楊 勇，柯 炎

（國能陳家港發(fā)電有限公司，江蘇鹽城 224600）

我國當(dāng)前面臨不小的控煤壓力，為解決煤電存量過大、產(chǎn)能過剩及部分產(chǎn)能落后等問題，國家自“十三五”至“十四五”期間，陸續(xù)頒布實施了一系列針對性政策，加速淘汰污染重、能耗高的落后老小火電機組，提高存量設(shè)備利用率，同時大力推進高參數(shù)、大容量機組的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，以持續(xù)深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，推進煤電高效節(jié)能發(fā)展。

大量消納清潔能源，隨之而來的調(diào)峰壓力主要落在煤電機組上，這要求機組在大范圍變工況的運行狀態(tài)下，快速適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷需求的改變，同時必須將主蒸汽壓力、過再熱汽溫、煙囪入口NOx濃度等主要參數(shù)維持在合理范圍內(nèi)，以保證機組安全穩(wěn)定、高效經(jīng)濟、環(huán)保清潔地運行。深度調(diào)峰背景下，電網(wǎng)自動發(fā)電控制對燃煤發(fā)電機組機爐協(xié)調(diào)控制提出了更高要求[1-2]。

火電機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在實際運行時，有如下共性問題：目前多數(shù)電廠的機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基于常規(guī)PID 設(shè)計，在實際機組深度調(diào)峰工況下存在負(fù)荷調(diào)節(jié)速率低、調(diào)節(jié)精度差、主蒸汽壓力溫度波動幅度大等問題，無法滿足AGC 及一次調(diào)頻性能考核要求[3-4]。為此，文章基于預(yù)測控制技術(shù)設(shè)計研究深度調(diào)峰工況下先進AGC 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)。

陳家港電廠1 號機組在50%至40%深度調(diào)峰過程中，存在主汽壓力偏差較大、主汽溫度波動大、整體協(xié)調(diào)穩(wěn)定性差等問題，常通過手動調(diào)節(jié)來達到深度調(diào)峰。

1 廣義預(yù)測控制算法

從廣義上來說，預(yù)測控制以自適應(yīng)控制為起源，主要是針對離散系統(tǒng)而提出來的一種概念[5]。GPC 的計算步驟如下。

廣義預(yù)測控制基于狀態(tài)空間模型，其結(jié)構(gòu)形式見式（1）：

其中，y為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)輸出被調(diào)量；u為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)輸入控制量；x為狀態(tài)變量；k為采樣時刻；A、B、C分別為系統(tǒng)矩陣。

將式（1）的狀態(tài)空間模型轉(zhuǎn)化成增量型擴展?fàn)顟B(tài)空間模型[6]，也就是說，把輸出方程并入狀態(tài)方程，形成式（2）：

為簡化方程，將式（2）轉(zhuǎn)換為式（3）：

將式（3）作為預(yù)測模型，對系統(tǒng)未來Np步輸出進行預(yù)測，可得輸出預(yù)測方程，見式（4）。

預(yù)測控制選擇滾動優(yōu)化方法對最優(yōu)控制量進行計算，文章以二次型函數(shù)為控制系統(tǒng)性能指標(biāo)，具體公式見式（7）：

遵循最小二乘法則，能夠獲得的控制規(guī)律見式（8）：

取前Nc項代表最優(yōu)控制增量Δu（k），而Nc則表示控制步長。

從根本上說，預(yù)算控制器輸出計算以最小化性能指標(biāo)J為基礎(chǔ)，從而獲得最優(yōu)控制量序列，即u（k），u（k+1），…u（k+Nc-1），使得預(yù)測模型輸出預(yù)測和設(shè)定值w（t+j）相近，只在實際控制中用到u（k），后續(xù)展開重復(fù)計算，即可達到滾動優(yōu)化目的。

2 先進AGC協(xié)調(diào)優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用

前饋+反饋控制模式用于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)中，依照機組現(xiàn)階段的AGC 指令、電網(wǎng)頻率以及實發(fā)功率等參數(shù)對調(diào)度EMS 系統(tǒng)中的AGC 指令變化趨勢進行實時預(yù)測。同時，依照機組風(fēng)量、燃料量以及給水流量等相關(guān)參數(shù)，對鍋爐在未來時刻的熱功率信號變化值進行實時預(yù)測，同時根據(jù)兩者匹配程度對鍋爐指令變化量加以修正。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 先進AGC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，先進AGC 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在反饋回路應(yīng)用了預(yù)測控制技術(shù)，前饋部分則采用了智能前饋控制策略。通過預(yù)測控制算法對汽溫、主汽壓力等被調(diào)量的變化趨勢進行提前預(yù)測，并依照被調(diào)量變化趨勢展開控制，以實現(xiàn)機組AGC 控制系統(tǒng)抗擾動能力與閉環(huán)穩(wěn)定性的大幅提升。調(diào)節(jié)原理如下。

系統(tǒng)根據(jù)機組運行參數(shù)，動態(tài)擬合“機組負(fù)荷——燃料量、給水流量”的函數(shù)關(guān)系；根據(jù)機組負(fù)荷指令，計算基本燃料量指令、給水流量指令的靜態(tài)值；根據(jù)主汽壓力偏差，按照預(yù)測控制方法計算料量指令、給水流量指令的動態(tài)壓力調(diào)整值；根據(jù)中間點溫度、主汽溫度的偏差，決定燃料、給水調(diào)節(jié)溫度的權(quán)重系數(shù)?；驹瓌t是：在汽溫偏差不大時，基本通過改變?nèi)剂狭縼碚{(diào)節(jié)汽溫，而在汽溫偏差較大時，則通過快速調(diào)節(jié)給水量來穩(wěn)定汽溫；根據(jù)中間點溫度、主汽溫度偏差和燃料、給水調(diào)節(jié)溫度的權(quán)重系數(shù)，按照預(yù)測控制方法計算料量指令、給水流量指令的動態(tài)溫度調(diào)整值；將燃料、給水的靜態(tài)值、動態(tài)壓力調(diào)整值、動態(tài)溫度調(diào)整值相加，得出最終的燃料指令和給水流量指令。

根據(jù)上述控制規(guī)律，可以得出機組在一些典型工況下的燃料、給水指令的變化規(guī)律。

升負(fù)荷時（降負(fù)荷為逆過程）：燃料、給水同時增加，并由于制粉系統(tǒng)的大滯后特點，燃料需要有較大的過調(diào)量來彌補燃、水響應(yīng)的時間差。因此在升負(fù)荷時，燃料量增加的速率和幅度均會快于給水流量；機組壓力偏高、溫度偏高時：燃料快速減少，給水將適當(dāng)減少或不變。

機組壓力偏高、溫度偏低時：燃料適當(dāng)減少或不變，給水快速降低；運行人員降低中間點溫度控制器設(shè)定值時：燃料適當(dāng)降低，給水先快速增加，再在實際汽溫開始下降時逐步減少。

3 協(xié)調(diào)控制優(yōu)化措施

3.1 鍋爐主控變負(fù)荷前饋優(yōu)化

負(fù)荷變動情況下，因汽車響應(yīng)速度比較快，所以鍋爐燃燒具有滯后性與延時性。該情況下，機組鍋爐主控內(nèi)安裝前饋，從而組合為靜態(tài)前饋、動態(tài)前饋。靜態(tài)前饋為負(fù)荷對應(yīng)鍋爐指令折線函數(shù)，動態(tài)前饋通常會引入變負(fù)荷速率、負(fù)荷偏差等。動態(tài)前饋在負(fù)荷變動過程中的變化與燃料指令區(qū)間變化相對應(yīng)。低負(fù)荷狀態(tài)下的減負(fù)荷變動作用在于，預(yù)防動態(tài)前饋減燃料量少所導(dǎo)致給煤量指標(biāo)較少的情況，否則會對燃料穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

3.2 滑壓曲線優(yōu)化

在給水主路全開狀態(tài)下，給水母管與主汽之間的壓力差越大，那么給水流量就會隨之增大。所以，汽動給水泵為保證具有相同給水流量，在主汽壓力降低的情況下，就會影響到給水泵的轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致給水母管壓力的下降，而維持給水母管和主汽壓力的差值，能夠為既定給水量提供保障。給水流量公式見式（9）：

其中，K表示流量系數(shù)；Q表示給水流量；?P表示差壓；ρ表示給水密度。

在機組負(fù)荷臨界35%負(fù)荷的情況下，機組主汽壓力值大約是11.8 MPa，而在減負(fù)荷期間會有超調(diào)情況出現(xiàn)，主汽壓力實際數(shù)值為10.6 MPa，小汽機最低轉(zhuǎn)速為3008 r/min，為避免小汽機轉(zhuǎn)速在3000 r/min以下，跳出自動與遙控，同時對低負(fù)荷主汽壓力設(shè)定值進行適當(dāng)抬高。圖2中的壓力設(shè)定1為原設(shè)計滑壓曲線，壓力設(shè)定2為優(yōu)化后的滑壓曲線。

圖2 滑壓曲線

低負(fù)荷主汽壓力設(shè)定值適當(dāng)提升，就需要提高給水母管的壓力，并實現(xiàn)小汽輪機出力的加大，對小汽輪機運轉(zhuǎn)速度予以適時提升。然而，必須注意汽動給水泵的流量設(shè)定最小值，防止汽動給水泵因出口流量過小，造成跳閘的情況。

4 結(jié)論

針對國能陳家港電廠#1機組在深度調(diào)峰工況下存在的問題，設(shè)計了深度調(diào)峰工況下基于預(yù)測控制技術(shù)的先進AGC 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)，在#1機組的實際投用效果表明該系統(tǒng)可以平穩(wěn)地將機組負(fù)荷降至最低目標(biāo)負(fù)荷，且變負(fù)荷過程中機組汽溫、汽壓等主要參數(shù)的動態(tài)偏差均在正常的范圍內(nèi)，達到了機組深度調(diào)峰的初步預(yù)期目標(biāo)。