張 彪，曹 泉，盧雙龍，劉海明

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司 電力科學研究院，武漢 430077）

0 引言

芝拉扎電站位于印尼中爪哇地區(qū)，三期1000MW 擴建機組是中國首臺出口海外的百萬機組。本工程選用東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的超超臨界變壓運行直流爐，鍋爐為單爐膛、前后墻對沖燃燒、一次再熱、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)π 型布置鍋爐。鍋爐設計燃用印尼褐煤，制粉系統(tǒng)配置7 臺MPS 中速磨煤機，6 運1 備。汽輪機為上海電氣集團股份有限公司生產(chǎn)的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式、八級回熱抽汽式汽輪機。

1 超超臨界機組動態(tài)特性及控制模型分析

1.1 超超臨界直流鍋爐的蓄熱特性

在相同主汽壓參數(shù)條件下，直流鍋爐蓄熱能力僅為汽包爐的1/4 ～1/3。較小的蓄熱能力使得鍋爐慣性較小，機組啟?？焖?、機組負荷靈敏度較好；但同時又對變負荷后期的主汽壓力穩(wěn)定不利，變負荷特性較差。合理利用鍋爐蓄熱是制定控制策略和參數(shù)整定中的重要問題。在協(xié)調(diào)控制變負荷期間，以升負荷為例，升負荷的前段汽輪機調(diào)節(jié)閥快速開啟以滿足負荷調(diào)節(jié)要求，同時鍋爐通過動態(tài)前饋和加速信號進行能量補充，這期間的負荷響應基本由鍋爐蓄熱支撐；在升負荷的中后期，鍋爐補充的煤水才轉(zhuǎn)化為機組負荷。

1.2 超超臨界直流機組的非線性

火電機組的負荷——壓力具有時變性和非線性特點[1]，對機組非線性數(shù)學模型的理論研究也具有相當?shù)纳疃?，但適應于協(xié)調(diào)控制設計的非線性控制方法難以應用在工程實踐中。一般協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的工程設計方案是基于線性多變量前饋解耦理論，相當于對直流機組非線性模型在小尺度范圍內(nèi)進行近似線性化。

1.3 超超臨界直流機組控制模型

與汽包鍋爐相比較，直流鍋爐增加了中間點溫度-燃料量、給水流量關系，從而使控制模型更加復雜。超超臨界直流機組協(xié)調(diào)控制模型可簡化為三輸入三輸出多變量模型，其輸入量為燃料量M、給水流量W、汽輪機調(diào)節(jié)閥開度μ，輸出量為主汽壓力P、機組負荷N、鍋爐中間點溫度T。其狀態(tài)方程可描述為：

可見，任一輸入量變化均會引起各輸出量的變化。在該模型中的9 組輸入輸出關系中，可忽略中間點溫度-汽輪機調(diào)門開度關系，重點關注主汽壓力-燃料量、機組負荷-汽輪機調(diào)門開度、中間點溫度-燃料量、中間點溫度-給水流量等幾組關系。中間點溫度-燃料量、給水流量的關系通過鍋爐水煤比進行控制，是超超臨界直流鍋爐控制的關鍵點。

2 本工程協(xié)調(diào)控制策略

超超臨界直流鍋爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的本質(zhì)是通過直接指令平衡（DIB）的思想，協(xié)調(diào)匹配鍋爐的慢特性和汽輪發(fā)電機的快特性。由于汽機響應負荷速度快，滯后小，本工程采用以鍋爐跟隨為基礎的協(xié)調(diào)控制方式（BFCCS），即鍋爐調(diào)壓、汽機調(diào)功。

圖1 鍋爐主控原理圖Fig.1 Control diagram of boiler master

2.1 鍋爐主控回路設計

鍋爐主控是協(xié)調(diào)控制的核心，其輸出折算為負荷，代表當前鍋爐提供的能量。鍋爐主控在手動狀態(tài)時，其輸出跟蹤燃料量折算成的發(fā)電負荷。鍋爐主控的輸出同步送入燃料主控、給水主控以及風量主控，并進行了水煤交叉、風煤交叉限制以保安全。由于主汽壓對燃料量和給水的響應特性不同，燃料量對主汽壓的影響要滯后很多，因而鍋爐主控輸出的能量指令需要在給水指令處增加慣性時間，即遵循“煤快水慢”的原則。

濕態(tài)方式下，采用水跟煤的控制策略，給水投入自動，汽機處于初壓模式，機組進入TF 運行方式。燃料主控投入自動前，燃料量由運行人員手動操作（包括啟停磨工況），從而使得給水主控按照靜態(tài)水煤比自動調(diào)節(jié)過熱度；燃料主控投入自動后，運行人員僅需手動操作鍋爐主控實現(xiàn)水、煤、風的操作，完成在TF 方式下的加減負荷。

干態(tài)方式下，鍋爐主控投入自動后，機組進入?yún)f(xié)調(diào)控制模式，鍋爐主控根據(jù)主汽壓力設定值和實際主汽壓的偏差進行自動調(diào)節(jié)。與汽包爐不同，直流爐鍋爐主控一般采用直接指令平衡（DIB），速率限制后的負荷指令作為主控的靜態(tài)前饋占主要作用。穩(wěn)態(tài)工況下，鍋爐主控主要根據(jù)PID 調(diào)節(jié)器進行主汽壓調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器參數(shù)根據(jù)各典型工況采用變參數(shù)調(diào)節(jié)，且參數(shù)設置較動態(tài)工況弱；變負荷的動態(tài)工況下，為加快主汽壓動態(tài)響應，鍋爐主控的各種前饋起著至關重要的作用。如圖1 所示，本工程鍋爐主控前饋包括負荷指令靜態(tài)前饋、速率限制后負荷指令微分、主汽壓力偏差微分、主汽壓偏差超弛、負荷偏差超弛等。

2.2 主汽壓力控制策略

2.2.1 主汽壓力的全程控制

主汽壓力控制品質(zhì)的好壞對機組的安全運行意義重大[2]。啟動階段，鍋爐升溫升壓，汽輪機高壓旁路按照啟動曲線逐步將主汽壓力升至沖轉(zhuǎn)壓力，隨后旁路控制主汽壓進入定壓模式；機組并網(wǎng)后，鍋爐濕態(tài)運行，隨著旁路自動關完，自動投汽機跟隨模式（DEH 初壓模式 ），主汽壓力轉(zhuǎn)交汽輪機調(diào)門控制；給水切至主路后，投入汽泵自動和鍋爐過熱度自動，機組負荷隨燃料的手動增加而增加，主汽壓力仍由汽輪機調(diào)門控制；鍋爐轉(zhuǎn)至干態(tài)后，機組負荷-壓力匹配、磨煤機啟動完畢，投入燃料量自動，投入水煤比自動，投入鍋爐主控自動，機組進入?yún)f(xié)調(diào)控制模式，此時主汽壓力轉(zhuǎn)由鍋爐控制。

2.2.2 主汽壓滑壓曲線分析

滑壓曲線根據(jù)汽輪機熱平衡圖進行初步設置，而后在協(xié)調(diào)控制投運過程中進行調(diào)整，如圖2 所示。對于主汽壓力特性的分析，一般認為主汽壓對鍋爐燃料量呈五階慣性特點。通過實際分析表明，在機組變負荷過程中，為保證汽輪機調(diào)門在可調(diào)范圍內(nèi)，主汽壓呈現(xiàn)的是對于給水流量和燃料量的復合響應特性。如以升負荷為例，即使設置了給水前饋，變負荷初始階段主汽壓仍滯后明顯，而后由于“水調(diào)功”的快速響應特點，給水前饋能夠克服汽機調(diào)門釋放蓄熱造成的汽壓下降；變負荷中段鍋爐主控前饋補充的能量開始起作用，汽壓上升較快；變負荷后段汽壓則基本跟隨鍋爐主控靜態(tài)煤、水線產(chǎn)生的能量，汽壓變化趨于平緩。因此，從定量和時序上匹配好給水（對汽壓影響較快速）和燃料量（對汽壓影響滯后）的關系，即可很好地模擬主汽壓特性，設置好主汽壓設定值的速率和慣性時間。

2.3 水煤比控制策略

眾所周知，直流鍋爐控制策略的關鍵點為水煤比的控制[3]。調(diào)試階段應根據(jù)鍋爐熱力計算匯總對鍋爐各負荷所需給水流量和燃料量進行預設值，形成鍋爐靜態(tài)煤線、水線，而后在協(xié)調(diào)控制實際投運過程中結(jié)合操盤人員操作經(jīng)驗對其進行修訂。如圖3 所示，隨著機組負荷增加，水煤比也逐漸增大，在鍋爐轉(zhuǎn)干態(tài)期間的煤水比略小，鍋爐能量隨負荷呈非線性關系，協(xié)調(diào)控制只能在某一負荷段內(nèi)逼近理論線性，非線性的部分則由鍋爐主控動態(tài)加速信號BIR 進行調(diào)節(jié)。

2.3.1 本工程水煤比控制特點

圖2 滑壓曲線Fig.2 The sliding pressure curve

圖3 鍋爐靜態(tài)水線、煤線及水煤比曲線Fig.3 Boiler static water line, coal line and water -coal ratio curve

良好的水煤比控制策略應保證機組在動、靜態(tài)時水煤比合適，由于印尼褐煤發(fā)熱量低、揮發(fā)分高，水煤比控制在4.6 ～6.0 之間。目前，主要鍋爐廠設計的水煤比控制可分為水跟煤控制和煤跟水控制兩種方式。采用給水流量作為中間點溫度調(diào)節(jié)的方式稱為水跟煤，其優(yōu)點是中間點溫度對給水流量響應迅速，主汽溫控制精度高，缺點是主汽壓力波動較大；采用燃料量作為中間點溫度調(diào)節(jié)的方式稱為煤跟水方式，其優(yōu)點是主汽壓力波動范圍小，利于負荷響應，缺點是中間點溫度對燃料量響應較滯后，主汽溫度控制精度不高。本工程采用水/煤復合調(diào)節(jié)的水煤比控制方案，其基本控制策略是當由鍋爐需求確定了燃料量、給水流量后，中間點溫度的差異分別由給水流量、燃料量共同進行調(diào)整。當機組運行在汽機跟隨方式和協(xié)調(diào)控制變負荷期間，采用水跟煤方式，燃料量對中間點溫度的修正作用較弱；當機組運行在穩(wěn)態(tài)工況時，采用煤跟水方式，給水流量對中間點溫度的修正作用較弱。該控制方案分別克服了“水跟煤”和“煤跟水”的各自缺點，發(fā)揮其優(yōu)勢，這樣當參數(shù)整定合適，其控制效果較好[4]。

2.3.2 鍋爐加速信號（BIR）的應用

由上文分析可知，燃料主控和給水主控接收的指令來自鍋爐主控，雖然對燃料量和給水流量設置了不同的慣性時間，一定程度上實現(xiàn)了主汽壓-燃料量關系和主汽壓-給水流量關系的解耦，但煤、水仍同步動作。BIR 信號則實現(xiàn)了燃料量和給水流量超信號的分別設置，進一步將主汽壓-燃料量關系和主汽壓-給水流量關系這兩者分離，使變負荷過程中的鍋爐熱量平衡。

圖4 為本工程采用的鍋爐燃料加速信號原理圖，以加負荷中的燃料動作為例，該信號由兩部分組成：由負荷指令微分信號判斷燃料加速信號動作，根據(jù)不同負荷段對燃料加速PID 進行純積分變參數(shù)調(diào)節(jié)，PID 的輸出即為燃料超前動作量；另外一路為燃料預加量指令，該信號動作更為超前，只要在CCS 方式下的加負荷，燃料量立即動作。除此以外，根據(jù)負荷變化幅度和設定的負荷變化率對燃料量加速信號進行修正。同樣，鍋爐給水流量加速信號的構(gòu)成與此類似，與燃料量的加速信號的比例約為2:1，仍遵循“煤快水慢”的原則。鍋爐加速信號的整定一般在鍋爐主控、汽機主控、水煤比、BTU 等環(huán)節(jié)初步投用后，結(jié)合機組變負荷曲線分析進行。

2.3.3 BTU控制

本文將燃煤發(fā)熱量自動校正（BTU）納入水煤比控制范疇，因其作用范圍較小，BTU 輸出對燃料量起修正作用，直接影響了鍋爐水煤比。BTU 根據(jù)穩(wěn)定負荷下總給水流量和實際燃料量的比例將實際煤種校正到設計煤種，考慮了省煤器入口溫度變化對水煤比的影響。BTU 數(shù)值較大說明煤質(zhì)較好，在協(xié)調(diào)控制中的表現(xiàn)為鍋爐主控輸出較實際負荷小，在燃料主控指令不變而BTU 輸出變大時會自動減小煤量，使主汽壓及過熱度減小，從而使鍋爐主控指令加大，與實際負荷匹配，反之同理。通過上述自動調(diào)節(jié)的過程，使得協(xié)調(diào)控制的鍋爐主控指令與機組實際負荷大致相等，從而保證機組在變負荷過程中，鍋爐輸出的能量能夠落在設計值附近，保證良好的線性近似度。

3 協(xié)調(diào)控制投運中的問題及解決方案

3.1 機組在高負荷段的控制問題

圖4 鍋爐燃料指令BIR信號原理圖Fig.4 Diagram of boiler coal demand BIR

在機組負荷達到950MW 以上時，鍋爐動態(tài)響應較差，汽機調(diào)門易全開。造成此問題的原因也是多樣的，如煤質(zhì)較差；高低加系統(tǒng)帶缺陷運行，影響給水溫度；汽輪機調(diào)門流量特性在流量指令達到80%后，蒸汽流量隨大機調(diào)門的開大已無明顯變化；此外本工程地處熱帶，環(huán)境溫度較高，3 臺循泵均運行時機組真空也只能維持在-93KPa 左右，影響了汽輪機效率。從控制角度而言，解決辦法可歸結(jié)為鍋爐主控提供能量的快速性上，即加強鍋爐主控動態(tài)前饋、適當提高滑壓曲線、加快BTU 修正速率，放寬鍋爐主控上限并與汽機主控相匹配。通過以上方法使得該問題獲得圓滿解決。

3.2 鍋爐制粉系統(tǒng)對協(xié)調(diào)控制的影響

對配置直吹式制粉系統(tǒng)鍋爐而言，機組負荷對給煤量的響應較為滯后，主要表現(xiàn)在制粉系統(tǒng)一次風的控制問題上。磨煤機控制系統(tǒng)為多變量耦合系統(tǒng)，熱風調(diào)門主調(diào)磨入口風量，冷風調(diào)門主調(diào)磨出口溫度，冷、熱風調(diào)門互相設置開度指令前饋實現(xiàn)靜態(tài)解耦。本工程制粉系統(tǒng)存在的問題為磨煤機入口風量測點安裝在彎管處，風量隨熱風調(diào)門開度變化反應不靈敏，導致磨煤機熱風調(diào)門自動無法投入，冷風調(diào)門自動正常投入。以升負荷為例，鍋爐燃料量增加，磨煤機出口溫度降低，冷風調(diào)門關小。由于熱風調(diào)門自動未投入，導致升負荷過程中磨入口風量降低，鍋爐總一次風量降低，鍋爐燃燒無法得到有效加強，降負荷過程與此相反。后經(jīng)磨煤機入口風量重新標定、熱風調(diào)門特性區(qū)間的反復摸索，使得磨煤機熱風調(diào)門順利投入自動。從而使鍋爐一次風量與負荷同向變化，鍋爐燃燒控制良好。

圖5 連續(xù)升負荷曲線Fig.5 Curves of continuous increasing load

3.3 給水調(diào)節(jié)造成的機組變負荷過程中過熱度波動大

機組變負荷過程中鍋爐過熱度波動較大，在排除了燃料量、風量控制等無問題的情況下，通過分析曲線發(fā)現(xiàn)鍋爐給水量調(diào)節(jié)精度較差。鍋爐給水主控根據(jù)鍋爐主控指令生成的流量指令與實際給水流量進行單回路調(diào)節(jié)，并設計了給水指令對汽泵轉(zhuǎn)速的靜態(tài)前饋，通過核對汽泵流量特性曲線發(fā)現(xiàn)該靜態(tài)前饋參數(shù)設計不合理，即流量指令對應的轉(zhuǎn)速指令偏差較大，只能通過單回路PID 反復校正，導致給水流量在指令附近波動，最大可達70t/h，影響了過熱度及主汽壓的穩(wěn)定性。后經(jīng)修改給水指令至汽泵轉(zhuǎn)速的靜態(tài)前饋曲線使得此問題得到解決，給水控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能良好，并能滿足協(xié)調(diào)控制變負荷、RB，以及FCB 等各工況控制要求。

4 協(xié)調(diào)控制的投運實踐

將上述控制策略應用于芝拉扎三期百萬機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中。如圖5 ～圖7 所示，經(jīng)過多次負荷擺動試驗、反復參數(shù)整定和策略優(yōu)化，機組設置變負荷率為15MW/min，計算實際變負荷率為13MW/min，變負荷區(qū)間為500MW ～1000MW，負荷偏差最大12MW，壓力偏差最大0.6MPa，過熱度波動范圍在±8℃內(nèi)，主汽溫波動范圍在±10℃內(nèi)，汽輪機調(diào)門、給水流量及燃料量等控制量相對平穩(wěn)，機組主要參數(shù)控制品質(zhì)良好，能夠滿足相關規(guī)程要求，協(xié)調(diào)控制品質(zhì)良好。

圖6 連續(xù)降負荷曲線Fig.6 Curves of continuous decreasing load

圖7 正常運行升降負荷曲線Fig.7 Curves of increasing and decreasing load under normal operation

5 結(jié)語

超超臨界直流機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)試、投運及優(yōu)化是一項較為復雜的系統(tǒng)工作，與機組設備特點、主輔機運行特性，以及所采用的控制策略及參數(shù)整定方法等密切相關，而且需要豐富的機組運行數(shù)據(jù)，往往在機組進入商運階段仍有優(yōu)化空間。實踐表明，通過分析協(xié)調(diào)控制模型，制定合理的控制策略，根據(jù)設備資料和實際運行數(shù)據(jù)確定各靜態(tài)前饋，以水煤比為切入點設置好各動態(tài)前饋，采用BTU 控制和BIR 信號減弱過程非線性等方法，能夠使協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)獲得較好的控制品質(zhì)。