國電霍州2×600MW超臨界機組協調控制系統分析與優化

于文浩，孫建平，王中勝

（1.華北電力大學 控制科學與工程學院，河北 保定 071003；2.北京國電智深控制技術有限公司，北京 102200）

0 引言

國電霍州發電廠以大代小工程建設2×600MW超臨界參數燃煤發電機組,鍋爐型號：DG2030/25.4-Ⅱ4型，是東方鍋爐（集團）股份有限公司生產，鍋爐最大連續蒸發量：2030t/h，鍋爐（BMCR）燃煤量：290.79t/h(設計煤種)。制粉系統采用雙進雙出鋼球磨正壓冷一次風機直吹式制粉系統，每臺爐配置五臺磨煤機。

1 機組協調控制策略分析

霍州電廠600MW超臨界機組協調控制系統主要包括爐主控(BM)、機主控(TM)、負荷指令設定、壓力設定、輔機故障減負荷(RUNBACK)、頻率校正等功能回路。協調控制系統采用以鍋爐跟蹤為基礎的協調控制方式，控制邏輯框圖如下圖1所示：鍋爐跟蹤為基礎的協調方式下，爐主控負責維持機前壓力，機主控用于控制機組負荷。機組的負荷響應速度快、負荷控制精度較高，但機前壓力以及主蒸汽溫度波動幅度較大[1]。

1.1 負荷指令處理回路

機組負荷指令的任務是：對AGC指令或運行人員手動指令所要求的負荷進行限速、限幅處理；當自動調節系統的主要運行參數出現越限時，自動地實現機組負荷的閉增、閉減或保持；當主要輔機故障時，機組自動轉到RB工況。機組負荷指令回路由負荷控制站、最大/最小值限制、變化率限制三部分組成。

1.2 鍋爐主控

鍋爐主控指令在協調方式、BF方式下是不同的。

圖1 協調控制系統控制框圖Fig.1 Schematic of the coordinated control system

圖2 鍋爐主控非線性PID控制原理圖Fig.2 Schematic of the boiler master nonlinear PID

1）協調方式

基本指令：機組負荷指令疊加一次調頻的負荷增量信號，而后再加上機組負荷指令微分信號和壓力微分信號，得出鍋爐主控基本指令。該指令作為鍋爐主控指令的基本值去控制燃料量，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。

壓力偏差是對鍋爐蓄熱的動態補償信號，不同負荷下對于同樣的壓力偏差，鍋爐需補償的蓄熱量不同，因此，應根據負荷指令和壓力偏差對鍋爐主控指令進行動態修正。壓力偏差的構成為壓力設定值和實際壓力的偏差與“最大/最小負荷與鍋爐指令的反饋偏差”進行大、小選限制后，得到機組允許的最大變負荷范圍內的壓力偏差信號。

2）BF方式下的鍋爐主控指令由能量平衡信號和壓力偏差調節器的輸出信號兩部分疊加而成。其中，能量平衡信號為前饋調節，是粗調，壓力偏差為反饋調節，是細調。

1.3 汽機主控

汽機負荷設定值分DEH處于遙控方式和非遙控方式下的設定。

DEH處于遙控方式，在此模式下，機組負荷指令經一個三階慣性環節（其時間常數為新蒸汽的響應時間），而后疊加壓力偏差的自調整信號。機組負荷指令的前饋，在變負荷時為充分利用機組蓄熱，通過汽輪機調門提前動作，允許汽壓有一定的波動而釋放或吸收部分蓄能，加快機組初期負荷的響應速度而采取的手段。

三階慣性環節用于解耦，由于鍋爐對負荷指令的響應遠慢于汽輪機，故用三階慣性環節來匹配二者之間的動態特性，該環節代表從機組負荷指令變化到新蒸汽產生的動態過程。

1.4 熱值校正回路

在設計燃燒煤種時，一定的負荷指令變化就需要有一定的燃料量變化與之對應，如果燃燒煤種出現偏差時，鍋爐指令和鍋爐出力的對應關系也隨之出現偏差，熱值校正回路為消除這種偏差而采用主汽流量來自動地校正燃料發熱量。

熱值校正基本信號：鍋爐指令反饋經三階慣性，時間常數為新蒸汽的響應時間，再經過一階慣性，時間常數為鍋爐蓄熱時間，以保證該鍋爐指令對應當時的鍋爐出力，而后再與主汽流量求偏差，該信號代表煤種出現偏差，若偏差為正，說明燃用煤的熱值低于設計煤種的發熱量，反之亦然。該偏差信號經死區處理和乘以0.1系數修正后，得出熱值校正基本信號。

圖3 通過DCS組態實現模糊控制規則表Fig.3 Table fuzzy control rules confi gured by DCS

圖4 鍋爐加速回路原理圖Fig.4 Schematics of boiler acceleration circuit

2 協調控制系統存在的問題及優化方案

2.1 協調控制系統存在的問題

1）對于具有強非線性的超臨界機組對象[2]，其燃料—負荷、燃料—壓力特性慣性及滯后較大，不同負荷階段鍋爐的動態特性是不同的，采用常規的PID調節器很難達到預期效果。

2）霍州600MW超臨界機組鍋爐蓄熱量較小，僅靠利用鍋爐蓄熱量提高負荷響應速度是不夠的，需要及時地補償鍋爐的蓄熱。

3）機組在協調工況下，主蒸汽壓力及溫度波動大。原控制策略在負荷變化時，風、水、煤特別是給水與燃料之間在幅值和時序上的配合不當，在負荷變化初期快速推進給水來維持壓力，而后造成主汽溫的波動，從而造成給水焓值控制和主汽壓控制之間的強烈耦合，造成主汽壓、主汽溫的頻繁波動。

2.2 協調控制系統的優化措施

2.2.1 鍋爐主控優化

協調時鍋爐主控原來采用的靜態前饋為DQ*PTS/PT信號，由于熱量信號DQ相對于負荷指令有所滯后，優化后在機組協調方式下采用負荷指令為鍋爐主控的靜態前饋。鍋爐調節器的入口偏差改為主汽壓力偏差和功率偏差之和，通過調整兩種偏差的權重來達到希望的控制品質。優化后的鍋爐主控控制原理如圖2所示。

圖5 AGC工況下減負荷曲線Fig.5 Curve of reduce the load in AGC conditions

2.2.2 鍋爐主控變參數

考慮到機組動態快速響應與穩態平穩之間的矛盾，以及機組在不同負荷段具有不同的動態特性。在鍋爐主控回路的控制策略設計中，引入變參數調節機制，即根據不同的機組運行工況（如根據負荷指令、機組是否在變負荷、壓力變化及變化趨勢等）經過非線性函數、模糊控制器實現PID的變參數[3]（變增益，變積分時間等）調節，以提高控制性能。

鍋爐主控PID調節器的變積分，是在機組工況相對穩定時根據主蒸汽壓力的變換及變換趨勢進行超前控制。需建立壓力變化和變化率的模糊控制規則表，級11X11的二元數組算法塊。模糊控制表規則劃分等級是同其控制精度相關，采用傳統的函數塊、切換塊算法塊實現任意等級的模糊控制規則表。原理如圖3所示。

圖3實現的是11X11的模糊控制規則表，偏差E模糊化后，經F(x)函數塊后轉為0~10，偏差變化率DE模糊化后，經F(x)函數塊后轉為1~11，再經過公式11*E+DE，將所需的二維表轉化為1~121的一維表。圖3中1~121表示函數F(x)的輸入值范圍為1~121，函數F(x)輸出為模糊規則表查出的變積分時間的系數。

2.2.3 壓力拉回回路設計

當機前壓力和機前壓力設定值的偏差超過一定的死區時，修正進入汽機主控的負荷指令，利用汽機的調門來快速穩定機前壓力，待爐側能量補充進來后再釋放調門指令，從而達到穩定主蒸汽壓力目的。在高負荷時，壓力比較高，為防止超壓安全門動作，壓力拉回（壓力正偏差）力度要大一些。

霍州600MW超臨界機組汽機主控回路原設計有壓力拉回的保護回路[4]，但函數塊填值為在±30之外起作用，即壓力偏差達到1.2MPa后才起作用。優化后填寫為在±10之外就起作用，即偏差達到0.4MPa后就起作用。

2.2.4 水、煤動態蓄熱補償回路修改

在負荷變化過程中，針對給水、燃料等對負荷變化的不同的響應時間，建立送風、給水、燃料等不同的超調信號，用于對動態響應過程的校正。另一方面，為了及時補充蓄熱，也必須對燃料和給水進行適量的超調，其它參量也有與之相適應的超調。通過每個鍋爐輸入指令的過調（負荷上升時）和欠調（負荷下降時）作用，加速鍋爐過程控制，改善主汽壓力和溫度的可控性?？刂圃砣鐖D4所示。

對于微過熱汽溫，給水流量的響應性要遠快于燃料量的響應性，因此加負荷時首先應增加燃料量、提高燃燒率，以先滿足爐膛蓄熱量提高的需要，然后再增加給水量，同樣，減負荷時，也應先減燃料量，再減少相應給水量[5]。同時，在減小微過熱汽溫波動時，應兼顧負荷響應的快速性。給水回路原設計中采用負荷指令的函數做給水指令基準值，由于是負荷指令做基準值，在切為機跟隨時，若只是調整燃料，給水跟蹤負荷與燃料調整不同步。優化后加上慣性環節，采用鍋爐指令做給水指令基準值，在鍋爐主控切手動，燃料主控切手動時，跟蹤燃料量。

3 現場投運情況

經過協調控制策略完善優化與參數整定，霍州電廠600MW超臨界機組，在AGC工況下變負荷速率設為12MW/min，負荷從496MW減負荷至446MW時的響應曲線如圖5所示。從曲線可以看出，機組負荷初始響應快，過程變化平穩，動態過程中主蒸汽壓力偏差<±0.35Mpa，主蒸汽溫度偏差<±5°，實際負荷變化率接近11MW/min，燃料與給水動靜態前饋量的幅值與時序匹配良好。

4 結束語

霍州電廠600MW超臨界機組的協調控制系統在運行中發現存在的問題，經過優化階段的設計、調試階段經過多次論證、反復優化，結合進行的大量的負荷變動試驗以獲得最佳控制參數，取得了不錯的效果，達到了既快速響應電網負荷變化要求，又能保證機組安全穩定運行的目標。

[1]王中勝,夏明,趙松烈,等.北侖1000MW超超臨界機組協調控制策略分析及優化[J].電力建設,2010,3(1):87-90.

[2]劉吉臻,田亮,曾德良,等.660MW機組負荷-壓力非線性特性的分析[J].動力工程,2005,25(4):533-540.

[3]劉紅波,李少遠,柴天佑.協調控制系統多變量PID控制器的自整定方法[J].自動化儀表,2003,24(6):10-15.

[4]西門子DEH控制系統設計說明書,上海汽輪機有限公司[Z].

[5]張秋生,梁華,胡曉花,等.超超臨界機組的兩種典型協調控制方案[J].中國電力,2011,44(10):74-79.