于文浩，孫建平，王中勝

（1.華北電力大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.北京國電智深控制技術(shù)有限公司，北京 102200）

0 引言

國電霍州發(fā)電廠以大代小工程建設(shè)2×600MW超臨界參數(shù)燃煤發(fā)電機(jī)組,鍋爐型號：DG2030/25.4-Ⅱ4型，是東方鍋爐（集團(tuán)）股份有限公司生產(chǎn)，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量：2030t/h，鍋爐（BMCR）燃煤量：290.79t/h(設(shè)計(jì)煤種)。制粉系統(tǒng)采用雙進(jìn)雙出鋼球磨正壓冷一次風(fēng)機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)，每臺爐配置五臺磨煤機(jī)。

1 機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略分析

霍州電廠600MW超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要包括爐主控(BM)、機(jī)主控(TM)、負(fù)荷指令設(shè)定、壓力設(shè)定、輔機(jī)故障減負(fù)荷(RUNBACK)、頻率校正等功能回路。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用以鍋爐跟蹤為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式，控制邏輯框圖如下圖1所示：鍋爐跟蹤為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)方式下，爐主控負(fù)責(zé)維持機(jī)前壓力，機(jī)主控用于控制機(jī)組負(fù)荷。機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速度快、負(fù)荷控制精度較高，但機(jī)前壓力以及主蒸汽溫度波動(dòng)幅度較大[1]。

1.1 負(fù)荷指令處理回路

機(jī)組負(fù)荷指令的任務(wù)是：對AGC指令或運(yùn)行人員手動(dòng)指令所要求的負(fù)荷進(jìn)行限速、限幅處理；當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)越限時(shí)，自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷的閉增、閉減或保持；當(dāng)主要輔機(jī)故障時(shí)，機(jī)組自動(dòng)轉(zhuǎn)到RB工況。機(jī)組負(fù)荷指令回路由負(fù)荷控制站、最大/最小值限制、變化率限制三部分組成。

1.2 鍋爐主控

鍋爐主控指令在協(xié)調(diào)方式、BF方式下是不同的。

圖1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制框圖Fig.1 Schematic of the coordinated control system

圖2 鍋爐主控非線性PID控制原理圖Fig.2 Schematic of the boiler master nonlinear PID

1）協(xié)調(diào)方式

基本指令：機(jī)組負(fù)荷指令疊加一次調(diào)頻的負(fù)荷增量信號，而后再加上機(jī)組負(fù)荷指令微分信號和壓力微分信號，得出鍋爐主控基本指令。該指令作為鍋爐主控指令的基本值去控制燃料量，使鍋爐主控指令對應(yīng)于負(fù)荷及頻率的改變有一個(gè)絕對變化量。

壓力偏差是對鍋爐蓄熱的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償信號，不同負(fù)荷下對于同樣的壓力偏差，鍋爐需補(bǔ)償?shù)男顭崃坎煌虼?，?yīng)根據(jù)負(fù)荷指令和壓力偏差對鍋爐主控指令進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。壓力偏差的構(gòu)成為壓力設(shè)定值和實(shí)際壓力的偏差與“最大/最小負(fù)荷與鍋爐指令的反饋偏差”進(jìn)行大、小選限制后，得到機(jī)組允許的最大變負(fù)荷范圍內(nèi)的壓力偏差信號。

2）BF方式下的鍋爐主控指令由能量平衡信號和壓力偏差調(diào)節(jié)器的輸出信號兩部分疊加而成。其中，能量平衡信號為前饋調(diào)節(jié)，是粗調(diào)，壓力偏差為反饋調(diào)節(jié)，是細(xì)調(diào)。

1.3 汽機(jī)主控

汽機(jī)負(fù)荷設(shè)定值分DEH處于遙控方式和非遙控方式下的設(shè)定。

DEH處于遙控方式，在此模式下，機(jī)組負(fù)荷指令經(jīng)一個(gè)三階慣性環(huán)節(jié)（其時(shí)間常數(shù)為新蒸汽的響應(yīng)時(shí)間），而后疊加壓力偏差的自調(diào)整信號。機(jī)組負(fù)荷指令的前饋，在變負(fù)荷時(shí)為充分利用機(jī)組蓄熱，通過汽輪機(jī)調(diào)門提前動(dòng)作，允許汽壓有一定的波動(dòng)而釋放或吸收部分蓄能，加快機(jī)組初期負(fù)荷的響應(yīng)速度而采取的手段。

三階慣性環(huán)節(jié)用于解耦，由于鍋爐對負(fù)荷指令的響應(yīng)遠(yuǎn)慢于汽輪機(jī)，故用三階慣性環(huán)節(jié)來匹配二者之間的動(dòng)態(tài)特性，該環(huán)節(jié)代表從機(jī)組負(fù)荷指令變化到新蒸汽產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)過程。

1.4 熱值校正回路

在設(shè)計(jì)燃燒煤種時(shí)，一定的負(fù)荷指令變化就需要有一定的燃料量變化與之對應(yīng)，如果燃燒煤種出現(xiàn)偏差時(shí)，鍋爐指令和鍋爐出力的對應(yīng)關(guān)系也隨之出現(xiàn)偏差，熱值校正回路為消除這種偏差而采用主汽流量來自動(dòng)地校正燃料發(fā)熱量。

熱值校正基本信號：鍋爐指令反饋經(jīng)三階慣性，時(shí)間常數(shù)為新蒸汽的響應(yīng)時(shí)間，再經(jīng)過一階慣性，時(shí)間常數(shù)為鍋爐蓄熱時(shí)間，以保證該鍋爐指令對應(yīng)當(dāng)時(shí)的鍋爐出力，而后再與主汽流量求偏差，該信號代表煤種出現(xiàn)偏差，若偏差為正，說明燃用煤的熱值低于設(shè)計(jì)煤種的發(fā)熱量，反之亦然。該偏差信號經(jīng)死區(qū)處理和乘以0.1系數(shù)修正后，得出熱值校正基本信號。

圖3 通過DCS組態(tài)實(shí)現(xiàn)模糊控制規(guī)則表Fig.3 Table fuzzy control rules confi gured by DCS

圖4 鍋爐加速回路原理圖Fig.4 Schematics of boiler acceleration circuit

2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)存在的問題及優(yōu)化方案

2.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)存在的問題

1）對于具有強(qiáng)非線性的超臨界機(jī)組對象[2]，其燃料—負(fù)荷、燃料—壓力特性慣性及滯后較大，不同負(fù)荷階段鍋爐的動(dòng)態(tài)特性是不同的，采用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器很難達(dá)到預(yù)期效果。

2）霍州600MW超臨界機(jī)組鍋爐蓄熱量較小，僅靠利用鍋爐蓄熱量提高負(fù)荷響應(yīng)速度是不夠的，需要及時(shí)地補(bǔ)償鍋爐的蓄熱。

3）機(jī)組在協(xié)調(diào)工況下，主蒸汽壓力及溫度波動(dòng)大。原控制策略在負(fù)荷變化時(shí)，風(fēng)、水、煤特別是給水與燃料之間在幅值和時(shí)序上的配合不當(dāng)，在負(fù)荷變化初期快速推進(jìn)給水來維持壓力，而后造成主汽溫的波動(dòng)，從而造成給水焓值控制和主汽壓控制之間的強(qiáng)烈耦合，造成主汽壓、主汽溫的頻繁波動(dòng)。

2.2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化措施

2.2.1 鍋爐主控優(yōu)化

協(xié)調(diào)時(shí)鍋爐主控原來采用的靜態(tài)前饋為DQ*PTS/PT信號，由于熱量信號DQ相對于負(fù)荷指令有所滯后，優(yōu)化后在機(jī)組協(xié)調(diào)方式下采用負(fù)荷指令為鍋爐主控的靜態(tài)前饋。鍋爐調(diào)節(jié)器的入口偏差改為主汽壓力偏差和功率偏差之和，通過調(diào)整兩種偏差的權(quán)重來達(dá)到希望的控制品質(zhì)。優(yōu)化后的鍋爐主控控制原理如圖2所示。

圖5 AGC工況下減負(fù)荷曲線Fig.5 Curve of reduce the load in AGC conditions

2.2.2 鍋爐主控變參數(shù)

考慮到機(jī)組動(dòng)態(tài)快速響應(yīng)與穩(wěn)態(tài)平穩(wěn)之間的矛盾，以及機(jī)組在不同負(fù)荷段具有不同的動(dòng)態(tài)特性。在鍋爐主控回路的控制策略設(shè)計(jì)中，引入變參數(shù)調(diào)節(jié)機(jī)制，即根據(jù)不同的機(jī)組運(yùn)行工況（如根據(jù)負(fù)荷指令、機(jī)組是否在變負(fù)荷、壓力變化及變化趨勢等）經(jīng)過非線性函數(shù)、模糊控制器實(shí)現(xiàn)PID的變參數(shù)[3]（變增益，變積分時(shí)間等）調(diào)節(jié)，以提高控制性能。

鍋爐主控PID調(diào)節(jié)器的變積分，是在機(jī)組工況相對穩(wěn)定時(shí)根據(jù)主蒸汽壓力的變換及變換趨勢進(jìn)行超前控制。需建立壓力變化和變化率的模糊控制規(guī)則表，級11X11的二元數(shù)組算法塊。模糊控制表規(guī)則劃分等級是同其控制精度相關(guān)，采用傳統(tǒng)的函數(shù)塊、切換塊算法塊實(shí)現(xiàn)任意等級的模糊控制規(guī)則表。原理如圖3所示。

圖3實(shí)現(xiàn)的是11X11的模糊控制規(guī)則表，偏差E模糊化后，經(jīng)F(x)函數(shù)塊后轉(zhuǎn)為0~10，偏差變化率DE模糊化后，經(jīng)F(x)函數(shù)塊后轉(zhuǎn)為1~11，再經(jīng)過公式11*E+DE，將所需的二維表轉(zhuǎn)化為1~121的一維表。圖3中1~121表示函數(shù)F(x)的輸入值范圍為1~121，函數(shù)F(x)輸出為模糊規(guī)則表查出的變積分時(shí)間的系數(shù)。

2.2.3 壓力拉回回路設(shè)計(jì)

當(dāng)機(jī)前壓力和機(jī)前壓力設(shè)定值的偏差超過一定的死區(qū)時(shí)，修正進(jìn)入汽機(jī)主控的負(fù)荷指令，利用汽機(jī)的調(diào)門來快速穩(wěn)定機(jī)前壓力，待爐側(cè)能量補(bǔ)充進(jìn)來后再釋放調(diào)門指令，從而達(dá)到穩(wěn)定主蒸汽壓力目的。在高負(fù)荷時(shí)，壓力比較高，為防止超壓安全門動(dòng)作，壓力拉回（壓力正偏差）力度要大一些。

霍州600MW超臨界機(jī)組汽機(jī)主控回路原設(shè)計(jì)有壓力拉回的保護(hù)回路[4]，但函數(shù)塊填值為在±30之外起作用，即壓力偏差達(dá)到1.2MPa后才起作用。優(yōu)化后填寫為在±10之外就起作用，即偏差達(dá)到0.4MPa后就起作用。

2.2.4 水、煤動(dòng)態(tài)蓄熱補(bǔ)償回路修改

在負(fù)荷變化過程中，針對給水、燃料等對負(fù)荷變化的不同的響應(yīng)時(shí)間，建立送風(fēng)、給水、燃料等不同的超調(diào)信號，用于對動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程的校正。另一方面，為了及時(shí)補(bǔ)充蓄熱，也必須對燃料和給水進(jìn)行適量的超調(diào)，其它參量也有與之相適應(yīng)的超調(diào)。通過每個(gè)鍋爐輸入指令的過調(diào)（負(fù)荷上升時(shí)）和欠調(diào)（負(fù)荷下降時(shí)）作用，加速鍋爐過程控制，改善主汽壓力和溫度的可控性?？刂圃砣鐖D4所示。

對于微過熱汽溫，給水流量的響應(yīng)性要遠(yuǎn)快于燃料量的響應(yīng)性，因此加負(fù)荷時(shí)首先應(yīng)增加燃料量、提高燃燒率，以先滿足爐膛蓄熱量提高的需要，然后再增加給水量，同樣，減負(fù)荷時(shí)，也應(yīng)先減燃料量，再減少相應(yīng)給水量[5]。同時(shí)，在減小微過熱汽溫波動(dòng)時(shí)，應(yīng)兼顧負(fù)荷響應(yīng)的快速性。給水回路原設(shè)計(jì)中采用負(fù)荷指令的函數(shù)做給水指令基準(zhǔn)值，由于是負(fù)荷指令做基準(zhǔn)值，在切為機(jī)跟隨時(shí)，若只是調(diào)整燃料，給水跟蹤負(fù)荷與燃料調(diào)整不同步。優(yōu)化后加上慣性環(huán)節(jié)，采用鍋爐指令做給水指令基準(zhǔn)值，在鍋爐主控切手動(dòng)，燃料主控切手動(dòng)時(shí)，跟蹤燃料量。

3 現(xiàn)場投運(yùn)情況

經(jīng)過協(xié)調(diào)控制策略完善優(yōu)化與參數(shù)整定，霍州電廠600MW超臨界機(jī)組，在AGC工況下變負(fù)荷速率設(shè)為12MW/min，負(fù)荷從496MW減負(fù)荷至446MW時(shí)的響應(yīng)曲線如圖5所示。從曲線可以看出，機(jī)組負(fù)荷初始響應(yīng)快，過程變化平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)過程中主蒸汽壓力偏差<±0.35Mpa，主蒸汽溫度偏差<±5°，實(shí)際負(fù)荷變化率接近11MW/min，燃料與給水動(dòng)靜態(tài)前饋量的幅值與時(shí)序匹配良好。

4 結(jié)束語

霍州電廠600MW超臨界機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)存在的問題，經(jīng)過優(yōu)化階段的設(shè)計(jì)、調(diào)試階段經(jīng)過多次論證、反復(fù)優(yōu)化，結(jié)合進(jìn)行的大量的負(fù)荷變動(dòng)試驗(yàn)以獲得最佳控制參數(shù)，取得了不錯(cuò)的效果，達(dá)到了既快速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷變化要求，又能保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。

[1]王中勝,夏明,趙松烈,等.北侖1000MW超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略分析及優(yōu)化[J].電力建設(shè),2010,3(1):87-90.

[2]劉吉臻,田亮,曾德良,等.660MW機(jī)組負(fù)荷-壓力非線性特性的分析[J].動(dòng)力工程,2005,25(4):533-540.

[3]劉紅波,李少遠(yuǎn),柴天佑.協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)多變量PID控制器的自整定方法[J].自動(dòng)化儀表,2003,24(6):10-15.

[4]西門子DEH控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書,上海汽輪機(jī)有限公司[Z].

[5]張秋生,梁華,胡曉花,等.超超臨界機(jī)組的兩種典型協(xié)調(diào)控制方案[J].中國電力,2011,44(10):74-79.