莊 偉， 康 磊， 孫安娜， 田 宇， 趙太磊， 苑蔭東

(1. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 200240；2. 內(nèi)蒙古白音華煤電有限公司坑口發(fā)電分公司，內(nèi)蒙古錫林郭勒盟 026200)

2019年9月，華北能源監(jiān)管局為了適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的運行特點，主動提升發(fā)電企業(yè)并網(wǎng)運行水平，修訂印發(fā)了《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》(以下簡稱“兩個細(xì)則”)。目前，“兩個細(xì)則”已經(jīng)在華北電網(wǎng)各個電廠全面實施，其中有償輔助服務(wù)主要包括自動發(fā)電控制(AGC)和一次調(diào)頻。華北電力調(diào)度控制中心每月根據(jù)AGC調(diào)節(jié)性能綜合評判指標(biāo)公布對各統(tǒng)調(diào)機(jī)組AGC調(diào)節(jié)性能的排名，并且根據(jù)調(diào)節(jié)性能綜合評判指標(biāo)的高低對機(jī)組進(jìn)行一定的經(jīng)濟(jì)獎懲，每月的幅度最高可達(dá)百萬元，這對機(jī)組運行和控制品質(zhì)提出了更高的要求。

筆者分析了“兩個細(xì)則”中的AGC調(diào)節(jié)性能綜合評判指標(biāo)，分別針對調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度及響應(yīng)時間提出具體優(yōu)化方案，在闡述機(jī)組控制特點的基礎(chǔ)上，從熱控邏輯和運行方式優(yōu)化方面，分別對鍋爐主控回路、汽輪機(jī)主控回路、一次風(fēng)壓力控制、磨煤機(jī)啟停方式等進(jìn)行改進(jìn)。

1 AGC調(diào)節(jié)性能指標(biāo)要求

“兩個細(xì)則”中，針對火電廠投入AGC的調(diào)節(jié)速率指標(biāo)、響應(yīng)時間指標(biāo)、調(diào)節(jié)精度指標(biāo)等給出了詳細(xì)的規(guī)定。目前，一般火電機(jī)組的AGC投運率均可達(dá)到99%以上，故AGC補(bǔ)償考核指標(biāo)主要取決AGC調(diào)節(jié)性能綜合評判指標(biāo)。

1.1 AGC調(diào)節(jié)性能指標(biāo)的定義

“兩個細(xì)則”中規(guī)定AGC調(diào)節(jié)性能綜合評判指標(biāo)Kp為：

Kp=K1K2K3

(1)

K1=2-v0/v1

K2=2-ΔP1/ΔP0

K3=2-τ1/τ0

式中：K1為調(diào)節(jié)速率指標(biāo)；K2為調(diào)節(jié)精度指標(biāo)；K3為響應(yīng)時間指標(biāo)；v0、v1分別為機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速率、實際調(diào)節(jié)速率；ΔP0、ΔP1分別為調(diào)節(jié)允許的功率偏差量、實際調(diào)節(jié)的功率偏差量；τ0、τ1分別為機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)時間、實際響應(yīng)時間。

直吹式制粉系統(tǒng)火電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速率為1.5%Pe/min(Pe為機(jī)組額定有功功率)；調(diào)節(jié)允許的功率偏差量為1%Pe；火電機(jī)組AGC標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)時間為1 min。

1.2 AGC調(diào)節(jié)性能綜合評判指標(biāo)的控制策略

AGC調(diào)節(jié)性能綜合評判指標(biāo)由機(jī)組的調(diào)節(jié)速率指標(biāo)、調(diào)節(jié)精度指標(biāo)和響應(yīng)時間指標(biāo)決定。提高調(diào)節(jié)速率指標(biāo)主要是提高機(jī)組的變負(fù)荷速率，但是當(dāng)機(jī)組變負(fù)荷速率提高時，各主要參數(shù)的波動幅度也會變大，這需要綜合進(jìn)行考慮并針對AGC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行重點優(yōu)化。調(diào)節(jié)精度指標(biāo)取決于機(jī)組響應(yīng)穩(wěn)定后實際功率和目標(biāo)功率的差，主要影響因素是一次調(diào)頻的動作、汽輪機(jī)主控比例積分微分(PID)控制器中壓力拉回回路作用的強(qiáng)弱，可以通過邏輯優(yōu)化來消除這兩者的影響。提高響應(yīng)時間指標(biāo)，即減少機(jī)組跨出調(diào)節(jié)死區(qū)所用的時間。提高響應(yīng)時間指標(biāo)的方法有很多，主要的2種方法是在汽輪機(jī)主控的前饋回路、設(shè)定值回路疊加AGC指令微分信號，以及基于煙氣余熱系統(tǒng)的凝結(jié)水節(jié)流控制。

2 AGC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

2.1 機(jī)組概況

某電廠一期有2臺裝機(jī)容量為630 MW的鍋爐。鍋爐為B&WB-2028/17.5-M型亞臨界參數(shù)汽包爐，采用自然循環(huán)、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架的Π形單汽包鍋爐；燃燒系統(tǒng)采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺鍋爐配備6臺ZGM123G型中速輥式磨煤機(jī)，5臺投運、1臺備用。汽輪機(jī)為N600-16.7/538/538型亞臨界、單軸、四缸四排汽、一次中間再熱、雙背壓、反動式、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)；給水系統(tǒng)配備2臺50%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)容量的汽動給水泵和1臺30%BMCR容量的電動調(diào)速給水泵。分散控制系統(tǒng)(DCS)采用OVATION系統(tǒng)。

AGC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是大型火力發(fā)電機(jī)組的主要控制系統(tǒng)，其作用是維持鍋爐與汽輪機(jī)的能量平衡，使機(jī)組既能夠適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷變化的需要，盡最大可能發(fā)揮機(jī)組調(diào)頻、調(diào)峰的能力，同時保證機(jī)組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行。該AGC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用鍋爐跟隨(BF)為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方案，由汽輪機(jī)主控調(diào)節(jié)機(jī)組功率，鍋爐主控調(diào)節(jié)主蒸汽壓力，機(jī)組指令作為鍋爐的基礎(chǔ)靜態(tài)指令，同時采用了機(jī)組指令的動態(tài)信號加快變負(fù)荷過程中的鍋爐響應(yīng)。

2.2 基于提高調(diào)節(jié)速率指標(biāo)的控制策略

提高調(diào)節(jié)速率指標(biāo)主要是提高機(jī)組的變負(fù)荷速率，但是貿(mào)然提高機(jī)組的變負(fù)荷速率會造成機(jī)組參數(shù)波動幅度增大，影響機(jī)組的安全運行。機(jī)組變負(fù)荷速率的關(guān)鍵在于鍋爐。機(jī)組負(fù)荷指令變化時，汽輪機(jī)通過調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度響應(yīng)機(jī)組功率的變化是一個快速的過程，整個過程的響應(yīng)時間在秒級；鍋爐產(chǎn)生相應(yīng)蒸汽的過程則慢得多，產(chǎn)生的蒸汽需要經(jīng)過給煤、制粉、燃燒加熱及過熱等過程，這是一個分鐘級的慢過程。如果一味地增加機(jī)組的變負(fù)荷速率而不考慮鍋爐的實際情況，主蒸汽、再熱蒸汽的溫度，主蒸汽壓力及機(jī)組煤量均會發(fā)生大幅度波動，最終危害機(jī)組的安全運行。

2.2.1 機(jī)、爐主控回路的邏輯優(yōu)化

機(jī)組鍋爐主控采用帶前饋回路的PID控制器，由主蒸汽壓力的實際值和設(shè)定值構(gòu)成PID控制器的閉環(huán)回路，將機(jī)組指令作為鍋爐主控的基礎(chǔ)靜態(tài)前饋，并且將機(jī)組指令的微分信號作為PID控制器的動態(tài)前饋以加快變負(fù)荷過程中的鍋爐響應(yīng)。

為滿足“兩個細(xì)則”對機(jī)組調(diào)節(jié)速率的要求，需要在鍋爐主控前饋回路增加壓力設(shè)定值微分信號和負(fù)荷指令偏差信號(見圖1)，以確保AGC指令大幅度階躍變化時煤量能夠及時響應(yīng)。同時，為防止煤量過調(diào)，將負(fù)荷指令微分信號乘以主蒸汽壓力偏差修正信號替代原負(fù)荷指令微分信號(見圖2)。

圖1 負(fù)荷指令偏差信號

圖2 負(fù)荷指令微分信號

汽輪機(jī)主控采用帶前饋回路的PID控制器，機(jī)組實際負(fù)荷和負(fù)荷設(shè)定值構(gòu)成PID控制器的閉環(huán)回路。為滿足“兩個細(xì)則”對機(jī)組調(diào)節(jié)速率的要求，取消負(fù)荷設(shè)定值回路的三階慣性環(huán)節(jié)。

2.2.2 機(jī)組滑壓曲線的優(yōu)化

通過機(jī)組在450～630 MW的變負(fù)荷試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升至580 MW時，機(jī)組的高、中壓調(diào)節(jié)閥均已全開，此后機(jī)組負(fù)荷完全依靠鍋爐側(cè)的燃燒來響應(yīng)，升負(fù)荷速率變慢，嚴(yán)重影響AGC調(diào)節(jié)性能綜合評判指標(biāo)。針對這種情況，通過修改滑壓曲線，即提高機(jī)組低、中負(fù)荷點在滑壓運行中的壓力設(shè)定值，保證機(jī)組在中、低負(fù)荷的蓄熱量足夠，從而提高機(jī)組在高負(fù)荷階段的響應(yīng)速度。優(yōu)化前后的滑壓曲線見圖3。

圖3 優(yōu)化前后的滑壓曲線

2.2.3 基于制粉系統(tǒng)最大負(fù)荷的邏輯優(yōu)化

機(jī)組在4臺磨煤機(jī)運行的情況下，給煤質(zhì)量流量超過260 t/h時，磨煤機(jī)出口風(fēng)粉溫度明顯降低，機(jī)組的升溫速度趨近于0，此時電網(wǎng)給出的機(jī)組指令處于啟動第5臺磨煤機(jī)的負(fù)荷附近，并且機(jī)組計劃負(fù)荷線也基本保持平穩(wěn)，運行人員為避免頻繁啟停磨煤機(jī)，一般不會啟動第5臺磨煤機(jī)。機(jī)組在5臺磨煤機(jī)運行的情況下，給煤質(zhì)量流量超過315 t/h時，磨煤機(jī)出口風(fēng)粉溫度同樣會出現(xiàn)明顯降低，機(jī)組的升溫速度趨近于0。出現(xiàn)上述情況時，單臺給煤機(jī)已接近最大出力，單純地增加煤量，不會提高鍋爐燃燒的響應(yīng)速度，而且如果繼續(xù)增加煤量，容易造成磨煤機(jī)堵塞的風(fēng)險。針對這種工況，首先，通過修正鍋爐主控動態(tài)煤量的前饋，來減緩煤量的增加速度，保證在單臺給煤機(jī)已接近最大出力時，煤量平穩(wěn)變化；同時，為保證此時的煤粉能夠順利地被吹進(jìn)爐膛，當(dāng)有2臺及以上的磨煤機(jī)熱風(fēng)調(diào)節(jié)擋板開度超過70%時，將一次風(fēng)壓設(shè)定值提高0.2 kPa[1]。

2.2.4 機(jī)組各重要子系統(tǒng)控制策略的優(yōu)化

單純地提高給煤量的響應(yīng)速度并不能有效地改善機(jī)組AGC的響應(yīng)速度。對于直吹式制粉系統(tǒng)，從煤量指令上升直至主蒸汽壓力變化，整個過程需要3 min左右，嚴(yán)重影響AGC負(fù)荷變化時鍋爐的響應(yīng)速度。

利用負(fù)荷指令的前饋，迅速改變給煤量，可以提高磨煤機(jī)產(chǎn)生煤粉的速度，在煤量指令變化的同時，改變一次風(fēng)量，充分利用磨煤機(jī)內(nèi)的大量余粉，可以提高煤粉進(jìn)入爐膛的速度[2]。為配合磨煤機(jī)存粉的燃燒，在送風(fēng)機(jī)的控制邏輯中增加煤量變化的動態(tài)信號，同時將AGC指令信號引入二次風(fēng)門、分離燃盡風(fēng)(SOFA)風(fēng)門的控制邏輯中，既能保證磨煤機(jī)存粉燃燒所需的氧量，又能降低爐膛的火焰中心高度，提高主蒸汽壓力的響應(yīng)速度，同時還能防止鍋爐的主蒸汽及受熱面超溫。

機(jī)組變負(fù)荷速率提高時，鍋爐燃燒變化加劇，主蒸汽流量的變化也更劇烈。將汽包壓力的負(fù)向微分信號疊加至給水主控副調(diào)PID設(shè)定值，鍋爐汽包壓力的變化能夠快速地反映燃燒的變化。通過提前增減給水泵的出力，從而加快給水調(diào)節(jié)，有利于穩(wěn)定機(jī)組變負(fù)荷過程中的汽包水位。機(jī)組變負(fù)荷速率提高時，爐膛負(fù)壓變化明顯加劇，特別是鍋爐煤量開始變化的時，壓力的波動最大能達(dá)到±200 Pa。采用機(jī)組指令的微分信號作為引風(fēng)機(jī)PID控制器的前饋，能夠顯著改善爐膛負(fù)壓的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

2.3 基于提高調(diào)節(jié)精度指標(biāo)的控制策略

調(diào)節(jié)精度指標(biāo)取決于機(jī)組響應(yīng)穩(wěn)定以后，實際負(fù)荷和目標(biāo)負(fù)荷之間的差，主要影響因素是一次調(diào)頻的動作和汽輪機(jī)主控PID控制器中機(jī)前壓力偏差修正回路。

2.3.1 一次調(diào)頻系統(tǒng)優(yōu)化

表征一次調(diào)頻性能的指標(biāo)是響應(yīng)時間、穩(wěn)定時間和速度變動率。許多電廠為了提高小偏差情況下的一次調(diào)頻性能，將一次調(diào)頻動作的轉(zhuǎn)速死區(qū)設(shè)置過小。這種設(shè)置雖然能夠保證機(jī)組一次調(diào)頻動作幅度，但是對于AGC的調(diào)節(jié)精度指標(biāo)有較大影響，過小的調(diào)節(jié)死區(qū)對一次調(diào)頻響應(yīng)時間的改善效果有限，而且會導(dǎo)致汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥頻繁動作。經(jīng)過試驗論證，最終將轉(zhuǎn)速死區(qū)由±1.50 r/min改為±1.99 r/min。

2.3.2 機(jī)前壓力偏差修正回路優(yōu)化

汽輪機(jī)主控中，將機(jī)前壓力偏差信號疊加至汽輪機(jī)主控PID控制器的設(shè)定值回路，其作用為穩(wěn)定機(jī)組變負(fù)荷過程中的機(jī)前壓力變化，避免壓力偏差過大，并且能夠有效減少煤量的波動。這是以負(fù)荷精度為代價換取壓力的穩(wěn)定，若修正量偏大，有利于壓力的穩(wěn)定，但是不利于負(fù)荷的響應(yīng)，會造成負(fù)荷波動大。針對這種情況，采取的優(yōu)化策略為：機(jī)組穩(wěn)定負(fù)荷時機(jī)前壓力修正限幅為1 MPa，變負(fù)荷時機(jī)前壓力修正限幅為0.6 MPa。

2.4 基于改善響應(yīng)時間指標(biāo)的控制策略

為提高響應(yīng)時間指標(biāo)，采用在汽輪機(jī)主控的前饋回路、設(shè)定值回路疊加AGC負(fù)荷指令微分信號和基于煙氣余熱系統(tǒng)的凝結(jié)水節(jié)流控制。

2.4.1 基于汽輪機(jī)主控的AGC動態(tài)信號

為提高響應(yīng)時間指標(biāo)，需要在機(jī)組AGC信號變化的瞬間，迅速改變汽輪機(jī)的出力。因此，采取在汽輪機(jī)主控PID控制器的前饋回路中疊加AGC實際指令微分信號的方法，此微分信號能夠確保機(jī)組快速跨越調(diào)節(jié)死區(qū)(見圖4)。為了證機(jī)組的安全，在中壓調(diào)節(jié)閥處于閥門開度拐點附近時將此作用切除。為防止汽輪機(jī)主控PID控制器的反向調(diào)節(jié)，在汽輪機(jī)主控PID控制器的設(shè)定值回路中增加機(jī)組實際負(fù)荷指令(限速后)的微分信號[3]。需要特別注意的是，以上2個微分信號的動作幅度必須足夠大?！皟蓚€細(xì)則”對于調(diào)節(jié)允許的功率偏差量為機(jī)組額定有功功率的1%，因此微分信號的動作幅度應(yīng)大于機(jī)組額定有功功率的1%。

圖4 至汽輪機(jī)主控前饋的AGC負(fù)荷指令微分信號

2.4.2 基于煙氣余熱系統(tǒng)的凝結(jié)水節(jié)流控制

煙氣余熱系統(tǒng)利用省煤器出口的煙氣分別對低壓加熱器和高壓加熱器的給水進(jìn)行加熱。一路給水由6號低壓加熱器入口流經(jīng)煙氣余熱系統(tǒng)，經(jīng)加熱后匯入5號低壓加熱器出口，其給水流量由煙氣余熱系統(tǒng)出口母管閥控制；另一路給水由除氧器出口流經(jīng)煙氣余熱系統(tǒng)，經(jīng)加熱后匯入末級高壓加熱器出口，其給水流量由凝結(jié)水升壓泵控制。常規(guī)的凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)通過調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵頻率或除氧器水位調(diào)節(jié)閥開度，改變進(jìn)入除氧器和各低壓加熱器的凝結(jié)水量，以通過改變加熱器的抽汽量調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷。采用凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)對凝汽器水位、除氧器水位的控制精度和品質(zhì)提出了更高的要求。

配備煙氣余熱系統(tǒng)的機(jī)組可以通過調(diào)節(jié)煙氣余熱系統(tǒng)出口母管閥和凝結(jié)水升壓泵，從而改變進(jìn)入各高、低壓加熱器的給水流量，最終調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷。采用這種控制策略不會對凝汽器水位、除氧器水位造成較大的影響，進(jìn)入煙氣余熱系統(tǒng)的給水質(zhì)量流量最大可達(dá)300 t/h。運行數(shù)據(jù)表明：通過將AGC負(fù)荷指令微分信號引入煙氣余熱系統(tǒng)出口母管閥、凝結(jié)水升壓泵的控制回路，能夠顯著改善機(jī)組AGC的響應(yīng)時間指標(biāo)。

2.5 磨煤機(jī)啟停方式優(yōu)化

磨煤機(jī)啟停對機(jī)組AGC調(diào)節(jié)性能綜合評判指標(biāo)有比較顯著的影響，選擇合適的磨煤機(jī)啟停時機(jī)和順序能夠顯著改善機(jī)組AGC的調(diào)節(jié)速率指標(biāo)和響應(yīng)時間指標(biāo)。磨煤機(jī)的啟停時機(jī)應(yīng)充分考慮各當(dāng)前機(jī)組負(fù)荷、各磨煤機(jī)的平均煤量、磨煤機(jī)出入口一次風(fēng)差壓、磨盤振動等；磨煤機(jī)的啟停順序應(yīng)在確保鍋爐安全的基礎(chǔ)上，充分考慮主蒸汽和再熱蒸汽溫度、脫硝系統(tǒng)入口溫度等。

3 優(yōu)化效果分析

優(yōu)化前，機(jī)組以13.2 MW/min(2.2%Pe/min)的速率進(jìn)行變負(fù)荷試驗時，各主參數(shù)的變化見圖5。由圖5可得：機(jī)組以13.2 MW/min的速率進(jìn)行變負(fù)荷試驗時，主蒸汽壓力的實際值與設(shè)定值的最大偏差為0.8 MPa，汽包水位為-86～48 mm，爐膛壓力為-217～108 Pa。

圖5 2019年6月21日優(yōu)化前變負(fù)荷試驗時各主參數(shù)變化

優(yōu)化后，機(jī)組以18.0 MW/min(3%Pe/min)的速率進(jìn)行變負(fù)荷試驗時，各主參數(shù)變化曲線見圖6。由圖6可得：機(jī)組以18.0 MW/min的速率進(jìn)行變負(fù)荷試驗時，主蒸汽壓力的實際值與設(shè)定值的最大偏差為0.52 MPa，汽包水位為-56～46 mm，爐膛壓力為-192～103 Pa。

圖6 2019年7月19日優(yōu)化后變負(fù)荷試驗時各主參數(shù)變化

通過對比優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)，可以得出：優(yōu)化后機(jī)組以更快的速率進(jìn)行負(fù)荷變動時，各主要參數(shù)的波動范圍明顯變小，并且各項指標(biāo)明顯優(yōu)于優(yōu)化前。

表1、表2分別為優(yōu)化前后機(jī)組并網(wǎng)運行考核AGC調(diào)節(jié)性能指標(biāo)。

表1 優(yōu)化前2號機(jī)組AGC調(diào)節(jié)性能指標(biāo)

表2 優(yōu)化后2號機(jī)組AGC調(diào)節(jié)性能指標(biāo)

由表1、表2可得：優(yōu)化后，2號機(jī)組各項AGC調(diào)節(jié)性能指標(biāo)均有明顯改善。對比優(yōu)化前后指標(biāo)的平均值，調(diào)節(jié)速率指標(biāo)提高了27.4%，調(diào)節(jié)精度指標(biāo)提高了1.2%，響應(yīng)時間指標(biāo)提高了18.8%，AGC調(diào)節(jié)性能綜合評判指標(biāo)則提高了53.85%，整個機(jī)組的AGC調(diào)節(jié)性能大幅提升，不僅有效提高了機(jī)組對目前電網(wǎng)調(diào)節(jié)要求的適應(yīng)能力，同時可獲得穩(wěn)定的AGC調(diào)峰補(bǔ)償費用，改善了機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語

筆者分別針對機(jī)組AGC的調(diào)節(jié)速率指標(biāo)、調(diào)節(jié)精度指標(biāo)和響應(yīng)時間指標(biāo)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，得到的結(jié)論為：

(1) 對AGC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的汽輪機(jī)主控、鍋爐主控、滑壓曲線進(jìn)行一系列邏輯優(yōu)化，顯著改善了機(jī)組的AGC調(diào)節(jié)性能綜合評判指標(biāo)。

(2) 對AGC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)下行各重要子系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，加快了鍋爐的響應(yīng)速度，顯著改善了機(jī)組各主要參數(shù)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，可為同類機(jī)組的AGC優(yōu)化提供參考。