楊俏發(fā)

(西山煤電(集團)有限責任公司 發(fā)電分公司，山西 太原 030053)

采用汽包爐的單元機組，其協(xié)調控制策略已經很成熟，控制效果也比較理想。但是，目前國內滑壓運行的超臨界機組的協(xié)調控制策略可以說是百花齊放，但在實際工程應用中都不完善，仍然需要進行深入研究。本文根據古交電廠二期新投產的2×600 MW超臨界機組協(xié)調控制系統(tǒng)的設計和運行，介紹了本機組協(xié)調控制系統(tǒng)的特點，并對超臨界機組協(xié)調控制系統(tǒng)的控制策略及品質進行了分析和綜述。

1 超臨界機組的主要特性

超臨界直流鍋爐沒有汽包，當給水流量及燃燒量發(fā)生變化時，受熱面的吸熱比率將發(fā)生變化，其汽水分界面也隨之發(fā)生移動，同時鍋爐出口溫度以及蒸汽流量和壓力都將發(fā)生變化。因此，給水、氣溫、燃燒系統(tǒng)是密切相關的，不能獨立控制，應該作為整體進行控制［1］。這是直流爐同汽包爐之間最大的區(qū)別，從控制角度分析，超臨界機組具有以下主要特性［3］。

1.1 三輸入三輸出相互耦合關聯(lián)極強

直流鍋爐在燃料、給水、汽機調門開度之間存在著強烈的耦合性，表現(xiàn)特性有:汽機調門開度不僅影響了鍋爐出口壓力，還影響著蒸汽溫度的變化;鍋爐燃料率的改變，使壓力、溫度、蒸汽流量均增加;水量增加，會增大蒸汽量，將導致主汽壓力和功率初期增加，在經過一定延時后汽溫下降，使得主汽壓力及功率又有所降低?？梢钥闯觯R界機組是一個三輸入三輸出的多變量調節(jié)對象，它具有非常強的非線性耦合特性［3］。

1.2 非線性特性很強

超臨界機組多采用滑參數運行，而隨著機組負荷的變化，機組的動態(tài)特性參數亦隨之大幅度變化。如燃水比調節(jié)的溫度對象，在300～600 MW負荷變化范圍內，對象特性時間常數的變化也有近3倍，汽溫響應特性慣性增加，時間常數和延遲時間增加，因此，從控制角度考慮，直流爐需要設計較汽包爐更為復雜化的控制手段，才能適應對象復雜特性的控制要求。

1.3 其他特點

直流爐沒有汽包，汽水循環(huán)工質質量相比汽包爐大大下降，且爐蓄熱較少，因此，在任何時候都必須保持機組的能量和物質平衡［3］。另一方面現(xiàn)階段大容量機組在制粉系統(tǒng)設計上多配置直吹式制粉系統(tǒng)，它的大滯后特性更不利于機、爐間的協(xié)調控制，這對整個協(xié)調控制系統(tǒng)也是不利的。

從以上分析可以看出，從協(xié)調控制的角度來說超臨界機組是一個復雜的多變量非線性被控對象。在協(xié)調控制方案的設計中，應充分考慮對象特性，需要采用變參數PID，變結構控制策略［2］，以保證在各個負荷點上控制系統(tǒng)具有良好的效果。

2 2×600 MW超臨界機組協(xié)調控制優(yōu)化方案

古交電廠二期設計所用的協(xié)調控制系統(tǒng)的優(yōu)化基于初壓模式的能量控制理念，借鑒了DEB控制方案的特點，將“汽機能量需求”應用在汽機主控的閉環(huán)控制和鍋爐主控的前饋控制中，有效解決了鍋爐和汽機之間的能量需求平衡以及控制系統(tǒng)對外界負荷響應特性間的差異［3］。另外，針對目前較為突出的水煤比動態(tài)失調現(xiàn)象，重點在給水控制策略上進行了了優(yōu)化。

1)機組主控函數的優(yōu)化。以機組優(yōu)化后的煤、風、水與負荷的靜態(tài)關系，蒸汽壓力、溫度定值與負荷的靜態(tài)關系、鍋爐的配風都是機組優(yōu)化調整的結果，保證機組穩(wěn)態(tài)運行接近最佳經濟點，從一個負荷點過渡到另一個負荷點的變負荷過程中，各調節(jié)量和相關參數的變化也能保證經濟損失接近最小，以減小變負荷的運行成本，實現(xiàn)經濟運行的自動控制。

2)汽機調門控制方式確定。通過試驗，尋求滿足機組變負荷需求的合理的汽機調門控制方式。確定在滿足機組初期的變負荷要求下，減小汽機調門節(jié)流損失的運行方式。

3)智能化控制方式。根據機組變負荷和穩(wěn)態(tài)的工況，使控制系統(tǒng)處于合適的控制方式，即在保證機組安全的前提下發(fā)揮出機組變負荷性能，及時滿足電網的變負荷要求，又能使機組穩(wěn)定、經濟地運行。

4)智能化的超調控制。根據變負荷幅度、機組當時的運行參數等，預估給水和燃料的超調幅度，及時平衡汽機對鍋爐蒸發(fā)量的要求，減小汽壓的變化幅度，并最終使汽壓恢復;及時平衡機組的能量，減小汽溫的變化，最終使汽溫恢復。

5)機組協(xié)調控制系統(tǒng)保護分析及改進。協(xié)調控制CCS保護邏輯安全性分析及改進，包括負荷高低限、交叉限制、方式切換邏輯、CCS報警邏輯完善等。

6)給水控制系統(tǒng)優(yōu)化。改進給水控制系統(tǒng)，優(yōu)化動態(tài)煤水比控制策略，滿足變負荷和穩(wěn)態(tài)工況下分離器溫度的控制要求，能實現(xiàn)給水全程自動化。

7)風量控制系統(tǒng)調節(jié)性能優(yōu)化和調整。

主要工作內容包括:爐膛負壓調節(jié)品質優(yōu)化;風量調節(jié)系統(tǒng)品質優(yōu)化，氧量校正回路優(yōu)化;風箱風門，SOFA控制方式優(yōu)化等。

8)燃料熱值自動修正回路改進和調整。通過燃料熱值修正回路的邏輯優(yōu)化和調整，達到燃料熱值自動修正的目的，使熱值修正后的煤量代表煤的熱量，使以煤量為基準的協(xié)調、給水、風量控制系統(tǒng)正常運行。

9)磨煤機控制系統(tǒng)優(yōu)化和調整。優(yōu)化磨煤機的冷熱風調節(jié)系統(tǒng)，結合機組優(yōu)化試驗結果，通過調整控制系統(tǒng)參數，實現(xiàn)自動控制下的磨煤機優(yōu)化運行。

2.1 優(yōu)化后的汽機主控回路

優(yōu)化后的汽機主控回路見圖1。汽機主控回路中，采用壓力比修正的功率信號作為汽機主控的被調量，即:作為汽機主控的被調量。采用能量控制的理念在汽包爐的協(xié)調控制系統(tǒng)工程應用中已獲得了成功經驗［3］，它能夠實現(xiàn)各被控量間的單向完全解耦，有效地簡化了對象的復雜程度;另外，在汽機主控制回路中的負荷設定值設計有負荷指令的微分信號，以及負荷指令微分作用的前饋回路，大大提高了負荷響應時間，但同時兩種微分作用的加入，也造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素。

圖1 古交二期CCS汽機主控回路示意圖

2.2 鍋爐主控回路的優(yōu)化

鍋爐主控回路的優(yōu)化見圖2。優(yōu)化后的鍋爐主控回路具有以下特點:

1)采用機組功率信號作為總被調量，通過閉環(huán)控制回路調整機組負荷，克服來自鍋爐側由于燃燒變化等各種擾動因素，實現(xiàn)對機組能量輸入的控制。

2)將汽機能量需求信號應用在鍋爐主控的前饋控制方案中，機爐之間的能量需求平衡以及控制系統(tǒng)對外界負荷的響應由“汽機能量需求信號”作為鍋爐主控靜態(tài)前饋。

圖2 古交二期CCS鍋爐主控回路框圖

3)負荷指令前饋回路的優(yōu)化。原協(xié)調投入運行后，當負荷指令變化時，汽壓波動大、協(xié)調響應速度低，其原因為負荷指令前饋過小，動態(tài)補償效果不好。優(yōu)化后的負荷指令前饋環(huán)節(jié)采用經負荷變動率限制后的機組負荷指令的動態(tài)前饋，來補償機爐間負荷響應特性的差異，該回路采用負荷指令的實際微分環(huán)節(jié)來實現(xiàn)，并能根據負荷指令的階躍變動量智能化適配微分作用強度，合理控制燃料的動態(tài)超調量以及超調部分作用時間，能夠適應AGC方式下復雜多變的外界負荷變化。另外，在該超調回路中為保證整個系統(tǒng)的安全界限，對該部分作用加以限制，限制量為±60 MW。

4)鍋爐主控制輸出指令經風煤交叉限制處理，分別送至燃料控制回路及送風量控制回路，來改變鍋爐燃燒率，快速響應外界負荷的變動。

2.3 給水控制回路的優(yōu)化

給水控制的目的是控制總給水流量，時刻維持鍋爐燃燒過程中給水與燃料輸入量之間合理關系，防止鍋爐發(fā)生超溫或汽溫、汽壓大幅波動現(xiàn)象［1］。在優(yōu)化后的給水控制系統(tǒng)設計中，采用的中間點焓值作為燃水比的反饋信號，理論上中間點焓在負荷變化過程中靈敏度和線性度具有明顯優(yōu)勢，對燃水比失調反應迅速。因此，采用中間點焓值控制更有利于在工況變化時的負荷控制和溫度控制，本優(yōu)化方案提出基于過熱度調整的中間點焓值控制系統(tǒng)，其主要包含下述各環(huán)節(jié):

1)中間點焓值設定值的生成:通過分離器出口壓力確定其微過熱度，以及運行人員對微過熱溫度設定值進行調整，形成最終分離器出口溫度設定值，再根據分離器出口壓力和溫度設定值計算中間點焓值設定值。同時根據當前壓力計算出其壓力下的最大及最小焓值設定值，通過高低限對最終焓值設定進行安全有效地限定。

2)中間點實際焓值的生成:根據當前分離器出口壓力、溫度通過焓值生成功能塊得出當前中間點的實際焓值。

3)中間點焓值與焓值設定值構成閉環(huán)回路，焓值控制器的輸出作用到給水流量設定值中，來修正穩(wěn)態(tài)及動態(tài)過程中燃水比的失調，并最終維持分離器的微過熱度在設定范圍內。

4)中間點焓值設定值與省煤器入口焓的焓差，即給水的有效焓增量，基于鍋爐發(fā)熱量計算出理論給水量，焓值控制器的靜態(tài)前饋，作為機組靜態(tài)、動態(tài)過程中燃水比的基準控制通道，始終保持給水跟隨燃料量變化來快速動作。

5)采用了機組負荷指令，通過熱耗修正作為鍋爐的發(fā)熱量代替燃料量作為給水控制的燃水比指令，作為機組變負荷工況下燃水比的控制手段，保證動態(tài)工況下燃水比在合理范圍內。

6)采用了機組負荷指令的動態(tài)微分前饋，并通過機組特性試驗，較準確地得到變負荷工況下燃水比合理的配比特性，通過優(yōu)化動態(tài)前饋參數，控制給水動態(tài)變量動作時間及幅度，保證在動態(tài)過程中給水同燃料超調量在幅值及時間上的最佳配合，克服了鍋爐在燃燒率同給水擾動特性間的巨大差異，有效改善了變負荷工況下水冷壁頻繁超溫的問題。

3 協(xié)調控制系統(tǒng)優(yōu)化前后運行情況的對比

本套協(xié)調控制系統(tǒng)在優(yōu)化前，整體控制性能表現(xiàn)較好，但是在某些時間段也曾出現(xiàn)過一些問題，經過對整體控制方案的分析、局部控制策略及參數的優(yōu)化，使其調節(jié)回路設計更加合理，調節(jié)品質已大有改觀，下面將協(xié)調系統(tǒng)出現(xiàn)的主要問題作以分析。

1)協(xié)調系統(tǒng)出現(xiàn)的主要問題。

a)機組變負荷過程中，過熱度變化幅度較大，鍋爐金屬壁溫局部超溫現(xiàn)象較為常見。

b)控制系統(tǒng)消除功率偏差的能力差，動靜態(tài)功率偏差可達20 MW，時常發(fā)生AGC考核。

c)控制系統(tǒng)在低負荷階段穩(wěn)定性能差，表現(xiàn)為負荷、汽壓、汽溫等主要參數不穩(wěn)定。

d)機組變負荷過程中，燃料超調幅度較大，對低負荷工況下鍋爐燃燒穩(wěn)定性不利。

2)針對上述問題，將系統(tǒng)性地加以分析并進行改進。

a)原控制方案及參數匹配主要存在燃水比動態(tài)失調嚴重現(xiàn)象，造成動態(tài)過程中過熱度波動較大，同時主汽壓、溫度以及負荷等參數調節(jié)品質較差;通過對比動態(tài)過程中煤量與給水量的變化，問題在于給水超調量在時間上較為滯后、幅度上欠缺，通過修改滯后時間及幅值，基本上得到了解決。

b)汽機主控回路采用的壓力比修正的功率信號，對外界負荷響應不利，特別是在燃水比失調嚴重的工況下，由于負荷偏差是通過改變燃燒率來消除，這在對象特性上就存在很大的滯后，故造成了機組消除負荷偏差的能力較差。

c)直流爐具有很強的非線性特點，一般較為常規(guī)的控制手段不能完全適應，需在控制方案上和過程控制參數搭配等方面進行改進。在低負荷工況下，機組各主要被調量、調節(jié)量有波動趨勢，原因在于協(xié)調控制策略存在弊端，另外爐主控制器及焓值控制器參數不匹配，解耦關系不明確，系統(tǒng)間存在著的較強的耦合、共振現(xiàn)象。目前，主要是采用對各控制參數的調整、優(yōu)化手段，并進一步摸索系統(tǒng)特性，以達到最佳參數匹配，該問題已在#4機組上得到解決。

4 結束語

在機組運行中對#4機組協(xié)調控制進行了以下改進、優(yōu)化，經過一年來的實踐，效果顯著，究其原因是控制方案的局部改進及優(yōu)化針對性強，對原系統(tǒng)較為突出的矛盾通過調整獲得改觀，但縱觀整體控制方案，特別是采用的焓值控制方案概念較為模糊，線性化處理手段過多，造成系統(tǒng)對運行工況及機組特性依賴較大;以及采用汽包爐能量平衡原理的協(xié)調基型，因其直流爐同汽包爐特性上的差異，在工程應用中雖然采用了熱值修正、智能化動靜態(tài)前饋等控制手段，仍然難以獲得能夠準確地反應機爐能量間平衡的表征量，因而控制系統(tǒng)表現(xiàn)品質上存在反復現(xiàn)象。這些將是下一步對整個協(xié)調控制系統(tǒng)在整體策略上需優(yōu)化的重點方向。

［1］熊淑燕，王興葉，田建艷.火力發(fā)電廠集散控制系統(tǒng)［M］.北京:科學出版社，2003:1－3.

［2］巨林倉.電廠熱工過程自動調節(jié)［M］.北京:中國電力出版社，1994:2.

［3］孟祥榮，王貴明.協(xié)調控制系統(tǒng)［M］.濟南:山東電力研究院，1999:4.