邸真珍

（淮北申能發(fā)電有限公司，安徽 淮北 235000）

引言

隨著目前我國(guó)環(huán)境保護(hù)工作的逐步加強(qiáng)，火電站的建設(shè)也朝著高效率、低能耗的方向發(fā)展，單機(jī)容量不斷加大，效率逐步提高。隨之而來(lái)的機(jī)組技術(shù)也不斷出現(xiàn)，并在工程實(shí)踐中投入使用。在700℃材料仍未大量投入電廠使用前，深挖600℃材料機(jī)組潛能，進(jìn)一步節(jié)能減排成為目前火電機(jī)組推進(jìn)的首選之路。因此，二次再熱機(jī)組以及雙軸機(jī)組也在國(guó)內(nèi)開(kāi)始建造。

1 項(xiàng)目背景

安徽平山電廠二期工程建設(shè)了單臺(tái)1 350 MW塔式爐機(jī)組，鍋爐采用二次再熱技術(shù)的同時(shí)，汽輪機(jī)采用了雙軸雙機(jī)技術(shù)，進(jìn)一步降低了煤耗，提高了機(jī)組熱效率。但在降低煤耗、節(jié)能的同時(shí)，卻對(duì)自動(dòng)控制提出了挑戰(zhàn)。如圖1所示的熱力系統(tǒng)可以看出，單臺(tái)機(jī)組實(shí)際出力由2臺(tái)獨(dú)立發(fā)電機(jī)發(fā)出，對(duì)于機(jī)組協(xié)調(diào)控制中的負(fù)荷分配問(wèn)題就成了需要解決的問(wèn)題。

圖1 二次再熱雙軸機(jī)組原則性熱力系統(tǒng)框圖

2 常規(guī)機(jī)組協(xié)調(diào)負(fù)荷指令控制策略

目前，幾乎所有電廠都已經(jīng)采用了自動(dòng)發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）自動(dòng)控制方式，由電網(wǎng)側(cè)統(tǒng)一下發(fā)負(fù)荷指令，之后經(jīng)過(guò)電廠側(cè)一系列邏輯控制，最終轉(zhuǎn)化為給水、燃料以及風(fēng)煤等指令，通過(guò)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，完成機(jī)組負(fù)荷，并按要求發(fā)出。

2.1 常規(guī)塔式爐機(jī)組負(fù)荷處理回路

參照常規(guī)1 000 MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，對(duì)常規(guī)塔式鍋爐機(jī)組的負(fù)荷處理回路進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

協(xié)調(diào)控制常規(guī)根據(jù)功能分為以下3種方式：協(xié)調(diào)控制方式（Coordinate Control System，CCS）、鍋爐跟隨方式（Boiler Follow，BF）和汽輪機(jī)跟隨方式（Turbine Follow，TF）[1]。

燃料主控自動(dòng)、鍋爐主控手動(dòng)控制燃料量、汽機(jī)主控手動(dòng)控制調(diào)門(mén)開(kāi)度為基本控制方式。鍋爐主控自動(dòng)控制主汽壓力、汽機(jī)主控手動(dòng)控制負(fù)荷為鍋爐跟隨方式。汽機(jī)主控自動(dòng)控制主汽壓力、鍋爐主控手動(dòng)控制負(fù)荷為汽機(jī)跟隨方式。而運(yùn)用較多的則是鍋爐控制主汽壓力、汽機(jī)控制負(fù)荷、負(fù)荷指令由協(xié)調(diào)控制產(chǎn)生并發(fā)送至數(shù)字電液控制系統(tǒng)（Digital Electro-Hydraulic control system，DEH）中進(jìn)行控制，這種方式成為CCS方式。

負(fù)荷指令設(shè)定回路接受電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）指令[2]，經(jīng)速率限制，負(fù)荷上、下限限制和負(fù)荷指令增、減閉鎖等運(yùn)算后分別送往機(jī)、爐主控等回路。頻率校正回路把頻差信號(hào)轉(zhuǎn)換為負(fù)荷偏差信號(hào)，分別疊加到鍋爐主控和汽輪機(jī)主控的指令上。鍋爐主控給出根據(jù)負(fù)荷指令得出的鍋爐負(fù)荷指令，并送至給水控制以及燃料控制回路。燃料主控主要針對(duì)鍋爐指令進(jìn)行燃料量的加減與計(jì)算，熱值校正回路也在燃料主控內(nèi)。給水主控根據(jù)負(fù)荷進(jìn)行給水指令的生成，并轉(zhuǎn)化為給水泵汽輪機(jī)（下稱(chēng)小汽機(jī)）轉(zhuǎn)速信號(hào)送至小汽機(jī)電液控制系統(tǒng)（Minor Digital Electro-Hydraulic control system，MEH）進(jìn)行調(diào)節(jié)。熱值校正回路在煤種發(fā)生變化時(shí)對(duì)給煤機(jī)轉(zhuǎn)速指令進(jìn)行修正，以保證機(jī)組功率不變。其中本文所邏輯框圖探討重點(diǎn)負(fù)荷指令產(chǎn)生的邏輯框圖如下頁(yè)圖2所示。

圖2 常規(guī)機(jī)組負(fù)荷指令產(chǎn)生邏輯框圖

2.2 二次再熱雙軸機(jī)組指令產(chǎn)生回路難點(diǎn)分析

根據(jù)上述回路可以看出，常規(guī)百萬(wàn)塔式爐機(jī)組負(fù)荷回路相對(duì)比較簡(jiǎn)單，可以認(rèn)為從AGC指令輸入至機(jī)組指令輸出，回路基本為單回路，只是在回路中適當(dāng)考慮了手自動(dòng)切換、速率限幅、大小限幅等設(shè)置。

雙軸機(jī)組根據(jù)熱力系統(tǒng)，其2臺(tái)機(jī)組出力互相影響，由上頁(yè)圖1可以看出，為保證經(jīng)濟(jì)性，2號(hào)軸系無(wú)法通過(guò)DEH控制單獨(dú)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)，其汽機(jī)調(diào)門(mén)在機(jī)組正常運(yùn)行后將保持全開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)，1號(hào)軸系出力增加，勢(shì)必會(huì)造成2號(hào)軸系出力增加。但在控制回路中，為滿(mǎn)足機(jī)組啟動(dòng)、甩負(fù)荷等一系列控制要求（非本文闡述內(nèi)容，此文中不再展開(kāi)贅述），2個(gè)軸系又必須具有單獨(dú)控制回路，以確保具備獨(dú)立運(yùn)行功能。

機(jī)組正常運(yùn)行需滿(mǎn)足機(jī)組只接受一個(gè)負(fù)荷指令，但需合理分配至2臺(tái)汽輪機(jī)的要求。同時(shí)，還需滿(mǎn)足機(jī)組如啟動(dòng)、甩負(fù)荷等非正常運(yùn)行工況時(shí)2臺(tái)汽機(jī)可以獨(dú)立接受負(fù)荷指令的要求。這就要求對(duì)原有負(fù)荷處理回路進(jìn)行優(yōu)化修改，增加負(fù)荷分配中心，保證負(fù)荷指令的分配滿(mǎn)足上述兩個(gè)要求，同時(shí)力求經(jīng)濟(jì)性最好，運(yùn)行最安全可靠。

3 二次再熱雙軸機(jī)組指令產(chǎn)生控制策略制定

為滿(mǎn)足上文所述兩個(gè)要求，需要對(duì)原控制回路進(jìn)行細(xì)化，實(shí)現(xiàn)以下功能：根據(jù)雙軸機(jī)只能接受1個(gè)負(fù)荷指令，自動(dòng)調(diào)節(jié)2臺(tái)汽輪機(jī)負(fù)荷分配機(jī)制，分配至2臺(tái)汽輪機(jī)，同時(shí)2臺(tái)汽輪機(jī)所發(fā)有功與下發(fā)指令相同。主要改動(dòng)如下：

1）需增加負(fù)荷分配中心，負(fù)責(zé)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2）需考慮負(fù)荷分配中心配置于負(fù)荷處理回路中的位置。

3）一次調(diào)頻回路至負(fù)荷改變量和快速甩負(fù)荷（Run Back，RB）回路的限值如何實(shí)施。

以上問(wèn)題中，負(fù)荷分配中心為解決整個(gè)問(wèn)題的核心所在。

3.1 控制策略設(shè)計(jì)

負(fù)荷指令分配于兩個(gè)汽輪機(jī)，且要求汽輪機(jī)總負(fù)荷不變，只能依靠汽輪機(jī)自身熱力系統(tǒng)的自平衡達(dá)成。在恒定負(fù)荷指令情況下，1號(hào)軸系負(fù)荷增加，2號(hào)軸系負(fù)荷必然減少，反之亦然。因此，我們可以將總負(fù)荷指令簡(jiǎn)化成一個(gè)軸系的指令，另外一個(gè)軸系指令作為總負(fù)荷指令和原軸系指令的函數(shù)，這樣，可以實(shí)現(xiàn)控制指令的解耦。正常運(yùn)行情況下，為了保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，其中壓缸的4只進(jìn)汽調(diào)門(mén)基本處于全開(kāi)狀態(tài)，2號(hào)軸系的出力是隨動(dòng)的，基本不做調(diào)節(jié)，因此，2號(hào)軸系的控制指令可以用他所發(fā)的實(shí)發(fā)負(fù)荷代替。1號(hào)軸系通過(guò)超高壓缸進(jìn)汽調(diào)門(mén)調(diào)節(jié)，直接影響后續(xù)高壓缸以及2號(hào)軸系的出力，最終形成整個(gè)機(jī)組的出力。

通過(guò)以上的分析，得出負(fù)荷分配中心的最終控制策略，如圖3所示。

圖3 二次再熱雙軸機(jī)組負(fù)荷指令產(chǎn)生邏輯框圖

3.2 負(fù)荷分配中心與原有邏輯的結(jié)合

根據(jù)雙軸機(jī)組在電網(wǎng)中的命名規(guī)則，雖然為2臺(tái)發(fā)電機(jī)，但是在負(fù)荷調(diào)度時(shí)，電網(wǎng)仍按1臺(tái)機(jī)組考慮，即AGC指令只有1個(gè)，最終有功出力也只有1個(gè)?；诖嗽瓌t，負(fù)荷分配中心只能在AGC指令處理完成后進(jìn)行負(fù)荷分配。

此外，作為一臺(tái)機(jī)組，考慮運(yùn)行人員習(xí)慣于傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方式，包括機(jī)組高低限的設(shè)置和機(jī)組負(fù)荷變化速率的限值都是針對(duì)整臺(tái)機(jī)組設(shè)置，而不可能分別對(duì)2個(gè)軸系的汽輪機(jī)進(jìn)行設(shè)置，因此，負(fù)荷分配中心應(yīng)該經(jīng)限幅和限速率后配置負(fù)荷。

根據(jù)上文所確定的控制原則，本機(jī)作為一臺(tái)機(jī)組考慮，2號(hào)軸系隨動(dòng)，1號(hào)軸系調(diào)節(jié)，因此，一次調(diào)頻相關(guān)負(fù)荷補(bǔ)償也應(yīng)作為一臺(tái)機(jī)進(jìn)行，負(fù)荷分配中心也應(yīng)置于一次調(diào)頻負(fù)荷補(bǔ)償量之后。

最終的協(xié)調(diào)控制邏輯發(fā)至DEH內(nèi)的負(fù)荷指令產(chǎn)生回路，如圖4所示。

圖4 二次再熱雙軸機(jī)組最終邏輯框圖

3.3 對(duì)一次調(diào)頻和RB邏輯的影響

作為一臺(tái)機(jī)組，一次調(diào)頻在汽機(jī)本體側(cè)常規(guī)通過(guò)高壓調(diào)門(mén)來(lái)動(dòng)作，根據(jù)頻差以及不等率計(jì)算對(duì)應(yīng)負(fù)荷量，疊加于汽輪機(jī)控制回路的負(fù)荷設(shè)定值中，控制調(diào)門(mén)盡快響應(yīng)以滿(mǎn)足一次調(diào)頻要求。針對(duì)雙軸機(jī)組，在一次調(diào)頻問(wèn)題上，因2號(hào)軸系調(diào)門(mén)全開(kāi)，可以簡(jiǎn)化將兩臺(tái)雙軸機(jī)組看作一臺(tái)機(jī)組，因此，一次調(diào)頻的動(dòng)作完全依靠1號(hào)軸系動(dòng)作完成。熱力系統(tǒng)中1號(hào)軸系蒸汽量的減少也將直接影響2號(hào)軸系的出力，因此，看似只調(diào)節(jié)了超高壓缸調(diào)門(mén)，實(shí)質(zhì)上同時(shí)減少了2臺(tái)汽輪機(jī)的出力，與常規(guī)百萬(wàn)機(jī)組的高調(diào)門(mén)動(dòng)作調(diào)頻而中調(diào)門(mén)保持不變的道理類(lèi)似。

RB限值是從RB回路根據(jù)送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)和空預(yù)器等輔機(jī)運(yùn)行情況計(jì)算生成，雙軸機(jī)組鍋爐采用的仍舊是一臺(tái)鍋爐，輔機(jī)常規(guī)配置，因此，RB回路的限額也應(yīng)按照常規(guī)指令生成回路配置，應(yīng)配置于負(fù)荷指令仍未分配之前。RB發(fā)生后生成的指令，也需經(jīng)負(fù)荷分配中心分別送往1號(hào)和2號(hào)軸系，以確保機(jī)組負(fù)荷分配合理。

4 應(yīng)用效果

將上述控制策略在工程中進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用，完成了雙軸機(jī)的自動(dòng)控制邏輯?？刂菩Ч鐖D5所示。

圖5 雙軸機(jī)組實(shí)際負(fù)荷調(diào)節(jié)曲線(xiàn)

由圖5可以看出，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，2個(gè)軸系發(fā)電機(jī)出力也基本穩(wěn)定，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷指令增加時(shí)，因2號(hào)軸系此時(shí)實(shí)發(fā)功率在增加一刻仍未變化，增加后的總負(fù)荷指令減去未變化的2號(hào)軸系實(shí)發(fā)功率，所得出的1號(hào)軸系的負(fù)荷設(shè)定值會(huì)增大，1號(hào)軸系超高壓調(diào)門(mén)開(kāi)啟增加負(fù)荷。同時(shí)，因熱力系統(tǒng)的耦合性，2號(hào)軸系進(jìn)汽量也隨之增大，負(fù)荷也隨之增加。因機(jī)組負(fù)荷指令增加后維持不變，因此，隨2號(hào)軸系負(fù)荷的增加，引起1號(hào)軸系負(fù)荷設(shè)定值的增加量逐漸減小，1號(hào)軸系超高壓調(diào)門(mén)開(kāi)啟逐漸穩(wěn)定，最終達(dá)到新的平衡點(diǎn)。減負(fù)荷反之亦然。在機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)初期，1號(hào)軸系優(yōu)先響應(yīng)，之后2號(hào)軸系隨之動(dòng)作，最終取得負(fù)荷穩(wěn)定，完成負(fù)荷調(diào)節(jié)。

該控制策略也有缺點(diǎn)，在協(xié)調(diào)方式下，加減負(fù)荷初期階段會(huì)出現(xiàn)1號(hào)和2號(hào)軸系間負(fù)荷分配平衡過(guò)程。以加負(fù)荷為例，如AGC指令增加，此時(shí)2號(hào)軸系負(fù)荷仍未發(fā)出，1號(hào)軸系會(huì)迅速反應(yīng)開(kāi)出。待2號(hào)軸系負(fù)荷發(fā)出后，此時(shí)1號(hào)軸系負(fù)荷因前期機(jī)組指令瞬間增加減去滯后增加的2號(hào)軸系負(fù)荷，會(huì)引起超調(diào)。因此，其調(diào)門(mén)會(huì)關(guān)小回調(diào)，最終造成在負(fù)荷變動(dòng)初期負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)間加長(zhǎng)，這對(duì)機(jī)組AGC會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

5 結(jié)語(yǔ)

雙軸汽輪機(jī)分配負(fù)荷在水電等清潔能源發(fā)電行業(yè)內(nèi)運(yùn)用較多，但在大型火電站運(yùn)用則少之又少。電網(wǎng)調(diào)度發(fā)送AGC指令為1個(gè)，通過(guò)結(jié)合熱力系統(tǒng)流程工藝考慮，對(duì)2臺(tái)汽輪機(jī)負(fù)荷指令進(jìn)行解耦，重新設(shè)計(jì)控制策略，并綜合考慮一次調(diào)頻等因素，與常規(guī)負(fù)荷指令生成回路結(jié)合，最終形成大型二次再熱雙軸汽輪機(jī)火電機(jī)組的負(fù)荷指令控制策略。該策略可以解決雙軸汽輪機(jī)組的負(fù)荷分配問(wèn)題，對(duì)后續(xù)雙軸汽輪機(jī)的自動(dòng)協(xié)調(diào)控制具有一定的借鑒意義。