(1.浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司，浙江 紹興 312073; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001; 3.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京 102206)

電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”給出了機(jī)組的有償調(diào)峰補(bǔ)償服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，火力發(fā)電市場(chǎng)份額的壓縮使得這一部分補(bǔ)償也逐漸成為電力市場(chǎng)不斷爭(zhēng)奪的對(duì)象，越來(lái)越多的機(jī)組由傳統(tǒng)帶基礎(chǔ)負(fù)荷變?yōu)檎{(diào)峰機(jī)組[1]?；痣姍C(jī)組投AGC運(yùn)行時(shí)，要求其對(duì)調(diào)度指令的響應(yīng)更迅速，即更快的變負(fù)荷速率。作為AGC的考核指標(biāo)之一的調(diào)節(jié)性能Kp取決于調(diào)節(jié)速率K1、調(diào)節(jié)精度K2和響應(yīng)時(shí)間K3。Kp值被電網(wǎng)用于核算最終的補(bǔ)償電量，直接決定機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益，如何提高機(jī)組的Kp一直是AGC系統(tǒng)優(yōu)化的重點(diǎn)。一些學(xué)者從電網(wǎng)的角度出發(fā)，通過(guò)優(yōu)化負(fù)荷分配、超短期負(fù)荷預(yù)報(bào)等手段改善區(qū)域內(nèi)的AGC性能[2-3]。也有一些學(xué)者從機(jī)組側(cè)的角度出發(fā)，尋求提升機(jī)組速率對(duì)AGC指令的跟蹤能力的方法。文獻(xiàn)[4]通過(guò)增加鍋爐主控前饋信號(hào)和優(yōu)化磨煤機(jī)熱風(fēng)擋板控制邏輯等方法解決了機(jī)組由于鍋爐的大延遲特性無(wú)法投AGC運(yùn)行的問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]在鍋爐側(cè)采用動(dòng)態(tài)變負(fù)荷控制、在汽機(jī)側(cè)修正調(diào)門(mén)控制邏輯的策略，保證變負(fù)荷時(shí)機(jī)組蒸汽參數(shù)波動(dòng)仍處于正常波動(dòng)范圍內(nèi)。文獻(xiàn)[6]對(duì)AGC指令在限速濾波前增加慣性濾波的方案，避免了機(jī)組變負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)較大的機(jī)前壓力偏差。文獻(xiàn)[7]建立基于煤量預(yù)測(cè)前饋的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，通過(guò)煤量預(yù)測(cè)前饋使得煤量供給變化滿足負(fù)荷響應(yīng)要求。文獻(xiàn)[8]和[9]分別研究了利用凝結(jié)水節(jié)流和增加儲(chǔ)能的方式對(duì)改善AGC的影響。此外，通過(guò)直接改變機(jī)組變負(fù)荷速率設(shè)定值也是一種用于提升機(jī)組AGC指令跟蹤能力的手段；但過(guò)大地變負(fù)荷速率設(shè)置會(huì)對(duì)機(jī)組設(shè)備的使用壽命造成影響[10-11]。因此，部分學(xué)者試圖建立汽輪機(jī)的壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為機(jī)組安全變負(fù)荷運(yùn)行提供保障[12-13]。但這種利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算預(yù)警的監(jiān)測(cè)方法仍存在一定的滯后性，致使真正投入實(shí)際應(yīng)用的方法比較少。因此，保證變負(fù)荷速率設(shè)置在正常范圍內(nèi)有效改善機(jī)組AGC性能的方法仍是一種必要的手段。通過(guò)設(shè)計(jì)前饋階躍控制策略、利用調(diào)門(mén)儲(chǔ)能提升機(jī)組AGC指令跟蹤能力的研究未見(jiàn)公開(kāi)權(quán)威詳細(xì)論述。

本文在綜合前人研究工作的基礎(chǔ)上分析了機(jī)組投AGC運(yùn)行時(shí)對(duì)各設(shè)備的影響，針對(duì)機(jī)組設(shè)備自身的特性以及電網(wǎng)考核標(biāo)準(zhǔn)，提出了基于功率信號(hào)階躍修正的AGC綜合優(yōu)化方法，通過(guò)對(duì)去往汽輪機(jī)主控制器的實(shí)際功率信號(hào)階躍修正改善機(jī)組的指令跟蹤性能。該方法充分利用調(diào)門(mén)自身的儲(chǔ)能特性，在保證機(jī)組AGC指令跟蹤能力的同時(shí)將機(jī)組變負(fù)荷速率設(shè)定值調(diào)整至正常范圍，緩解了機(jī)組追求快速變負(fù)荷能力和自身設(shè)備使用壽命間的矛盾，具有極大的實(shí)際推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)際機(jī)組AGC性能問(wèn)題及分析

1.1 機(jī)組概況及存在的問(wèn)題

某電廠330 MW亞臨界六調(diào)門(mén)機(jī)組，為了提升機(jī)組對(duì)AGC指令的跟蹤能力，將變負(fù)荷速率設(shè)定值由7 000 W/min提升至9 000 W/min。由此不僅引發(fā)調(diào)門(mén)擺動(dòng)問(wèn)題，并且過(guò)大地變負(fù)荷速率設(shè)定值嚴(yán)重影響了機(jī)組的使用壽命。針對(duì)以上存在的問(wèn)題，前期通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)前饋及主控制器參數(shù)變?cè)鲆鎯?yōu)化設(shè)計(jì)，如圖1所示。但問(wèn)題仍無(wú)法解決，最終機(jī)組只能在高變負(fù)荷速率狀態(tài)下長(zhǎng)期運(yùn)行。

1.2 機(jī)組AGC性能問(wèn)題分析

在機(jī)組諸多AGC優(yōu)化方法中，直接提升機(jī)組變負(fù)荷速率設(shè)定值是一種最為直接的方法，但由此給機(jī)組帶來(lái)很多不利影響，可以概括為以下兩個(gè)方面：

(a)汽輪機(jī)側(cè)

在汽輪機(jī)側(cè)，調(diào)頻機(jī)組投AGC后，負(fù)荷不斷變化，使得調(diào)門(mén)頻繁動(dòng)作，加快磨損，降低了調(diào)門(mén)使用壽命。并且機(jī)組需要有較高的變負(fù)荷速率才能更快速的跟蹤AGC指令，而變負(fù)荷速率過(guò)高會(huì)加快轉(zhuǎn)子壽命的損耗。研究表明，當(dāng)變負(fù)荷速率由3 MW/min變?yōu)? MW/min時(shí)，由此對(duì)轉(zhuǎn)子壽命損耗提升了4～7倍[8]。

(b)鍋爐側(cè)

對(duì)于爐跟機(jī)的調(diào)頻機(jī)組，負(fù)荷波動(dòng)使調(diào)門(mén)動(dòng)作，引發(fā)機(jī)前蒸汽壓力變化，這種偏差信號(hào)傳遞給鍋爐主控制器，從而改變?nèi)剂狭?，送風(fēng)量等。偏差信號(hào)越大，燃料量改變了越大。特別是在升負(fù)荷末，降負(fù)荷開(kāi)始的階段，AGC指令正反變化引起燃料調(diào)整量的疊加，會(huì)產(chǎn)生更大的擾動(dòng)，如圖2所示。

燃料量、送風(fēng)量等參數(shù)的波動(dòng)對(duì)鍋爐造成的影響包括煙氣內(nèi)NOx參數(shù)大幅波動(dòng)；過(guò)熱/再熱蒸汽溫度等參數(shù)頻繁波動(dòng)；爐膛內(nèi)水冷壁、換熱器等管道壁面超溫；甚至在一定負(fù)荷區(qū)域內(nèi)，燃料量的變化可能導(dǎo)致磨煤機(jī)頻繁啟停[6]。

2 功率補(bǔ)償信號(hào)階躍優(yōu)化策略

2.1 傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法

機(jī)組投AGC要求機(jī)組必須投協(xié)調(diào)控制，AGC負(fù)荷指令最終通過(guò)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組負(fù)荷出力的控制。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)用于協(xié)調(diào)機(jī)組鍋爐側(cè)，汽機(jī)側(cè)各控制量，讓機(jī)組出力按電網(wǎng)負(fù)荷要求變化，并且在滿足電網(wǎng)負(fù)荷要求的同時(shí)還確保機(jī)組各運(yùn)行參數(shù)的波動(dòng)在合理范圍內(nèi)。圖3所示為爐跟機(jī)的協(xié)調(diào)控制方案。當(dāng)機(jī)組投AGC時(shí)，汽機(jī)側(cè)以AGC負(fù)荷指令和機(jī)組實(shí)際功率間的功率偏差作為前饋信號(hào)傳入汽輪機(jī)主控制器。各種變負(fù)荷速率優(yōu)化的本質(zhì)是調(diào)節(jié)各設(shè)備的控制信號(hào)，使設(shè)備提前動(dòng)作，減小延遲。對(duì)偏差信號(hào)修正，設(shè)置動(dòng)態(tài)的超調(diào)量，可以直接改善機(jī)組變負(fù)荷能力。

3.2 控制回路優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合以上分析，提出了一種基于功率信號(hào)階躍修正的機(jī)組AGC綜合優(yōu)化方法，邏輯如圖4所示。該方法對(duì)去往汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器的實(shí)際功率信號(hào)P進(jìn)行修正：首先判斷機(jī)組是否投入AGC模式，若AGC未投入運(yùn)行，傳遞給汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器的功率信號(hào)仍為機(jī)組的實(shí)際功率信號(hào)P；若AGC已投入運(yùn)行，首先計(jì)算指令偏差ΔP

ΔP=P′-P

(1)

隨后，判斷指令偏差ΔP與常量ΔP1的大小關(guān)系：當(dāng)ΔP(-ΔP1, ΔP1)時(shí)，去往汽輪機(jī)主控制器的功率信號(hào)仍為實(shí)際功率信號(hào)P；當(dāng)指令偏差ΔP>ΔP1時(shí)，用常量ΔP2修正去往汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器的功率信號(hào)

PT=P′-ΔP2

(2)

當(dāng)ΔP<-ΔP1時(shí)，修正信號(hào)為

PT=P′+ΔP2

(3)

2.2 控制參數(shù)估計(jì)方法

修正實(shí)際功率信號(hào)進(jìn)行時(shí)，需要給定常量ΔP1、ΔP2，具體計(jì)算公式如下

ΔP1=KaP0

(4)

ΔP2=KbP0

(5)

式中P0——機(jī)組的額定負(fù)荷；

Ka、Kb——比例系數(shù)，取值范圍由下式確定

Ka=1%×(35%～40%)

(6)

Kb=1%×(90%～92%)

(7)

其中，1%的設(shè)定根據(jù)電網(wǎng)發(fā)布的“兩個(gè)細(xì)則”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的調(diào)節(jié)過(guò)程中最大的偏差不能超過(guò)機(jī)組額定負(fù)荷P0的1%，因此ΔP1在1%機(jī)組額定負(fù)荷的基礎(chǔ)上以該值的35%～40%(約1/3)作為是否對(duì)去往汽輪機(jī)主控制器的功率信號(hào)做修正的判斷依據(jù)；常量ΔP2為機(jī)組1%額定負(fù)荷的90%～92%，確保了修正量不超過(guò)電網(wǎng)規(guī)定值。

該策略對(duì)AGC整體性能都有改善：當(dāng)指令偏差ΔP(-ΔP1,ΔP1)時(shí)，不做信號(hào)修正，可以減少閥門(mén)動(dòng)作，防止過(guò)調(diào)；當(dāng)指令偏差ΔP(-ΔP1,ΔP1)對(duì)傳遞至汽輪機(jī)主控制器的偏差信號(hào)修正，可以提高AGC響應(yīng)速度，縮短AGC響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)偏差值ΔP位于上述區(qū)間外時(shí)，調(diào)門(mén)關(guān)小，提高AGC響應(yīng)精度。

這種優(yōu)化策略在保證機(jī)組安全運(yùn)行(即汽壓在允許范圍內(nèi)變化)的前提下，合理利用機(jī)組的蓄熱能力。即在負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，通過(guò)汽輪機(jī)調(diào)門(mén)的適當(dāng)動(dòng)作，允許汽壓有一定波動(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。隨著負(fù)荷變化，AGC指令與實(shí)際功率偏差減小，當(dāng)偏差ΔP(-ΔP1,ΔP1)時(shí)，結(jié)束信號(hào)修正。在此時(shí)，送往汽輪機(jī)主控制器的偏差信號(hào)階躍性減少了ΔP2，可以減小調(diào)節(jié)速率，提高調(diào)節(jié)精度，防止過(guò)調(diào)。相對(duì)未做信號(hào)修正之前，調(diào)門(mén)總行程沒(méi)有改變，因此不會(huì)減少調(diào)門(mén)的壽命。同樣，這種優(yōu)化方法合理的利用了調(diào)門(mén)自身儲(chǔ)能，不會(huì)引發(fā)蒸汽參數(shù)的大范圍波動(dòng)，因此也不會(huì)對(duì)鍋爐使用壽命造成影響。

3 實(shí)際應(yīng)用測(cè)試及結(jié)果分析

表1為優(yōu)化前后各參數(shù)的對(duì)比，調(diào)節(jié)速率K1、調(diào)節(jié)精度K2和響應(yīng)時(shí)間K3，并得出調(diào)節(jié)性能Kp值

Kp=K1×K2×K3

(8)

從表1可看出：在9 000 W/min的變負(fù)荷速率下，優(yōu)化使Kp值由1.79提升至2.52；當(dāng)減小變負(fù)荷速率至7000 W/min時(shí)，Kp值仍為2.49，符合電網(wǎng)考核要求。

表1 330MW機(jī)組優(yōu)化前后各參數(shù)對(duì)比

性能指標(biāo)變負(fù)荷速率/W·min-1K1K2K3Kp階躍修正前9 0001.091.011.631.79階躍修正后9 0001.21.211.742.52階躍修正后7 0001.21.211.722.49

4 結(jié)論及展望

本文針對(duì)過(guò)大地變負(fù)荷速率下投AGC運(yùn)行給機(jī)組各設(shè)備的安全運(yùn)行及使用壽命造成不利影響的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行理論分析及試驗(yàn)研究，得到的結(jié)論如下：

(1)針對(duì)一臺(tái)實(shí)際機(jī)組AGC問(wèn)題，分析了傳統(tǒng)優(yōu)化方法的機(jī)理、特點(diǎn)及局限性；

(2)在此基礎(chǔ)上提出了一種基于實(shí)際功率信號(hào)階躍修正的AGC系統(tǒng)前饋優(yōu)化方法，通過(guò)對(duì)去往汽輪機(jī)主控制器的實(shí)際功率信號(hào)做階躍修正；

(3)實(shí)際測(cè)試效果證明，該方法可以充分利用調(diào)門(mén)自身的儲(chǔ)能特性，在減小變負(fù)荷速率大小設(shè)置至正常值的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)AGC指令的良好跟蹤。

本方法對(duì)于其它類型的大功率燃煤機(jī)組AGC優(yōu)化、減少電網(wǎng)考核，具有極大的實(shí)際推廣應(yīng)用價(jià)值。