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        高供熱負荷超臨界機組AGC 控制優(yōu)化策略

        2020-09-29 07:56:48劉恩仁李然磊周長來朱永峰
        山東電力技術(shù) 2020年9期
        關(guān)鍵詞:汽機供熱指令

        劉恩仁,李然磊,周長來,朱永峰,高 嵩,張 超

        (1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院,山東 濟南 250003;2.大唐臨清熱電有限公司,山東 聊城 252600;3.山東科技大學(xué),山東 青島 266590)

        0 引言

        截至2019 年底,我國熱電聯(lián)產(chǎn)裝機規(guī)模占火電總裝機規(guī)模的37.6%。隨著新能源發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng),火力發(fā)電企業(yè)利潤逐步縮減,為了增加利潤,很多純凝機組改造為供熱機組。未來,熱電聯(lián)產(chǎn)機組在火力發(fā)電機組中的占比會越來越高。

        在國內(nèi),熱電聯(lián)產(chǎn)的超臨界機組大部分容量為350 MW,其中大部分用于冬季采暖供熱,少部分用于工業(yè)供熱[1]。以某電廠350 MW 超臨界機組參與周邊工業(yè)園區(qū)工業(yè)供熱項目為例進行分析,該機組最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 033 t/h,單臺機組最大對外供氣量可達250 t/h。

        AGC-PROPR 模式是無條件承擔(dān)調(diào)節(jié)功率的自動發(fā)電控制模式。機組在AGC-POROP 模式下,AGC指令變化頻繁,對機組調(diào)節(jié)性能要求高。供熱機組由于從中壓缸中抽出部分蒸汽用于供應(yīng)熱負荷的需求,抽出的蒸汽未在中壓缸中完全做功,從而造成機組電負荷與鍋爐負荷之間的不匹配。所以高供熱負荷超臨界機組在AGC-PROPR 模式下,經(jīng)常會出現(xiàn)AGC 調(diào)節(jié)性能不符合要求的情況。

        1 問題分析

        該機組投AGC-PROPR 模式后,AGC 性能指標長期不合格,調(diào)節(jié)速率指標(k1)長期小于1,調(diào)節(jié)精度指標(k2)[2]也不滿足要求。圖1 為該機組未優(yōu)化前投AGC-PROPR 模式后的一段時間內(nèi)的主要參數(shù)趨勢。

        圖1 優(yōu)化前主要參數(shù)趨勢

        為了增強對比性,對t1段和t2段分別計算AGC性能指標:調(diào)節(jié)速率(k1)、調(diào)節(jié)精度(k2)、響應(yīng)時間(k3)以及綜合指標(kP)。計算結(jié)果如表1 所示。

        表1 AGC 性能指標分析

        從圖1 和表1 可看出,t2段的性能指標明顯比t1段的差。t2段的綜合性能指標kP為0.91,根據(jù)《華北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》中對AGC 性能考核的規(guī)定,綜合性能指標小于1 的機組,不滿足要求。

        1.1 汽機主控性能

        從圖1 可以看出,t2段的調(diào)節(jié)速率小、調(diào)節(jié)精度低,說明汽機主控PID 的比例和積分不夠強,導(dǎo)致汽機調(diào)速汽門的動作不夠迅速,無法滿足AGC-PROPR模式下快速變負荷的要求。汽機主控邏輯中包含負荷指令的微分前饋,當機組頻繁變負荷時,負荷指令的微分前饋會起到反調(diào)作用,不利于機組快速跟隨AGC 指令做出調(diào)整。

        1.2 鍋爐主控性能

        鍋爐的控制主要在于風(fēng)、煤、水的控制,風(fēng)只要能保證鍋爐富氧燃燒即可,對超臨界直流爐來說,煤和水要在保證一定水煤比的情況下,水的響應(yīng)要滯后,煤的響應(yīng)要快[3]。從主汽壓的變化趨勢可以看出,t2段主汽壓有一個明顯上漲的趨勢,主汽壓偏差最大達到了2 MPa。當AGC 向下發(fā)指令時,雖然汽機關(guān)小調(diào)速汽門減少了進汽量,但由于這時主汽壓上漲的趨勢又增加了蒸汽的做功能力,導(dǎo)致了這一段時間內(nèi),有功功率跟不上負荷指令。t1段汽壓的波動相對平穩(wěn),所以t1段的AGC 性能指標要好得多。汽壓波動大的原因主要在于鍋爐的響應(yīng)滯后性。當AGC 指令快速增長時,汽機快速開大調(diào)速汽門以增加進汽量,但調(diào)速汽門開大會造成汽壓下降,這時候就需要鍋爐快速響應(yīng)以彌補汽壓的變化。但該機組鍋爐響應(yīng)的滯后性較大,所以導(dǎo)致汽壓波動大。

        1.3 燃料主控性能

        通過圖1 可以看出燃料量的響應(yīng)很慢,不論是t1段還是t2段,燃料量曲線和燃料指令曲線沒有交點,燃料量的變化跟不上燃料指令的變化。該機組配備正壓直吹制粉系統(tǒng),煤粉的形成要經(jīng)過輸煤、給煤、磨煤等過程,所以燃料響應(yīng)較慢。而且從圖1 中可以看出,燃料量指令的變化趨勢過于平滑,沒有急轉(zhuǎn)折點,這說明燃料指令的生成也慢。

        2 優(yōu)化方法

        2.1 供熱負荷—電負荷信號轉(zhuǎn)換

        由于機組從中壓缸排汽中抽出部分蒸汽用于供熱負荷的需要,此部分蒸汽未做功,勢必會造成機組發(fā)電負荷和鍋爐負荷之間的不匹配。此時如果仍以原負荷指令為基準進行協(xié)調(diào)控制,必然會造成鍋爐能量和汽輪機需求能量之間的失衡[4],從而導(dǎo)致機組負荷、壓力、溫度等參數(shù)的失調(diào)。不但會影響機組的安全性,更無法滿足AGC-PROPR 模式快速變負荷需要。因此將抽汽供熱流量轉(zhuǎn)換為發(fā)電負荷是十分有必要的。

        常規(guī)的經(jīng)驗公式轉(zhuǎn)換法需要測量抽汽流量、抽汽溫度、抽汽壓力等參數(shù),計算復(fù)雜且影響因素較多,難以滿足該機組帶熱供熱流量快速變負荷的需求。通過汽輪機的系統(tǒng)熱平衡圖,設(shè)計了適合本機組的轉(zhuǎn)換函數(shù)F1(x)和F2(x)。F1(x)是由12 個點組成的折線函數(shù),F(xiàn)2(x)是由6 個點組成的折線函數(shù),F(xiàn)1(x)和F2(x)的參數(shù)設(shè)置如表2 和表3 所示。增加的供熱負荷—發(fā)電負荷轉(zhuǎn)換邏輯如圖2 所示,調(diào)節(jié)級壓力經(jīng)過兩個轉(zhuǎn)換函數(shù)計算出轉(zhuǎn)換系數(shù),轉(zhuǎn)換系數(shù)乘以濾波后供熱流量就能得出轉(zhuǎn)換后的發(fā)電負荷。

        圖2 供熱負荷—發(fā)電負荷信號轉(zhuǎn)換邏輯

        表2 轉(zhuǎn)換函數(shù)F1(x)參數(shù)設(shè)置

        表3 轉(zhuǎn)換函數(shù)F2(x)參數(shù)設(shè)置

        2.2 供熱流量信號濾波處理

        供熱抽汽流量信號具有高頻波動性,而且該電廠兩臺機組共同承擔(dān)對外供汽的任務(wù),當一臺機組停機或者降負荷的時候,另外一臺機組的抽汽流量就會大幅增加,這加劇了供熱流量信號的波動性。供熱流量信號的波動勢必會造成轉(zhuǎn)化后的電負荷信號輸出的波動,這會降低機組控制的穩(wěn)定性。

        為了減小抽汽流量信號頻繁波動對控制系統(tǒng)的影響,圖2 中把供熱流量信號用超前滯后模塊LEADLAG 進行濾波處理,LEADLAG 是一個非線性的超前滯后函數(shù),tLEAD是超前時間,tLAG是滯后時間。為了得到最佳濾波效果,設(shè)置了3 種信號處理方法(一階慣性(tLEAD=0,tLAG=20)、五階慣性取平均(tLEAD=0,tLAG=20)、五階慣性取平均(tLEAD=0,tLAG=40))進行仿真試驗。仿真結(jié)果如圖3 所示,經(jīng)過對比分析可以看出五階慣性取平均(tLAG=20)后的供熱流量信號既不失真,又能有效濾波。一階慣性(tLAG=20)處理后的信號濾波效果不佳,五階慣性取平均(tLAG=40)處理后的信號失真嚴重。最終選取五階慣性取平均 (tLAG=20)作為最終的信號濾波方法。

        圖3 供熱流量信號不同處理方法對比

        2.3 燃料主控的優(yōu)化

        汽壓波動大的原因是鍋爐調(diào)整得慢,而鍋爐慢的原因又和燃料調(diào)整慢有關(guān)。燃料主控中存在的問題有兩個,第一個問題是燃料量指令生成慢,第二個問題是實際燃料量響應(yīng)慢。

        優(yōu)化前的燃料主控邏輯如圖4 所示,圖中LEADLAG 為超前滯后模塊,HLLMT 為限值模塊,DEV 為減法模塊、SUM 為加法模塊,F(xiàn)(x)為鍋爐主控指令—燃料量對應(yīng)函數(shù)。燃料指令的生成由燃料變負荷前饋(BIR)、鍋爐主控指令對應(yīng)的理論燃料量、主汽壓指令的微分前饋組成。微分前饋是為了增加速度,但主汽壓指令的微分值很小,不能滿足快速變負荷的要求。圖5 是優(yōu)化后的燃料主控邏輯,為了能讓燃料主控能快速根據(jù)壓力偏差去調(diào)整燃料量,把燃料主控原邏輯中主汽壓指令的微分改為鍋爐主控指令的微分。鍋爐主控指令中既包含了對壓力的控制,還有壓力偏差的微分前饋,燃料主控邏輯增加鍋爐主控指令的微分前饋,既能滿足快速變負荷的需要,又能在壓力偏差大時及時調(diào)整燃料量。

        圖4 優(yōu)化前燃料主控邏輯

        圖5 優(yōu)化后燃料主控邏輯

        為了讓實際燃料量能更快地跟隨燃料量指令,把燃料主控PID 的kP由0.8 加快至1,ti值由35 調(diào)整至25。

        2.4 鍋爐主控和汽機主控優(yōu)化

        在鍋爐和汽機的控制中,鍋爐的控制要比汽機復(fù)雜。汽機只有一個被控對象——調(diào)速汽門,而鍋爐的控制既包括風(fēng)、煤、水的控制,又要兼顧風(fēng)、煤、水控制的協(xié)調(diào)性,風(fēng)的控制要保證鍋爐的富氧燃燒,煤和水的控制要在保證水煤比的穩(wěn)定[5]。機組投入AGC-PROPR 模式,要求機組能快速地跟隨AGC指令的變化,并滿足調(diào)節(jié)速度、調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)時間的要求。

        圖6 為協(xié)調(diào)控制下的汽機主控邏輯,汽機主控指令的形成有兩部分,一部分是由功率偏差經(jīng)PID調(diào)節(jié)給出,一部分是負荷指令的微分前饋和負荷指令的函數(shù)前饋。

        該機組未優(yōu)化前投AGC-PROPR 模式,調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度都不符合要求。為了增加汽機調(diào)節(jié)的快速性,汽機主控邏輯中有負荷指令的前饋,汽機主控除了PID 參數(shù)不合適外,微分前饋對負荷的反調(diào)也是造成汽機主控調(diào)節(jié)慢的原因。圖7 是該機組變負荷過程中汽機主控的變化曲線,圓圈標注的地方是微分前饋反調(diào)的地方,當有功功率跟不上負荷指令時,需要汽機主控指令快速減小,但當負荷指令和AGC 指令相等時,由于微分的反調(diào)作用,造成汽機主控指令不但沒有繼續(xù)快速下降,反而有上漲的趨勢。為了減小汽機主控微分前饋的反調(diào)作用,把微分前饋的增益由4 調(diào)整為1.5。

        圖6 協(xié)調(diào)控制下的汽機主控邏輯

        為了增加機組的調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度,把汽機主控PID 的kP值由0.85 加快至0.95,ti值由7.2 調(diào)整至6.5。

        該機組在汽機主控調(diào)PID 參數(shù)進行優(yōu)化后,AGC 的調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度有一定的改善,但主汽壓波動仍然很大,主汽壓偏差最大能達到1.5 MPa,主汽壓波動大使機組的AGC 無法滿足要求。

        圖7 未優(yōu)化前汽機主控趨勢

        鍋爐主控邏輯如圖8 所示,鍋爐主控指令的形成由三部分組成,一是由主汽壓偏差經(jīng)PID 調(diào)節(jié)器給出,二是主汽壓偏差的微分前饋,三是疊加供熱轉(zhuǎn)換后負荷的負荷指令的前饋。

        為了改善鍋爐主控的調(diào)節(jié)性能,減小主汽壓的波動,鍋爐主控PID 的kP值由0.7 加快至0.95,主汽壓偏差的微分輸出限幅由±4 改為±10。

        圖8 協(xié)調(diào)控制下的鍋爐主控邏輯

        3 優(yōu)化結(jié)論及效果

        經(jīng)過優(yōu)化,該機組AGC-PROPR 模式的主要參數(shù)趨勢如圖9 所示。優(yōu)化后的AGC 性能得到了大幅提升,主汽壓不再周期性地大幅波動,主汽壓偏差能控制在0.6 MPa 以內(nèi),燃料量指令和總?cè)剂狭康淖兓俣群蛢?yōu)化前相比得到了大幅提升。有功功率能壓著負荷指令曲線變化,優(yōu)化后的k1、k2、k3分別為1.15、1.16、1.85。

        圖9 優(yōu)化后主要參數(shù)趨勢

        導(dǎo)致超臨界供熱機組AGC 性能指標不合格的原因包括:

        1)超臨界供熱機組投AGC-PROPR 模式后,主汽壓易波動,即影響機組安全性,壓力的波動又會影響機組快速變負荷能力。

        2)超臨界供熱機組在供熱流量較大的情況下,鍋爐能量和汽輪機需求能量的不平衡加大,鍋爐和汽機協(xié)調(diào)性變差。機組必須同時滿足較高的供熱負荷與發(fā)電負荷的要求[6-7]。

        3)AGC-PROPR 模式下,負荷變化頻繁,對調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)時間要求較高,再加上供熱流量大等原因,機組原PID 參數(shù)不再滿足要求。

        針對超臨界供熱機組的AGC-PROPR 模式優(yōu)化策略包括:

        1)增加供熱負荷—發(fā)電負荷轉(zhuǎn)換模塊,把轉(zhuǎn)換后的發(fā)電負荷加原負荷指令送到鍋爐主控中。消除鍋爐能量和汽輪機需求能量的不平衡。

        2)對供熱流量信號進行濾波處理,減小供熱流量的擾動。

        3)主汽壓力波動大時,如果造成主汽壓波動大的原因是燃料響應(yīng)慢,則對燃料主控邏輯進行優(yōu)化。如有必要,再對汽機主控和鍋爐主控邏輯進行相應(yīng)的優(yōu)化[8-9]。

        4)先調(diào)整汽機主控PID 參數(shù),如僅通過調(diào)整汽機主控PID 參數(shù)就能使機組AGC 性能指標滿足要求,則不調(diào)整鍋爐主控參數(shù)。鍋爐的控制較為復(fù)雜,包括風(fēng)、煤、水等,鍋爐主控參數(shù)的修改影響面較大,修改不善會造成不利后果。汽機主控優(yōu)化后,如機組AGC 性能指標還不滿足要求,則需要優(yōu)化鍋爐主控PID 參數(shù)。

        4 結(jié)語

        以某350 MW 超臨界供熱機組為例,通過優(yōu)化,機組調(diào)節(jié)性能得到提升,AGC 性能指標滿足要求,證明了本優(yōu)化策略的有效性。分析了造成超臨界供熱機組大流量供熱下AGC-PROPR 模式性能指標不合格的原因,并通過對機組優(yōu)化總結(jié)了超臨界供熱機組AGC-PROPR 模式優(yōu)化策略,對同類型的超臨界供熱機組的優(yōu)化具有一定指導(dǎo)意義。

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