常耀天

(山西興能發(fā)電有限責(zé)任公司， 山西 古交 030206)

某廠600 MW超超臨界直接空冷燃煤機組2018年投入商業(yè)運行，由于電網(wǎng)對供電質(zhì)量的要求不斷提高，華北網(wǎng)《華北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細(xì)則》和《華北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細(xì)則》簡稱“兩個細(xì)則”實施后，考核力度不斷加大，機組的負(fù)荷調(diào)節(jié)品質(zhì)不佳的缺陷逐漸顯現(xiàn)，不僅影響了機組的安全、穩(wěn)定運行，同時電網(wǎng)考核結(jié)果的不理想也影響了公司經(jīng)濟(jì)利益。因此優(yōu)化機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，提高機組的穩(wěn)態(tài)運行性能和變負(fù)荷性能，同時提高機組的 “兩個細(xì)則”盈利能力迫在眉睫。

1 機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要問題

通過對機組運行狀況的摸底、控制邏輯的審查梳理、運行曲線的分析研究，發(fā)現(xiàn)機組控制系統(tǒng)最突出的問題表現(xiàn)為運行過程中變負(fù)荷性能不佳、穩(wěn)態(tài)時負(fù)荷偏差較大，造成“兩個細(xì)則”的考核效果不理想。究其原因，主要是原機組的控制策略不適合超超臨界直流鍋爐的特點，DCS組態(tài)中存在大量不適應(yīng)直流鍋爐特點的控制邏輯，如作為直流爐最關(guān)鍵的給水控制設(shè)計不合理，制約了直流爐機組變負(fù)荷性能的發(fā)揮，并且其給水控制的設(shè)計存在嚴(yán)重漏洞，特殊工況下如堵煤現(xiàn)象發(fā)生時無法保證煤水比的匹配；又如機組變負(fù)荷性能關(guān)鍵的鍋爐超調(diào)的設(shè)計完全是汽包爐的思路，過于依賴燃煤量的超調(diào)，變負(fù)荷過程中煤量波動相當(dāng)大，變負(fù)荷效果卻不理想。

機組優(yōu)化前的變負(fù)荷曲線見圖1. 由圖1可見，機組的負(fù)荷調(diào)節(jié)品質(zhì)較差，變負(fù)荷時負(fù)荷偏差較大，過熱度波動也較為明顯，最大幅度接近30 ℃，穩(wěn)態(tài)時負(fù)荷調(diào)節(jié)的精度也不夠理想，遠(yuǎn)超“兩個細(xì)則”考核要求的1%死區(qū)范圍?？傮w上來看，機組穩(wěn)態(tài)及變負(fù)荷性能不理想，嚴(yán)重影響機組的經(jīng)濟(jì)性。

因此結(jié)合機組設(shè)備的情況，制定并實施合理的協(xié)調(diào)控制策略非常必要。優(yōu)化機組的控制策略，提升機組變負(fù)荷的能力，在保證主要熱力參數(shù)在可控范圍內(nèi)，盡可能地滿足電網(wǎng)AGC的變負(fù)荷需求，達(dá)到AGC優(yōu)化的效果。

2 華北網(wǎng)AGC考核細(xì)則

機組變負(fù)荷性能的優(yōu)劣最終體現(xiàn)在電網(wǎng)“兩個細(xì)則”對AGC性能的考核指標(biāo)上，所以必須對AGC指令的形式及相應(yīng)的AGC補償考核辦法進(jìn)行分析，針對性地改進(jìn)AGC控制回路，從而提高電網(wǎng)對機組的考核成績，爭取更大的獎勵。

圖1 機組優(yōu)化前變負(fù)荷曲線圖

2.1 華北網(wǎng)AGC考核補償計算方法

華北網(wǎng)AGC考核補償辦法是根據(jù)“兩個細(xì)則”定義的，從可用率和調(diào)節(jié)性能進(jìn)行AGC的考核補償，其中可用率反映了機組AGC功能良好可用的狀態(tài)；調(diào)節(jié)性能從調(diào)節(jié)速率K1、調(diào)節(jié)精度K2和響應(yīng)時間K3三方面進(jìn)行量化計算與考核補償，調(diào)節(jié)性能綜合指標(biāo)為：Kp=K1×K2×K3.

2.2 華北網(wǎng)AGC考核補償分析

由“兩個細(xì)則”可知，調(diào)節(jié)性能綜合指標(biāo)Kp越高，考核成績越好。若K1、K2、K3某項小于1，都會被考核。機組若要K1>1,實際變負(fù)荷速率必須大于1.5%/min(9 MW/min). 若要K2>1，機組負(fù)荷處于不變時，機組負(fù)荷的穩(wěn)靜態(tài)偏差必須小于6 MW. 若要K3>1,必須使機組負(fù)荷變化開始的前1 min內(nèi)負(fù)荷變化速率達(dá)到6 MW/min(即1 min內(nèi)必須跨出機組額定功率1%的調(diào)節(jié)死區(qū))。由此可見,“兩個細(xì)則”的考核對綜合指標(biāo)Kp要求是很高的，尤其是K1和K3的值很大程度上決定著考核成績的好壞。

3 基于智能化協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計

超超臨界直流爐由于沒有汽包，鍋爐蓄熱能力小、初始負(fù)荷響應(yīng)速率慢，在AGC方式下要滿足電網(wǎng)的控制要求存在一定的難度，且直流爐協(xié)調(diào)控制必須要求機組能量保持平衡，特別是入爐的燃料量和給水量之間的平衡關(guān)系，因此要達(dá)到AGC優(yōu)化的目標(biāo)，對機組協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計提出了更高要求。

3.1 直流爐的變負(fù)荷性能分析

與汽包爐機組相比，直流鍋爐蓄熱比較小。因此，在機組變負(fù)荷的過程中，當(dāng)汽輪機高壓主汽調(diào)節(jié)閥變化時，單位主汽壓力變化引起的機組負(fù)荷變化量比較小，所以直流爐機組汽機主汽調(diào)閥調(diào)節(jié)機組負(fù)荷的能力比汽包爐機組差。汽輪機高壓主汽調(diào)節(jié)閥變化時，機組可以利用鍋爐的蓄熱，快速響應(yīng)負(fù)荷的變化，但只能維持1 min左右，無法滿足AGC考核要求。

機組負(fù)荷的變化本質(zhì)上是依靠給煤量變化來實現(xiàn)的，而該機組制粉系統(tǒng)配置的是6臺直吹式磨煤機，對于該類制粉系統(tǒng)，從給煤機轉(zhuǎn)速的變化改變給煤量到磨煤機把煤加工成煤粉，最后通過一次風(fēng)把煤粉送到爐膛燃燒轉(zhuǎn)化成熱量需要經(jīng)過約3 min，因此單純靠改變給煤量，機組很難取得理想的變負(fù)荷性能。

直流爐的給水特性相對汽包爐存在較大差異，對于直流爐改變給水量能迅速改變機組的主蒸汽壓力，此時進(jìn)入汽輪機的蒸汽量能快速變化，因此機組能快速響應(yīng)負(fù)荷變化，在變負(fù)荷初期給水量對負(fù)荷的響應(yīng)遠(yuǎn)比煤量快。但是給水量變化過快會引起機組主蒸汽溫度大幅波動，因此需要保持給水與燃燒率有比較好的動態(tài)和靜態(tài)匹配，所以在變負(fù)荷時給水量的變化速率不易過快且變化量也要適中。因此直流機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的給水控制是最關(guān)鍵的子回路，也是提高機組AGC性能的核心控制系統(tǒng)。

綜合考慮直流爐給煤量、給水量和汽機調(diào)門對機組負(fù)荷的響應(yīng)特性，最佳的協(xié)調(diào)控制策略：變負(fù)荷的前期(1.5 min前)主要由汽機高壓主汽調(diào)門來承擔(dān)，中期(0.5～2.5 min)主要由給水量的變換來響應(yīng)負(fù)荷的變化，后期(2.5 min)主要由給煤量和給水量共同響應(yīng)負(fù)荷的變化。

3.2 汽機主控的優(yōu)化設(shè)計

汽機調(diào)門調(diào)負(fù)荷的本質(zhì)是利用鍋爐的蓄能。雖然直流爐的蓄熱能力相對較小，但變負(fù)荷初期必須要充分利用這部分蓄能。因此合理利用機組的蓄能可以提高機組在變負(fù)荷初期的響應(yīng)速度。利用鍋爐蓄能快速響應(yīng)機組的負(fù)荷變化就要允許主汽壓力有適當(dāng)?shù)淖兓?，這是因為對于滑壓運行的直流鍋爐，主汽壓力主要是由給水壓力(給水泵出力)決定的，汽機調(diào)門只是在負(fù)荷動態(tài)調(diào)節(jié)、在利用或釋放鍋爐蓄熱的過程中暫時改變了主汽壓力，當(dāng)機組能量平衡達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，主汽壓力自然會恢復(fù)。

為了快速響應(yīng)AGC指令，對協(xié)調(diào)方式下的汽機主控TM回路控制策略進(jìn)行重新設(shè)計，汽機主控先是完全根據(jù)負(fù)荷偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，允許主汽壓力在一定范圍內(nèi)波動，以快速響應(yīng)AGC指令的變化，保證負(fù)荷控制的效果。在壓力偏差較大時，汽機調(diào)門兼顧主汽壓力的控制，并且主汽壓力偏差越大，主汽門兼顧壓力的權(quán)重也越大，如果主汽壓偏差超過設(shè)定值，將會閉鎖機組負(fù)荷的變化，主汽門完全兼顧主汽壓力。通過主汽壓力偏差智能化處理的設(shè)計，最大程度地發(fā)揮機組負(fù)荷調(diào)節(jié)的能力。機組協(xié)調(diào)控制原理見圖2.

圖2 機組協(xié)調(diào)控制的原理圖

3.3 鍋爐主控的優(yōu)化設(shè)計

鍋爐主控的控制策略是以負(fù)荷指令前饋為主導(dǎo)，爐主控指令同步作用于給水、燃料和風(fēng)量回路，通過設(shè)置準(zhǔn)確的BM—給水量、BM—燃料量及BM—風(fēng)量F(x)函數(shù)關(guān)系，使得變負(fù)荷時,前饋作用使給水量、煤量和風(fēng)量的變化能基本一步到位，變化到預(yù)定值，從而保證了機組負(fù)荷也隨前饋基本到位。前饋起到粗調(diào)的作用，再以PID調(diào)節(jié)為反饋起細(xì)調(diào)作用，最終使機組的負(fù)荷達(dá)到其定值，并使主汽溫度和壓力穩(wěn)定于目標(biāo)值。

在變負(fù)荷過程中，當(dāng)汽機調(diào)門響應(yīng)負(fù)荷指令充分利用鍋爐蓄能時，主汽壓力若波動較大超出合理范圍，一方面通過汽機調(diào)門的壓力拉回作用，限制調(diào)門繼續(xù)拉大壓力偏差，另一方面在鍋爐前饋環(huán)節(jié)上疊加一預(yù)定的量，以加快鍋爐主控的調(diào)節(jié)作用，通過鍋爐和汽機協(xié)同作用，使主汽壓力快速回穩(wěn)，并恢復(fù)被利用了的鍋爐蓄能。

3.4 給水主控

在直流鍋爐變負(fù)荷的過程中，通過改變給水量的大小能快速改變機組的負(fù)荷。但由于直吹式制粉系統(tǒng)從煤量變化到轉(zhuǎn)化成鍋爐熱量的過程(燃燒率)有較大的延遲，為了保證鍋爐的給水與爐內(nèi)的熱量在變負(fù)荷的動態(tài)過程中也同步變化，在煤量變化延遲一段時間后,給水量才能跟隨變化，因此通過改變給水量快速響應(yīng)機組負(fù)荷變化這一重要控制策略需要被合理抑制。

機組在變負(fù)荷的過程中，提前變化給水量，可以提高負(fù)荷變化速度，維持主汽壓力的穩(wěn)定，這對機組運行是有利的；但是提前變化給水量也會造成鍋爐分離器出口溫度(過熱度)的動態(tài)變化增加：機組在加負(fù)荷時，鍋爐給水量增加要比燃燒率的變化快，因此過熱度有一段時間會下降；減負(fù)荷時，鍋爐給水量增加要比燃燒率的變化快，因此過熱度有一段時間會上升，同時主汽溫和再熱汽溫也會有較大的變化，所以通過調(diào)節(jié)給水量的變化快速響應(yīng)負(fù)荷變化在一定程度上要允許過熱度和主汽溫度有適當(dāng)?shù)牟▌印?/p>

為了使機組快速響應(yīng)負(fù)荷的變化，在鍋爐過熱度和主汽溫度變化允許的前提下，必須適當(dāng)加快給水流量的變化，通過給水的快速響應(yīng)提高機組負(fù)荷的響應(yīng)速度?；诖怂悸?，優(yōu)化后的干態(tài)方式下給水指令前饋主導(dǎo)部分由基準(zhǔn)的BM-給水量關(guān)系得出，給水的慣性時間盡量縮短，以強化給水流量的變化對負(fù)荷的響應(yīng)；以給水來主調(diào)機組的煤/水比，分離器出口溫度用于給水流量的PID反饋修正。

給水控制的智能化處理體現(xiàn)在分離器出口溫度的智能化調(diào)節(jié)上，如加負(fù)荷時，為了提高變負(fù)荷性能，要求給水快速增加，分離器出口溫度一般會下降，此時溫度的調(diào)節(jié)作用會降低負(fù)荷，為了保證變負(fù)荷性能，實現(xiàn)先變負(fù)荷再恢復(fù)汽溫的策略，分離器出口溫度下降在安全范圍內(nèi)閉鎖減少給水流量的調(diào)節(jié)作用。在加負(fù)荷結(jié)束或溫度偏差過大時，恢復(fù)分離器出口溫度的調(diào)節(jié)作用。變負(fù)荷過程中允許分離器出口溫度在一定范圍內(nèi)波動，在一定程度上避免給水的溫度修正對負(fù)荷響應(yīng)的反作用。

3.5 智能超調(diào)的設(shè)計

機組在變負(fù)荷過程中，汽機調(diào)門快速動作，可以提高變負(fù)荷初期的負(fù)荷響應(yīng)性能，再通過給水量的提前變化，機組發(fā)電功率會持續(xù)較快變化，但由于鍋爐從煤量變化到熱量的變化客觀上存在著較大的延遲，總是滯后于發(fā)電功率的變化。因此在變負(fù)荷過程中必須對燃料量進(jìn)行超調(diào)處理，加快和加大鍋爐的熱量供給，這樣就可以補充汽機調(diào)門利用了的蓄熱，同時也可以使因給水量快速變化而引起的鍋爐蒸汽溫度恢復(fù)到正常值。

優(yōu)化后的超調(diào)采用了智能處理的方法，用于變負(fù)荷過程中主汽壓力的恢復(fù)和補充鍋爐的蓄能。變負(fù)荷時的鍋爐超調(diào)量與變負(fù)荷速率、實際負(fù)荷指令等有關(guān)，設(shè)置的變負(fù)荷速率越快，超調(diào)的量也越大；機組負(fù)荷指令越高，超調(diào)的量也越大。超調(diào)持續(xù)時間不同于常規(guī)超調(diào)僅在負(fù)荷指令變化的過程中存在，而是根據(jù)機組主汽壓力、溫度等熱力參數(shù)的變化而智能判斷的。通過這種超調(diào)持續(xù)時間的智能判斷，可以使機組在整個變負(fù)荷過程中，不僅可以快速響應(yīng)負(fù)荷的變化，還可以減小機組主汽溫度和壓力的變化幅度，使機組安全穩(wěn)定運行，滿足機組滑壓的運行要求。鍋爐超調(diào)信號生成后疊加到爐主控指令上，作用于給水、煤量等調(diào)節(jié)回路，其邏輯原理圖見圖3.

4 基于兩個細(xì)則的針對性優(yōu)化

4.1 增大調(diào)節(jié)速率，提高K1值

為了使實際變負(fù)荷速率達(dá)到甚至超過9 MW/min(1.5%/min)，機組變負(fù)荷速率的設(shè)置不得不抬高，在優(yōu)化調(diào)試過程中變負(fù)荷速率逐步提高，目前機組速率都設(shè)置在15 MW/min.

變負(fù)荷速率提高后，更多更快地利用了鍋爐的蓄熱，這就必須提高燃燒率的超調(diào)量，需要足夠量的煤量、給水的超調(diào)來及時補充蓄熱。目前采用的是智能超調(diào)，煤量、給水的超調(diào)量都與變負(fù)荷速率有關(guān)。

4.2 加強汽機主控對負(fù)荷的響應(yīng)，提高K3值

分析AGC投用期間的考核結(jié)果，K3指標(biāo)的提升尚有余量，為了使機組在變負(fù)荷前1 min內(nèi)可靠跨出1%的調(diào)節(jié)死區(qū)，減小變負(fù)荷的響應(yīng)時間，在汽機主控邏輯中增加負(fù)荷指令的微分環(huán)節(jié)，利用汽機調(diào)門對負(fù)荷瞬時快速反應(yīng)，提高機組在變負(fù)荷初期的響應(yīng)速率，從而能夠提高響應(yīng)時間K3的值。

5 優(yōu)化后AGC投運效果

通過定期跟蹤觀察AGC的投用情況，對機組運行曲線和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)一步細(xì)化調(diào)整控制邏輯及參數(shù)，機組的變負(fù)荷性能有了一定程度的提高。目前機組的變負(fù)荷速率設(shè)置為15 MW/min(2.5%)，在AGC方式下實際負(fù)荷已經(jīng)基本能夠貼合負(fù)荷指令，且機組的主要運行參數(shù)都控制在正常范圍內(nèi)，完全能夠滿足電網(wǎng)AGC運行的需求。

機組優(yōu)化后的實際運行曲線見圖4，允許負(fù)荷變化速率都設(shè)置為15 MW/min. 機組在各種工況下實際負(fù)荷都能完全貼合15 MW/min變化的負(fù)荷指令，過熱度、主汽溫度和再熱汽溫等都在合理范圍內(nèi)波動，變負(fù)荷結(jié)束后的穩(wěn)態(tài)性能良好。

圖3 鍋爐超調(diào)邏輯原理圖

圖4 機組AGC方式下頻繁三角波變負(fù)荷曲線圖

6 結(jié) 論

優(yōu)化后,該機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)各項指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)異，機組在變負(fù)荷的過程中主汽壓力最大變化幅度在0.7 MPa，主汽溫度變化幅度在15 ℃以內(nèi)，接近能夠達(dá)到的理論值。鍋爐水冷壁沒有出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，減緩了鍋爐水冷壁氧化皮的生成，減少了鍋爐爆管次數(shù)。同時“兩個細(xì)則”的考核實現(xiàn)了由虧轉(zhuǎn)盈，機組“兩個細(xì)則”的盈利能力達(dá)每月100萬元，增加了機組在華北網(wǎng)的競爭力。