百萬級超超臨界火電機組新型協調控制策略分析

周松國，羅昌福

（華電電力科學研究院西安分院，陜西西安710032）

百萬級超超臨界火電機組新型協調控制策略分析

周松國，羅昌福

（華電電力科學研究院西安分院，陜西西安710032）

目前，國內超超臨界火電機組普遍存在AGC模式下電負荷響應速率不足的問題，主要原因是協調控制系統的主汽壓力調節品質差。由于主汽壓力控制存在多變量相互耦合的因素，如何消除各變量互耦作用就成為提高主汽壓力調節品質的核心技術。通過理論分析提出一種新型協調控制策略，將協調控制系統變負荷公用指令進行分解，形成多個彼此獨立的子系統變負荷前饋量，并設計一套智能型防燃料超調邏輯，成功地達到了解耦目的。該控制策略應用到中電投安徽平圩三期2×1050MW超超臨界火電機組，并取得良好的應用效果，實踐證明該策略能夠改善主汽壓力調節品質，進而提高電負荷響應速率。

速率；主汽壓力；獨立；前饋；解耦；燃料閉鎖

0 引言

目前，發展高效率、低煤耗的大容量超超臨界火力發電機組已是我國火力發電的主要方向，國內不少超超臨界火電機組在負荷變化過程中，由于主汽壓力調節品質差，最終影響到AG C電負荷的響應速率。如何提高超超臨界機組的協調控制系統的調節品質就成為了火電機組自動控制領域的一個重要研究課題。

影響機組電負荷響應速率的根本原因是汽機側與鍋爐側的能量不平衡，最直接的表現就是主汽壓力出現較大的控制偏差。

變負荷過程中，當主汽壓力控制偏差量達到一定值后，電負荷指令將出現將反向調節甚至被閉鎖，機組失去響應AG C指令變化的能力。如何控制主汽壓力就成為了提高協調控制系統調節品質的核心技術。

圖2 汽機閥門階躍擾動

圖3 燃料量階躍擾動

圖4 給水量階躍擾動

1 主汽壓力控制問題分析

直流狀態下影響主汽壓力的因素是多樣的，包括蒸汽流量、燃料、給水、汽溫及鍋爐燃燒率等諸多變量。各種變量關系如圖1所示。下面對各種變量之間的耦合關系進行討論。

圖1 超臨界直流鍋爐機組簡化模型

1.1 汽機閥門階躍擾動

當汽機調閥發生正向階躍且給水流量和燃料不變情況下，蒸汽流量初始階段將發生階躍，隨著鍋爐金屬和工質蓄熱量的下降，主汽壓力及主汽溫度將跟隨著下降；待蒸汽流量回落到初始值時主汽溫度將恢復初始值，而主汽壓力將趨于穩定并保持與初始值一定的負向偏差值。具體過程如圖2所示。

1.2 燃料量擾動

當燃料發生正向階躍且給水流量和汽機調閥不變情況下，經過短暫延時后，由于鍋爐各受熱面吸熱量大幅增加，蒸汽流量將迅速增加，主汽壓力跟隨著上升，主汽溫度初期因為吸熱量與蒸汽流量相當能夠保持短時的穩定；由于給水流量沒有改變導致蒸汽流量逐漸回落，此時由于水煤比發生大的變化汽溫經過一定延時后將迅速上升，而主汽壓力雖然因為蒸汽流量的下降會伴隨著下降，但是因為蒸汽容積流量的增大而引起沿程壓降的增加，所以蒸汽壓力最終保持與初始值一定的正向偏差值。具體過程如圖3所示。

1.3 給水量擾動

當給水流量發生正向階躍且燃料和汽機調門不變的情況下，蒸汽流量將迅速上升，主汽壓力伴隨著上升，主汽溫度在初始階段保持短時的穩定；由于水煤比發生比較大的改變引起主汽溫度經過延時后將迅速下跌，主汽壓力將伴隨主汽溫度的下降而回落到初始值。具體過程如圖4所示。

1.4 風量擾動

在鍋爐風量或者煙氣流量改變且其它變量不變的情況下，鍋爐燃燒率將發生大的變化，主汽溫度和主汽壓力將會伴隨著同向變化。

上述可見，如果不對各個變量進行特殊處理將嚴重制約主汽壓力控制的速度和精度。各個變量之間如何解耦成為亟需解決的問題。

2 預給煤邏輯

在機側能量需求發生改變時，要求鍋爐側各個子系統（包括風量、燃料、給水、一次風壓、磨煤機入口一次風量及過熱器減溫水等系統）必須同時作出相應的調整。為此，設計一個鍋爐側超前控制量，作為機組變負荷初期協調控制系統的公用指令，同時作用到各子系統，以提高鍋爐側熱負荷響應速度，俗稱“預給煤”。

3 具有解耦功能的子系統前饋量

前面提到影響主汽壓力的諸多變量必須實現解耦，在此講解具體的方法。根據圖2-圖4的曲線可以得知，燃料量與主汽壓力變化趨勢同向，因此燃料量可以作為主汽壓力正常調節的手段。真正對主汽壓力造成擾動的因素是汽機閥門開度、蒸汽溫度及給水量。

首先，消除蒸汽溫度擾動的方法就是通過調節燃料來穩定中間點溫度。利用燃料對主汽壓力的正向調節作用來抵消掉主汽溫度對主汽壓力的負向擾動，同時穩定了主汽壓力和蒸汽溫度。例如:當中間點溫度降低時，由于末級過熱器蒸汽溫度（后面簡稱主汽溫度）必定降低，導致主汽壓力降低。此時增加燃料量，則必然同時提高中間點溫度（主汽溫度）和主汽壓力，具體過程如圖3所示。

其次，為了防止給水量的擾動，將中間點溫度調節器輸出量（后面簡稱水煤比輸出）繞過鍋爐主控指令，直接作為燃料指令的一部分；而給水指令則取自相對穩定的鍋爐主控指令對應的函數。水煤比失調時通過調節燃料量既穩定了蒸汽溫度又避免了給水量對主汽壓力造成擾動。

最后，重點分析如何消除汽機閥門開度變化對主汽壓力的擾動，即變負荷工況下主汽壓力如何控制的問題。在變負荷過程中上述的幾種擾動因素同時并存，必須對各個變量的控制實行“解耦”，這是決定AG C品質的一項核心技術。

前面提到變負荷時各子系統將同時接收到“預給煤”公用信號，必須根據各自的系統特性設立獨立的響應速度及調節幅度，圖5的邏輯正是為此而設計的。圖5以燃料前饋量控制為例，說明各子系統前饋量是如何形成的。

圖5中，左右對稱的兩部份分別為升/降負荷的前饋量運算邏輯，其中PID1和PID2為純積分環節。

調整f（x）1/f（x）4參數可以改變各子系統的前饋量；調整f（x）3/f（x）6參數（可以改變積分量）

或者調整PID功能塊的積分時間，二者均可以改變前饋量調節速率；調整K1/K2可以分別設置“預給煤”初始階段和結束階段的速率，實現“快加（減）慢回”的目的。

f（x）2/f（x）5是在兼顧鍋爐燃燒穩定性和功煤比特性后，特意設置的前饋量修正系數。具體功能是在低負荷區升（降）負荷時自動加大（減小）前饋量系數；而在高負荷區升（降）負荷時自動減小（加大）前饋量系數。

圖5 變負荷至燃料前饋量

從上面的分析可以看出，在變負荷工況下，各子系統的前饋量幅度和響應速率是可以獨立設置的，互不影響。通過上述邏輯能夠很好地分解給水、燃料、汽溫等子系統對主汽壓力的耦合作用。只要遵循下面幾個原則合理搭配各子系統關系，就能精確控制主汽壓力和蒸汽溫度。

（1）燃料前饋量與給水前饋量必須嚴格遵循正常的水煤比關系，并且要求給水量滯后燃料量一定的時間。

（2）一次風壓和磨煤機熱風調門的前饋量響應速率必須與燃料量前饋量同步；其調節幅度不宜太大，只要能夠有效地改變磨煤機內部的存粉量即可。

（3）過熱器減溫水調門前饋量幅度應匹配燃料量的幅度，但是響應速率要相對緩慢。

（4）總風量前饋量在升降負荷兩種不同工況下必須區別對待，降負荷的幅度要小于升負荷的幅度，其目的是防止欠氧運行危及鍋爐燃燒穩定性能。

綜上所述，通過上述各自獨立的子系統前饋邏輯能夠很好地解決變負荷過程中的主汽壓力與其它變量的耦合作用。

4 智能型防燃料超調邏輯

由前述得知，為了提高機組變負荷過程鍋爐熱負荷響應速度，有多個控制系統同時作用到燃料子系統（包括變負荷“預給煤”量、鍋爐主控的輸出量及水煤比調節量）。如不對總燃料調節量加以限制，有可能危及鍋爐燃燒穩定性，因此，設計了一套智能型防燃料超調邏輯，如圖6所示。

圖6 燃料自動閉鎖邏輯框圖

圖6中，變負荷開始時通過T1自動記憶住單位電負荷對應的燃料量，并根據實際負荷指令的變化由MUL1計算出動態的燃料指令基準值。

在基準值上疊加變負荷燃料前饋量后，再給予± 15t/h煤量的調節裕度（分別對應升降負荷兩個不同工況）。三者之和即為變負荷階段燃料量的限制值。

當燃料指令超過限制值時同時給鍋爐主控及中間點溫度控制器發出閉鎖增（或閉鎖減）信號。（若是升負荷，則閉鎖增；降負荷則閉鎖減）。

圖7為鍋爐主控SAM A圖。在燃料閉鎖期間，鍋爐主控的前饋量原始值SUM2保持變化趨勢，但調節器PID1的前饋變量FF被T1暫時凍結；待閉鎖信號消除后FF以0.15M W/s的速度緩慢接近SUM2的輸出值。

智能型燃料閉鎖邏輯不但可以防止燃料超調；而且可以放開變負荷前饋量的幅度和持續時間，加快鍋爐熱負荷響應速度，提高了主汽壓力的控制能力，更進一步加快了機組AG C模式電負荷的響應速率。

圖7 鍋爐主控SAM A

5 實際運行效果

選取了2015年4月29日22：30~23：10機組的變負荷曲線，如圖8所示。圖中電負荷變動范圍為950-800M W，電負荷變化速率為15M W/m in。

圖8 平圩電廠#5機組實際變負荷曲線

從實際運行曲線來看，AG C控制方案經受了負荷變動的考驗，過程中主要參數的調節品質均達到《DL/T 657－2006火力發電廠模擬量控制系統驗收測試規程》的要求，完全能夠滿足機組變負荷的要求。

6 結語

通過分析主汽壓力各種擾動因素之間的耦合關系，結合超臨界機組的運行特征，制定出針對性的解決方案，將機組變負荷過程中各個子系統的前饋量分隔開進行獨立控制，很好地解決了主汽壓力與多變量之間相互耦合耦的問題，在智能型防燃料超調邏輯的輔助控制下，有效地提高了協調控制系統AG C模式下電負荷的響應能力。

（華電集團2016年科研項目《火電機組低氮燃燒器NOx排放指標與蒸汽溫度自動平衡控制技術的研究》，編號：CHECKJ16-03-75）

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Analysis of a New Coordinated Control Strategy for one Million Ultra Supercritical Thermal Power Units

ZHOU Song-guo，LUO Chang-fu
（Huadian Electric Power Research Institute Xi’an Branch，Xi’an 710032，China）

A tpresent,the dom estic ultra-supercriticaltherm alpowerunit AG C m ode are widespread the problem of insufficientelectricity load response rate,the m ain reason isthatthe poorquality ofcoordinated controlsystem ofm ain steam pressure control.Due to the m ain steam pressure controlofm ultivariable coupling factors are variables how to elim inate the m utualcoupling effectbecom esthe core technology to im prove quality ofm ain steam pressure control.The authorthrough the theoreticalanalysis,a new coordinated control strategy is proposed to load change public instruction in decom position of coordinated controlsystem,to form m ultiple independentsubsystem s variable load feedforw ard quantity,and design a setof intelligentfuelovershootlogic,successfully achieve decoupling.The control strategy is applied to the CLP vote for anhui pingweithree periods of2×1050M W ultra supercriticaltherm alpower unit,and achieved good application effect,practice showsthatthisstrategy can im prove the quality ofm ain steam pressure control,electric load response rate can be im proved.

rate；M SP；independent；feedforw ard；decoupling；fuel-locking

TK 323

B

2095-3429（2017）02-0016-05

2017-02-13

修回日期:2017-03-27

周松國（1973-），男，湖南衡陽人，本科，高級工程師，從事火電機組自動控制領域的研究工作；

羅昌福（1981-），男，青海湟中人，本科，高級工程師，從事火電機組鍋爐燃燒領域的研究工作。

D O I:10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.02.004