AGC及汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)在330MW級(jí)火電機(jī)組的應(yīng)用

胡建華（江蘇淮陰發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇 淮安 223022）

1 引言

控制系統(tǒng)優(yōu)化機(jī)組是330MW級(jí)亞臨界燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，DCS采用杭州和利時(shí)MACSV控制系統(tǒng)，由于DCS控制的AGC及汽溫系統(tǒng)，受控制對(duì)象的復(fù)雜性、非線性、滯后性、時(shí)變性等因素影響，DCS采用的單純的PID控制，已不能有效完成規(guī)定的控制品質(zhì)[1-2]，機(jī)組汽溫、汽壓指標(biāo)品質(zhì)不佳，鍋爐超溫、欠溫或超壓、欠壓運(yùn)行現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，特別是在AGC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)幅度變化較大時(shí)，過熱汽溫度、再熱汽溫和主汽壓力會(huì)嚴(yán)重偏離額定值，直接影響到鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[3-4]。為解決AGC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)整以及燃燒煤種變化對(duì)汽溫、汽壓的影響，應(yīng)用了AGC及協(xié)調(diào)汽溫汽壓優(yōu)化控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱“INFIT”控制系統(tǒng)，針對(duì)該控制系統(tǒng)控制策略、特點(diǎn)、安全性和相關(guān)的調(diào)試方案進(jìn)行了詳細(xì)的論證，通過調(diào)試投入運(yùn)行，真正實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化控制系統(tǒng)所預(yù)期的性能指標(biāo)，同時(shí)極大地降低了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高機(jī)組安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性。

2 優(yōu)化前運(yùn)行狀況

AGC及協(xié)調(diào)汽溫汽壓優(yōu)化控制系統(tǒng)投入前DCS控制的情況分析如圖1所示：DCS協(xié)調(diào)控制過熱汽溫、再熱汽溫、主汽壓力的運(yùn)行參數(shù)曲線從投用DCS控制系統(tǒng)時(shí)，機(jī)組負(fù)荷、主汽壓力、主汽汽溫和再熱汽溫的控制曲線，可以看出投用原DCS協(xié)調(diào)時(shí)：

（1）在機(jī)組負(fù)荷變化不大的情況下，整個(gè)機(jī)組的主要控制參數(shù)幾乎一直處于等幅振蕩狀態(tài)，運(yùn)行極不穩(wěn)定；

（2）機(jī)組主汽壓力一直處于±0.6MPa左右的等幅振蕩，大部分時(shí)間運(yùn)行人員不得不主動(dòng)設(shè)定主汽壓力設(shè)定值與實(shí)際主汽壓力的變化方向一致，以防止出現(xiàn)過大的汽壓偏差；

（3）主汽溫度最大波動(dòng)幅度可達(dá)30℃，且難以快速穩(wěn)定；

（4）再熱汽溫度最大波動(dòng)幅度可達(dá)50℃，最大溫度可達(dá)567℃以上，有極大地超溫隱患。

圖1 優(yōu)化前負(fù)荷、汽壓、汽溫曲線

3 智能預(yù)測(cè)AGC及汽溫優(yōu)化控制

隨著機(jī)組工況和煤種的變化，機(jī)組被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性變化較大，過程的滯后和慣性增加，對(duì)象非線性和時(shí)變性的特征也越來(lái)越明顯，在這種情況下，采用常規(guī)的負(fù)荷指令前饋+PID反饋的AGC及協(xié)調(diào)控制方式，已很難控制好系統(tǒng)快速性和穩(wěn)定性之間的矛盾，要從根本上解決這些問題，應(yīng)將先進(jìn)的控制技術(shù)，如預(yù)測(cè)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等技術(shù)應(yīng)用到火電機(jī)組的優(yōu)化控制中來(lái)[5-6]。

3.1 預(yù)測(cè)控制技術(shù)為核心的閉環(huán)控制

“INFIT”系統(tǒng)在整體控制結(jié)構(gòu)上仍采用前饋+反饋的控制模式，但與常規(guī)DCS控制策略不同的是其在反饋控制部分應(yīng)用了目前國(guó)際上最前沿的解決大滯后對(duì)象控制問題的預(yù)測(cè)控制技術(shù)，取代了原有的PID控制。采用這種技術(shù)能夠提前預(yù)測(cè)被調(diào)量（如主汽壓力、汽溫等參數(shù)）的未來(lái)變化趨勢(shì)，而后根據(jù)被調(diào)量的未來(lái)變化量進(jìn)行控制，有效提前調(diào)節(jié)過程，從而大幅提高了機(jī)組AGC及協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性和抗擾動(dòng)能力。

3.2 全工況控制器自整定

常規(guī)DCS的控制回路，其控制參數(shù)一經(jīng)整定結(jié)束就不會(huì)改變，對(duì)于日后機(jī)組工況的變化無(wú)能為力[7]；“INFIT”控制系統(tǒng)采用競(jìng)爭(zhēng)型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法來(lái)實(shí)時(shí)校正機(jī)組運(yùn)行中與控制系統(tǒng)密切相關(guān)的各種特性參數(shù)（包括燃料熱值、汽耗率、機(jī)組滑壓曲線、制粉系統(tǒng)慣性時(shí)間等），并根據(jù)這些特性參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算AGC及協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的前饋和反饋回路中的各項(xiàng)控制參數(shù)，使得整個(gè)系統(tǒng)始終處于在線學(xué)習(xí)的狀態(tài)，控制性能不斷向最優(yōu)目標(biāo)逼近。

3.3 基于預(yù)測(cè)趨勢(shì)的控制優(yōu)化

常規(guī)DCS控制方案對(duì)于機(jī)組運(yùn)行在CCS方式還是AGC是不加區(qū)分的，“INFIT”控制系統(tǒng)中包含AGC運(yùn)行模式下的特別優(yōu)化模塊：采用智能預(yù)測(cè)算法，一方面根據(jù)機(jī)組當(dāng)前AGC指令、實(shí)發(fā)功率、電網(wǎng)頻率等參數(shù)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)“調(diào)度EMS系統(tǒng)AGC指令”在未來(lái)時(shí)刻的變化趨勢(shì)；另一方面根據(jù)機(jī)組的燃料量、風(fēng)量等參數(shù)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)表征鍋爐做功能力的“鍋爐熱功率信號(hào)”在未來(lái)時(shí)刻的變化值，并依據(jù)這兩者間的匹配程度來(lái)修正鍋爐指令的變化量。增加AGC模式特別優(yōu)化模塊，可在保證AGC負(fù)荷響應(yīng)的基礎(chǔ)上使機(jī)組燃料量、風(fēng)量、減溫水流量的波動(dòng)幅度減小60%以上，對(duì)于延長(zhǎng)鍋爐管材壽命，減少爆管極為有利。

3.4 大滯后優(yōu)化控制技術(shù)

“INFIT”控制系統(tǒng)先將自適應(yīng)SMITH控制技術(shù)、狀態(tài)變量控制技術(shù)及相位補(bǔ)償技術(shù)融于一體，對(duì)再熱汽溫被控對(duì)象的大滯后特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，有效減小補(bǔ)償后再熱汽溫廣義被控對(duì)象的滯后和慣性，而后以廣義預(yù)測(cè)控制器作為反饋調(diào)節(jié)器、以模糊智能控制作為控制系統(tǒng)的前饋，通過對(duì)多種大滯后控制策略的有效組合，成功地實(shí)現(xiàn)了以事故噴水調(diào)節(jié)為輔的再熱汽溫自動(dòng)控制，有效減少了再熱汽溫的噴水流量，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

4 實(shí)現(xiàn)方式

“INFIT”控制系統(tǒng)在具體實(shí)現(xiàn)上選用Siemens S7系列PLC為硬件平臺(tái)，通過Modbus通訊方式作為一個(gè)擴(kuò)展DPU融入到DCS系統(tǒng)中。DCS原有控制邏輯完全保留，僅增加少量切換邏輯，運(yùn)行人員可以方便地在DCS系統(tǒng)和“INFIT”控制系統(tǒng)間進(jìn)行無(wú)擾切換。對(duì)于該擴(kuò)展部分控制邏輯的調(diào)試、修改不影響機(jī)組的正常運(yùn)行，極大地提高了優(yōu)化控制系統(tǒng)的調(diào)試效率和機(jī)組運(yùn)行的安全性，也為今后新技術(shù)的應(yīng)用升級(jí)打下了良好的基礎(chǔ)。

圖2 “INFIT”系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)間的接口圖

圖2是“INFIT”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及與機(jī)組DCS系統(tǒng)間的接口圖，可看出優(yōu)化控制裝置可通過Modbus通信與DCS融為一體，相當(dāng)于為火電機(jī)組原有的DCS擴(kuò)展了一套AGC優(yōu)化控制系統(tǒng)，取代原系統(tǒng)中的AGC協(xié)調(diào)控制功能，以提高系統(tǒng)控制品質(zhì)。

“INFIT”控制系統(tǒng)通過多種技術(shù)來(lái)檢測(cè)通訊數(shù)據(jù)的正常，以及與DCS系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)作正常，即使“INFIT”系統(tǒng)故障也不會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)：

（1）“INFIT”控制系統(tǒng)以不斷向DCS發(fā)送心跳波的方式來(lái)表征系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，DCS一旦檢測(cè)不到心跳波，立即切回原DCS控制系統(tǒng)；

（2）“INFIT” 控制系統(tǒng)不斷檢測(cè)由DCS側(cè)獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的正確性（包括上、下限，變化率等），一旦發(fā)現(xiàn)任一信號(hào)故障，立即將所有輸出控制指令（燃料指令、汽機(jī)調(diào)門指令、噴水閥門指令等）保持，并立即切回原DCS控制系統(tǒng)；

（3）DCS側(cè)接受到“INFIT” 控制系統(tǒng)的新的控制指令（燃料指令、汽機(jī)調(diào)門指令等）后，根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷進(jìn)行上、下限約束（比如燃料量最大在當(dāng)前狀態(tài)下波動(dòng)20t/h），以保證“INFIT”控制系統(tǒng)的故障不會(huì)使控制指令大幅突變。

通過以上技術(shù)的應(yīng)用，即使“INFIT”控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中掉電，也不會(huì)對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行造成影響。

5 優(yōu)化系統(tǒng)安裝與調(diào)試

5.1 系統(tǒng)安裝

優(yōu)化系統(tǒng)安裝如圖3所示，圖中從左側(cè)開始分別為西門子S7300DPU、CP341通信卡、電源模塊、DCS側(cè)通信卡件。

5.2 熱態(tài)調(diào)試前準(zhǔn)備

為了順利進(jìn)行系統(tǒng)投入與熱態(tài)調(diào)試，需要做好調(diào)試前的準(zhǔn)備工作，具體如下：

圖3 “INFIT”系統(tǒng)安裝圖

（1）檢查“INFIT”系統(tǒng)受電情況，電源冗余切換試驗(yàn)正常。

（2）檢查“INFIT”系統(tǒng)與DCS數(shù)據(jù)交換情況，通訊數(shù)據(jù)的正確性及通訊速率滿足要求。

（3）檢查DCS組態(tài)中“INFIT”系統(tǒng)接口邏輯的正確性。

（4）檢查DCS畫面上“INFIT系統(tǒng)投/切”按鈕的有效性。

（5）檢查“INFIT”系統(tǒng)控制邏輯，并初設(shè)相關(guān)控制參數(shù)。

（6）檢查在DCS控制模式下，“INFIT”系統(tǒng)的各優(yōu)化控制指令（燃料指令、汽機(jī)指令、噴水閥門指令等）完全跟蹤當(dāng)前DCS指令，保證“INFIT”系統(tǒng)投/切無(wú)擾。

5.3 優(yōu)化系統(tǒng)投入

在機(jī)組工況穩(wěn)定的條件下，在主控畫面上投入“INFIT”、將機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、過熱汽溫控制系統(tǒng)、再熱汽溫控制系統(tǒng)的控制權(quán)切換至“INFIT”實(shí)時(shí)優(yōu)化控制裝置。自動(dòng)投用前需做好事故預(yù)想，投用時(shí)通過限制調(diào)節(jié)器輸出范圍等手段防止出現(xiàn)大幅動(dòng)作，投用過程中密切注意控制情況，發(fā)現(xiàn)異常立即解除自動(dòng)。

5.4 優(yōu)化系統(tǒng)投入/切除試驗(yàn)

將“INFIT”控制系統(tǒng)AGC協(xié)調(diào)、主汽溫度、再熱汽溫三個(gè)投切按鈕反復(fù)投入、切除幾次，并檢查：

（1）投/切畫面操作及顯示是否正常，設(shè)定值、偏置等運(yùn)行人員操作接口是否正常；

（2）投/切前各控制指令是否完全跟蹤，投/切過程中各控制指令有無(wú)突變情況；

（3）“INFIT CCS”退出時(shí)，機(jī)組應(yīng)自動(dòng)切換至TF運(yùn)行方式。

5.5 優(yōu)化系統(tǒng)性能試驗(yàn)

為了達(dá)到相關(guān)控制性能要求以及整定控制器初始參數(shù)，優(yōu)化控制系統(tǒng)投入后需進(jìn)行定值擾動(dòng)試驗(yàn)、變負(fù)荷試驗(yàn)、一次調(diào)頻試驗(yàn)和AGC性能試驗(yàn)。

（1）“INFIT”系統(tǒng)初次投入工作完成后，需進(jìn)行擾動(dòng)試驗(yàn)，以考核系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性及抗擾動(dòng)能力。在穩(wěn)定工況下，修改一、二級(jí)汽溫設(shè)定值，觀察整個(gè)協(xié)調(diào)及汽溫控制系統(tǒng)運(yùn)行情況，并相應(yīng)整定控制參數(shù)。在穩(wěn)定工況下，修改再熱汽溫設(shè)定值，觀察整個(gè)協(xié)調(diào)及汽溫控制系統(tǒng)運(yùn)行情況，并相應(yīng)整定控制參數(shù)。

（2）擾動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)在協(xié)調(diào)投運(yùn)范圍內(nèi)選取1～2點(diǎn)進(jìn)行（由運(yùn)行人員根據(jù)需要選取），以檢查控制系統(tǒng)在不同負(fù)荷工況下的控制品質(zhì)，試驗(yàn)結(jié)束后記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)、運(yùn)行曲線。定值擾動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后，需進(jìn)行變負(fù)荷試驗(yàn)，以進(jìn)一步檢查“INFIT”優(yōu)化控制系統(tǒng)在變負(fù)荷性工況下的性能，并記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和運(yùn)行曲線。

（3）CCS變負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)束后，在投入“INFIT”控制方式下，模擬一次調(diào)頻測(cè)試信號(hào)進(jìn)行機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)，檢驗(yàn)“INFIT”優(yōu)化控制系統(tǒng)的一次調(diào)頻性能，記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和運(yùn)行曲線。一次調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)束后，需聯(lián)系調(diào)度進(jìn)行一次調(diào)頻聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，以檢驗(yàn)“INFIT”系統(tǒng)控制下的機(jī)組一次調(diào)頻考核性能。

（4）最后，進(jìn)行AGC速率測(cè)試，并向調(diào)度獲取實(shí)際AGC測(cè)試結(jié)果，投入正常AGC控制，運(yùn)行觀察2～3天，并及時(shí)通過調(diào)度獲取該期間機(jī)組的AGC精度考核數(shù)據(jù)，并與機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整控制參數(shù)，以滿足調(diào)度AGC考核指標(biāo)要求。

6 優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用效果

經(jīng)過調(diào)試投入系統(tǒng)運(yùn)行后，并經(jīng)過3個(gè)多月的使用情況如下：

6.1 變負(fù)荷汽溫汽壓優(yōu)化控制性能

機(jī)組以6MW/min的速率從280MW下降到275MW，稍作穩(wěn)定后又直接上升回270MW，進(jìn)行了一次正、反向40、30MW幅度的變負(fù)荷試驗(yàn)。該過程中的負(fù)荷、主汽壓力控制曲線見圖4。各項(xiàng)主要被控參數(shù)與要求的考核值的對(duì)比數(shù)據(jù)列于表1。結(jié)合圖4和表1可以得出優(yōu)化控制系統(tǒng)在6MW/min速率下變負(fù)荷控制的整體性能評(píng)價(jià):

（1）負(fù)荷控制：實(shí)際負(fù)荷嚴(yán)格按照設(shè)定變負(fù)荷速率變化，動(dòng)態(tài)過程平穩(wěn)，無(wú)振蕩，過調(diào)量很小。實(shí)際速率、響應(yīng)延遲時(shí)間、動(dòng)態(tài)控制偏差、穩(wěn)態(tài)控制精度均滿足要求；

（2）主汽壓力控制：動(dòng)態(tài)過程平穩(wěn)，無(wú)振蕩和過調(diào)，最大動(dòng)態(tài)偏差<0.5MPa，滿足技術(shù)規(guī)范的要求；

（3）主汽溫度控制：控制非常穩(wěn)定，在升降負(fù)荷過程中最大動(dòng)態(tài)偏差僅為3～4℃，且變負(fù)荷結(jié)束后能迅速穩(wěn)定，一二級(jí)過熱器減溫水量有效降低，控制性能明顯優(yōu)于技術(shù)規(guī)范的要求；

（4）再熱溫度控制：控制非常穩(wěn)定，除在大幅降負(fù)荷時(shí)減溫水全關(guān)后汽溫仍較低外，其它時(shí)段最大動(dòng)態(tài)偏差小于9℃，再熱器減溫水量明顯降低，正常情況小于8t/h以下，滿足技術(shù)規(guī)范的要求。

6.2 一次調(diào)頻性能控制

投入INFIT優(yōu)化控制系統(tǒng)，通過調(diào)度測(cè)試指令的方法，分別進(jìn)行了正、負(fù)向的一次調(diào)頻試驗(yàn)，從試驗(yàn)曲線（圖5）中可以看出:

（1）在一次調(diào)頻指令發(fā)生時(shí)，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷能快速的相應(yīng)調(diào)頻負(fù)荷要求，一次調(diào)頻的動(dòng)作幅度、響應(yīng)時(shí)間、控制穩(wěn)定性均滿足要求；

（2）一次調(diào)頻試驗(yàn)中機(jī)組主汽壓力波動(dòng)幅度僅為0.2～0.3MPa，對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行基本無(wú)影響。

表1 6MW/min速率升、降負(fù)荷控制性能數(shù)據(jù)

圖4 6MW/min速率變負(fù)荷試驗(yàn)控制曲線

圖5 一次調(diào)頻試驗(yàn)曲線

6.3 AGC考核性能

圖6是投用INFIT協(xié)調(diào)系統(tǒng)后，AGC省調(diào)測(cè)試的過程曲線，可看出：

（1）在AGC測(cè)試中，機(jī)組的實(shí)際負(fù)荷響應(yīng)完全滿足測(cè)試要求，一月份調(diào)度端的AGC實(shí)測(cè)速率為1.65%Pe/min，二月份調(diào)度測(cè)試為1.57%Pe/min（考核要求為1.5%Pe/min）；

（2）AGC控制精度：一月控制精度為0.37%，二月控制精度為0.38%（考核要求為≤0.5%）；

（3）在各項(xiàng)性能測(cè)試過程中，機(jī)組主汽壓力控制平穩(wěn)，最大動(dòng)態(tài)偏差僅為0.2～0.3MPa，主汽溫度波動(dòng)僅為1～2℃，再熱汽溫波動(dòng)幅度僅為4～5℃對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行基本無(wú)影響。

圖6 AGC測(cè)試曲線

6.4 經(jīng)濟(jì)性分析

INFIT優(yōu)化控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得到提高，通過連續(xù)3個(gè)月的主汽溫度和再熱汽溫性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，主汽溫度和再熱汽溫平均控制在538～541℃之間，比之前主汽溫度和再熱汽溫平均控制在535℃以下得到明顯地提高，根據(jù)主汽溫度每上升1℃（額定溫度下）煤耗將降低0.114克，再熱汽溫每上升1℃（額定溫度下）煤耗將降低0.091克，初步估算，INFIT優(yōu)化控制系統(tǒng)投入后，可節(jié)約煤耗達(dá)到0.8g/KWh以上。

7 結(jié)論

INFIT優(yōu)化控制系統(tǒng)成功投入，控制效果取得了明顯成效，并通過大幅度變負(fù)荷、啟停磨煤機(jī)以及煤種變化等擾動(dòng)考驗(yàn)，機(jī)組的AGC、一次調(diào)頻及協(xié)調(diào)汽溫、汽壓控制的性能指標(biāo)和穩(wěn)定性都有了大幅度提高，消除了AGC協(xié)調(diào)控制時(shí)汽溫、汽壓出現(xiàn)大幅變化，嚴(yán)重偏離額定值現(xiàn)象，達(dá)到既能滿足AGC性能指標(biāo)，又能使機(jī)組的汽溫、汽壓力保持在正常設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，極大地降低了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效地提高了機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性，證明了先進(jìn)控制技術(shù)能夠更好地解決330MW亞臨界火電機(jī)組熱工控制中的難題，具有很好的借鑒意義。

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