300 MW直接空冷機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及AGC響應(yīng)特性的分析

袁俊文，馬 鋼，孔令慧，姚法勇，楊 偉

(1．黑龍江省電力科學(xué)研究院，黑龍江哈爾濱150030;2．大慶油田電力集團(tuán)，黑龍江大慶163314;3．黑龍江省火電第一工程公司，黑龍江哈爾濱150090;4．國投晉城熱電廠，山西晉城048000)

0 引言

國投晉城熱電廠一期2×300 MW機(jī)組控制系統(tǒng)采用北京日立控制系統(tǒng)有限公司的HIACE－5000M分散控制系統(tǒng)，其協(xié)調(diào)控制采用DEB方式，并且將負(fù)荷指令、DEB－TFF的微分以及主汽壓偏差作為前饋信號(hào)，解決了因燃煤品質(zhì)變化大而使機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)性差的問題，有效提高了機(jī)組對(duì)外界負(fù)荷需求的響應(yīng)，提高了負(fù)荷響應(yīng)的速率。

1 自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)

AGC是根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷指令，直接控制發(fā)電機(jī)功率的自動(dòng)控制系統(tǒng)。以電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)和電廠發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過兩者間實(shí)時(shí)閉環(huán)運(yùn)行，控制發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行功率隨時(shí)跟蹤電網(wǎng)的負(fù)荷變化，并迅速平穩(wěn)地將系統(tǒng)頻率偏差及聯(lián)絡(luò)線功率偏差調(diào)整在規(guī)定的范圍內(nèi)。電網(wǎng)調(diào)度中心與機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的聯(lián)系信號(hào)如表1所示。

表1 AGC與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的聯(lián)系信號(hào)一覽表

網(wǎng)調(diào)AGC功能屬于能量管理系統(tǒng)(EMS)中的一個(gè)模塊，其基本功能為負(fù)荷頻率控制。AGC控制是根據(jù)區(qū)域控制偏差A(yù)CE的值來決定各參調(diào)機(jī)組的負(fù)荷，即將區(qū)域控制偏差按一定的比例分配給每臺(tái)機(jī)組。區(qū)域控制偏差(ACE)［1］由如下公式?jīng)Q定:

ACE= ΔP+K·Δf，

式中:ΔP為區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線實(shí)際交換功率與計(jì)劃值間的偏差;K為電網(wǎng)頻率系數(shù);Δf為實(shí)際網(wǎng)頻與工頻(50 Hz)的差值。

2 機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

2．1 DEB協(xié)調(diào)控制方案介紹

直接能量平衡(DEB)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)［2－3］采用能量平衡信號(hào)作為鍋爐主控能量需求信號(hào)，鍋爐燃燒釋放的熱量作為反饋信號(hào)，以機(jī)組的能量平衡為出發(fā)點(diǎn)，以能量需求和能量釋放為控制信號(hào)的控制系統(tǒng)。實(shí)際上是一種運(yùn)用了前饋控制技術(shù)的以鍋爐跟蹤為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 機(jī)組DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)總體方案

2．2 負(fù)荷給定值作為前饋信號(hào)

由于鍋爐是一個(gè)大慣性大遲延的對(duì)象，因此，為了滿足機(jī)組一定負(fù)荷響應(yīng)速度，將負(fù)荷給定值作為前饋控制信號(hào)，用以克服鍋爐的遲延慣性和提高機(jī)組響應(yīng)外界負(fù)荷速率。

當(dāng)負(fù)荷給定改變時(shí)，鍋爐主控將負(fù)荷給定經(jīng)折線函數(shù)轉(zhuǎn)化為該負(fù)荷下所需要加入的估算煤量，并且與爐主控制器輸出疊加經(jīng)限幅后作為爐主控的最終輸出。與此同時(shí)，汽機(jī)主控將負(fù)荷給定經(jīng)折線函數(shù)轉(zhuǎn)化為一定的閥門開度，并且與機(jī)主控功率調(diào)節(jié)器輸出疊加經(jīng)限速限幅后作為機(jī)主控的最終輸出。可見，在機(jī)組負(fù)荷要求改變時(shí)，爐主控和機(jī)主控將并行地改變鍋爐的燃燒率和汽機(jī)的進(jìn)汽量。

2．3 主蒸汽壓力偏差的控制作用

爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能使機(jī)組較快地適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的要求。如果負(fù)荷要求增長的速率和幅度較大，會(huì)引起汽壓的變化幅值過大。因此為了限制汽壓變化，增加了非線性元件。當(dāng)主汽壓偏差死區(qū)組件的Δ1時(shí)，機(jī)主控將主汽壓偏差經(jīng)線性變換后與負(fù)荷偏差疊加作為功率調(diào)節(jié)器的輸入，限制汽輪機(jī)進(jìn)汽閥的開度變化，以保證主汽壓PT在允許的范圍變化;當(dāng)主汽壓偏差死區(qū)組件的Δ2時(shí)，爐主控將主汽壓偏差轉(zhuǎn)化為開關(guān)量信號(hào)，作為DEB－TFF微分前饋的選通信號(hào)，以此來增強(qiáng)鍋爐的控制作用。這樣，就可以在過渡過程中讓主蒸汽壓力在允許的范圍內(nèi)變動(dòng)而充分地利用鍋爐的蓄熱，使單元機(jī)組較快地適應(yīng)負(fù)荷要求的變化，同時(shí)主蒸汽壓力的變化范圍也不大，機(jī)組的運(yùn)行工況比較穩(wěn)定。

2．4 協(xié)調(diào)運(yùn)行方式

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于解決機(jī)組的負(fù)荷適應(yīng)性與運(yùn)行穩(wěn)定性之間的矛盾，保證機(jī)組既能滿足電網(wǎng)對(duì)負(fù)荷響應(yīng)速度的要求，又能使關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)。既對(duì)汽機(jī)控制要充分利用鍋爐蓄能，滿足機(jī)組負(fù)荷要求，又要?jiǎng)討B(tài)超調(diào)鍋爐的能量輸入，補(bǔ)償鍋爐蓄能。要對(duì)前饋環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，加快進(jìn)入爐膛燃料量的調(diào)節(jié)，包括一次風(fēng)的流量調(diào)節(jié)，二次風(fēng)量調(diào)節(jié)，以及給煤量的調(diào)節(jié)，加快鍋爐的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，鍋爐主控輸出將迅速同時(shí)改變一次風(fēng)壓、二次風(fēng)量以及磨煤機(jī)容量風(fēng)門的開度(進(jìn)入爐膛的煤量是容量風(fēng)門的開度的折線函數(shù))，并將容量風(fēng)門的開度作為給煤機(jī)調(diào)節(jié)磨煤機(jī)煤位的前饋信號(hào)，以保持一定的煤位。

2．5 定滑壓運(yùn)行方式

滑壓運(yùn)行雖然有利于機(jī)組快速啟動(dòng)及變負(fù)荷運(yùn)行，但對(duì)負(fù)荷的適應(yīng)性產(chǎn)生不利的影響。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)在滑壓運(yùn)行階段，鍋爐蓄熱能力將隨參數(shù)的變化而變化。當(dāng)需要增加負(fù)荷時(shí)，鍋爐同時(shí)需要吸收一部分熱量來增加其蓄熱以提高汽包壓力;反之，在降低負(fù)荷時(shí)，鍋爐需要釋放蓄熱以降低汽包壓力。這兩種結(jié)果都阻礙機(jī)組對(duì)外界負(fù)荷需求的響應(yīng)，降低了負(fù)荷響應(yīng)的速率。而采用定壓方式不改變鍋爐蓄熱能力，可消除對(duì)負(fù)荷響應(yīng)的負(fù)面影響。因而在AGC調(diào)節(jié)負(fù)荷的范圍內(nèi)，可以轉(zhuǎn)入定壓運(yùn)行，增強(qiáng)對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性。實(shí)際運(yùn)行中可根據(jù)機(jī)組實(shí)際狀況選擇定壓或滑壓運(yùn)行方式。

3 控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性以及調(diào)節(jié)器參數(shù)的試驗(yàn)整定

主蒸汽壓力是衡量蒸汽流量與外界負(fù)荷兩者是否適應(yīng)的一個(gè)標(biāo)志，因此，要了解燃燒過程的動(dòng)態(tài)特性主要是弄清楚主蒸汽壓力對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。

協(xié)調(diào)方式下，在保證機(jī)組安全的前提下，燃燒率發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，主蒸汽壓力變化試驗(yàn)曲線如圖2所示。

在圖2中，主蒸汽壓力變化一開始有遲延，遲延時(shí)間為1.52 min，最后近似直線上升，表現(xiàn)為無自衡多容控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。依據(jù)無自平衡能力調(diào)節(jié)對(duì)象的整定參數(shù)表，可以查到在ψ=0.75時(shí)對(duì)應(yīng)的PI調(diào)節(jié)時(shí)的比例系數(shù)，積分時(shí)間Ti=3.3τ=5.0，鍋爐主控PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

圖2 燃燒率階躍擾動(dòng)下的主汽壓力響應(yīng)曲線

在協(xié)調(diào)方式下，負(fù)荷對(duì)于汽輪機(jī)調(diào)門擾動(dòng)的響應(yīng)很迅速，是滯后時(shí)間很短的有自平衡能力調(diào)節(jié)對(duì)象，試驗(yàn)曲線如圖3所示。

圖3 負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)主蒸汽壓力的響應(yīng)曲線

在圖3中，調(diào)門調(diào)節(jié)負(fù)荷時(shí)同時(shí)對(duì)主汽壓力產(chǎn)生影響，壓力又反過來影響負(fù)荷。依據(jù)有自平衡能力調(diào)節(jié)對(duì)象的整定參數(shù)表，可以查到在ψ=0.75時(shí)對(duì)應(yīng)的PI調(diào)節(jié)時(shí)的比例系數(shù)k=0.25，積分時(shí)間Ti=3.3τ=45，汽機(jī)主控功率PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

4 協(xié)調(diào)方式下機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)試驗(yàn)及結(jié)果分析

國投晉城熱電廠一期2×300 MW機(jī)組在試驗(yàn)過程中AGC指令變化比較頻繁，機(jī)組升、降負(fù)荷實(shí)際速率大于4.5 MW/min。AGC指令在從170～330 MW變化過程中，實(shí)際功率跟隨負(fù)荷給定值迅速及時(shí)，偏差在－1.6～1.1 MW之間波動(dòng);主蒸汽壓力跟隨設(shè)定值迅速平穩(wěn)，壓力波動(dòng)在允許范圍內(nèi)(0.04～0.48 MPa)，基本能夠滿足電網(wǎng)調(diào)度對(duì)機(jī)組AGC的要求。表2給出了AGC試驗(yàn)過程中采集到的部分動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

表2 AGC試驗(yàn)過程采集的部分動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)

通過得到的試驗(yàn)結(jié)果及表2顯示的數(shù)據(jù)，可以確認(rèn)該機(jī)組在AGC方式下運(yùn)行穩(wěn)定，各模擬量控制子系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果良好。

5 建議

為了提高火電機(jī)組對(duì)AGC控制的負(fù)荷響應(yīng)能力，需要從設(shè)備、控制方式及運(yùn)行方式等多方面進(jìn)行綜合改進(jìn)，并結(jié)合先進(jìn)控制策略使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)既滿足AGC負(fù)荷變化要求，又簡(jiǎn)潔實(shí)用。

［1］李衛(wèi)華，王玉山，段南，等．600 MW火電機(jī)組AGC運(yùn)行方式下的控制特性分析［J］．華北電力技術(shù)，2004(11):1－4．

［2］敖員紅，鄔菲．350 MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化［J］．江西電力，2008，32(3):37 －40．

［3］邊立秀，周俊霞編著．熱工控制系統(tǒng)［M］．北京:中國電力出版社，2001．