應(yīng)AGC指令的變換，AGC模式下，汽機慣性時間由于還是大范圍變負荷時的慣性時間，實際機組負荷就不能有效地跟隨AGC指令的變化，AGC考核就不能滿足要求。

另外由于鍋爐不同負荷段響應(yīng)特性的差異，汽機與之匹配的慣性也應(yīng)有所不同，而原邏輯未考慮該因素相對應(yīng)的響應(yīng)。

2.1.4 給水流量指令響應(yīng)慢

給水流量指令原設(shè)計由BID指令經(jīng)線性轉(zhuǎn)換的基準流量指令與手動偏置之和，經(jīng)水煤交叉限制后再經(jīng)過一階慣性后形成。在機組剛轉(zhuǎn)為干態(tài)運行時，過熱度較難控制，經(jīng)常容易超調(diào)，此時操作員以手動改變偏置來干預(yù)過熱度，由于偏置經(jīng)過了一階慣性，給水流量響應(yīng)緩慢。

另外，在加負荷過程中，手動偏置值如果較大，當(dāng)燃料指令達到高限時，給水流量指令還在增加，此時過熱度會大幅下降，而燃料已無調(diào)節(jié)裕量，鍋爐管壁溫度急劇下降，加大了管壁的熱應(yīng)力，影響鍋爐壽命。

2.2 DEH與CCS間調(diào)節(jié)匹配不當(dāng)

DEH控制回路中，汽輪機溫度裕度通過計算得出一個速率，該速率與設(shè)定速率取小后用于機組實際變負荷速率，以防止汽機缸體、閥殼溫度上升或下降過快。在機組運行中，多次出現(xiàn)大幅度降負荷過程中主汽溫度下降過快，汽機溫度裕度閉鎖負荷現(xiàn)象。出現(xiàn)該情況后，DEH閉鎖負荷指令，而DCS側(cè)繼續(xù)減風(fēng)、煤、水，主汽壓力下降，導(dǎo)致鍋爐汽機能量不平衡，汽機為了維持負荷，不斷開大調(diào)門直至全開，操作員只有將協(xié)調(diào)模式切為初壓控制，汽機控制壓力，鍋爐控制負荷，機組才會穩(wěn)定。

另外，當(dāng)汽機調(diào)門指令和反饋出現(xiàn)一定偏差后，DEH會觸發(fā)“CONTROLER NOT OK”報警，同時閉鎖負荷指令，維持當(dāng)前負荷。當(dāng)機組變化負荷時，會出現(xiàn)鍋爐風(fēng)、煤、水在變化，而汽機維持當(dāng)前負荷不變，形成主汽壓力波動大，調(diào)門與主汽壓力反向波動的情況。

2.3 一次調(diào)頻單向調(diào)節(jié)不響應(yīng)

一次調(diào)頻投入后，發(fā)現(xiàn)實際動作效果較差，正確動作率經(jīng)常低于0.8。查看趨勢發(fā)現(xiàn)，一次調(diào)頻和AGC同向動作時，一次調(diào)頻均能正確動作，滿足要求；一次調(diào)頻和AGC反向動作時，一次調(diào)頻動作效果很差，幾乎不能動作。

3 控制系統(tǒng)優(yōu)化措施

3.1 協(xié)調(diào)品質(zhì)策略優(yōu)化

3.1.1 主汽壓力設(shè)定五階慣性擬合

負荷變化初期雖然改變了燃料量，但由于鍋爐熱負荷慣性較大，主汽壓力變化也存在較大的滯后性。同時高調(diào)門快速響應(yīng)機組負荷指令，改變調(diào)門開度，進一步抑制了主汽壓力的變化，導(dǎo)致在變負荷初期大約2 min左右的時間內(nèi)，主汽壓力未發(fā)生明顯變化，而壓力設(shè)定值隨滑壓曲線經(jīng)一階慣性先于主汽壓力變化。負荷變化后期由于壓力設(shè)定值變化平緩，而實際壓力由于鍋爐熱負荷慣性大而未能及時回調(diào)，這些都會使主汽壓力偏差大，形成內(nèi)擾。

實際壓力的變化非常接近于五階慣性環(huán)節(jié)，初期變化較慢，中間過程變化較快，后期相對平緩。根據(jù)主汽壓力變化這一特點，用滑壓曲線經(jīng)過五階慣性環(huán)節(jié)后作為主汽壓力設(shè)定值，盡量消除變負荷過程中的壓力偏差，消除系統(tǒng)內(nèi)擾。

3.1.2 機組負荷變化前饋計算回路優(yōu)化

增加大范圍變負荷和小范圍變負荷兩個回路切換，采用不同的參數(shù)，分別滿足大負荷變化和AGC變負荷運行需要?？紤]機組在不同負荷段，鍋爐熱負荷響應(yīng)特性有所差異，增加不同負荷對前饋進行修正的回路。

在變負荷初期快速疊加一定值，然后該定值根據(jù)設(shè)定速率逐步變化為0，這樣能使初期鍋爐熱負荷快速響應(yīng)，主汽壓力初期保持平穩(wěn)，跟隨滑壓曲線運行。另外增加小負荷變化時對該回路切除的邏輯，防止AGC變負荷時燃料量大幅波動，影響機組經(jīng)濟性。

增加機組變負荷速率對前饋回路的修正，其他變負荷速率在整定好的參數(shù)上進行修正，以滿足各種變負荷速率工況需求，增強了機組調(diào)節(jié)的適應(yīng)性。

3.1.3 汽機慣性回路優(yōu)化

增加負荷變化鎖定回路，根據(jù)變化負荷幅度設(shè)置慣性時間，同時增加不同負荷段對汽機慣性時間的修正回路。這樣可有效區(qū)分大負荷變化和AGC小負荷變化的慣性時間，同時可根據(jù)不同負荷段機組響應(yīng)特性而設(shè)置慣性時間修正，見圖2。

3.1.4 給水流量指令回路優(yōu)化

將給水流量手動偏置回路移至慣性環(huán)節(jié)之后，有效提高了鍋爐管壁超溫時通過手動偏置加入給水流量的快速響應(yīng)性能。增加燃料指令到達高限后，同步閉鎖增給水指令，這樣可防止過多的給水進入鍋爐，引起過熱度大幅下降，見圖3。

圖2 優(yōu)化后汽機慣性時間邏輯

圖3 優(yōu)化后給水流量指令邏輯

3.2 DEH與CCS間匹配回路優(yōu)化

增加汽機溫度裕度升、降速率至限速率負荷指令MWD回路，溫度裕度升負荷速率與設(shè)定升負荷速率取小作為實際升負荷速率，溫度裕度降負荷速率與設(shè)定降負荷速率取大后作為實際降負荷速率。這樣，當(dāng)汽機溫度裕度閉鎖汽機升、降負荷時，同步閉鎖限速率負荷指令MWD，保持鍋爐和汽機能量平衡，機組保持穩(wěn)定。將“CONTROLER NOT OK”信號從DEH系統(tǒng)通過硬接線送至DCS系統(tǒng)，用來將機組升、降負荷速率切為0，保持MWD指令不變，維持鍋爐和汽機能量平衡，見圖4。

圖4 優(yōu)化后負荷速率回路

3.3 一次調(diào)頻回路優(yōu)化

檢查發(fā)現(xiàn)雖然一次調(diào)頻動作時，閉鎖了AGC指令和MWD指令，但MWD指令至汽機主控負荷指令之間還有一個慣性環(huán)節(jié)，AGC和MWD閉鎖時未發(fā)生變化，而汽機主控負荷指令還在變化。AGC指令和一次調(diào)頻同向動作時，AGC指令加劇了一次調(diào)頻的動作幅度，AGC指令和一次調(diào)頻反向動作時，AGC指令削弱了一次調(diào)頻變化量，甚至表現(xiàn)出來一次調(diào)頻與需求變化相反的情況。

在汽機主控負荷指令慣性環(huán)節(jié)后增加一次調(diào)頻閉鎖回路，AGC與一次調(diào)頻回路反向動作時閉鎖該指令，一次調(diào)頻動作小于30 s，閉鎖時間為一次調(diào)頻實際動作時間，一次調(diào)頻動作大于30 s，閉鎖時間為30 s。

4 實施效果

經(jīng)過一系列優(yōu)化措施的實施，2臺1 000 MW機組協(xié)調(diào)品質(zhì)、AGC及一次調(diào)頻性能得到明顯的提高（見圖5）。大負荷變化時，負荷能按照預(yù)定速率變化，壓力緊密跟隨滑壓曲線，壓力波動在設(shè)定值±0.5 MPa范圍內(nèi)。機組處于AGC運行時，負荷跟隨AGC指令變化，負荷偏差在允許范圍內(nèi)，壓力波動在設(shè)定值±0.5 MPa范圍內(nèi)。一次調(diào)頻正確動作率在0.8以上，滿足AGC和一次調(diào)頻的考核要求，為機組的安全、經(jīng)濟運行奠定基礎(chǔ)。由于機組的協(xié)調(diào)控制品質(zhì)與機組特性密切相關(guān)，因此協(xié)調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化還須繼續(xù)跟蹤和完善。

圖5 實施優(yōu)化后協(xié)調(diào)趨勢

[1]劉吉臻.協(xié)調(diào)控制與給水全程控制[M].北京：水利電力出版社，1995.

[2]朱北恒.火電廠熱工自動化系統(tǒng)試驗[M].北京：中國電力出版社，2006.

（本文編輯：陸瑩）

Optimization of Coordinated Control Strategy for 1 000 MW Ultra Supercritical Coal-fired Units

ZHANG Jie1，ZHANG Yu-ping1，ZHENG Wei-jian2
（1.Jiaxing Power Generation Co.，Ltd，Jiaxing Zhejiang 314201，China；2.Zhejiang Energy Technology Co.，Ltd，Hangzhou 310018，China）

This paper studies the quality and performance of coordinated control system after the capital construction commissioning and commercial operation of 2×1 000 MW ultra supercritical direct-fired coal-fired turbine generator units in the PhaseⅢproject of Jiaxing Power Plant.It analyzes the shortcomings of the original control strategy in design and proposes the optimization solutions based on the characteristics of the units in order to enhance the coordinated control quality and performance.

ultra-supercritical；1 000 MW；five-order inertia；coordinated control

TK323

：A

：1007-1881（2012）09-0031-04

2012-07-09

張杰（1979-），男，浙江平湖人，工程師，長期從事發(fā)電廠自動控制系統(tǒng)技術(shù)管理工作。