基于制粉系統柔性順控啟停的火電機組AGC大范圍無縫運行控制

陳 衛，陳 波，尹 峰，羅志浩

（浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

自動發電控制（Automatic Generation Control，簡稱AGC）是并網發電廠向電網提供的有償輔助服務。在AGC方式下，并網發電機組在規定的負荷調節范圍內，跟蹤電力調度中心下發的指令，按照一定調節速率實時調整發電出力，以滿足電力系統頻率和功率控制要求。理論上，發電機組與網調約定的負荷調節范圍應該和機組實際能達到的負荷變動范圍一致。目前國內大中型火力發電機組大多采用直吹式制粉系統作為鍋爐燃料的供給系統，相對于中間倉儲式制粉系統而言，直吹式制粉系統磨煤機組（以下簡稱磨組）的運行臺數和出力需和機組負荷保持同步，根據負荷的增減及時調整。而磨組啟動需要一定時間，因而造成負荷變化過程中出現斷點。

為了提高浙江電網火電機組的AGC控制水平，擴大機組AGC的調節范圍，根據AGC控制方式和機組的控制特點，通過省內600MW等級火電機組的AGC調節范圍擴大化試驗，結合試驗數據展開研究，實現磨組啟停時機的智能預判，在磨組自動順控啟停的基礎上實現了火電機組AGC全程自動運行。

1 磨組啟停時機判斷

制粉系統啟停需要相對較長的時間，因此不能至磨組煤量到達上/下限時才啟停磨組，同時由于無法判斷AGC指令的超短期趨勢，采用煤量固定余量作為磨組啟停判斷條件會造成制粉系統不必要的頻繁啟停。因此智能判斷制粉系統的啟停時機是機組側實現AGC過程無斷點的保障，該判斷過程主要采用如下手段：

（1）綜合考慮AGC的指令特點、磨煤機的帶載能力、機組的燃料熱值特性、磨煤機的啟停方式等因素，動態給出在AGC過程中磨組的最佳啟停時機。

（2）采用基于時間序列數據挖掘的機組負荷時間趨勢智能預判算法，綜合考慮機組負荷隨時間變化的趨勢，動態挖掘負荷變化的相關信息，通過有效數據及離群數據的處理，得到AGC指令在某時段內的短期變化方向。

（3）在磨組啟停過程中采用智能優化調整手段，對處于啟停操作過程中的磨組，綜合考慮其汽溫變化趨勢、汽壓響應特性、機組運行磨組布置、磨組運行的切換要求和磨組的檢修或故障等情況，減小磨組啟停過程對系統的沖擊。

對于本項目問題，每次磨組啟停時間和磨組運行臺數可以被描述為1個二元組（t，o）。其中t為磨組啟停的時間變量，o為磨組數量變化的方式（o=1，磨組運行數量增加；o=-1，磨組運行數量減少）。在此基礎上，磨組啟停時間序列定義如下：磨組啟停時間序列R是1個有限集{（t1，o1），（t2，o2），…，（tn，on）}，滿足ti＜ti+1（i=1，2，3，…，n-1）。項目需要通過數據集中時間序列的數據變換，挖掘磨組啟停時間序列的相似性，并對該時間序列進行預測。

按照上述方法，對某機組周一至周五的磨組啟停進行統計，磨組啟停時間序列R的二元組映射到平面空間，空間中數據點分布如圖1所示。

從圖1可以看出，磨組啟停時間序列R具有較強的空間分布特性，利用特定的知識發現算法后，可以根據磨組啟停時間序列R挖掘出負荷變化趨勢和時間的關系，制定動態數據挖掘體系結構如圖2所示。

2 制粉系統柔性順控啟停

圖1 某機組磨組啟停時序點分布

圖2 動態數據挖掘體系結構

制粉系統順控啟停是實現AGC無縫運行控制的首要問題。在傳統的DCS控制中一般都含有磨組的順控邏輯，但由于相關輔機不能滿足自動控制要求，時常出現如閘板門卡澀、調節閥漏風、電機設備啟動失敗等異常工況，導致磨組順控邏輯執行不連續，適應性較差。

本研究首次提出制粉系統柔性順控的概念，利用等效分析的手段作為設備狀態或實際工況的輔助判據，有效提高了系統的容錯性；并通過解析運行經驗、按照運行人員操作習慣人性化模擬故障處理過程，減少過程中斷，實現了真正意義上的磨組順控自啟停，其主要研究內容包括：

（1）分級控制：磨組順序控制的控制級別分為子回路控制級、設備驅動級和系統控制級。其中子回路控制級將復雜的生產過程按控制功能分解成許多局部的獨立過程進行控制。設備驅動級又稱執行控制級，是分級控制的基礎，作為最底層的控制，將直接控制各個被控對象。系統控制級則通過分析與判斷發出各種控制命令，控制子回路控制級的動作，制粉自動啟停控制APS的系統主要接口信號包括：FSSS的制粉系統啟動/停止允許條件、制粉系統保護啟/停要求、CCS的制粉系統加/減煤量要求、RB/FCB的制粉系統跳閘請求、冷/熱態工況下暖磨時間及升溫速率的外部設定請求等。

（2）基于等效判斷的柔性順控：柔性順控是通過對已經獲取的信號進行等效分析從而準確捕獲目標信息，作為設備反饋或實際工況的輔助判據，規避參數或設備故障引起的程控斷點。例如磨組正常投運過程中，經常發生出口擋板卡澀或位置反饋不到位的情況，傳統的磨組順控邏輯會在該步序故障停步，而柔性順控則通過對出口風溫、風量的辨識處理，以及與歷史運行數據的比對校正，推斷出口擋板實際可能的狀態，只要當前工況的表征參數滿足啟動要求，在提示報警后程控即可繼續下行。

（3）基于專家系統的故障處理單元：在發生工況異常或設備故障需要人為處理時，通過模擬運行人員操作習慣，開放控制斷點的故障處理時間，并利用專家系統作出故障提示，將異常工況的處理模式化。

（4）離散控制原則：離散順序控制系統實現制粉系統所屬設備按規定步序正確啟停，規劃合理的主線邏輯，在特定工況下提供程控斷點。

（5）連續控制要求：連續控制系統實現冷/熱風調節擋板在暖磨、布煤及正常工作階段對風量/風溫的合理匹配，啟動過程中溫度、風量提升平穩。保證暖磨過程中升溫率滿足設計規定，布煤階段風溫和風量變化平緩，制粉系統正常投運時控制及時、準確。

3 現場試驗及數據分析

3.1 試驗過程

系統在某電廠1號機組（600MW汽包爐）離線投運的近半年期間內，不間斷地對DCS的相關數據進行讀取和記錄，并根據所獲取的數據實時進行了計算和專家數據庫的整合。

試驗前，機組負荷穩定于400 MW，運行參數平穩。并投入火電機組全程AGC運行智能控制系統。當負荷升至系統定義的啟動時機時，智能控制系統向DCS發出磨組E順控啟動指令。順控啟動過程如下：啟動磨煤機E電機潤滑油泵→啟動磨煤機E潤滑油泵→開磨煤機E出口門→開磨煤機E冷風隔絕門→開磨煤機E密封風門→啟動磨煤機E→啟動動態旋粉分離器（運行手動配合完成）→開磨煤機E熱風隔絕門→啟動暖磨程序→啟動給煤機E布煤→置給煤機E自動位→置給煤機E給煤指令偏置為零，并入燃料主控完成磨組E啟動全過程。

制粉系統智能停運的過程與此相逆，當負荷降至停磨時機時，智能控制系統向DCS發出磨組順控停止指令，啟動自動停磨程序，停運相關設備，吹掃降溫，系統復歸。

3.2 試驗結果及分析

制粉系統的自動啟停應同時兼顧磨煤機、給煤機等重要設備的自身運行安全及煤粉在爐膛內的穩定燃燒，防止爆燃。因此在啟停過程中首先應確保一次風壓穩定不越限，這樣才能保證磨煤機進口的一次風有足夠高的靜壓頭，以克服磨煤機及粉管的阻力，維持正常的一次風量和出口溫度；同時協調暖磨、布煤及正常控制各階段磨煤機通風量和風溫的關系。系統按照規程并模擬運行人員的實際操作習慣進行邏輯編程，組態后由DCS進行自動操作和調整。圖3為制粉系統智能程控啟動控制框圖。

圖3 制粉系統智能程控啟動控制

根據歷史運行數據，啟動吹掃時對應的冷風擋板開度約為30%，此時所維持的冷一次風量為110t/h（保證大于設計吹掃風量）。吹掃完成后，冷/熱風門投入閉環后開始暖磨，熱風門控制的設定風量為當前吹掃風量；冷風門控制磨煤機出口溫度，設定值由當前的實際溫度通過自加速回路以6℃/min的升溫率趨近65℃。在此環節中冷/熱風門的動作幅度盡量平緩以保證風量調節不發生劇烈擾動。在暖磨后期，出口溫度接近設定值時，應盡量縮短冷/熱風門的調節穩定時間，以風溫、風量為判斷依據，滿足暖磨設計要求后視為暖磨結束，立即加速布煤，利用咬煤過程防止后期溫度竄高。

暖磨結束后，程控啟動給煤機，一旦磨煤機的電流大于啟動電流后即視為咬煤成功，該步驟完成后給煤指令偏置自動置零，降至最小給煤量，完成整個布煤工作，并準備投入燃料主控。根據試驗分析，該過程時間（即給煤指令置最小）不宜過長，條件一旦滿足即復位并入燃料主控，因為給煤機長時間處于低位運行容易造成煤量測量信號不穩定。

制粉系統自動停運試驗過程相對簡單。由智能控制系統發出停磨指令后，自動將給煤指令降至最小并撤出自動，冷風門至預置位（50%）后進行吹掃降溫；熱風門全關；磨煤機停運、密封風門全關后停運過程即結束。

4 結論

基于制粉系統全程順控啟停的火電機組AGC全范圍無斷點運行控制系統的研究與開發，不僅可以滿足網調側擴大調節范圍和提高AGC控制品質的要求，同時在機組側有效減輕了運行人員工作強度與操作風險，有助于提高機組的制粉系統控制水平，為實現全程AGC的自動無斷點運行打下基礎。電力系統輔助服務細則修訂后，對機組AGC里程補償的幅度有所提高，增加機組AGC申報范圍，將大大提高機組輔助服務補償量，同時使電網AGC的調度能力得到顯著提高，在提高機組輔助服務能力與改善電網電能質量方面將產生顯著的經濟和社會效益。

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