周建玉，朱能飛，樂凌志，吳科，張明慧

（南京國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司，南京 210023）

三河發(fā)電有限公司＃1機組AGC優(yōu)化

周建玉，朱能飛，樂凌志，吳科，張明慧

（南京國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司，南京 210023）

介紹了三河發(fā)電有限公司＃1機組自動發(fā)電控制（AGC）考核指標及AGC控制方式，分析了火電機組AGC控制中普遍存在的問題，指出了影響AGC性能的關(guān)鍵因素。結(jié)合機組運行現(xiàn)狀，對影響AGC性能的控制回路進行了優(yōu)化，滿足了電網(wǎng)對＃1機組AGC可用率及調(diào)節(jié)性能考核的要求。

自動發(fā)電控制；協(xié)調(diào)控制優(yōu)化；可用率；調(diào)節(jié)速率；調(diào)節(jié)精度；響應時間

0 引言

自動發(fā)電控制（AGC）系統(tǒng)作為現(xiàn)代火力發(fā)電機組分散控制系統(tǒng)（DCS）中的核心控制部分，承擔著響應電網(wǎng)調(diào)度負荷指令以及協(xié)調(diào)鍋爐、汽輪機側(cè)各個閉環(huán)控制系統(tǒng)的重要任務，是連接電網(wǎng)與單元機組之間的主要橋梁。單元機組AGC系統(tǒng)實質(zhì)上包括了機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和其他重要閉環(huán)控制子系統(tǒng)，在機組設備正常條件下，AGC的運行性能幾乎完全由這些閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能決定，直接影響著機組運行的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和電網(wǎng)的有功調(diào)節(jié)水平［1-2］。

1 目前火電機組存在的AGC控制問題

目前，國內(nèi)火電機組的AGC控制策略主要采用各大DCS廠商提供的組態(tài)邏輯［3］，這些控制方案對于煤種穩(wěn)定、機組設備穩(wěn)定、機組運行方式成熟的國外機組比較有效，但對煤種多變、機組控制及測量設備不精確、運行參數(shù)經(jīng)常與設計參數(shù)存在較大偏差的國內(nèi)機組，則控制效果會明顯變差。通過對現(xiàn)場運行情況的調(diào)研和歸納，在運機組的AGC控制問題主要體現(xiàn)在如下幾個方面。

（1）消除擾動能力差［4］，易出現(xiàn)參數(shù)大幅波動及調(diào)節(jié)振蕩情況，這是目前機組運行中最普遍的情況。機組正常運行中，由于AGC指令頻繁變化，使得機組的燃料、給水、送風等各控制量也大幅波動，一方面會造成鍋爐水冷壁和過熱器管材熱應力的反復變化，容易導致氧化皮脫落，大大增加了鍋爐爆管的可能性；另一方面，參數(shù)波動大，自動化投入率低，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及其子系統(tǒng)常會出現(xiàn)控制不穩(wěn)定，溫度、壓力等關(guān)鍵指標波動大的情況，嚴重影響運行的安全性。

（2）機組負荷升降速率低［5］。目前所采用的AGC控制方案無法有效控制大滯后被控對象，機組實際變負荷率低、響應時間長，機組的調(diào)峰、調(diào)頻能力差，無法滿足電網(wǎng)對機組負荷的響應要求。

（3）煤種變化對控制系統(tǒng)影響大［1，6］。燃煤品質(zhì)變差時，控制系統(tǒng)缺乏自適應手段，控制性能也隨之變差。運行人員為保證機組安全，只能采取降低變負荷率或手動運行等方式。

2 三河發(fā)電有限公司＃1機組AGC考核指標

三河發(fā)電有限公司＃1機組采用日本三菱公司生產(chǎn)的亞臨界一次中間再熱燃煤凝汽式機組，1999年4月投入商業(yè)運行。其中，鍋爐為1 175 t／h亞臨界、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、固態(tài)排渣、露天布置、控制循環(huán)汽包型燃煤鍋爐。汽輪機額定功率為350MW，設高、中壓調(diào)節(jié)閥及主汽門共10個：其中2個高壓主汽門、4個高壓調(diào)節(jié)閥及2個中壓調(diào)節(jié)閥全部采用連續(xù)型控制，控制閥采用1拖2控制方式；2個中壓主汽門采用兩位型控制，每個閥門采用單獨的執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動。DCS采用美國MCS公司的MAX1000+PLUS分散控制系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、模擬量控制系統(tǒng)（MCS）、燃燒器管理系統(tǒng)（BMS）及順序控制系統(tǒng)（SCS）的控制功能。由于DCS設備老化且運行時間較長，機組調(diào)峰能力變差，該公司于2014年5月對＃1機組進行了DCS升級改造，重新設計并調(diào)試＃1機組DAS，MCS，BMS及SCS的控制邏輯，以提高＃1機組的調(diào)峰能力，滿足調(diào)峰運行的需要。

華北電網(wǎng)2010年按照《華北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》以及《華北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理實施細則》中對火電機組定義了兩類AGC考核補償指標：AGC可用率和AGC調(diào)節(jié)性能。AGC可用率反映了機組AGC功能良好可用狀態(tài)；AGC調(diào)節(jié)性能為調(diào)節(jié)速率K1、調(diào)節(jié)精度K2以及響應時間K3這3個因素的綜合體現(xiàn)。

AGC可用率KA＝可投入AGC時間／月有效時間。電網(wǎng)考核系統(tǒng)按照機組月可用率對單元機組進行可用率考核，其中華北電網(wǎng)AGC可用率指標為機組AGC可用率不低于98%。當電網(wǎng)電能管理系統(tǒng)（EMS）實測機組月AGC可用率低于可用率指標時該機組即被考核，AGC可用率考核電量采用定額考核方式。

調(diào)節(jié)性能KP包括調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度以及響應時間，KP高于1.0時，機組免于考核。調(diào)節(jié)速率K1是指機組響應設點指令的速率，三河發(fā)電有限公司＃1機組為亞臨界直吹式汽包爐，調(diào)節(jié)速率指標為機組額定有功功率的1.5%。

式中：vi為機組實測調(diào)節(jié)速率；vN為機組調(diào)節(jié)速率指標。

調(diào)節(jié)精度K2是指機組響應網(wǎng)調(diào)指令穩(wěn)定后，機組實發(fā)功率與網(wǎng)調(diào)指令之間的偏差，調(diào)節(jié)允許靜態(tài)偏差量為機組額定有功功率的1%，動態(tài)偏差量為機組額定有功功率的2%。

式中：ΔPi為機組實測調(diào)節(jié)偏差。

響應時間K3指網(wǎng)調(diào)指令發(fā)出后，機組實發(fā)功率在原來的基礎(chǔ)上可靠跨出與調(diào)節(jié)方向一致的調(diào)節(jié)死區(qū)所需要的時間。三河發(fā)電有限公司＃1機組標準響應時間為1min。

式中：ti為機組實測響應時間。

AGC調(diào)節(jié)性能KP反映機組響應網(wǎng)調(diào)指令的能力，當調(diào)節(jié)性能KP小于1.0時該機組即被考核。只有提高機組的調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度和響應時間才能避免被考核。

3＃1機組AGC控制回路分析

三河發(fā)電有限公司＃1機組遠程終端控制系統(tǒng)（RTU）接受網(wǎng)調(diào)EMS指令，RTU通過硬接線的方式將網(wǎng)調(diào)指令接入DCS中，DCS將發(fā)電機有功功率、AGC有效信號以及AGC投入信號返回給遠動機，RTU接受DCS反饋的信號再傳輸給電網(wǎng)EMS，這樣就形成了整個AGC閉環(huán)控制回路。

當AGC控制信號以及AGC投入信號有效時，即該機組在AGC模式下運行時，機組接受并按照網(wǎng)調(diào)指令運行。

當下列條件都滿足時，AGC投入信號有效。

（1）AGC指令小于350MW且大于175MW。

（2）給水控制回路自動控制。

（3）機組自動接受網(wǎng)調(diào)指令。

（4）燃料控制回路自動控制。

（5）汽輪機控制回路自動。

（6）主蒸汽壓力設定值與過程值偏差不大于1.0MPa且主蒸汽壓力小于17.3MPa。

當以下條件都滿足時，AGC控制信號有效。

（1）給水控制回路自動控制。

（2）燃料控制回路自動控制。

（3）汽輪機控制回路自動。

（4）至少2臺磨煤機運行。

（5）機組在直接能量平衡（DEB）協(xié)調(diào)控制方式下運行。

AGC信號有效以及AGC投入信號反映了機組的整體調(diào)峰水平，當機組在AGC模式下運行時，要求協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及其子系統(tǒng)必須要有很好的自動控制效果，因此，AGC控制是建立在協(xié)調(diào)控制基礎(chǔ)之上的。

＃1機組協(xié)調(diào)控制控制回路包含了AGC負荷指令設定回路、壓力設定回路、鍋爐主控回路以及汽輪機主控回路，如圖1所示。負荷指令設定回路接受網(wǎng)調(diào)AGC指令，經(jīng)速率限制，負荷上、下限限制和負荷指令增、減閉鎖等運算后分別送往汽輪機和鍋爐主控回路。壓力設定回路包含了定壓和滑壓兩種方式：滑壓方式采用負荷下函數(shù)對應的滑壓曲線，經(jīng)慣性環(huán)節(jié)處理（彌補汽輪機與鍋爐之間調(diào)節(jié)的不平衡性）后作為機組壓力設定值，調(diào)節(jié)過程中給操作員預留壓力設定值偏置；定壓方式即為操作員設置主蒸汽壓力定值。鍋爐側(cè)燃料量控制回路采用比例-積分-微分（PID）反饋+前饋的混合控制方式，其中能量需求信號和熱釋放信號構(gòu)成反饋回路，前饋控制回路則包含靜態(tài)前饋和動態(tài)前饋。負荷指令對應的煤量作為靜態(tài)前饋，動態(tài)前饋采用功率微分和主蒸汽壓力微分的和。

圖1＃1機組協(xié)調(diào)控制示意

DEB控制策略是以鍋爐為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式，在協(xié)調(diào)控制方式下，鍋爐主控指令由以下部分疊加而成。

（1）基本指令：直接能量平衡信號。該指令作為外界負荷需求的基本值去控制鍋爐，使鍋爐主控指令對應于負荷的改變有一個絕對變化量。

（2）壓力偏差的微分調(diào)節(jié)。由于鍋爐具有大滯后的特點，為了調(diào)整和參數(shù)設置方便，將微分作用移至前饋回路。

（3）負荷變化時的蓄熱補償。負荷變化時，通過試驗和計算得出燃料的超調(diào)部分，對鍋爐的蓄熱變化進行細調(diào)。針對不同的負荷段和不同的負荷變化率計算出不同的超調(diào)量，為了調(diào)整和參數(shù)設置方便將超調(diào)量移至前饋回路。

汽輪機主控為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）和汽輪機數(shù)字電液（DEH）控制系統(tǒng)之間的接口，DEH控制系統(tǒng)只需要DCS提供負荷和壓力的給定值，調(diào)節(jié)回路在DEH實現(xiàn)。功率給定值由機組負荷指令和一次調(diào)頻指令疊加而成，負荷指令是接受網(wǎng)調(diào)AGC指令，一次調(diào)頻指令采用一定的頻率偏差對應的負荷函數(shù)。

4 AGC控制試驗

三河發(fā)電有限公司＃1機組AGC設備在電廠內(nèi)部通過調(diào)試并試運行成功后，與調(diào)度局自動化處就AGC控制信號進行了通信傳動試驗，試驗表明電廠RTU工作可靠，可以穩(wěn)定地向華北網(wǎng)調(diào)EMS傳輸機組有功出力等遙測數(shù)據(jù)，正確接收華北網(wǎng)調(diào)EMS下發(fā)的AGC調(diào)節(jié)指令且可靠地傳送給機組DCS中的AGC負荷控制回路。

2014-06-25 T 18：00，經(jīng)調(diào)度批準，在負荷為175～350MW、協(xié)調(diào)控制及其子系統(tǒng)投入自動、汽輪機滑壓方式運行、設定7MW／min升降速率的條件下，對＃1機組進行AGC擾動試驗，試驗具體結(jié)果見表1。

從表1可以看出，4次AGC擾動試驗的響應時間均小于1min，實際負荷變化率大于6MW／min，動態(tài)及靜態(tài)偏差都達到了華北電網(wǎng)對亞臨界火電機組AGC考核的指標。

＃1機組負荷考核系統(tǒng)顯示：7月份AGC投入率為98.03%，滿足電網(wǎng)考核要求，但是AGC調(diào)節(jié)性能為0.9382，調(diào)節(jié)性能考核電量為335.5MW·h，調(diào)節(jié)性能考核指標沒有達到華北電網(wǎng)考核標準。分析其原因在于AGC擾動試驗是在機組穩(wěn)定運行的情況下進行的，而機組實際運行過程中網(wǎng)調(diào)指令具有時變性，對機組協(xié)調(diào)控制策略有更高的要求。針對這一情況，三河發(fā)電有限公司＃1機組AGC優(yōu)化主要從優(yōu)化AGC控制協(xié)調(diào)策略以及閉環(huán)控制回路的控制器參數(shù)入手。

5 AGC調(diào)節(jié)性能分析及控制回路優(yōu)化

5.1 AGC調(diào)節(jié)性能分析

通過查看三河發(fā)電有限公司＃1機組負荷考核系統(tǒng)可知，AGC調(diào)節(jié)性能差的主要原因是調(diào)節(jié)速率低和響應時間長。通過查看DCS歷史服務器中的數(shù)據(jù)可知，＃1機組接受網(wǎng)調(diào)AGC指令非常頻繁，機組3～5min參與1次調(diào)峰過程，這就要求＃1機組具有快速響應網(wǎng)調(diào)指令的能力。

首先，燃煤機組具有遲延性和時變性的特點，當AGC指令變化時，為了快速響應機組調(diào)峰能力，必然要求鍋爐側(cè)和汽輪機側(cè)能夠快速響應負荷指令的變化，但由于鍋爐側(cè)從磨煤到燃燒具有延滯性，從燃料指令變化到主蒸汽壓力響應有30 s的純滯后以及3min左右的慣性時間，嚴重影響了AGC調(diào)節(jié)速率和響應時間。

其次，通過查看DCS中的歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在AGC指令變化的過程中，汽輪機調(diào)門指令響應不夠及時，這就導致機組在AGC網(wǎng)調(diào)指令變化初期利用汽包的蓄熱不夠，這些都會影響＃1機組AGC響應速率和響應時間。

再次，＃1機組在協(xié)調(diào)控制時采用滑壓模式運行，當AGC指令變化時，鍋爐蓄熱的方向恰好與負荷需求方向相同，影響了機組的負荷響應速率。機組負荷與主蒸汽壓力具有相互耦合的關(guān)系，為了快速響應AGC指標，汽輪機控制回路和鍋爐控制回路中的控制器參數(shù)必然整定得快，影響了整個控制回路的穩(wěn)定性。在變負荷過程中，主蒸汽壓力的穩(wěn)定性也會影響機組AGC可投運時間以及調(diào)節(jié)性能。

表1 AGC擾動試驗數(shù)據(jù)

5.2 AGC控制回路優(yōu)化

針對＃1機組AGC調(diào)節(jié)性能差的問題，對原有AGC控制回路策略及其控制器參數(shù)進行優(yōu)化。為了提高AGC可用率，改變AGC投入條件中的主蒸汽壓力設定值與過程值偏差，將偏差由原來的1.0 MPa提高到不大于1.5MPa且主蒸汽壓力提高到17.5MPa，避免因為機組主蒸汽壓力波動而退出AGC控制。為了保證機組安全運行，降低滑壓運行方式下負荷指令對應的主蒸汽壓力設定值。＃1機組AGC控制策略主要采用了負荷指令前饋+DEB反饋的調(diào)節(jié)方案，為了提高機組AGC考核指標，盡可能將整個協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)整定成開環(huán)調(diào)節(jié)的方式，反饋調(diào)節(jié)起小幅度的調(diào)節(jié)作用。

三河發(fā)電有限公司＃1機組汽輪機側(cè)負荷控制中的前饋控制采用功率偏差函數(shù)，前饋控制邏輯如圖2所示（圖中：JGEN_DMD為網(wǎng)調(diào)AGC指令值）。機組升、降負荷時分別采用不同的前饋函數(shù)。這種功率偏差進行的前饋控制一方面可以補償被控對象動態(tài)特性的遲延和慣性，加快負荷響應速度；另一方面，作為前饋信號的功率偏差指令與汽輪機、鍋爐控制指令構(gòu)成一定的靜態(tài)關(guān)系，并將前饋信號作為汽輪機、鍋爐控制指令的基本組成部分，以保證機組的輸入能量與能量需求基本一致，在變負荷的動態(tài)過程中，前饋控制起粗調(diào)的作用。

圖2 汽輪機負荷控制回路前饋作用

優(yōu)化汽輪機側(cè)負荷閉環(huán)控制回路中功率調(diào)節(jié)器比例、積分作用的參數(shù)，增加負荷指令函數(shù)前饋控制器。當AGC指令變化時，通過負荷指令前饋快速增加汽輪機調(diào)門開度，提高AGC指令變化初期機組響應負荷的能力。當汽輪機調(diào)門快開的時候，主蒸汽壓力會降低。為了彌補汽輪機側(cè)的能量需求，當主蒸汽壓力降低后再調(diào)節(jié)鍋爐側(cè)燃料量指令，但這種控制方式下鍋爐側(cè)燃料量的調(diào)節(jié)明顯偏慢，因此，當汽輪機側(cè)快速響應的時候，鍋爐側(cè)燃料量要有一定的超前調(diào)節(jié)能力。為此，優(yōu)化了鍋爐側(cè)燃料量控制策略，增加了鍋爐側(cè)燃料量的前饋控制（如圖3所示圖中：ts為慣性時間），將負荷-燃料量函數(shù)作為前饋基準量，將負荷偏差微分和壓力偏差微分作為超前調(diào)節(jié)量。由于鍋爐側(cè)相對于汽輪機側(cè)有較大的滯后性，因此前饋控制信號必須要有一定的超前調(diào)節(jié)量才能彌補鍋爐側(cè)的滯后。為了快速響應機組負荷指令，鍋爐側(cè)的前饋由靜態(tài)前饋和動態(tài)前饋組成。

圖3 鍋爐側(cè)燃料控制回路前饋作用

運行過程中，JGEN_DMD一方面經(jīng)過函數(shù)f1（x）和慣性環(huán)節(jié)折算成負荷變化所需的燃料量指令，將其作為燃料控制回路的靜態(tài)前饋；另一方面由于鍋爐側(cè)具有延滯的特性，將JGEN_DMD的微分和主蒸汽壓力偏差的微分作為鍋爐側(cè)燃料量控制回路的動態(tài)前饋，即當網(wǎng)調(diào)AGC指令變化后，鍋爐側(cè)燃料控制回路能夠按照動態(tài)前饋作用預先增加燃料量，以彌補汽輪機側(cè)的能量需求，從而保證了在變負荷過程中主蒸汽壓力以及機組負荷控制的精度；此外，為了使鍋爐側(cè)燃料量控制回路具有自適應能力，對鍋爐側(cè)燃料主控PID的比例作用和積分作用實行變參數(shù)控制，比例系數(shù)和積分系數(shù)為負荷對應的折線函數(shù)。

表2為優(yōu)化后的AGC運行數(shù)據(jù)，與優(yōu)化前相比，AGC可用率和調(diào)節(jié)性能有所提高：其中8月22日和29日AGC可用率低于網(wǎng)調(diào)要求的98%，AGC調(diào)節(jié)性能在24日和28日低于網(wǎng)調(diào)要求的1.0，其他時間都滿足網(wǎng)調(diào)對三河發(fā)電有限公司＃1機組AGC調(diào)節(jié)考核的要求。AGC控制具有時變性，因此要對協(xié)調(diào)控制回路中汽輪機側(cè)以及鍋爐側(cè)燃料量的控制策略及參數(shù)不斷優(yōu)化，8月31日AGC可用率為100%，AGC調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度以及響應時間都超過1，說明按照文中的優(yōu)化思路，能夠減少因調(diào)節(jié)性能達不到要求而被網(wǎng)調(diào)考核的幾率。

表2＃1機組優(yōu)化后的AGC性能數(shù)據(jù)

續(xù)表

6 結(jié)束語

AGC是一項先進的控制技術(shù)，是電網(wǎng)EMS的重要功能，AGC控制可以分成兩個部分，其中網(wǎng)調(diào)AGC指令是決策控制層，火電機組發(fā)電機側(cè)AGC是指令執(zhí)行層。AGC考核的重要性能指標就是火電機組發(fā)電機側(cè)實發(fā)功率響應網(wǎng)調(diào)AGC指令的能力?；痣姍C組AGC運行水平受到鍋爐和汽輪機設備性能、燃燒的煤種質(zhì)量、機組協(xié)調(diào)控制方式等方面的影響。由于鍋爐與汽輪機之間存在延滯、相互耦合等特性，采用直接能量平衡為基礎(chǔ)的閉環(huán)控制可以對鍋爐側(cè)和汽輪機側(cè)進行解耦控制，減少鍋爐與汽輪機之間由于相互耦合帶來的控制問題。此外，對整個協(xié)調(diào)控制回路采用合理的前饋控制，提高燃煤發(fā)電機組調(diào)峰的響應能力，可以彌補設備、煤種等因素對機組調(diào)峰能力的影響，對于改善火電發(fā)電機組AGC響應起到積極的作用。

［1］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.

［2］何同祥，施燕美.300MW機組AGC-DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化［J］.電站系統(tǒng)工程，2006，22（3）：52-58.

［3］王慶東，馮增健，孫優(yōu)賢.鍋爐熱工過程先進控制策略研究綜述［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2004，16（5）：76-79.

［4］王立.間接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)前饋控制策略的優(yōu)化［J］.熱力發(fā)電，2013，42（4）：54-56.

［5］彭剛.DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基本參數(shù)的機理研究［J］.河北電力技術(shù)，2005，24（2）：20-25.

［6］林青.DEB系統(tǒng)對單元機組動態(tài)特性的補償［J］.南京工程學院學報，2005，2（3）：12-15.

（本文責編：劉芳）

TM 621.6

：A

：1674-1951（2015）06-0057-05

周建玉（1983—），男，江蘇南京人，工程師，工學碩士，從事火電廠分散控制系統(tǒng)、火電機組熱工過程優(yōu)化控制等方面的研究（E-mail：zhoujianyu26＠163.com）。

2014-12-05；

2015-03-25