超超臨界直流爐協調控制策略設計與應用

游勇華，龍 洋，萬俊松，周世陽

（1.江西省電力科學研究院，江西南昌 330096；2.江西省水利水電學校，江西南昌 330013）

0 引言

最近五年，隨著我國經濟的快速騰飛，用電量需求急劇增加，電網容量也在不斷擴大，用戶對電能質量要求日益提高。電網負荷分配通常采用AGC控制方式，由中調統一分配，機組升負荷、降負荷均要達到電網的要求。對配備中間粉倉的中儲式制粉系統的機組，達到相應速率指標難度不大，但對直吹式機組，由于其慣性大，要達到規定的升負荷、降負荷速率除與機組本身特性有關外，還與所設計的控制系統有關[1]。當負荷指令發生變化時，由于直吹式制粉系統鍋爐燃燒存在極大的慣性，主汽壓力不能及時隨汽機調汽門變化而變化，容易造成主汽壓力調節過調，偏差超過規定值，影響鍋爐系統運行的安全性。要使機組在確保穩定性的前提下，具有更快、更靈活的負荷響應，就需要協調機組負荷適應能力和主汽壓力穩定的矛盾，對協調控制系統的設計提出來更高的要求[2]。論文所設計的協調控制策略已在某電廠660 MW超超臨界機組中得到應用，長時間的良好應用效果證明所設計的控制系統具有一定的適用性、代表性。

1 超超臨界機組控制特點

1.1 機組動態特性[3][4]

機組在運行過程中要經過濕態與干態的轉換，鍋爐的加熱區、蒸發區和過熱區之間的界限是變動的，任何一種擾動都會使假想的分界線前移或后移，機組動態特性隨負荷的變化而變化，呈現出很強的非線性特性和變參數特性，因而要求協調控制系統及時、準確、嚴格地保持機組的能量和物質平衡。

直流爐機組，采用直吹式制粉系統，從給煤、制粉、送粉到燃燒環節，具有大的純遲延和滯后特性，因此，燃燒系統成為機組的一個控制難點。

機組蓄熱差。在臨界壓力附近，隨著汽壓升高，蒸發段變短，過臨界后蒸發段消失，熱水直接轉化為蒸汽，機組蓄熱能力迅速減弱，對外界擾動響應速度加快，容易超溫超壓。

1.2 機組控制特點

燃水比控制要求高，中間點工質溫度或焓值要得到保證。直流爐調節汽溫的手段主要是保持燃料量和給水量之比恒定，比值的任何偏離都會使汽溫發生變化[5]。

熱量平衡是機爐協調控制策略的關鍵[6]。直流爐的給水流量在較短延時后將直接反映于蒸汽流量，而調門指令對耗汽量的影響反而要小，基于這種關系，鍋爐吸熱量與汽機耗汽量的平衡關系將轉變為吸熱量與給水量的平衡關系，因此，只要保持好變負荷過程中這一熱量平衡關系，過熱度將始終保持平穩，機爐處于協調平穩的受控狀態。

大量采用前饋控制技術，加快各系統間響應速度。同時，采用變參數、變設定值、解耦技術以及自適應控制等技術[7]。

2 協調控制系統方案設計

2.1 協調控制系統方案

協調控制系統可分為以鍋爐跟蹤為基礎(BF-CCS)和以汽機跟蹤為基礎(TF-CCS)兩種協調控制系統。兩種系統的本質區別在于反饋回路，BF-CCS系統采用鍋爐調節壓力,汽機調節功率的運行方式，TF-CCS系統則相反。BF-CCS協調控制系統,機組的負荷響應速度快、負荷控制精度較高,但機前壓力波動幅度較大；TF-CCS協調控制系統則相反，機前壓力波動較小，對機組的穩定運行有利，但由于鍋爐的慣性和遲延都較大，機組的負荷響應特性較差，負荷控制精度也較低[8]。由于國內電網對機組的調峰能力要求較高，并對機組的AGC/一次調頻的功能、指標提出了具體的要求，對負荷的響應時間及調節精度要求比較高。在這種形勢下，采用以鍋爐跟隨為基礎的協調控制方案，能更好的滿足機組快速響應負荷、參與電網調峰的要求[9]。協調系統方案設計如圖1所示：

圖1 超超臨界機組協調系統方案示意圖

2.2 協調控制策略

機爐協調控制系統由負荷管理中心、鍋爐主控、汽機主控三個功能區組成，是整個機組自動控制系統的核心。

2.2.1 負荷管理中心

負荷管理中心主要是對機組負荷指令、主汽壓力設定值進行管理，包括機組目標負荷設定(包括AGC指令)、負荷變化率設定、負荷上/下限設定、增/減閉鎖、一次調頻、RB等功能。

2.2.2 鍋爐主控

超超臨界機組鍋爐指令由四部分疊加而成：1）基本指令(由負荷管理中心產生)，即經過頻差修正的機組負荷指令，使鍋爐主控指令對應于負荷及頻率的改變有一個絕對變化量，快速作用于送風、煤、水等控制回路，使這些量相對于負荷都有一個基本變化量，這是最基礎、最直接、最快速的比例控制；2）主汽壓力調節器輸出信號；3）DEB(直接能量平衡信號[10])微分信號，能量平衡信號表示汽輪機向鍋爐索取的能量需求，建立了汽輪機負荷與汽輪機調門之間的正確比例關系，且不受鍋爐側擾動的影響，能夠快速反映機組負荷的變化(能量需求變化)；能量平衡信號=[11]，式中，PS為主蒸汽壓力設定值，P1為汽輪機第一級后壓力；PT為主蒸汽壓力。4）主汽壓力實際值、設定值(經速率限制后)的微分信號。鍋爐主控回路示意見圖2。

圖2 鍋爐主控回路示意圖

鍋爐主控生成的鍋爐指令BD，分別送往燃燒控制、水煤比控制、給水控制、總風量控制、一次風壓控制、過熱汽溫控制、再熱汽溫控制等控制系統，完成整個鍋爐的控制。

2.2.3 汽機主控

在協調控制方式下，功率控制由汽機主控完成，汽機主控接收功率控制器的輸出，設定值由經過速率、高低限制的機組負荷指令，一次調頻的指令，壓力拉回回路三部分疊加而成，為了加強動態調節效果，最大限度的利用鍋爐蓄熱，加快機組初期響應負荷的執行速度，使用了經過速率、高低限制的機組負荷指令作為前饋，使汽機調門提前動作。方案中同時考慮了汽壓限制的作用，因為在爐跟機控制方式下，負荷變化時機前壓力會有較大的波動。一旦機前壓力偏差值超出鍋爐主控回路的預測范圍時，汽機主控回路不再調功，而參與調壓，二者共同作用使機前壓力調整到允許范圍內，使得汽機主控回路功率調節不再受壓力控制的影響，從而實現快速響應動態過程，并穩定鍋爐輸入和汽機輸出的平衡。

在汽機跟隨TF或RB發生，汽機主控控制主汽壓力，汽機主控接收壓力控制器的輸出，設定值為經過速率限制的主汽壓力設定值。

汽機主控在協調方式下的PI調節器和在TF方式下的PI調節器采取分別設置的方式，以便適應不同狀況的調節，改善調節品質。汽輪機主控回路示意見圖3。

圖3 汽機主控回路示意圖

2.3 燃水比控制

燃水比是直流爐控制的重點和難點，控制效果的好壞直接影響到機組的主汽溫度穩定，對機組的安全和經濟運行至關重要。國際上流行燃水比控制方式主要有以下兩種。

1）燃料修正中間點溫度。中間點溫度調節器輸出加入到燃料控制回路，對燃料指令進行修正，調整燃料量，從而有效調整燃水比，保證鍋爐出口汽溫的穩定。

2）給水修正中間點溫度。中間點溫度調節器輸出加入到給水控制回路，對給水指令進行修正，調整給水量，從而有效調整燃水比，保證鍋爐出口汽溫的穩定。

用燃料修正中間點溫度調整燃水比其優點是對機組負荷和主汽壓的影響平緩，機組主要參數的穩定性大大提高，缺點是對象特性響應慢。用給水修正中間點溫度調整燃水比其優點是可以較為快速、有效地調整燃水比，進而保證鍋爐出口汽溫，缺點是對機組負荷和主汽壓的動態影響比較大，機組穩定性變差。方案中，燃水比控制采用“水跟煤”為基礎的燃料修正中間點溫度調節方式，維持主汽溫度穩定。

2.4 前饋控制

廣泛采用并行前饋控制，方案中將鍋爐主控指令并行送到各子系統（如：燃料、送風、給水等）建立前饋設定值，改善鍋爐對負荷指令變化的快速響應性。通過前饋控制可以充分利用超超臨界機組慣性和延遲相對較小的特點，較好地克服外擾時參數波動大的不利因素，滿足機組的變負荷需求。

靜態前饋。由鍋爐負荷主指令(BD)，根據各子系統的特點，通過單獨的函數發生器形成穩態的前饋信號，建立一個穩態工作點。

動態前饋。直流爐鍋爐側的大滯后和純時延是影響機組負荷變化時動態響應的關鍵因素。為此，控制策略中采用MWD信號(比BD更早)來生成一組動態前饋信號——鍋爐動態加速信號(BID)，分別作用到燃料、送風、給水等系統，使鍋爐對負荷指令的響應速度得到加快，從而起到先動作、早控制的作用。BD指令在變負荷時具有強化微分環節的作用，而穩態負荷下，BD指令不發生作用。

3 實際應用

某電廠新建2×660 MW超超臨界機組，鍋爐由哈爾濱鍋爐廠有限責任公司設計，型號為：HG-2035/26.15-YM3，采用П型布置、單爐膛、改進型低NOX分級送風燃燒系統、墻式切圓燃燒方式，爐膛采用內螺紋管垂直上升膜式水冷壁、帶再循環泵的啟動系統、一次中間再熱。汽輪機為東方汽輪機有限公司制造的超超臨界壓力汽輪機，型號為：N660-25/600/600，超超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、凝汽式汽輪機。發電機為東方電機股份有限公司生產的發電機。DCS與DEH均采用北京日立控制系統有限公司提供的HI?ACS-5000 M集散控制系統。

試運期間從機組實際運行負荷340 MW開始，投入機組協調控制，在450 MW~660 MW之間以9 MW/min的負荷爬坡速率進行了負荷擾動試驗，試驗曲線如圖4所示。

圖4 15%負荷擾動試驗曲線

由試驗曲線分析可知，機組負荷初始響應較快，過程變化平穩，最大動態偏差5.02 MW,實際負荷變化率超過9 MW/min；燃料與給水之間匹配良好，煤與水全過程實現動態平衡，過熱度沒有大的波動，變化較平緩。主汽壓力最大動態偏差為-0.56 MPa，主汽溫度的最大動態偏差4.1℃，均符合要求，說明設計的控制系統可靠。

4 結論

大型超超臨界機組協調控制系統設計要統籌全局，合理解耦，采用靜態、動態前饋，充分利用鍋爐蓄熱，才能提高機組的負荷適應性和運行穩定性。本文設計的協調控制策略，在沒有安排專門試驗的條件下，隨機組啟動進行參數在線整定。機組投運后經過長周期運行考驗，調節品質較好，主汽壓、主汽溫、功率、過熱度等參數波動均符合部頒標準。進一步證明協調控制系統設計合理，適合機組運行特性，能夠滿足電網AGC的要求。為新建大型火電機組納入電網AGC控制提供借鑒、參考。

[1]姚遠，管慶相，吳松.直吹式鍋爐機組協調控制系統優化[J].東北電力技術，2007(8):1-4.

[2]姚遠，劉巖.600MW超超臨界機組協調控制系統設計[J].東北電力技術，2009(1):42-45.

[3]黃紅艷，陳華東.超臨界直流鍋爐控制系統的特點及控制方案[J].電力建設，2006，27(3):1-3,13.

[4]楊景祺，戈黎紅，凌榮生.超臨界參數機組控制系統的特點及其控制策略[J].動力工程，2005(2):73-77.

[5]尹峰，朱北恒，李泉.超(超)臨界機組協調控制特性與控制策略[J].中國電力，2008(3):70-73.

[6]支保峰，楊建蒙，魯許鰲，李洋.直接能量平衡協調控制系統特性分析[J].電力科學與工程.2007，23(4):16-18.

[7]江哲生，董衛國，毛國光.國產1 000 MW超超臨界機組技術綜述[J].電力建設，2007，28(08):6-13.

[8]姚峻，祝建飛，金峰.1000MW機組節能型協調控制系統的設計與應用[J].中國電力，2011(6):84-89.

[9]孫月亮，董澤，亢猛.1000MW超超臨界機組協調控制策略分析[J].河北電力技術,2010(6):25-27.

[10]孫群麗，李家川，王釗，馬育苗.超超臨界機組熱量信號構造研究[J].熱力發電，2009(9):43-45,53.

[11]李希武.直接能量平衡法(DEB)協調控制系統分析[J].中國電力，2000，33(6):65-69.