350MW超臨界機組協調控制系統的優化

譚成恩

摘 要：簡要的介紹了遼寧大唐國際沈東熱電有限責任公司350MW超臨界機組的協調控制系統的結構、性能、響應特點及其在現場的實際應用情況，并對機組協調控制系統進行分析、研究，提出了優化負荷指令對燃料控制前饋環節的作用、鍋爐主控PID采用變參數控制、BTU煤質校正、汽機主控采用負荷定值的微分前饋及壓力拉回等控制策略。實際應用表明，優化后的協調控制系統能夠快速響應AGC負荷指令，同時保證了機組本身各項參數的穩定運行。

關鍵詞：協調控制；超臨界；AGC；前饋

中圖分類號：TK39 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）18-0154-02

近年來，隨著國民經濟的高速發展，電網容量逐漸增大，對供電質量的要求也越來越高，這就需要通過AGC控制來實現，而AGC的投入要建立在協調控制系統具有良好品質的基礎之上。因此，結合超臨界機組的特點，研究其自動控制系統，尤其是研究機組協調控制系統的控制策略顯得尤為重要。目前，由于電網對AGC的控制品質及功能要求越來越高，從而對協調控制系統提出了更高的要求。為此，本文重點介紹了如何改進及優化協調控制系統，以滿足機組AGC的投入要求。

1 機組概況

遼寧大唐國際沈東熱電有限責任公司一期建設工程為兩臺350MW超臨界參數燃煤發電機組。汽輪機由北京北重汽輪電機有限責任公司供貨，鍋爐由東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司供貨。

汽輪機為超臨界參數﹑一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽抽汽凝汽式汽輪機。整機共設有25級，其中高壓為1+7級、中壓為7級、低壓為2×5級。機組采用3高加+1除氧+4低加、1臺100%B-MCR容量的汽動給水泵+1臺50%（兩機公用一臺）的通用回熱系統。高低壓串聯40%旁路系統，額定功率為350MW，額定主蒸汽壓力為24.2MPa，額定主蒸汽溫度和額定再熱蒸汽進口溫度為566℃。

鍋爐為超臨界參數變壓運行直流爐，單爐膛、一次中間再熱，采用前后墻對沖燃燒方式、平衡通風、緊身封閉、固態排渣、全鋼懸吊結構Π型鍋爐。每臺鍋爐配6臺中速磨煤機，5臺運行，1臺備用。每臺鍋爐配2臺動葉可調軸流式送風機，2臺變頻離心式一次風機。

控制系統采用上海新華控制技術集團科技有限公司制造的XDC800分散控制系統，該DCS系統主要包括DAS、MCS、FSSS、SCS、ECS五大部分。

2 協調控制系統簡介

協調控制系統（CCS）就是將單元機組的鍋爐和汽輪機看作一個整體進行控制的系統。協調控制系統在保證機組安全的前提下盡快響應調度的負荷變化要求，并使機組經濟和穩定地運行。

協調控制的目的是基于DCS系統的投入與應用，在機組AGC負荷動態響應中提升燃料量控制、給水量控制、風量控制、主汽溫度控制的動態響應速度，改善其動態響應特性，進而能夠達到優化控制。同時，協調控制能夠通過DCS控制燃料量、風量、給水量、主汽溫度等相關因素，提高機組負荷相應中的穩定性以及準確性，縮短調整周期、提升優化效率，避免過積分飽和現象的出現，提升機組的控制精度。由于協調控制能夠兼顧到機組的各個環節的決策信息，因而當機組內燃燒的煤種、煤質發生變化時，能夠連續的對控制指令自動進行補償，進而能夠將影響燃燒熱量的各方面因素調整到外界需求的水平。

3 協調控制系統的結構、特點分析

3.1 協調控制系統的結構

單元機組協調控制系統可認為是一種二級遞階控制系統。上位級即機爐協調級，單元機組主控系統是整個系統的核心部分。局部控制級包括鍋爐燃料控制系統、風量控制系統、汽輪機功率調節系統以及直流鍋爐的給水控制系統。單元機組主控系統產生指揮機爐控制器動作的鍋爐指令和汽機指令。局部控制級的控制器執行主控系統發出的指令，完成指定的控制任務。

3.2 協調系統的主要模式及其特點分析

沈東熱電公司機組的協調控制系統設計下列四種控制模式：

基本方式（BM）：鍋爐主控和汽機主控均在手動方式運行，這種情況大多是在機組啟動不久或在一些特殊工況下。

鍋爐跟隨（BF）：汽機主控在手動方式，由操作員手動設定汽機調門開度指令，控制機組負荷。鍋爐主控自動調整機前壓力，該方式下機組負荷響應快，動態過程壓力波動相對較大，系統抗干擾能力較差。

汽機跟隨（TF）：鍋爐主控在手動方式，由操作員手動設定燃料指令，控制機組負荷。汽機主控自動調整機前壓力，該方式下動態過程壓力波動較小，機組運行穩定，但是機組負荷響應慢。

協調方式（CCS）：沈東熱電公司的機、爐協調控制系統采用以鍋爐跟隨為基礎的協調控制方式（CCBF），該方式下汽機主控自動控制機組的負荷，鍋爐主控自動維持主汽壓力的穩定。這種協調控制系統策略的特點是機組負荷響應快，負荷控制精度高，動態過程壓力相對汽機跟隨方式波動較大。

沈東熱電公司作為接入東北電網的供熱機組，由于AGC的投入，為了使機組能夠按照電網的要求達到較快的功率響應，就把CCBF 作為日常運行的主要控制方式。

4 協調控制系統邏輯優化

4.1 鍋爐側

4.1.1 合理利用鍋爐蓄熱

鍋爐是一個巨大的蓄熱裝置，當機組負荷要求發生變化時，如果能夠比較合理的利用其蓄能的變化，可以大大提高機組對負荷指令的響應速度。雖然直流爐的蓄熱能力相對比較小，但也要充分的利用其蓄熱。沈東熱電公司協調控制系統合理利用了鍋爐這部分蓄熱，允許主蒸汽壓力的合理波動，即在機組負荷變化的開始時候，取消主蒸汽壓力偏差對汽輪機調門開度的限制作用。升負荷的初期，允許主蒸汽壓力適當地下降；開始降負荷的時候，則允許主蒸汽壓力適當地上升。

4.1.2 BTU煤質校正回路

傳統的協調控制系統中并沒有考慮煤質頻繁變化對熱量信號的影響，并且煤質變化與負荷、給煤量呈非線性關系，從而會對機組主蒸汽溫度、主汽蒸壓力及功率造成一定的影響，因而沈東熱電公司協調控制系統中加入煤質校正回路，并且通過熱量信號對給水量、給煤量進行相關的一些控制，以保證鍋爐的供應能力能滿足實際需要。

4.1.3 鍋爐主控制器PID采用變參數控制

鍋爐主控PID參數采用變增益，變負荷時減小比例系數和加長積分時間，削弱PID的調節作用，使得變負荷時爐主控前饋占據主導地位；另一方面，穩態時由于壓力是一個變化緩慢、遲延時間大的控制對象，因此引入非線性元件，當壓力偏差小于0.1Mpa時，PID的調節作用放慢一半，穩定機前壓力，避免壓力和燃料量的來回擺動。

4.1.4 負荷指令前饋

機組負荷指令作為鍋爐主控制器的前饋信號，其包括靜態和動態兩部分。靜態微分前饋為f3（x），動態實際微分前饋為f4（x），經折算函數f5（x）后作為燃燒率的前饋信號，加快了燃料調節的燃燒速度，如圖1中GLFF1。

4.1.5 主蒸汽壓力偏差微分前饋

主蒸汽壓力偏差的微分信號作為鍋爐主控制器的前饋，提高了燃料率對主汽壓力的響應，如圖1中的GLFF2。采用外部微分前饋比鍋爐主控的直接微分作用對主汽壓力的反應要迅速。

4.2 汽機側

4.2.1 汽機主控的微分前饋

如圖1中f6（x）負荷指令的實際微分，作為汽機主控制器PID2的前饋信號，加強了機側對電網一次調頻的響應速度。但是此微分的作用不宜過強，否則將會造成汽機調門的振蕩。

4.2.2 汽機主控負荷指令修正（壓力拉回）

在協調控制方式下，將爐側主汽壓力偏差經比例函數f7（x）負向疊加到汽機主控PID2指令回路中。當壓力偏離設定值達到一定范圍時，壓力的負向偏差將按一定系數修正汽機主控的負荷指令。由于機側的電調響應較快，實發功率很快按要求改變，從而反向抑制壓力偏差的增大，起到輔助鍋爐調壓的作用。

對負荷指令回路修正后，通過試驗調整f7（x）函數的參數，選擇適當的比例系數和死區，經過多次大負荷變動試驗測定，該回路可以有效而快速地消除爐側的壓力偏差。它充分利用了汽機能快速消除壓力偏差的特性，但功率響應有所減緩。通過適當折中，可以明顯地改善機組協調控制系統的性能，在主設備和控制系統正常運行的情況下，協調控制系統的性能基本上達到了規程要求。

5 優化后的投運情況

機組在AGC方式下，我們對協調控制系統進行了負荷定值擾動試驗，負荷定值擾動從200MW加到350MW，來觀察實際負荷和壓力的調節效果。通過圖2可以看出，負荷在200MW不變時主汽壓力實際值與設定值跟蹤良好，最大動態偏差為0.2MPa，機組實發功率與ADS指令跟蹤一致；在負荷擾動過程中，主汽壓力實際值與設定值最大動態偏差為0.5MPa，并且能迅速達到穩定狀態，機組實發功率與ADS指令跟蹤良好，最大動態偏差僅為1MW。從負荷定值擾動試驗可以看出，沈東熱電公司的協調控制系統的穩態性能和動態性能比較好，完全達到熱工監督規程的技術規范要求。負荷定值擾動下負荷-壓力變化曲線如圖2所示。

6 結語

超臨界直流爐機組是一個多輸入多輸出的控制對象，各個過程參數之間的偶合較強，動態特性的延遲和慣性時間大。因此，直流爐的自動調節系統較復雜，控制難度顯著增大。為了協調機組功率與機前壓力、負荷需求與實際出力之間的平衡，我們通過前饋控制、變定值、變參數、BTU煤質校正等控制方式的結合，提高了機、爐的快速響應能力，保證了主蒸汽壓力、溫度的平穩。協調控制系統的優化不僅提高了機組的經濟性，也為安全運行打下了堅實基礎。

參考文獻

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