超超臨界機組AGC性能不佳的原因分析與優化策略

朱繼峰，陳 波，李恩長，丁 寧

0 引言

某發電廠2×1 030 MW超超臨界發電機組控制系統采用日立H5000M系統，2臺機組自2014年下半年投運以來，由于煤種的改變和機組特性發生變化等原因，AGC（自動發電控制）調節品質下降，AGC調節效果在浙江省內發電廠中排名靠后，亟需提高。

1 運行狀態數據分析

經過對機組運行狀態數據采集及分析，在機組的協調控制方面主要存在下列問題：

（1）穩態運行時汽輪機閥位開度偏大，機組一次調頻能力受一定制約。

（2）鍋爐主控指令在穩態工況下與機組實際負荷存在偏差，機組部分靜態參數控制點的設計值與實際工況發生了偏離。

（3）給水焓控容易修正到上限或下限的位置。

（4）機組連續升負荷過程速率較慢，尤其當汽輪機調門全開后更為明顯。

（5）燃料量前饋的增加導致爐膛壓力波動大。

（6）機組在連續小幅升降負荷時，主汽壓力偏差較大，尤其在機組定壓運行段連續降負荷時高調閥的連續關小壓力波動較大，常引起機組超壓，導致運行人員切除協調至TF（汽輪機跟蹤）模式。連續升負荷階段，由于機組蓄熱迅速消耗，以及鍋爐起壓時間需2～3 min，導致機前壓力無法跟隨壓力設定。

（7）季節變化對機組背壓造成的影響，引起調閥的壓損偏離期望值。

2 分析AGC品質較差的主要原因

2.1 機組靜態負荷點

機組投運初期，運行數據不足，基建期間的風煤水線與實際工況不匹配，工質靜態偏差使得機組協調控制能力失衡，反應在機組的負荷響應遲鈍，影響機組AGC能力。

2.2 汽輪機閥門裕量

機組投運初期，滑壓曲線參照設計值設置，無法滿足機組實際運行的需求，高壓調節閥（簡稱高調閥）長時間保持在高閥位運行。在升負荷過程中，汽輪機主控很容易達到最大位置，缺乏調節的裕量，而對于直流爐來說，鍋爐的響應比較慢，直接影響了機組的AGC響應速度。此外，主汽門的流量特性曲線不合理也對調節產生了較大影響。

2.3 前饋的不匹配

與機組匹配的鍋爐加速指令能使得機組在負荷動態變化的過程中，盡快回到新的穩態點，但前饋量的設計失衡反而會加劇系統的波動，嚴重時候會造成超溫、超壓或者引起分離器出現水位。而由于AGC指令的特性，使得機組鍋爐加速指令（前饋控制）的建模與匹配成為了協調控制的重點和難點，此處著重介紹這一方面的AGC響應優化。

3 協調靜態參數優化

3.1 具體優化的參數

根據機組目前存在的問題，以高調閥7%～8%壓損為控制目標進行定閥點靜態優化試驗，獲得了從450～1 000 MW機組穩定運行工況下的滑壓曲線、燃料量、給水量、風量等機組協調控制主要參數的靜態數據，開展了以下幾方面的協調靜態參數優化：

（1）通過協調靜態參數定閥位試驗結果優化機組閥位和煤水配比，根據汽輪機閥組壓損的經濟性目標，確定穩態工況下汽輪機閥組平均開度，并獲取合理的滑壓定值；在滿足機組AGC及一次調頻能力的前提下，盡可能減小汽輪機閥組壓損;根據汽輪機定閥點工況的穩態數據，獲取機組協調控制的靜態參數定值。修改后調閥平均開度約為40%左右，既保證了機組經濟運行要求又能夠滿足電網調峰、調頻需求。

（2）優化中增加和投用了凝汽器背壓對滑壓曲線優化的控制邏輯，設置高壓凝汽器壓力5.3 kPa為比較值，通過背壓偏差對滑壓曲線的優化補償范圍為0.98～1.02，解決了機組在不同背壓下調閥開度變化引起機組經濟效益降低或者調峰、調頻能力削弱。控制邏輯見圖1，該滑壓修正系數CN生成后直接去修正機組的滑壓曲線。

圖1 凝汽器背壓對滑壓曲線優化的控制邏輯

（3）細化協調靜態參數基準值，將原煤、水、滑壓線由原來的8段折線修正函數優化為16段，各個負荷段對應的定閥位參數更加精準。

3.2 優化后效果

通過對機組協調參數的優化，結合機組實際升降負荷狀態，解決了機組部分負荷段調閥壓損過大、協調控制中煤水配比不均等問題，具體效果可以見圖3優化后負荷與指令曲線，偏差明顯小于圖2優化前：

（1）降低部分負荷段滑壓段設定值，減少了汽輪機調門壓損。

（2）完善了450～500 MW間機組燃料量設計值，減少了500～1 000 MW給水量70 t/h，解決了機組在穩態時，煤水配比不均引起的鍋爐指令與實際功率不匹配、機組超壓運行等問題。

（3）采取了增加部分負荷段下分離器出口焓值目標值、溫度控制器中過熱器溫降設定、降低過熱度目標值等措施，解決了機組運行中各級減溫水無法均勻分配問題、焓值控制器輸出至上下限的問題。

圖2 煤、水、滑壓線修正前負荷與指令曲線

圖3 煤、水、滑壓線修正后負荷與指令曲線

4 協調動態參數優化

開展了10 MW，20 MW，30 MW負荷擺動試驗，進行了機組協調動態參數優化。

（1）滑壓曲線優化，修改了部分負荷段滑壓速率和慣性時間，以適應頻繁快速升/降負荷時鍋爐起壓、降壓速率，解決了部分負荷段由于滑壓曲線過快造成的壓力偏差引起機爐主控對壓力的修正量偏離設計的問題。

（2）修改了鍋爐主控壓力控制回路，增加定壓段壓力的微分控制強度，解決了機組定壓段連續降負荷工況下，機組超壓運行的問題，提升了在該工況下爐主控對汽壓修正的能力。

（3）優化了鍋爐輸入加速指令，對部分負荷段下、不同壓力偏差下燃料量的動態前饋進行了調整，以適應機組在升/降負荷時對燃料量的需求及對機組蓄熱的補充。

（4）對汽機主控的功壓配比進行了適當優化。

（5）針對機組負荷擺動中出現的過熱度變化波動劇烈，減少了鍋爐給水加速指令的前饋量大小，在之后的負荷擺動中，過熱度變化趨于平緩。

（6）針對負荷擺動中壓力變化大的情況，進行了以下優化：動態參數上，在爐膛負壓允許的情況下適當增加了燃料量前饋的變化幅度；減弱了部分負荷段下機組滑壓速率和增加了慣性時間，使滑壓線接近鍋爐起壓過程；增加了協調模式下鍋爐主控對主汽壓力的修正，針對定壓段，依據壓力偏差加強了靜態修正的比例作用和微分作用，通過微分增益的增強減少了對燃料量的持續調節，對抑制機組小負荷連續變化時壓力的偏差起到了較明顯的作用，彌補了一些由于前饋量持續時間短對升降負荷時機組蓄熱補充量不足的缺陷。

通過對機組協調控制的優化，對于單次的負荷擺動和50 MW以上的負荷擺動，機組通過鍋爐加速指令的調整有著較好的調節效果。但對于連續的小幅度負荷變動，機組蓄熱被用盡后，采用了對鍋爐主控靜態參數的調整，尤其是提升了微分作用后調節效果有了明顯的改善。考慮到爐膛燃燒和負壓的擾動，燃料前饋量沒有進一步的增加。為了更好地適應連續的負荷變動工況，擬在協調前饋控制回路增加以下相關邏輯：在負荷變動中壓力偏差較大的工況下，延長鍋爐輸入加速指令的回收時間。

5 前饋的優化

5.1 前饋整定的問題

AGC指令大多是頻繁的小負荷指令，對于這種小幅指令波動，一方面，由于小幅度AGC指令的頻繁波動，使前饋指令跟著波動，導致機組負荷不穩定，因此小波動的負荷指令不適宜作為過強的前饋，甚至不適宜作為前饋；另一方面，對于連續單向小幅度AGC指令，若無前饋或前饋較弱，則在負荷升降過程中，會出現蓄熱補充不足的缺陷，影響機組對負荷的調節。

5.2 前饋波形的優化

前饋優化的目的，是在負荷變動時，為機組提供快速能量提升和能量釋放方式，保證機組蓄熱補充和恢復，使機組在穩定的工況下能及時響應AGC負荷指令。為了優化AGC模式下的前饋量，在前饋回路中加入了壓力偏差對前饋的修正邏輯。即在升負荷時，若機組欠壓，則減緩前饋回收，延長前饋量的作用時間，彌補機組蓄熱消耗，避免高調門連續開啟造成的機組欠壓狀態；同樣，在連續降負荷工況時，若機組超壓，也應減少前饋回升的速度，增加機組能量釋放能力。具體的設計邏輯見圖4。

5.3 前饋波形優化前后的效果

優化前機組用電早高峰中AGC連續加負荷時，功率調節效果不佳，機組無法快速產生升負荷所需的蒸汽量，欠壓嚴重，實際壓力偏離壓力設定值曲線，實際功率與AGC指令偏差大，導致電網典型考核，見圖5。

前饋優化后，機組對早高峰AGC的連續加負荷過程工況，有著較好的適應能力，壓力跟蹤能力良好，功率調節品質得到明顯改善，實際功率與AGC指令偏差小，AGC響應精度顯著提高，見圖6。

優化后的升負荷工況，當壓力偏差在正常范圍內時，前饋正常回落，若實際壓力偏小（欠壓）時，前饋回落速度變慢、加前饋作用時間持續較久些，進而改善欠壓狀況，提高機組負荷響應能力，效果見圖7。

優化后的降負荷工況，當壓力偏差在正常范圍內時，前饋正常回落，若實際壓力偏大（超壓）時，前饋回落速度變慢、減前饋作用時間持續較久，進而改善超壓狀況，提高機組負荷響應能力，效果見圖8。

圖4 前饋優化邏輯—根據壓力偏差修正前饋作用

圖5 前饋優化前的AGC連續加負荷曲線

圖6 前饋優化后的AGC連續加負荷曲線

圖7 升負荷工況下的前饋優化

6 結語

通過機組定閥位試驗、靜態參數、前饋優化后，1號和2號機組的AGC響應能力得到明顯的改善，AGC精度顯著提高，定壓段超溫、超壓的現象消失，機組處于經濟運行狀態，高調閥平均開度40%～42%，壓損約為8%。針對連續加負荷造成的機組欠壓工況，依據壓力偏差值匹配前饋量的控制方案消除了機組的動態能量平衡擾動，加快了AGC響應的速率和精度。以上著重介紹了前饋建模和優化控制方案，通過特性試驗，對機組AGC調節性能的改善，為超（超）臨界直流鍋爐發電機組提升特定工況下AGC調節能力提供可行的方案，具有借鑒和實踐意義。

圖8 降負荷工況下的前饋優化

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