AGC模式下超臨界機組協調控制策略的完善及應用

蘇 燁，張 鵬，卓魯鋒，陳 列

（1.浙江省電力試驗研究院，杭州 310014； 2.浙能樂清發電有限責任公司，浙江 樂清 325609）

我國新建機組大部分是超臨界或超超臨界機組，容量從600 MW到1000 MW不等。隨著電網容量的不斷擴大，電網對供電質量的要求也越來越高，要求電廠機組能滿足AGC控制的要求，具有較強的調峰能力和響應速度，對機組AGC控制功能及品質的考核也越來越嚴格。

機組AGC功能的正常投運建立在機組協調控制系統具有良好的控制品質基礎上。根據超臨界機組的特點優化協調控制系統策略，對機組安全穩定運行和滿足AGC投運條件很有意義。

1 原協調控制系統存在的問題

浙能樂清發電廠一期新建機組為2臺600 MW超臨界燃煤機組，鍋爐為上海鍋爐廠制造的超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛、四角切圓燃燒、全懸吊結構Π型鍋爐，采用定-滑-定運行方式。汽機為上海汽輪機有限公司制造的超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、高中壓合缸、反動凝汽式汽輪機。儀控采用北京ABB Bailey控制有限公司的Symphony控制系統。

機組調試期間發現的問題主要有：

（1）機組鍋爐蓄熱量很小，不同的負荷段蓄熱能力也不一樣，給水量對機組參數和穩定性影響明顯。直吹式制粉系統的大滯后特性不利于鍋爐和汽機之間的協調。

（2）機組正常運行過程中，由于鍋爐蓄熱小和純遲延慣性大的強耦合性特點，使機組負荷大范圍變化時負荷響應速度較快，而負荷小范圍變化時響應速度較慢。如果小范圍變化滿足響應速度快的要求，那么大范圍變化時會出現負荷超調過大，機組的安全穩定性能受到一定影響。

（3）機組對給水量和煤量的變化反應靈敏，給水量或煤量的變化對機組參數會產生較大影響，燃水比在不同工況和負荷段的匹配是機組安全穩定運行的關鍵因素之一。

（4）負荷變化初始響應慢，如果單純加大燃料主控動態前饋量，可能使機組負荷變化時超調，主要參數不穩定。

基于以上情況，在CCS策略設計和參數整定時，必須考慮燃水比的協調，保證燃燒率和給水量之間的平衡關系；另外一方面要考慮到機組蓄熱小及純遲延和大慣性強耦合性的特點，使協調控制系統能滿足機組安全穩定要求的同時，滿足AGC大、小負荷變化的快速響應要求。

2 CCS結構模型

負荷指令與各子系統控制指令之間存在線性關系，因此很多機組的協調控制系統采用直接指令平衡控制（direct instruction balance，DIB）。 DIB一般采用閉環校正和前饋指令相結合的方式，將單元機組協調控制指令送給鍋爐主控、汽輪機主控、燃料主控和給水控制。直流鍋爐的協調控制系統對象結構模型可簡化為三輸入三輸出控制系統，輸入為燃料量M、汽輪機調門開度μT和給水指令W，輸出為機前壓力PT、機組負荷NE、分離器出口蒸汽溫度θ或焓值H，相互之間存在著很強的耦合性。調節系統的汽機指令Mt和燃料指令M時域指令模型如下：

式中：ND為負荷指令；GPI、GPID為調節器算法；k1～k4為負荷—汽壓分量的配比系數；f1（x）為汽輪機前饋函數；f2（x）為超前指令函數；f3（x）為煤水分配函數；λ為焓溫選擇系數。

以往整定協調控制系統時，一般整定前饋函數和PID參數，但是由于直流爐的蓄熱較小，存在以下幾個問題：

（1）初始負荷響應慢。

（2）AGC控制模式下，負荷指令小范圍變化時負荷響應速度慢，而大范圍變化時速度能滿足要求。

（3）如果整定成負荷指令小范圍變化時速度較快，那么大范圍變化時可能會出現超調過大，機組參數不穩定。

（4）單獨固定的前饋函數已不能很好地滿足機組不同負荷段的控制要求，需要用新的控制回路予以完善。

當機組處于AGC控制模式時，電力調度中心對機組調節速率往往采取以下計算方式：

響應時間為實際功率超出響應死區的時間，一般死區設置為2 MW。進入目標區域時間為指令發出后實際功率和目標負荷達到允許偏差范圍的時間，一般允許偏差也為2 MW。MCR為機組設計滿發功率。該計算方式的問題是需要扣除響應時間，而超臨界和超超臨界機組的蓄熱小等特性往往使初始響應慢，過了初始響應區域后，后期負荷變化速率快。隨著電網的發展，對機組初始負荷響應能力的要求將有所提高，也會要求減小響應死區、降低響應時間或取消響應時間，對機組初始負荷響應速度和安全穩定經濟運行的要求也會相應提高。

3 控制策略完善

3.1 汽機主控前饋

由于超臨界直流爐蓄熱小和制粉系統的純遲延特性，依靠調整燃料主控前饋和PID參數不能很好滿足機組在一定AGC速率下負荷小幅變動的要求?？紤]到AGC考核要求和機組變負荷初期響應慢的特點，在汽機主控前饋回路增加一前饋回路，在變負荷初期犧牲一定的壓力調節品質，以滿足機組變負荷初期響應要求。邏輯如圖1所示， 函數 f（x）跟隨燃料量動態前饋量函數 f2（x）變化，當負荷指令變化時，燃料量動態前饋f2（x）起作用，f（x）同時作用到汽機前饋，直接對汽機調門進行調節。在整定f（x）函數時，需要考慮汽輪機的控制方式和參數整定情況。汽輪機調門控制分為單閥控制和順序閥控制2種。當單閥控制時，有3個主汽調門參與進汽量的調節；順序閥控制時，只有1個調門對進汽量進行調節，因此整定順序閥控制的f（x）應比單閥控制時小。

圖1 優化后的汽機主控前饋

增加此控制回路的作用是為了提高變負荷時的初始負荷響應速度，對負荷指令進行快速響應，緩解超臨界直流爐機組蓄熱小、大慣性和大遲延的問題，以滿足AGC控制方式下初始負荷響應的要求。特別是在AGC模式下的負荷指令小范圍變動過程中，如600 MW機組變化20 MW負荷指令，如果以12 MW/min的速率變化，負荷指令從起作用到負荷指令到位時間只需要100 s，但是從指令變化到煤量變化及鍋爐起作用的時間大概需要1 min左右，雖然在磨煤機一次風量調節系統中增加了微分超前環節，但還是不能克服機組蓄熱小帶來的問題，無法滿足AGC模式下快速響應的要求。增加此回路后還能提高機組的一次調頻能力，這點已在實際一次調頻動作中得到證明。

3.2 燃料主控前饋

鍋爐靜態前饋是DIB協調控制的基本組成回路，通過記錄不同負荷下相應的燃料量，得到鍋爐的靜態前饋參數。鍋爐動態前饋是DIB協調控制的動態補償回路，對機組實際響應負荷指令的速率和快速響應電網調度目標負荷具有根本性的作用。從原理來說，機組負荷指令的動態補償信號主要是在機組負荷變動時補償機組蓄熱的減少，通過參數調整可以得到燃料量前饋f2（x）的參數。在負荷變動AGC試驗中發現，單一的f2（x）函數還無法滿足機組變負荷的需要。當負荷指令小范圍變化時，機組響應慢，如果把f2（x）函數的參數放大，會使負荷指令大范圍變動時負荷超調；如果負荷指令大范圍變化時f2（x）參數滿足要求，那么小負荷指令變化時響應很慢。因此，對燃料量動態前饋增加了能根據負荷偏差變化的動態可變前饋回路，如圖2所示。

圖2 優化后的燃料主控前饋

（1）機組在增負荷過程中，如果負荷指令與實際負荷偏差變大，通過f4（x）對燃料主控動態前饋進行調整，加大燃料量；反之，如果負荷偏差變小，則通過f4（x）減少燃料量。

（2）機組在減負荷過程中，如果負荷偏差變大，通過f5（x）對燃料主控動態前饋進行調整，加大燃料量；如果負荷偏差變小，則通過f5（x）減少燃料量。

（3）機組在沒有負荷變化的穩態工況時，此回路失效，作用切為0。

（4）當存在壓力閉鎖情況時，此回路作用也失效，由原CCS控制回路自身進行閉鎖和調節。

3.3 應用效果

經過以上的策略完善和參數整定，浙能樂清發電廠600 MW超臨界機組從440 MW負荷增加至540 MW時的負荷初始響應較快，過程變化平穩，動態偏差小，汽溫波動較小，實際負荷變化率接近12 MW/min，響應曲線如圖3所示。燃料主控前饋和汽機主控前饋的幅值和時序匹配良好。圖4為機組負荷指令按470 MW→490 MW→510 MW→540 MW變動的運行參數記錄，從圖中可以看出，在模擬AGC負荷指令小幅連續變化時，機組初始響應速度快，動態過程偏差小，運行參數穩定。

圖3 優化后負荷指令大幅變動時的運行參數曲線

圖4 優化后負荷指令小幅變動時的運行參數曲線

4 結語

超臨界直流爐機組最大的特點是蓄熱小，負荷變化初始響應慢，在AGC方式時如何滿足電網自動控制要求和提高調節品質是大容量高參數機組必須考慮的問題。通過對汽機主控和燃料主控控制策略的完善，有效解決了機組升降負荷初期負荷響應慢以及機組大小負荷變化時動態偏差大的問題。從實際應用效果看，改善后的控制策略能滿足良好的機組控制和品質要求。

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