300 MW直接空冷機組協調控制系統及AGC響應特性的分析

袁俊文，馬 鋼，孔令慧，姚法勇，楊 偉

(1．黑龍江省電力科學研究院，黑龍江哈爾濱150030;2．大慶油田電力集團，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機組控制系統采用北京日立控制系統有限公司的HIACE－5000M分散控制系統，其協調控制采用DEB方式，并且將負荷指令、DEB－TFF的微分以及主汽壓偏差作為前饋信號，解決了因燃煤品質變化大而使機組負荷適應性差的問題，有效提高了機組對外界負荷需求的響應，提高了負荷響應的速率。

1 自動發電控制系統

AGC是根據電網負荷指令，直接控制發電機功率的自動控制系統。以電網調度自動化系統和電廠發電機組協調控制系統為基礎，通過兩者間實時閉環運行，控制發電機組的運行功率隨時跟蹤電網的負荷變化，并迅速平穩地將系統頻率偏差及聯絡線功率偏差調整在規定的范圍內。電網調度中心與機組協調控制系統的聯系信號如表1所示。

表1 AGC與協調控制系統的聯系信號一覽表

網調AGC功能屬于能量管理系統(EMS)中的一個模塊，其基本功能為負荷頻率控制。AGC控制是根據區域控制偏差ACE的值來決定各參調機組的負荷，即將區域控制偏差按一定的比例分配給每臺機組。區域控制偏差(ACE)［1］由如下公式決定:

ACE= ΔP+K·Δf，

式中:ΔP為區域間聯絡線實際交換功率與計劃值間的偏差;K為電網頻率系數;Δf為實際網頻與工頻(50 Hz)的差值。

2 機組協調控制系統的設計方案

2．1 DEB協調控制方案介紹

直接能量平衡(DEB)協調控制系統［2－3］采用能量平衡信號作為鍋爐主控能量需求信號，鍋爐燃燒釋放的熱量作為反饋信號，以機組的能量平衡為出發點，以能量需求和能量釋放為控制信號的控制系統。實際上是一種運用了前饋控制技術的以鍋爐跟蹤為基礎的協調控制系統。DEB協調控制系統總體方案如圖1所示。

圖1 機組DEB協調控制系統總體方案

2．2 負荷給定值作為前饋信號

由于鍋爐是一個大慣性大遲延的對象，因此，為了滿足機組一定負荷響應速度，將負荷給定值作為前饋控制信號，用以克服鍋爐的遲延慣性和提高機組響應外界負荷速率。

當負荷給定改變時，鍋爐主控將負荷給定經折線函數轉化為該負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限幅后作為爐主控的最終輸出。與此同時，汽機主控將負荷給定經折線函數轉化為一定的閥門開度，并且與機主控功率調節器輸出疊加經限速限幅后作為機主控的最終輸出。可見，在機組負荷要求改變時，爐主控和機主控將并行地改變鍋爐的燃燒率和汽機的進汽量。

2．3 主蒸汽壓力偏差的控制作用

爐跟隨為基礎的協調控制系統能使機組較快地適應電網負荷的要求。如果負荷要求增長的速率和幅度較大，會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。當主汽壓偏差死區組件的Δ1時，機主控將主汽壓偏差經線性變換后與負荷偏差疊加作為功率調節器的輸入，限制汽輪機進汽閥的開度變化，以保證主汽壓PT在允許的范圍變化;當主汽壓偏差死區組件的Δ2時，爐主控將主汽壓偏差轉化為開關量信號，作為DEB－TFF微分前饋的選通信號，以此來增強鍋爐的控制作用。這樣，就可以在過渡過程中讓主蒸汽壓力在允許的范圍內變動而充分地利用鍋爐的蓄熱，使單元機組較快地適應負荷要求的變化，同時主蒸汽壓力的變化范圍也不大，機組的運行工況比較穩定。

2．4 協調運行方式

協調控制系統的關鍵在于解決機組的負荷適應性與運行穩定性之間的矛盾，保證機組既能滿足電網對負荷響應速度的要求，又能使關鍵運行參數穩定在規定范圍內。既對汽機控制要充分利用鍋爐蓄能，滿足機組負荷要求，又要動態超調鍋爐的能量輸入，補償鍋爐蓄能。要對前饋環節進行優化，加快進入爐膛燃料量的調節，包括一次風的流量調節，二次風量調節，以及給煤量的調節，加快鍋爐的動態響應。當負荷發生變化時，鍋爐主控輸出將迅速同時改變一次風壓、二次風量以及磨煤機容量風門的開度(進入爐膛的煤量是容量風門的開度的折線函數)，并將容量風門的開度作為給煤機調節磨煤機煤位的前饋信號，以保持一定的煤位。

2．5 定滑壓運行方式

滑壓運行雖然有利于機組快速啟動及變負荷運行，但對負荷的適應性產生不利的影響。當機組負荷變動在滑壓運行階段，鍋爐蓄熱能力將隨參數的變化而變化。當需要增加負荷時，鍋爐同時需要吸收一部分熱量來增加其蓄熱以提高汽包壓力;反之，在降低負荷時，鍋爐需要釋放蓄熱以降低汽包壓力。這兩種結果都阻礙機組對外界負荷需求的響應，降低了負荷響應的速率。而采用定壓方式不改變鍋爐蓄熱能力，可消除對負荷響應的負面影響。因而在AGC調節負荷的范圍內，可以轉入定壓運行，增強對負荷變化的適應性。實際運行中可根據機組實際狀況選擇定壓或滑壓運行方式。

3 控制對象的動態特性以及調節器參數的試驗整定

主蒸汽壓力是衡量蒸汽流量與外界負荷兩者是否適應的一個標志，因此，要了解燃燒過程的動態特性主要是弄清楚主蒸汽壓力對象的動態特性。

協調方式下，在保證機組安全的前提下，燃燒率發生擾動時，主蒸汽壓力變化試驗曲線如圖2所示。

在圖2中，主蒸汽壓力變化一開始有遲延，遲延時間為1.52 min，最后近似直線上升，表現為無自衡多容控制對象的動態特性。依據無自平衡能力調節對象的整定參數表，可以查到在ψ=0.75時對應的PI調節時的比例系數，積分時間Ti=3.3τ=5.0，鍋爐主控PI調節器的傳遞函數為

圖2 燃燒率階躍擾動下的主汽壓力響應曲線

在協調方式下，負荷對于汽輪機調門擾動的響應很迅速，是滯后時間很短的有自平衡能力調節對象，試驗曲線如圖3所示。

圖3 負荷擾動時主蒸汽壓力的響應曲線

在圖3中，調門調節負荷時同時對主汽壓力產生影響，壓力又反過來影響負荷。依據有自平衡能力調節對象的整定參數表，可以查到在ψ=0.75時對應的PI調節時的比例系數k=0.25，積分時間Ti=3.3τ=45，汽機主控功率PI調節器的傳遞函數為

4 協調方式下機組負荷變動試驗及結果分析

國投晉城熱電廠一期2×300 MW機組在試驗過程中AGC指令變化比較頻繁，機組升、降負荷實際速率大于4.5 MW/min。AGC指令在從170～330 MW變化過程中，實際功率跟隨負荷給定值迅速及時，偏差在－1.6～1.1 MW之間波動;主蒸汽壓力跟隨設定值迅速平穩，壓力波動在允許范圍內(0.04～0.48 MPa)，基本能夠滿足電網調度對機組AGC的要求。表2給出了AGC試驗過程中采集到的部分動態數據。

表2 AGC試驗過程采集的部分動態數據

通過得到的試驗結果及表2顯示的數據，可以確認該機組在AGC方式下運行穩定，各模擬量控制子系統調節效果良好。

5 建議

為了提高火電機組對AGC控制的負荷響應能力，需要從設備、控制方式及運行方式等多方面進行綜合改進，并結合先進控制策略使控制系統設計既滿足AGC負荷變化要求，又簡潔實用。

［1］李衛華，王玉山，段南，等．600 MW火電機組AGC運行方式下的控制特性分析［J］．華北電力技術，2004(11):1－4．

［2］敖員紅，鄔菲．350 MW機組協調控制系統優化［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［M］．北京:中國電力出版社，2001．