基于煤泥攙燒的AGC探索

武星，黃偉

(國電宿州熱電有限公司，安徽省 宿州市，234000)

0 引言

自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)是電網(wǎng)調(diào)度直接對發(fā)電廠負(fù)荷進(jìn)行遠(yuǎn)方控制的一種負(fù)荷控制方式，是保證電網(wǎng)發(fā)、供電平衡的重要手段。發(fā)電廠并網(wǎng)機(jī)組在AGC方式下運(yùn)行，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組的優(yōu)化控制、降低發(fā)電煤耗、提高經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是電網(wǎng)調(diào)度能夠以此根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷的需求直接、及時(shí)、有效地調(diào)整電廠負(fù)荷，保持電網(wǎng)能量的平衡，提高電能質(zhì)量［1］。國電宿州熱電廠在投入電廠AGC系統(tǒng)的初期各機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，負(fù)荷控制良好。但經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，由于機(jī)組某些設(shè)備改造、鍋爐燃料(攙燒煤泥)偏離設(shè)計(jì)煤種、用電結(jié)構(gòu)的變化等原因，AGC投運(yùn)出現(xiàn)了一些問題。主要表現(xiàn):機(jī)組在AGC方式下負(fù)荷響應(yīng)緩慢，達(dá)不到省調(diào)度要求的2.5 MW/min的變負(fù)荷率;調(diào)節(jié)精度差。這種現(xiàn)象影響了整個(gè)電網(wǎng)對負(fù)荷的安全控制。

1 影響因素

煤電矛盾日益凸顯，電煤價(jià)格持續(xù)上漲，已經(jīng)成為目前火力發(fā)電企業(yè)面臨的一大難題。燃料成本占發(fā)電成本的75%，如何保障供應(yīng)，控制和進(jìn)一步降低煤價(jià)成為企業(yè)能否盈利的關(guān)鍵。經(jīng)過充分論證，電廠認(rèn)為煤泥攙燒能有效降低成本。煤泥攙燒比例從最初的5%到目前的50%，最高時(shí)達(dá)到75%以上。全年平均攙燒比例為45%。

1.1 煤質(zhì)的影響

生產(chǎn)用煤質(zhì)量呈明顯的下降趨勢，發(fā)熱量較低，灰份、水份增大，煤種雜。不同種類的煤同時(shí)進(jìn)入煤場，受攙配、晾曬手段落后的影響，進(jìn)入爐膛的煤泥的質(zhì)量不斷發(fā)生變化。這種現(xiàn)象直接造成設(shè)備出力受限、局部磨損嚴(yán)重，甚至因鍋爐燃燒不穩(wěn)而跳閘，嚴(yán)重影響了機(jī)組AGC功能。由于AGC是以機(jī)組的協(xié)調(diào)控制為基礎(chǔ)，煤質(zhì)和煤量是機(jī)組帶負(fù)荷的根本，煤質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷控制手段的控制特性發(fā)生變化，在機(jī)組動態(tài)參數(shù)不變的情況下，必然造成控制品質(zhì)的波動。煤質(zhì)變化無規(guī)律，不能提前進(jìn)行參數(shù)修改，煤量的大幅增加致使部分輔助設(shè)備達(dá)到處理上限，制約AGC的運(yùn)行。

1.2 制粉系統(tǒng)的影響

中儲式制粉系統(tǒng)煤種適應(yīng)性廣、調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷或壓力的動態(tài)延遲時(shí)間短、負(fù)荷響應(yīng)快。但是，實(shí)施煤泥攙燒后造成輸煤系統(tǒng)頻繁斷煤，制粉系統(tǒng)頻繁啟停，嚴(yán)重時(shí)迫使機(jī)組停運(yùn)。這必然對AGC控制造成影響。

1.3 主汽壓力的影響

主汽壓力波動頻繁，特別是降壓速度非?？?，而升壓速率較慢，不能滿足升壓速率要求。

1.4 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)門的影響

調(diào)節(jié)門的變化幅度大，特別是3、4號調(diào)節(jié)門。一次調(diào)頻動作明顯，影響汽輪機(jī)的安全。

2 原因分析

該系統(tǒng)是典型的直接能量平衡鍋爐跟隨方式的協(xié)調(diào)控制，AGC的基礎(chǔ)是協(xié)調(diào)控制。控制原理如圖1［2-6］。圖1中Pd為汽包壓力;P1為汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級壓力;PS為主汽壓力設(shè)定值;PT為主汽壓力;K1、K2、K3為微分增益;T1、T2、T3為微分時(shí)間常數(shù);Ti為慣性時(shí)間常數(shù);HR為鍋爐熱量;BD為鍋爐指令;S為拉普拉斯算子。

圖1 協(xié)調(diào)控制原理Fig.1 Principle of coordination control

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過改變鍋爐燃燒率和汽機(jī)調(diào)節(jié)門開度來調(diào)節(jié)機(jī)組的負(fù)荷和主汽壓力［3-6］。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在保證機(jī)組安全穩(wěn)定的前提下，盡快響應(yīng)調(diào)度側(cè)的負(fù)荷變化要求，并保持主汽壓力、溫度等重要參數(shù)在允許的范圍內(nèi)。而單元制火電機(jī)組實(shí)現(xiàn)機(jī)爐協(xié)調(diào)控制有較大難度。除控制面廣、涉及的工藝設(shè)備多等原因外，其主要問題是:汽機(jī)和鍋爐是2個(gè)動態(tài)特性差異很大的控制對象。汽輪發(fā)電機(jī)組由熱動能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能再轉(zhuǎn)換成電能的全過程，過程慣性小、延遲短、調(diào)節(jié)響應(yīng)快，1次常規(guī)的調(diào)節(jié)過程，只要數(shù)s時(shí)間就可完成。而鍋爐能量的產(chǎn)生則是一個(gè)由燃料的化學(xué)變化到能量的物理轉(zhuǎn)換過程。熱量的積累、釋放過程慣性大，燃料調(diào)節(jié)遲延長。1個(gè)調(diào)節(jié)過程需要幾十s，甚至幾百s才能完成。因此，機(jī)組負(fù)荷變動時(shí)鍋爐能量調(diào)節(jié)滯后汽機(jī)能量的變化，這就決定了單元制火力發(fā)電機(jī)組的控制品質(zhì)主要取決于鍋爐帶負(fù)荷能力。

2.1 控制調(diào)制不當(dāng)

攙燒煤泥初期由于處于摸索階段，以保持穩(wěn)定性為主，投入自動的層數(shù)及給粉機(jī)臺數(shù)較少，即使投入自動又設(shè)置了偏置，這就削弱了調(diào)節(jié)作用。

2.2 主汽壓力控制偏低

主汽壓力反映鍋爐與汽輪機(jī)之間的能量平衡。由于設(shè)計(jì)及調(diào)試原因，電廠始終采用定壓運(yùn)行或者階段性定壓運(yùn)行方式，壓力設(shè)定操作器始終處于手動狀態(tài)。這種暫時(shí)定壓方式對AGC變動負(fù)荷有利，但是運(yùn)行人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)不斷手動設(shè)定壓力值，控制定值因人而異，隨意性比較大，大多數(shù)時(shí)間壓力比較低。

2.3 汽機(jī)調(diào)節(jié)門閥位總指令較大

調(diào)節(jié)門指令經(jīng)常在90%以上。從順序閥工作方式下1～4號調(diào)節(jié)門重疊度設(shè)置可以看出，調(diào)節(jié)門開度在90%以上時(shí)指令變化1%，各個(gè)調(diào)節(jié)門變化波動比較大，特別是3、4號調(diào)節(jié)門。這時(shí)如果疊加1次調(diào)頻信號更加明顯。根據(jù)閥門流量特性曲線，各個(gè)調(diào)節(jié)門開度在80%以上時(shí)基本都進(jìn)入了飽和區(qū)，開度增加后流量增加不明顯?，F(xiàn)場LVDT傳感器鐵芯、線圈引出線處于溫度高工作狀態(tài)，大幅變化增加了故障概率，別的電廠出現(xiàn)過LVDT傳感器故障造成事故的案例。

2.4 迫升迫降、閉鎖增減頻繁

迫升迫降、閉鎖增減是當(dāng)機(jī)組的重要參數(shù)越限或主要調(diào)節(jié)量達(dá)到上下限值時(shí)的保護(hù)措施，這有助于保證機(jī)組安全運(yùn)行，但對AGC有負(fù)面影響。迫升迫降是不管AGC指令信號，機(jī)組按照設(shè)定的升速率信號升、降機(jī)組負(fù)荷直至該信號消失;閉鎖增減是單方向禁止指令信號增、減，這些信號出現(xiàn)對AGC調(diào)節(jié)來說是控制的間斷點(diǎn)，特別是迫升迫降影響最大。由于限值設(shè)置相對保守加之調(diào)節(jié)操作不當(dāng)，燃燒系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)閉鎖增減信號。

2.5 控制參數(shù)設(shè)置保守

負(fù)荷升(降)速率、壓力升(降)速率參數(shù)及鍋爐、汽機(jī)控制器參數(shù)設(shè)置相對保守，負(fù)荷升速率設(shè)定2.0 MW/min，壓力升速率設(shè)定0.14 MPa/min，均較小。設(shè)定的速率是指令的變化率，由于各方面的原因系統(tǒng)存在遲延，實(shí)際速率與設(shè)定速率不可能相同，加之PID參數(shù)又相對保守，它只是各個(gè)工況下都適應(yīng)的數(shù)值，沒有設(shè)置變參數(shù)功能。

2.6 用電需求變化快

用電結(jié)構(gòu)及需求的變化太快，調(diào)度側(cè)指令變化頻繁，冬季及夏季更甚，每日變化200～300次，每次變化5 MW，時(shí)常出現(xiàn)前次調(diào)節(jié)還沒有結(jié)束，又有新的指令變化，電網(wǎng)負(fù)荷曲線的高峰和低谷之差也不斷增大。

2.7 機(jī)組供熱對AGC的限制

為了進(jìn)一步節(jié)能降耗，提高機(jī)組熱效率，機(jī)組采取了抽汽供熱，在冬季供熱負(fù)荷較高的情況下，對機(jī)組AGC的運(yùn)行產(chǎn)生一定制約。抽汽壓力隨機(jī)組負(fù)荷的上升(下降)而上升(下降)，但供熱又需要一定的供熱壓力，才能滿足熱用戶的要求。同時(shí)供熱量的變化對機(jī)組負(fù)荷也產(chǎn)生響應(yīng)擾動，抽汽量增加，機(jī)組負(fù)荷降低。

3 改進(jìn)措施

3.1 加強(qiáng)煤泥攙配及干燥處理力度

(1)更換了輸煤系統(tǒng)中的落煤管三通，部分位置加裝了振打裝置，并對碎煤機(jī)口進(jìn)行了改造。采取原煤倉加裝摩擦系數(shù)小、吸水率小的高分子聚乙烯滑板，將落煤斗改造為分體式并加大落煤口尺寸，加裝落煤斗振打等3種措施消除堵塞。

(2)在進(jìn)行設(shè)備改造的同時(shí)，細(xì)化配煤攙燒管理，根據(jù)情況及時(shí)調(diào)配人員進(jìn)行煤泥倒運(yùn)混配，依據(jù)天氣變化和干煤泥庫存情況及時(shí)調(diào)整煤泥攙燒比率。

(3)采取原煤倉低煤位運(yùn)行和及時(shí)清理堵煤等手段，確保不發(fā)生堵煤。

(4)在燃料混配上，采用改善煤場排水系統(tǒng)、整理平整煤泥場地、預(yù)防露天煤泥淋雨、干煤棚大量存儲干煤泥、充分發(fā)揮工程機(jī)械作用等各種手段，加快煤泥的晾曬工作，提高煤泥攙配量。

3.2 提高主汽壓力設(shè)定值

提高主汽壓力設(shè)定值，運(yùn)行人員根據(jù)燃燒調(diào)整試驗(yàn)，確定壓力控制曲線。根據(jù)曲線修改定—滑—定設(shè)定曲線，盡可能投入壓力設(shè)定模塊，減少因人為壓力設(shè)定偏低對控制的影響。定—滑—定功率、壓力數(shù)據(jù)如圖2。

圖2 功率、壓力設(shè)定曲線Fig.2 Pressure-power configuration curve

3.3 簡化迫升迫降閉鎖增減信號

一方面，原閉鎖增減信號太多，每項(xiàng)達(dá)10多條，設(shè)置相對保守。適當(dāng)放寬上、下限值，如送風(fēng)、引風(fēng)、給水系統(tǒng)上限由原來90%改為上、下量程限。各自的系統(tǒng)控制偏差限值由各子系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)來判斷現(xiàn)自動切換。放寬燃燒總指令與給粉機(jī)轉(zhuǎn)速反饋偏差，允許壓力有一定的偏差。

3.4 調(diào)整控制參數(shù)及設(shè)置

(1)提高壓力及功率的升降速率;

(2)無異常情況各層同操及給粉機(jī)操作不設(shè)置偏置;

(3)鍋爐主控制器設(shè)置變參數(shù)功能，壓力低時(shí)增大增益，壓力高時(shí)減少增益;

(4)減少壓力拉回的幅度。

實(shí)施改進(jìn)措施后機(jī)組的品質(zhì)曲線如圖3所示。由圖3曲線可以看出，在合理的范圍內(nèi)放寬限值有助于提高AGC調(diào)節(jié)速率及精度。

圖3 實(shí)施改進(jìn)措施后機(jī)組品質(zhì)曲線Fig.3 Quality curve after improvement

4 結(jié)語

自動調(diào)節(jié)的快速性與穩(wěn)定性本身是一對矛盾體，由于發(fā)、供電之間的差異，調(diào)度側(cè)希望發(fā)電站是一個(gè)隨動的快速的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而燃煤火電廠受機(jī)、爐動態(tài)特性及安全性限制很難達(dá)到。減少這種差異是一項(xiàng)重點(diǎn)研究的工作。

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