先進AGC及汽溫控制系統在1 000 MW超超臨界機組的應用

鄭衛東，柳衛榮，李曉燕，李捍華

（1.華能玉環電廠，浙江玉環317604；2.浙江省火電建設公司，杭州310016）

發電技術

先進AGC及汽溫控制系統在1 000 MW超超臨界機組的應用

鄭衛東1，柳衛榮2，李曉燕1，李捍華1

（1.華能玉環電廠，浙江玉環317604；2.浙江省火電建設公司，杭州310016）

介紹了“1 000 MW超超臨界機組先進AGC及汽溫控制系統”項目在華能玉環發電廠的應用及調試情況，分析了傳統PID控制系統在國內火電廠運用存在的問題和先進控制系統的運用前景。提出了大型機組AGC及汽溫優化控制的方案，解決了火電廠汽溫、變負荷工況參數不穩的問題。

先進控制；汽溫優化控制；AGC；超超臨界機組；大滯后；優化

華能玉環發電廠是國家“863”計劃引進超超臨界機組技術，逐步實現國產化的依托工程，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司設計生產的超超臨界變壓運行直流鍋爐，型號HG-2953/27.56-YM1，汽輪機為上海汽輪機有限公司和德國西門子聯合設計制造的N1000-26.25/600/600型一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機。電廠共裝機4臺1 000 MW機組，其中2號機組于2012年應用了“1 000 MW超超臨界機組先進AGC及汽溫控制系統”。

1 優化前的狀況

玉環發電廠AGC（自動調節控制）策略主要采用日本三菱控制方案，主回路采用“PID（比例積分微分）反饋+負荷指令前饋”的調節方式，其核心思路是：盡可能地利用前饋開環控制，反饋調節僅起小幅度的調節作用。該方案要求前饋控制回路的函數準確、參數合理。對于燃燒穩定且機組運行方式成熟的機組，該方案實用有效，但對于煤種多變、機組測量設備不精確、運行工況與設計工況存在較大偏差的機組，控制效果明顯變差。玉環發電廠在優化改造前，AGC存在以下問題：

（1）機組連續變負荷能力差，AGC方式下，搶負荷能力明顯不足，影響全年負荷。

（2）再熱汽溫自動調節品質不良，影響機組的經濟性。

（3）脫硝系統的噴氨自動調節效果差，影響機組的安全性和經濟性。

圖1為優化前的某次變負荷試驗曲線，可以看出汽溫控制存在較大偏差，設計汽溫為600℃，最大偏差達到17℃，壓力不夠平穩，實際壓力與壓力指令最大偏差達0.8 MPa。

圖1 優化前壓力、負荷、溫度曲線

2 基于預測控制等先進技術的AGC優化控制

2.1 AGC優化控制系統

2.1.1 閉環控制的核心環節

AGC優化控制系統在整體控制結構上采用前饋+反饋的控制模式，在反饋控制部分應用了預測控制技術，取代了原有的PID控制。采用該技術可以提前預測被調量的變化趨勢，再根據被調量的未來變化量進行調整，提前進行調節，從而提高了機組AGC的準確性和抗擾動能力。

2.1.2 AGC運行子模式的優化

目前電廠普遍運用的控制方案對機組運行于AGC還是CCS（協調控制系統）不進行區分，而先進控制系統則根據二者的區別，增加了AGC運行模式下的優化模塊：一方面根據機組的風、煤、給水等參數實時預測表征鍋爐做功能力的“BID”（鍋爐主控指令）在下一時刻的變化量，另一方面根據機組當前ADS（調度指令）、實際功率、主蒸汽壓力等參數，實時預測調度系統ADS指令在未來時刻的變化趨勢；根據二者的偏差來修正鍋爐指令的變化量。實踐證明，增加特別優化模塊，可在滿足負荷響應的基礎上有效減小機組風、煤、水的波動幅度，有利于減少爆管和延長機組的壽命。

2.2 AGC優化控制系統的預測控制策略

2.2.1 主汽壓力的預測控制策略

由超超臨界機組的動態特性試驗可知，機組的主汽壓力與給水流量、燃料量以及汽機的調門開度有關。在本優化方案中，用給水流量來調節主汽壓力，將給水流量Fw分為前饋給水流量Fwf和反饋給水流量Fwd。其中，前饋給水流量Fwf由智能前饋產生，反饋給水流量Fwd則由GPC（廣義預測控制）產生，本節將推導反饋給水流量Fwd的廣義預測控制。

設給水流量對主汽壓力的數學模型有如下CARIMA模型：

式中：Pt為主汽壓力；Fwd為反饋給水量（GPC輸出）；Fwf為前饋給水流量；Fu為總給煤量；Tm為汽機閥門開度；ξ1是均值為零的白噪聲序列。

記Fw為總給水量，則Fw（t）=Fwd（t）+Fwf（t）。

根據最小二乘法則，經過數學運算后可得到如下控制策略：

式中：γ1為權值。

2.2.2 分離器溫度的預測控制策略

由超超臨界機組的動態特性試驗可知，分離器出口溫度與給水流量、燃料量和汽機的調門開度有關，在本優化方案中，用燃料量來調節分離器溫度，由于燃料量取決于燃水比和給水流量Fw，而給水流量由預測控制獲得，因此，實際上可用燃水比來調節分離器溫度。燃水比的廣義預測控制的實際控制向量為：

式中：Tsp為分離器溫度；FWR為燃水比（GPC輸出）；γ為權值；ξ2是均值為零的白噪聲序列。

3 基于大滯后控制技術的過熱汽溫、再熱汽溫優化控制

超超臨界機組過熱汽溫和再熱汽溫控制的最大難點在于控制過程存在較長的純滯后時間，且在機組不同的負荷下，汽溫的動態特性會發生很大的變化，而汽溫對各種擾動的響應又較快，從而導致實際運行中出現較大的汽溫偏差，再熱汽溫尤其明顯。

目前各發電廠的過熱汽溫和再熱汽溫控制均采用基于PID控制策略的串級控制方案，但對于大滯后的被控對象，PID控制策略難以協調控制系統快速性和穩定性之間的矛盾，即為了抑制汽溫偏差，控制系統必須快速動作，而動作過快又會造成PID控制系統振蕩，這是由PID的本質特點所決定的。

采用先進的基于大滯后控制理論的汽溫控制策略，可以對過熱汽溫和再熱汽溫進行有效控制。以超超臨界機組再熱汽溫為例，基于先進大滯后控制理論的再熱汽溫控制方案如圖2所示。

汽溫控制方案應用了國際上最先進的大滯后控制理論，在控制系統的反饋回路中，將多種大滯后控制技術如廣義預測控制技術、相位補償技術及狀態變量控制技術有機地融合起來，在確保控制系統穩定性的前提下，加快噴水或煙氣擋板的調節速度。而在控制系統的前饋通道中，采用了基于操作經驗的模糊智能前饋技術，進一步加快噴水或煙氣擋板的調節速度，有效減小過熱汽溫和再熱汽溫的動態偏差。

再熱汽溫的煙氣擋板被控過程也有較長的純滯后時間，且純滯后會隨著機組負荷的變化而變化。因此，在再熱汽溫煙氣擋板的控制回路中，增加了自適應Smith特性補償回路，以改善煙氣擋板調節再熱汽溫的特性。再熱汽溫事故噴水的控制方案如圖2所示，與煙氣擋板控制相同，采用廣義預測控制器GPC實現反饋控制，前饋采用模糊智能前饋，并融入了以下控制思想：

（1）當煙氣擋板關到某一位置時，其調節余量已較小，可切換到噴水調節再熱汽溫，以防止再熱汽溫過高。

（2）當再熱汽溫已回調時，及時關小噴水閥，并根據回調情況及時關閉噴水閥，盡可能減小噴水流量。

4 優化控制系統與現有系統的整合方式

圖2 先進的再熱汽溫控制方案

INFIT（優化控制系統）與DCS（分散控制系統）的整合采取無縫結合的方式，DCS中設置投切按鈕。在INFIT方式下，DCS處于跟蹤方式；在DCS方式時，將機組主要參數實時傳輸至INFIT系統，并將鍋爐指令、燃料量指令傳送至INFIT系統，以達到實時跟蹤的目的。汽機主控指令采取增量方式，防止系統切換的不可控性，確保機組安全。

4.1 INFIT系統的軟、硬件平臺

（1）硬件方面：“INFIT”選用西門子的S7－300 PLC。

（2）軟件方面：在西門子S7編程環境中采用STL語言開發所有的高級算法模塊，建立類似DCS的組態函數庫，以類似DCS組態的方式完成具體機組AGC的優化工程。

4.2 INFIT與DCS的接口

INFIT系統與DCS系統間的接口如圖3所示。

圖3 “INFIT”系統與DCS系統間的接口

DCS與INFIT系統相結合的關鍵是通信保障。因此，通過多種技術來保證通信數據的正常以及INFIT系統與DCS系統的無擾切換，主要有如下保障措施：

（1）INFIT系統不斷向DCS發送脈沖以表征系統的通信，DCS若持續10 s未接受到脈沖的變化即自動切回原控制系統。

（2）INFIT系統實時監測由DCS獲取的實時數據的可信性（包括上/下限、變化率等），判斷有任一信號故障時，立即保持所有輸出控制指令，并立即切回DCS控制系統。

（3）DCS接受到INFIT的控制指令后，根據機組的運行參數進行上、下限約束，保證INFIT系統的故障不會造成控制指令大幅突變。

5 優化控制系統投用效果

按照DL/T 657－2006《火力發電廠模擬量控制系統驗收測試標準》的相關要求，對2號機組進行了20 MW/min速率下的CCS變負荷試驗。

以20 MW/min的速率將負荷從850 MW下降至700 MW。降負荷過程中的負荷、主汽壓力、過熱度控制曲線見圖4，主汽溫度、再熱汽溫、脫硝效率控制曲線見圖5。各項主要被控參數與DL/T 657－2006要求的考核值對比見表1。

表1 20MW/min速率降負荷試驗數據

圖4 降負荷試驗時的負荷、主汽壓力、過熱度控制曲線

以20 MW/min的速率將負荷從800 MW升至950 MW，各項主要被控參數與DL/T 657－2006要求的考核值對比見表2。

圖5 降負荷試驗時的主汽溫、再熱汽溫、脫硝效率控制曲線

表2 20MW/min速率升負荷試驗數據

從圖4—5和表1—2可以看出，優化前后效果明顯。負荷控制精準，壓力平穩，過熱度控制與設定值基本無差異，過熱汽溫、再熱汽溫控制穩定。主要參數的動態過程平穩，無振蕩和過調。動態控制偏差、穩態控制精度均滿足要求。

（1）機組在穩定負荷時，主汽壓力偏差小于± 0.15 MPa，主汽溫度和再熱汽溫偏差均小于±（1～2）℃；在機組大幅度變負荷及受到各種擾動時，主汽壓力偏差小于±（0.5～0.6）MPa，主汽溫偏差小于±5℃；再熱汽溫偏差小于±8℃。所有參數基本在0.5個周期內快速穩定到設定值，未出現參數反復振蕩，控制系統具有很高的穩定性。另外，主汽溫度和再熱汽溫的平均溫度提高了4～8℃，明顯提高了機組的運行效率。

（2）機組的負荷升、降速率超過20 MW/min，負荷的調節精度也明顯提高。

（3）控制系統對煤種變化具有很好的適應性。由于優化控制系統具有對煤種變化的自適應調整手段，無論煤種如何變化，控制系統的調節性能基本保持不變。

（4）采用了基于大滯后控制理論的先進控制方法，實現了以“煙氣擋板調節”為主、“噴水調節”為輔來控制再熱汽溫，不僅提高再熱汽溫的控制品質，而且有效減少了噴水流量，提高了機組的運行經濟性。

（5）采用預測控制、神經網絡等先進技術，成功投入了NOX（氮氧化物）排放和脫硝效率的閉環控制，明顯減小了NOX和脫硝效率的波動范圍，在運行過程中節氨效果十分明顯。

6 結語

1 000 MW超超臨界機組先進AGC及汽溫控制系統代表了最前沿的控制策略，在玉環電廠的開發運用證明其能夠較好地解決實際生產中的問題，具有很好的借鑒意義。

[1]開平安，劉建民，焦嵩鳴，等.火電廠熱工過程先進控制技術[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]傅望安，沈沖.基于純滑壓運行方式的一次調頻性能優化在1 000 MW上的應用[J].電網技術，2010，31（11）∶76－79.

（本文編輯：徐晗）

The Application of Advanced AGC and Steam Temperature Control System in 1 000 MW Ultra Supercritical Units

ZHENG Wei-Dong1，LIU Wei-Rong2，LI Xiao-Yan1，LI Han-Hua1
（1.Huaneng Yuhuan Power Plant，Yuhuan Zhejiang 317604，China；2.Zhejiang Thermal Power Construction Company，Hangzhou 310016，China）

This paper introduces the application and commissioning of Advanced AGC and Steam Temperature Control System of 1 000 MW Ultra Supercritical Units project in Huaneng Yuhuan Power Plant and analyzes the existing problems in using traditional PID control system in domestic thermal power plants and the application prospect of the advantage control system.The paper puts forward a scheme for AGC and temperature optimization control in large generating units，which handles the instability of steam temperature of thermal power plant and load-varying operating condition.

advanced control；temperature optimization control；AGC；ultra supercritical unit；large lag；optimization

TK39

：B

：1007-1881（2013）08-0033-00

2013-02-05

鄭衛東（1975-），男，湖北荊州人，工程師，從事熱控檢修維護和管理工作。