鄒音卡，許亞軍，常 青，陳建偉，吳 新，吳 爭

（江蘇省蘇州望亭發(fā)電廠，江蘇蘇州 215155）

0 引言

隨著電力系統(tǒng) AGC（Automatic Generation Control，機組自動發(fā)電控制）水平的不斷提升，不同區(qū)間的電力交換日漸復雜化。為保證電網(wǎng)的安全運行，提升供電質(zhì)量，國家對機組的調(diào)頻調(diào)峰操作提出了嚴格統(tǒng)一的速度、范圍要求，對各發(fā)電機組的AGC運行控制提出了新的評價標準。2009年，華為電網(wǎng)首先發(fā)布《華北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理實施細則》和《華北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》，以下簡稱“兩個細則”。

電力系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)日漸變化，新能源發(fā)電促進了綠色社會的建設，也對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了新的要求。以太陽能、潮汐能、風能為例，其發(fā)電機組工作周期的間斷性，導致電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電功率的頻繁變更與調(diào)整。面對這種情況，缺少較為成熟穩(wěn)定的調(diào)控方案。目前，自動發(fā)電控制系統(tǒng)控制著不同種類發(fā)電機組之間負載的變更調(diào)節(jié)，如何進一步提升調(diào)節(jié)控制能力，降低系統(tǒng)內(nèi)功率擾動問題有待深入的討論與研究分析。

1 發(fā)電機組實時優(yōu)化控制系統(tǒng)

1.1 研究意義

電力系統(tǒng)網(wǎng)絡復雜度的不斷提升，AGC出現(xiàn)的一些問題，導致電廠電能質(zhì)量下降。復雜的用電情況要求AGC頻繁地對機組下達發(fā)電功率變換指令，當負荷變更情況超出機組的受控范圍時，CCS（Coordination Control System，機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)）將失去有效的調(diào)控能力，對火電機組甚至整個電力系統(tǒng)造成重大安全隱患。因此，研究火電機組功率與電網(wǎng)頻率的交互特性、AGC控制策略對于保障機組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

火力發(fā)電機組全面實施“兩個細則”規(guī)定措施的同時，會產(chǎn)生一定的考核波動。在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，將AGC性能指標和機組自身的CCS進行有機融合，對火電機組采用INFIT（英菲迪系統(tǒng)）實時優(yōu)化控制系統(tǒng)，引入預測控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等先進的控制思想和控制策略，以AGC指令為控制指令，以協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)為基礎，使CCS在滿足AGC控制指令的基礎上保證機組的穩(wěn)定運行，從而提高機組的AGC性能指標，使機組具有較高的響應速度和精度，進一步完善系統(tǒng)內(nèi)頻率調(diào)節(jié)的應用效果，提高機組的運行效率、負荷跟蹤速率以及安全穩(wěn)定性。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的電力系統(tǒng)自動化控制起步較晚，AGC技術(shù)的推進堅持技貿(mào)相結(jié)合的原則，通過引進國際先進的電力能量控制平臺及應用軟件，促進國內(nèi)區(qū)域電力系統(tǒng)的自動化水平，以達到國際先進控制水平。目前，國外已經(jīng)基本實現(xiàn)了電網(wǎng)有功功率和調(diào)頻的自動控制。

CCS的穩(wěn)定運行是AGC有效實施的必要保障，根據(jù)AGC的控制思想，CCS控制器需要滿足2個控制要求：提升機組的功率響應速率和保證機組的穩(wěn)定運行[8-10]。不斷復雜化的電力系統(tǒng)要求將AGC控制與CCS控制有效結(jié)合，兼顧系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定性，使電力系統(tǒng)更好的服務經(jīng)濟發(fā)展。

1.3 INFIT系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

INFIT控制系統(tǒng)由南京英納維特自動化科技有限公司研發(fā)設計，針對發(fā)電機組中傳統(tǒng)PID（Proportion Integral Derivative Regulating，比例積分調(diào)節(jié)）和前饋控制存在的負荷響應速率慢、機組參數(shù)波動幅度大、對不同煤種工況適應能力差的問題，引入預測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、自適應控制、模糊控制等先進控制算法來達到優(yōu)化控制。

INFIT控制系統(tǒng)的設計結(jié)構(gòu)和思路最早由呂劍虹提出，并進行了大量的理論研究和實驗測試，已成功應用于近百臺發(fā)電機組的控制系統(tǒng)，取得了較好的控制效果。INFIT系統(tǒng)得到了國內(nèi)各大電力系統(tǒng)、電廠的認可，大量的科研仿真實驗和應用實踐證明了其可靠的運行效果和較佳的控制效果。

1.4 主要研究內(nèi)容

INFIT系統(tǒng)在望亭發(fā)電廠3/4號機組中的應用。望亭電廠3號、4號機組的信息，在自動發(fā)電控制系統(tǒng)中存在的問題，以及引入INFIT系統(tǒng)后想要達到的效果，INFIT系統(tǒng)在機組的應用方法和流程。通過3號機組未優(yōu)化和4號機組優(yōu)化后、4號機組優(yōu)化前后監(jiān)控界面圖對比，說明INFIT系統(tǒng)良好的控制優(yōu)化效果。

2 望亭發(fā)電廠3/4號機組

望亭電廠初期工程竣工于1956年，位于江蘇蘇州，主要負責華東地區(qū)的電力輸送和調(diào)頻，幾經(jīng)擴建、改造，裝機容量從最初的8.8萬kW發(fā)展到274萬kW。

望亭電廠3號機組于2009年竣工生產(chǎn)，4號機組于2010年竣工生產(chǎn)，鍋爐額定容量2024 t，屬于超超臨界直流鍋爐，定—滑—定運行模式，單爐膛四角切向燃燒，一次中間加熱。鍋爐的型號SG-2024/26.15/605-M621。汽輪機功率660 MW，為超超臨界、一次中間再熱、單軸、4缸4排汽、雙背壓、8級回熱抽汽、反動凝汽式汽輪機（型號N660-25/600/600），機前主汽壓力額定值25 MPa，額定溫度值600℃，再熱蒸汽溫度額定值600℃，末級葉片高914.4 mm。該機組額定發(fā)電功率可達660 MW，保證熱耗 7391 kJ/k·Wh；TMCR（Turbine Maximum Continuous Rating,汽輪機最大連續(xù)功率）694.7 MW，VWO（Vavle Whole Open Rating，汽輪機閥門全開工況）717.7 MW。

660 MW機組汽輪機由1個單流筒型高壓缸、1個雙流型中壓缸和2個雙流型低壓缸組成。汽輪機本體軸封包括高壓缸兩端、中壓缸和低壓缸兩端汽封。汽輪機軸系由多個軸承支承。機組共有4根轉(zhuǎn)子，5個軸承座，即高壓缸前軸承座、高—中壓缸軸承座、中—低壓缸軸承座、低—低壓缸軸承座、低壓缸后軸承座，為汽輪機組提供支撐。輪機組盤車裝置采用由頂軸油驅(qū)動的液壓馬達，同時提供手動盤車裝置。盤車裝置配備超速離合器。在汽機轉(zhuǎn)速降至零時，既能自動嚙合進行盤車，也能手動盤車。盤車裝置預留DCS遠方監(jiān)視和控制接口。

3 INFIT系統(tǒng)在3/4號機組的應用

3.1 預期目標

隨著機組運行時間的增加，受到煤種變化、設備精度等因素的影響，3/4號自動發(fā)電控制系統(tǒng)出現(xiàn)負荷升降速率低、負荷調(diào)節(jié)精度差；消除擾動能力差，汽壓、汽溫等參數(shù)大幅波動及振蕩；煤種變化對控制系統(tǒng)影響大；正常AGC調(diào)節(jié)中，燃料、給水等控制量波動大；再熱煙氣擋板難以投入自動，機組運行經(jīng)濟性差等問題。為此，引入INFIT實時優(yōu)化系統(tǒng)，預期目標：

（1）獲得更高的AGC響應速率和調(diào)節(jié)精度。對于不同的機組，INFIT系統(tǒng)的引入會帶來不同的增益效果，常規(guī)情況下機組的AGC負荷調(diào)整速率可達到2.0%/min，功率的控制精度可以達到0.3%。

（2）降低鍋爐側(cè)主蒸汽壓力和溫度的波動幅度。穩(wěn)態(tài)工況：±（0.1～0.2）MPa/±2 ℃，變負荷工況：±（0.4～0.5）MPa/±6 ℃。避免參數(shù)浮動、波形難收斂情形的發(fā)生。

（3）解決機組發(fā)電效率對于煤鐘質(zhì)量的高依賴性。主要針對兩大滯后系統(tǒng)：煤種熱值、制粉系統(tǒng)，引入神經(jīng)網(wǎng)絡算法進行優(yōu)化控制，實現(xiàn)系統(tǒng)全局參數(shù)的自適應調(diào)整，提高機組對不同煤鐘的適應能力。

（4）針對供煤量、給水量、供風量等參數(shù)的波動情況，利用智能控制算法進行優(yōu)化控制，使其擾動范圍減少到60%，提高機組的硬件設施使用壽命，增強機組的運行安全穩(wěn)定性。

（5）更高的運行效率。利用先進算法控制再熱煙氣擋板，提高系統(tǒng)能量的利用率，從而提升機組的發(fā)電效率和經(jīng)濟性。

3.2 安裝方式

INFIT控制系統(tǒng)，通過標準通訊接口從機組DCS系統(tǒng)獲取所需運行參數(shù)的設定值、測量值、控制指令的實時數(shù)據(jù)，在INFIT控制系統(tǒng)完成優(yōu)化控制計算，得出即時的優(yōu)化控制指令，再通過通訊接口回送給DCS系統(tǒng)，由DCS系統(tǒng)完成對現(xiàn)場設備的控制，達到改善機組運行的控制品質(zhì)、提高機組AGC考核指標、有效改善機組在加減負荷、煤種變化、檢修周期設備變化等擾動下的運行穩(wěn)定性，實現(xiàn)優(yōu)化控制的目的。

利用INFIT控制系統(tǒng)（含INFIT CCS控制方式、INFIT SH控制方式）取代4號機組原有DCS中的AGC控制系統(tǒng)、過熱汽溫控制系統(tǒng)，實現(xiàn)4號機組的AGC控制、協(xié)調(diào)控制、一次調(diào)頻、主汽溫度控制等功能。進一步提升火電機組的AGC控制效果，提升機組的運行安全穩(wěn)定性，增強機組的自動化控制水平。

3.3 操作步驟

3.3.1 INFIT CCS機組AGC英菲迪控制方式

機組在AGC控制方式工況穩(wěn)定時，值班員在主控畫面上檢查INFIT CCS投入條件滿足(機組不在變負荷狀態(tài)、機組主蒸汽壓力設定未變化、主蒸汽壓力設定/實際值偏差＜0.4 MPa，INFIT指令跟蹤正常)后投入INFIT CCS，即將機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制權(quán)交至INFIT系統(tǒng)控制；在該方式下退出INFIT CCS時，機組控制方式將直接退至TF。

在INFIT CCS控制方式下，根據(jù)需要進行AGC的投、退工作，并設置合理的變負荷速率。

INFIT CCS進行正常系統(tǒng)控制時，DCS（Distributed Control System，分布式控制系統(tǒng)）將以下控制權(quán)交給INFIT系統(tǒng)。

（1）燃料量指令：完全由INFIT控制系統(tǒng)計算得出。

（2）給水流量指令：完全由INFIT控制系統(tǒng)計算得出。

（3）汽機負荷指令偏置：在汽機負荷指令基礎上增加±50 MW的優(yōu)化偏置。

（4）一次風壓設定值：針對已有的DCS控制模式，對其系統(tǒng)參數(shù)的設定值增加±1.0 kPa的優(yōu)化誤差值。

（5）中間點溫度設定值：INFIT系統(tǒng)參與到中間點溫度值的優(yōu)化處理，將處理后的優(yōu)化參數(shù)值輸送給DCS系統(tǒng)，與中間溫度點接口保持兼容性。

（6）主汽壓力設定值：優(yōu)化過程不影響機組的靜態(tài)滑壓曲線，即負荷和壓力設定之間的邏輯關(guān)系保持原樣，INFIT系統(tǒng)只對鍋爐側(cè)的主蒸汽壓力給定值進行動態(tài)優(yōu)化改善。

（7）總風量設定值：在原DCS系統(tǒng)設定值基礎上增加±5%的優(yōu)化偏置。

3.3.2 INFIT SH（英菲迪系統(tǒng)下鍋爐主蒸汽減溫水調(diào)整門控制）鍋爐主汽溫英菲迪控制方式

機組工況穩(wěn)定時，值班員在汽水系統(tǒng)畫面上投入INFIT SH時，投入自動的鍋爐主蒸汽減溫水調(diào)整門控制權(quán)交至INFIT系統(tǒng)控制；在汽水系統(tǒng)畫面上退出“INFIT SH”時，鍋爐主蒸汽溫度的控制權(quán)退由機組DCS或值班員手動控制。

INFIT SH工作時，AGC系統(tǒng)將以下變量的控制權(quán)交出：

（1）Ⅰ級減溫A調(diào)整門開度指令。

（2）Ⅰ級減溫B調(diào)整門開度指令。

（3）Ⅱ級減溫A調(diào)整門開度指令。

（4）Ⅱ級減溫B調(diào)整門開度指令。

（5）Ⅲ級減溫A調(diào)整門開度指令。

（6）Ⅲ級減溫B調(diào)整門開度指令。

3.3.3 發(fā)生下列情況將自動退出INFIT系統(tǒng)控制方式

（1）INFIT系統(tǒng)由DCS獲取的過程參數(shù)出現(xiàn)異常時，INFIT系統(tǒng)立即將控制指令保持，并將控制權(quán)交還給機組DCS系統(tǒng)。

（2）INFIT系統(tǒng)發(fā)生CPU死機、通信故障、系統(tǒng)掉電等故障情況時，INFIT系統(tǒng)立刻停機并交還其所有的控制權(quán)給原DCS系統(tǒng)，維持控制指令的波動幅度，保證控制指令的平穩(wěn)交接。

（3）DCS系統(tǒng)發(fā)生主要自動回路切手動、RunBack（鍋爐快速減負荷）等異常工況時，INFIT系統(tǒng)立即退出工作，機組平穩(wěn)過渡到原DCS控制的運行方式。

（4）機組有關(guān)設備自動退出，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級減溫水自動均退出時，自動退出INFIT SH汽溫控制方式。

機組控制方式退至CCS以下時，自動退出INFIT CCS控制方式。

在機組正常運行情況下，應投入INFIT控制系統(tǒng)（機組控制方式為INFIT CCS），且投入AGC負荷控制，并按要求設置AGC負荷變化速率。同時還應投入INFIT SH控制系統(tǒng)，以協(xié)助INFIT CCS控制方式更快響應AGC負荷指令變化。

在INFIT控制系統(tǒng)投入階段，值班員應加強對系統(tǒng)、參數(shù)的監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常及時退至原機組DCS控制方式進行控制、調(diào)整，并將有關(guān)異常情況向鍋爐運行專業(yè)、生產(chǎn)技術(shù)部進行匯報，以便聯(lián)系廠家對其進行優(yōu)化完善。

3.3.4 INFIT投入運行期間注意事項

（1）各磨煤機運行工況，防止出現(xiàn)磨煤機堵塞、出口溫度不正常升高等異常情況。

（2）各段汽溫的變化趨勢，防止主蒸汽/再熱蒸汽溫度、受熱面管壁溫度超限。

（3）主蒸汽壓力變化情況，防止壓力超限。

（4）脫硝進口氮氧化物變化趨勢，控制好出口氮氧化物濃度不超標（最終控制目標是煙囪入口的氮氧化物濃度≯50 mg/m3）。

（5）各一次風機運行工況，防止出現(xiàn)搶風異常。

（6）一旦INFIT控制方式退出，值班員應立即檢查各制粉系統(tǒng)運行工況、各減溫水調(diào)整門開度情況以及主蒸汽壓力情況，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。

4 INFIT系統(tǒng)的控制與優(yōu)化效果

望亭發(fā)電廠3/4號機組是2臺設備、參數(shù)相同的機組，工作特性基本一致。其中4號機組于2016年安裝INFIT系統(tǒng)，3號機組未安裝INFIT系統(tǒng)。將3號機組未安裝INFIT系統(tǒng)時和4號機組安裝投入INFIT系統(tǒng)后進行對比。

（1）未引入INFIT的原控制系統(tǒng)中，響應電網(wǎng)AGC控制下，3號火力發(fā)電機組的中間點溫度受機組變功率的影響如圖1所示。

（2）引入INFIT的原控制系統(tǒng)中，響應電網(wǎng)AGC控制下，4號火力發(fā)電機組的中間點溫度受機組變功率的影響如圖2所示。

從圖1和圖2可以看出，引入INFIT優(yōu)化系統(tǒng)前，3號機中間點溫度最大偏差7.9℃，負荷最大偏差7 MW；引入INFIT優(yōu)化系統(tǒng)后，4號機中間點溫度最大偏差5.9℃，負荷最大偏差1 MW。

（3）3號，4號火力發(fā)電機組主汽溫度壓力跟隨機組負荷變化的響應情況如圖3、圖4所示。

從圖3和圖4可以看出，優(yōu)化前3號機主汽壓力最大偏差0.5 MP，主蒸汽溫度上下波動幅度5.4℃，優(yōu)化后4號機主汽壓力最大偏差0.2 MPa，主蒸汽溫度上下波動幅度4.1℃。

（4）3號，4號火力發(fā)電機組燃料輸送量隨機組負荷變化的響應情況如圖5、圖6所示。

圖1 3號機組系統(tǒng)優(yōu)化前中間點溫度及負荷變化

圖2 4號機組系統(tǒng)優(yōu)化后中間點溫度及負荷變化

圖3 3號機組系統(tǒng)優(yōu)化前主汽溫度壓力及負荷變化

從圖5和圖6可以看出，為響應機組負荷變化控制，燃料輸送量發(fā)生了較大的波動，引入INFIT后燃料輸送量得到了優(yōu)化。綜合上述情況可以得出，在傳統(tǒng)的DCS控制下，為響應自動發(fā)電控制系統(tǒng)的變負荷控制，機組的溫度、壓力及燃料輸送量均出現(xiàn)較大的波動，影響了機組的穩(wěn)定運行，同時負荷變化響應速度并不理想。引入INFIT實時優(yōu)化控制系統(tǒng)后，4號火電機組的優(yōu)化效果對比如圖7所示。

圖4 4號機組系統(tǒng)優(yōu)化后主汽溫度壓力及負荷變化

圖5 3號機組系統(tǒng)優(yōu)化前燃料輸送量及負荷變化

圖6 4號機組系統(tǒng)優(yōu)化后燃料輸送量及負荷變化

圖7a為未加入INFIT系統(tǒng)的控制效果圖，圖7b為加入INFIT系統(tǒng)后的優(yōu)化效果圖。從上至下分別是實際負荷與負荷指令偏差、中間點溫度實際值與指令偏差、主汽壓力實際值與設定值偏差?？梢悦黠@看出，INFIT系統(tǒng)的引入,提升了機組的運行穩(wěn)定性，在響應機組負荷變化的同時，主汽溫度壓力波動較小，機組的負荷響應速度明顯上升，機組有效功率的調(diào)節(jié)精度也得到明顯提高。

圖7 4號機組INFIT系統(tǒng)優(yōu)化效果對比

5 總結(jié)

受多方面因素的影響，火力發(fā)電機組可以被看作是一個復雜多變的多輸入多輸出受控系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部一個變量的變化往往會導致巨大的連鎖反應，使得諸多變量跟隨其變化。隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對電力系統(tǒng)負荷響應要求越來越高，傳統(tǒng)的機組系統(tǒng)控制方式難以應對龐大的非線性、大慣性、時變性復雜系統(tǒng)。機組控制算法的陳舊將直接導致機組的安全穩(wěn)定性及經(jīng)濟效益受到影響，因此，對大型火電機組引入先進的優(yōu)化控制算法具有至關(guān)重要的意義。

針對超超臨界火力發(fā)電機控制系統(tǒng)存在的問題，引入INFIT實時控制系統(tǒng)并對其進行應用與對比。實踐表明，INFIT系統(tǒng)是一款專門針對現(xiàn)代火力發(fā)電機組系統(tǒng)負荷升降率低、升降精度低、系統(tǒng)波動加大、煤種適應性不理想等問題而設計的優(yōu)化控制系統(tǒng)。它融合了目前國際上較為先進的控制算法，達到了較為理想的火電機組控制效果，系統(tǒng)可靠性高、實用性強、對煤種多變的適應性較好、能夠較好的響應AGC控制、對于不同設備的通用性強且成本較低，具有很高的綜合性價比。