游勇華，龍 洋，萬俊松，周世陽

（1.江西省電力科學研究院，江西南昌 330096；2.江西省水利水電學校，江西南昌 330013）

0 引言

最近五年，隨著我國經濟的快速騰飛，用電量需求急劇增加，電網容量也在不斷擴大，用戶對電能質量要求日益提高。電網負荷分配通常采用AGC控制方式，由中調統(tǒng)一分配，機組升負荷、降負荷均要達到電網的要求。對配備中間粉倉的中儲式制粉系統(tǒng)的機組，達到相應速率指標難度不大，但對直吹式機組，由于其慣性大，要達到規(guī)定的升負荷、降負荷速率除與機組本身特性有關外，還與所設計的控制系統(tǒng)有關[1]。當負荷指令發(fā)生變化時，由于直吹式制粉系統(tǒng)鍋爐燃燒存在極大的慣性，主汽壓力不能及時隨汽機調汽門變化而變化，容易造成主汽壓力調節(jié)過調，偏差超過規(guī)定值，影響鍋爐系統(tǒng)運行的安全性。要使機組在確保穩(wěn)定性的前提下，具有更快、更靈活的負荷響應，就需要協(xié)調機組負荷適應能力和主汽壓力穩(wěn)定的矛盾，對協(xié)調控制系統(tǒng)的設計提出來更高的要求[2]。論文所設計的協(xié)調控制策略已在某電廠660 MW超超臨界機組中得到應用，長時間的良好應用效果證明所設計的控制系統(tǒng)具有一定的適用性、代表性。

1 超超臨界機組控制特點

1.1 機組動態(tài)特性[3][4]

機組在運行過程中要經過濕態(tài)與干態(tài)的轉換，鍋爐的加熱區(qū)、蒸發(fā)區(qū)和過熱區(qū)之間的界限是變動的，任何一種擾動都會使假想的分界線前移或后移，機組動態(tài)特性隨負荷的變化而變化，呈現(xiàn)出很強的非線性特性和變參數(shù)特性，因而要求協(xié)調控制系統(tǒng)及時、準確、嚴格地保持機組的能量和物質平衡。

直流爐機組，采用直吹式制粉系統(tǒng)，從給煤、制粉、送粉到燃燒環(huán)節(jié)，具有大的純遲延和滯后特性，因此，燃燒系統(tǒng)成為機組的一個控制難點。

機組蓄熱差。在臨界壓力附近，隨著汽壓升高，蒸發(fā)段變短，過臨界后蒸發(fā)段消失，熱水直接轉化為蒸汽，機組蓄熱能力迅速減弱，對外界擾動響應速度加快，容易超溫超壓。

1.2 機組控制特點

燃水比控制要求高，中間點工質溫度或焓值要得到保證。直流爐調節(jié)汽溫的手段主要是保持燃料量和給水量之比恒定，比值的任何偏離都會使汽溫發(fā)生變化[5]。

熱量平衡是機爐協(xié)調控制策略的關鍵[6]。直流爐的給水流量在較短延時后將直接反映于蒸汽流量，而調門指令對耗汽量的影響反而要小，基于這種關系，鍋爐吸熱量與汽機耗汽量的平衡關系將轉變?yōu)槲鼰崃颗c給水量的平衡關系，因此，只要保持好變負荷過程中這一熱量平衡關系，過熱度將始終保持平穩(wěn)，機爐處于協(xié)調平穩(wěn)的受控狀態(tài)。

大量采用前饋控制技術，加快各系統(tǒng)間響應速度。同時，采用變參數(shù)、變設定值、解耦技術以及自適應控制等技術[7]。

2 協(xié)調控制系統(tǒng)方案設計

2.1 協(xié)調控制系統(tǒng)方案

協(xié)調控制系統(tǒng)可分為以鍋爐跟蹤為基礎(BF-CCS)和以汽機跟蹤為基礎(TF-CCS)兩種協(xié)調控制系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)的本質區(qū)別在于反饋回路，BF-CCS系統(tǒng)采用鍋爐調節(jié)壓力,汽機調節(jié)功率的運行方式，TF-CCS系統(tǒng)則相反。BF-CCS協(xié)調控制系統(tǒng),機組的負荷響應速度快、負荷控制精度較高,但機前壓力波動幅度較大；TF-CCS協(xié)調控制系統(tǒng)則相反，機前壓力波動較小，對機組的穩(wěn)定運行有利，但由于鍋爐的慣性和遲延都較大，機組的負荷響應特性較差，負荷控制精度也較低[8]。由于國內電網對機組的調峰能力要求較高，并對機組的AGC/一次調頻的功能、指標提出了具體的要求，對負荷的響應時間及調節(jié)精度要求比較高。在這種形勢下，采用以鍋爐跟隨為基礎的協(xié)調控制方案，能更好的滿足機組快速響應負荷、參與電網調峰的要求[9]。協(xié)調系統(tǒng)方案設計如圖1所示：

圖1 超超臨界機組協(xié)調系統(tǒng)方案示意圖

2.2 協(xié)調控制策略

機爐協(xié)調控制系統(tǒng)由負荷管理中心、鍋爐主控、汽機主控三個功能區(qū)組成，是整個機組自動控制系統(tǒng)的核心。

2.2.1 負荷管理中心

負荷管理中心主要是對機組負荷指令、主汽壓力設定值進行管理，包括機組目標負荷設定(包括AGC指令)、負荷變化率設定、負荷上/下限設定、增/減閉鎖、一次調頻、RB等功能。

2.2.2 鍋爐主控

超超臨界機組鍋爐指令由四部分疊加而成：1）基本指令(由負荷管理中心產生)，即經過頻差修正的機組負荷指令，使鍋爐主控指令對應于負荷及頻率的改變有一個絕對變化量，快速作用于送風、煤、水等控制回路，使這些量相對于負荷都有一個基本變化量，這是最基礎、最直接、最快速的比例控制；2）主汽壓力調節(jié)器輸出信號；3）DEB(直接能量平衡信號[10])微分信號，能量平衡信號表示汽輪機向鍋爐索取的能量需求，建立了汽輪機負荷與汽輪機調門之間的正確比例關系，且不受鍋爐側擾動的影響，能夠快速反映機組負荷的變化(能量需求變化)；能量平衡信號=[11]，式中，PS為主蒸汽壓力設定值，P1為汽輪機第一級后壓力；PT為主蒸汽壓力。4）主汽壓力實際值、設定值(經速率限制后)的微分信號。鍋爐主控回路示意見圖2。

圖2 鍋爐主控回路示意圖

鍋爐主控生成的鍋爐指令BD，分別送往燃燒控制、水煤比控制、給水控制、總風量控制、一次風壓控制、過熱汽溫控制、再熱汽溫控制等控制系統(tǒng)，完成整個鍋爐的控制。

2.2.3 汽機主控

在協(xié)調控制方式下，功率控制由汽機主控完成，汽機主控接收功率控制器的輸出，設定值由經過速率、高低限制的機組負荷指令，一次調頻的指令，壓力拉回回路三部分疊加而成，為了加強動態(tài)調節(jié)效果，最大限度的利用鍋爐蓄熱，加快機組初期響應負荷的執(zhí)行速度，使用了經過速率、高低限制的機組負荷指令作為前饋，使汽機調門提前動作。方案中同時考慮了汽壓限制的作用，因為在爐跟機控制方式下，負荷變化時機前壓力會有較大的波動。一旦機前壓力偏差值超出鍋爐主控回路的預測范圍時，汽機主控回路不再調功，而參與調壓，二者共同作用使機前壓力調整到允許范圍內，使得汽機主控回路功率調節(jié)不再受壓力控制的影響，從而實現(xiàn)快速響應動態(tài)過程，并穩(wěn)定鍋爐輸入和汽機輸出的平衡。

在汽機跟隨TF或RB發(fā)生，汽機主控控制主汽壓力，汽機主控接收壓力控制器的輸出，設定值為經過速率限制的主汽壓力設定值。

汽機主控在協(xié)調方式下的PI調節(jié)器和在TF方式下的PI調節(jié)器采取分別設置的方式，以便適應不同狀況的調節(jié)，改善調節(jié)品質。汽輪機主控回路示意見圖3。

圖3 汽機主控回路示意圖

2.3 燃水比控制

燃水比是直流爐控制的重點和難點，控制效果的好壞直接影響到機組的主汽溫度穩(wěn)定，對機組的安全和經濟運行至關重要。國際上流行燃水比控制方式主要有以下兩種。

1）燃料修正中間點溫度。中間點溫度調節(jié)器輸出加入到燃料控制回路，對燃料指令進行修正，調整燃料量，從而有效調整燃水比，保證鍋爐出口汽溫的穩(wěn)定。

2）給水修正中間點溫度。中間點溫度調節(jié)器輸出加入到給水控制回路，對給水指令進行修正，調整給水量，從而有效調整燃水比，保證鍋爐出口汽溫的穩(wěn)定。

用燃料修正中間點溫度調整燃水比其優(yōu)點是對機組負荷和主汽壓的影響平緩，機組主要參數(shù)的穩(wěn)定性大大提高，缺點是對象特性響應慢。用給水修正中間點溫度調整燃水比其優(yōu)點是可以較為快速、有效地調整燃水比，進而保證鍋爐出口汽溫，缺點是對機組負荷和主汽壓的動態(tài)影響比較大，機組穩(wěn)定性變差。方案中，燃水比控制采用“水跟煤”為基礎的燃料修正中間點溫度調節(jié)方式，維持主汽溫度穩(wěn)定。

2.4 前饋控制

廣泛采用并行前饋控制，方案中將鍋爐主控指令并行送到各子系統(tǒng)（如：燃料、送風、給水等）建立前饋設定值，改善鍋爐對負荷指令變化的快速響應性。通過前饋控制可以充分利用超超臨界機組慣性和延遲相對較小的特點，較好地克服外擾時參數(shù)波動大的不利因素，滿足機組的變負荷需求。

靜態(tài)前饋。由鍋爐負荷主指令(BD)，根據(jù)各子系統(tǒng)的特點，通過單獨的函數(shù)發(fā)生器形成穩(wěn)態(tài)的前饋信號，建立一個穩(wěn)態(tài)工作點。

動態(tài)前饋。直流爐鍋爐側的大滯后和純時延是影響機組負荷變化時動態(tài)響應的關鍵因素。為此，控制策略中采用MWD信號(比BD更早)來生成一組動態(tài)前饋信號——鍋爐動態(tài)加速信號(BID)，分別作用到燃料、送風、給水等系統(tǒng)，使鍋爐對負荷指令的響應速度得到加快，從而起到先動作、早控制的作用。BD指令在變負荷時具有強化微分環(huán)節(jié)的作用，而穩(wěn)態(tài)負荷下，BD指令不發(fā)生作用。

3 實際應用

某電廠新建2×660 MW超超臨界機組，鍋爐由哈爾濱鍋爐廠有限責任公司設計，型號為：HG-2035/26.15-YM3，采用П型布置、單爐膛、改進型低NOX分級送風燃燒系統(tǒng)、墻式切圓燃燒方式，爐膛采用內螺紋管垂直上升膜式水冷壁、帶再循環(huán)泵的啟動系統(tǒng)、一次中間再熱。汽輪機為東方汽輪機有限公司制造的超超臨界壓力汽輪機，型號為：N660-25/600/600，超超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、凝汽式汽輪機。發(fā)電機為東方電機股份有限公司生產的發(fā)電機。DCS與DEH均采用北京日立控制系統(tǒng)有限公司提供的HI?ACS-5000 M集散控制系統(tǒng)。

試運期間從機組實際運行負荷340 MW開始，投入機組協(xié)調控制，在450 MW~660 MW之間以9 MW/min的負荷爬坡速率進行了負荷擾動試驗，試驗曲線如圖4所示。

圖4 15%負荷擾動試驗曲線

由試驗曲線分析可知，機組負荷初始響應較快，過程變化平穩(wěn)，最大動態(tài)偏差5.02 MW,實際負荷變化率超過9 MW/min；燃料與給水之間匹配良好，煤與水全過程實現(xiàn)動態(tài)平衡，過熱度沒有大的波動，變化較平緩。主汽壓力最大動態(tài)偏差為-0.56 MPa，主汽溫度的最大動態(tài)偏差4.1℃，均符合要求，說明設計的控制系統(tǒng)可靠。

4 結論

大型超超臨界機組協(xié)調控制系統(tǒng)設計要統(tǒng)籌全局，合理解耦，采用靜態(tài)、動態(tài)前饋，充分利用鍋爐蓄熱，才能提高機組的負荷適應性和運行穩(wěn)定性。本文設計的協(xié)調控制策略，在沒有安排專門試驗的條件下，隨機組啟動進行參數(shù)在線整定。機組投運后經過長周期運行考驗，調節(jié)品質較好，主汽壓、主汽溫、功率、過熱度等參數(shù)波動均符合部頒標準。進一步證明協(xié)調控制系統(tǒng)設計合理，適合機組運行特性，能夠滿足電網AGC的要求。為新建大型火電機組納入電網AGC控制提供借鑒、參考。

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