超臨界機組協調控制策略分析及優化仿真研究

Analysis of the Coordinated Control Strategy

and Research on Optimization Simulation for Supercritical Power Unit

馬良玉　張　夢

(華北電力大學控制與計算機工程學院，河北 保定　071003)

超臨界機組協調控制策略分析及優化仿真研究

Analysis of the Coordinated Control Strategy

and Research on Optimization Simulation for Supercritical Power Unit

馬良玉張夢

(華北電力大學控制與計算機工程學院，河北 保定071003)

摘要：結合超臨界機組的特性及協調控制數學模型，詳細分析了某600 MW機組協調控制邏輯。其鍋爐主控和汽機主控邏輯均包含具有增益系數的典型加法器。針對以鍋爐跟隨為基礎的協調方式(BFCC)，借助機組的全工況仿真系統進行仿真優化試驗，以比較不同增益系數下機組負荷及主汽壓力的控制效果，確定最優的增益系數。研究結果對深入了解超臨界機組的協調控制潛力和提高機組對自動發電控制(AGC)的適應能力，具有一定參考意義。

關鍵詞：超臨界機組協調控制系統PID邏輯分析仿真優化

Abstract：Combining with the characteristics of the supercritical power unit, and the mathematical model of coordinated control, the coordinated control logics of certain 600 MW supercritical power unit are analyzed in detail. In both boiler master control logic and turbine master control logic, typical adder with gain coefficient is included. In accordance with the boiler following based coordinated control (BFCC) mode, the simulation optimization test is conducted with help of full-scope simulator of the unit. The control effects for unit load and main steam pressure under different gain coefficient are compared, thus the optimal gain coefficient is determined. The results of research possess certain reference significance to understand the potential of coordinated control of supercritical power unit, and improve the adaptability of the unit upon automatic generation control (AGC).

Keywords：Supercritical power unitCoordinated control systemPIDLogic analysisSimulation optimization

0引言

隨著我國電力工業的發展，600 MW及以上的超(超)臨界燃煤機組以其效率高、能耗低及環保性能好等特點已成為電網的主力機組。在以電網為中心的自動發電控制(automatic generation control，AGC)和“兩個細則”普遍實施的背景下，要求大型超(超)臨界機組具備較快的負荷響應速度和較強的調峰能力[1]。單元機組協調控制系統(coordinated control system，CCS)是把鍋爐和汽輪機作為整體進行控制，以維持內外兩個能量供求平衡，使機組滿足電網負荷指令要求，并保證主汽壓力等運行參數偏差不超過規定值[2]。CCS是實現AGC功能的基礎，控制品質優劣直接關系到獨立發電公司能否在電網有限的負荷變化量中爭取更多的電量并更好地為電網服務[3-5]。因此，深入了解超(超)臨界機組的運行特性，優化其協調控制策略，在保證機組安全運行的前提下，盡可能地提高機組對負荷指令的響應速度，對機組具備良好的AGC投運條件很有意義。

為此，本文針對某實際投運的600 MW超臨界機組，根據機組參與AGC運行的要求，詳細分析了該機組的協調控制邏輯。借助該機組的全工況仿真機系統，針對鍋爐主控和汽機主控邏輯中的典型加法器環節，對其增益系數進行優化仿真試驗，以了解該機組在現有邏輯下可能達到的最優協調控制效果。

1超臨界機組特性和協調控制模型

超臨界機組特性相比亞臨界機組更為復雜，具體體現在以下兩個方面：①超臨界鍋爐沒有汽包，在“直流”運行階段，給水加熱、蒸發和過熱一次性連續完成，負荷、汽溫、汽壓各控制回路間存在著更強的非線性耦合；②和亞臨界機組相比，超臨界機組蓄熱量較小，負荷調節更靈敏，但對外界的擾動響應較快，主汽壓、主汽溫等參數更容易產生較大的偏差和波動[6-7]。

超臨界機組協調對象一般可簡化為三輸入三輸出的系統，其模型如圖1所示。圖1中，輸入為燃料量指令B、給水流量指令W和汽輪機調門開度指令μt，輸出為機組負荷Ne、機前主汽壓力pt和汽水分離器出口(中間點)蒸汽溫度θ(或焓值H)。實線表示強相關關系，虛線表示弱相關關系。

圖1　超臨界直流鍋爐機組簡化模型

在協調系統構建時，忽略圖1中的弱相關關系，對各強相關分量給予不同配比，可實現不同協調控制策略，對應的指令通用模型可表述如下[8]：

μt=f1(ND)+G(k1ΔNe-k2Δpt)

(1)

B=f2(ND)+f3G(k3ΔNe+k4Δpt)+λG(Δθ)

(2)

W=f4(ND)+f5G(k3ΔNe+k4Δpt)+λ′G(ΔH)

(3)

式中：ND為負荷指令；G為調節器算法；k1~k4為負荷、汽壓分量的配比系數；f1(x)、f2(x)、f4(x)分別為調門、燃料、給水對負荷指令的超前函數；f3(x)、f5(x)為煤水分配函數;λ、λ′為焓溫選擇函數。

根據上述公式，通過k1、k2、k3和k4的不同配比，可構建三種不同協調控制模式[8-10]。①鍋爐跟隨為基礎的協調方式(boiler-followingcoordinatedcontrol,BFCC)。這種方式下，式(1)~式(3)經量綱等效換算后，可得k1>k2、k3k4。鍋爐側主要負責調節負荷，汽機側主要負責調節壓力。負荷指令變化時，先改變鍋爐的給水量和給煤量，當汽機主控制器檢測到機前壓力的變化時，通過關大或關小調門來改變進汽量。由于鍋爐與汽輪機相比具有較大的慣性，因此該方式汽壓波動較小，但機組負荷響應速度較慢，調峰能力較差。③機爐協調控制方式(turbine-boilercoordinatedcontrol,TBCC)。這種模式下式(1)~式(3)中k1與k2大致相當，k3與k4大致相當。鍋爐和汽機共同控制機組功率和主汽壓力，兼顧負荷與主汽壓力兩個參數的調節性能。

2協調控制邏輯分析

本文研究對象為某實際投運的600MW機組，采用DG-1900/25.4-Ⅱ1型單爐膛、一次再熱、超臨界Π型鍋爐，N600-24.2/566/566型一次中間再熱、沖動式、單軸、三缸四排汽、雙背壓、純凝汽式汽輪機。

經分析，機組協調控制系統采用BFCC方式和焓水控制策略。給水與燃料量維持水煤比，保證中間點焓值(溫度)相對穩定，并與后續過熱器噴水減溫配合，實現過熱汽溫控制。給水沒有直接參與負荷和主汽壓力調節，相對較為獨立。因此，本文優化仿真僅針對機組的負荷和主汽壓力控制，給水和汽溫控制采用機組原邏輯和原參數。

通過分析協調控制系統的邏輯組態圖，可深入理解機組的負荷和汽壓控制策略，為進一步優化其控制參數奠定基礎。下面對協調控制系統的鍋爐主控和汽機主控邏輯圖進行分析。

2.1　鍋爐主控邏輯

600MW機組鍋爐主控邏輯圖如圖2所示。由圖2可見，鍋爐主控邏輯包含兩個APID控制器，對APID的選取則有以下三種情況：①機組以協調方式運行(機、爐主控均為自動)時，協調狀態信號取值為1，選擇開關T接收1#PID的輸出信號，經M/A站自動信號輸入端A送至鍋爐主控輸出,此時2#PID跟蹤鍋爐主控指令；②機組處于鍋爐跟隨方式(機主控手動，爐主控自動)時，協調狀態信號取值為0，選擇開關T接收2#PID的輸出信號，經M/A站送至鍋爐主控輸出，而1#PID跟蹤鍋爐主控指令；③鍋爐主控切手動時，M/A站不接受任何PID輸出，需手動更改鍋爐主控輸出指令(燃料量指令)。

圖2　鍋爐主控邏輯圖

下面只分析協調控制方式下1#PID的輸入信號。注意到1#PID的設定值缺省為0，而進入1#PID的PV信號來自加法器∑2，包含壓力偏差信號Δp和負荷偏差信號ΔN。與協調指令通用模型(2)對應，通過調節加法器中兩個增益系數的配比，可實現三種不同的協調策略。對于純BFCC模式，負荷指令信號增益為0，僅取壓力偏差信號增益后作為測量值。

此外，1#PID的前饋信號涉及到以下三方面。

① 主前饋，機組負荷指令ND。由于機組穩態負荷和燃料量有較為確定的函數關系，將ND作為前饋量可保證機組在變負荷過程中快速得到與目標負荷基本對應的燃料指令，既加快鍋爐主控反應速度, 同時避免系統慣性造成的調節器積分累積過大而發生的超調, 改善控制系統的動態特性。

② 汽壓偏差前饋。

③ 負荷偏差及汽壓的微分前饋,引入這兩個微分前饋量同樣可加快機組的響應速度。

2.2　汽機主控邏輯

機組的汽機主控邏輯如圖3所示，同樣也包含兩個APID控制器。兩個APID的選取原則也有三種情況，與鍋爐主控邏輯圖的分析基本相同，此處不再贅述。下面只針對協調控制方式下1#APID的輸入信號來進行分析。

圖3　汽機主控邏輯圖

由圖3可看出，主汽壓力偏差Δp和功率偏差信號ΔN共同輸入到加法器∑2中，經一函數發生器F1(X)作為1#APID的測量信號。與協調指令通用模型(1)對應，通過調節加法器中兩輸入增益系數大小，可實現不同的協調策略。對于純BFCC模式，僅取負荷偏差增益作為測量值，壓力偏差信號增益取0。注意到負荷指令之后具有若干慣性環節F(t)，其作用是模擬鍋爐自負荷指令變化到工質進入水冷壁吸熱、汽化、蒸發到主汽壓力、主汽溫度變化的過程, 使汽機等待鍋爐的響應，以協調機爐運行狀態, 匹配兩者之間的出力。負荷指令ND經一函數發生器F2(X)，再經限幅限速模塊，到1#APID的FF引腳，作為汽機主控的前饋，使汽機可根據ND的變化直接進行一定的預調。

3協調參數優化仿真試驗

本文的優化仿真試驗針對以鍋爐跟隨為基礎的協調控制(BFCC)方式進行。在圖2、圖3中，進入1#APID的PV信號均來自加法器∑2。對應于BFCC方式，兩個加法器第二個輸入的增益系數均取0，即鍋爐主控僅調主汽壓力偏差，汽機主控僅調負荷偏差。兩個加法器模塊第一個增益系數取值不同，可對各自PID的比例和積分作用強弱同時產生影響，從而產生不同的負荷和主汽壓力控制效果。為此本文借助火電機組仿真機開展試驗，比較不同增益系數取值下機組負荷和鍋爐主汽壓力的控制效果，確定控制效果相對較優的比例增益組合。

3.1　鍋爐主控中壓力偏差增益優化

在BFCC模式下，鍋爐主控中，加法器∑2輸出為CBΔp，CB為壓力偏差信號的增益。在仿真機上試驗時，CB分別取不同值時對機組負荷和主汽壓力的控制效果。試驗選取的工況為600-540-480 MW降負荷試驗，降負荷速率12 MW/min，降壓速率1 MPa/min。當CB分別取值為14、35、49時，機組負荷、主汽壓力的試驗結果如圖4所示。

圖4　CB=14、35、49時負荷和汽壓變化曲線

由圖4可以看出，由于CB對應的是鍋爐主控調節，所以CB的變化對主汽壓力影響較大。鍋爐側慣性較大，響應較慢，CB越小，調節速度越慢。由圖4(b)可看出,當CB=14時，主汽壓力波動較大；當CB=35時，汽壓超量小，變化平穩，無論是動態過程還是穩態條件下，均表現出優良控制效果；當CB=49時，調節速度快，汽壓超調量較小，但是調節速度的過快導致穩態時汽壓一直在波動，并不是平滑的曲線(相比CB=35)。綜合考慮，我們采用CB=35為相對最優值。試驗時，汽機主控側負荷偏差增益為一固定值(接下來所做的負荷偏差增益優化試驗的最優值)。

3.2　汽機主控負荷偏差增益優化

在BFCC模式下，汽機主控中加法器∑2輸出為Cu×ΔN。將CB固定為35，研究Cu值變化對負荷、主汽壓力調節性能的影響。機組變負荷運行工況同上，當Cu=3、6、12時，機組負荷、主汽壓力的變化曲線如圖5所示。

圖5　Cu=3、6、12時負荷和汽壓變化曲線

Cu為負荷偏差信號的增益，其取值對負荷的影響較大。當Cu為3、6、12時，負荷跟隨性能依次提高，波動幅度依次減小。但是調門開度的變化加快勢必也對主汽壓力產生影響。當Cu=12時，汽壓的波動比另外兩個參數時更明顯，尤其是在600 MW降至540 MW的動態過程，汽壓上升下降的速度都很快。綜合比較，選擇Cu=6為相對最優值。

4結束語

結合超臨界機組特性和協調控制的通用數學模型，分析了協調控制常見的幾種運行方式，并以鍋爐跟隨為基礎的協調方式(BFCC)為例，對某600 MW超臨界機組的鍋爐主控和汽機主控邏輯圖進行了詳細分析。由于控制邏輯中與協調模式對應的兩個PID控制器的測量值PV來自于加法器模塊的輸出，加法器的增益系數影響著鍋爐主控和汽機主控的調節性能。為

此，借助火電機組全范圍仿真系統，對加法器模塊的增益系數CB和Cu進行了仿真優化試驗，比較取值變化對機組負荷、主汽壓力的影響，并確定了增益系數的相對最優值。上述研究有助于深入了解超臨界機組協調控制的潛力，改善機組機組協調控制對AGC的適應性。

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中圖分類號：TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503001

國家自然科學基金資助項目(編號：61174111)。

第一作者馬良玉(1972-)，男，2004年畢業于華北電力大學熱能工程專業，獲博士學位，副教授；主要從事工業過程建模與仿真，智能技術在電站建模、控制與故障診斷中的應用研究。