INFIT系統在火電控制系統中的應用與對比

鄒音卡，許亞軍，常 青，陳建偉，吳 新，吳 爭

（江蘇省蘇州望亭發電廠，江蘇蘇州 215155）

0 引言

隨著電力系統 AGC（Automatic Generation Control，機組自動發電控制）水平的不斷提升，不同區間的電力交換日漸復雜化。為保證電網的安全運行，提升供電質量，國家對機組的調頻調峰操作提出了嚴格統一的速度、范圍要求，對各發電機組的AGC運行控制提出了新的評價標準。2009年，華為電網首先發布《華北區域并網發電廠輔助服務管理實施細則》和《華北區域發電廠并網運行管理實施細則》，以下簡稱“兩個細則”。

電力系統的體系結構日漸變化，新能源發電促進了綠色社會的建設，也對電力系統的穩定性提出了新的要求。以太陽能、潮汐能、風能為例，其發電機組工作周期的間斷性，導致電網系統發電功率的頻繁變更與調整。面對這種情況，缺少較為成熟穩定的調控方案。目前，自動發電控制系統控制著不同種類發電機組之間負載的變更調節，如何進一步提升調節控制能力，降低系統內功率擾動問題有待深入的討論與研究分析。

1 發電機組實時優化控制系統

1.1 研究意義

電力系統網絡復雜度的不斷提升，AGC出現的一些問題，導致電廠電能質量下降。復雜的用電情況要求AGC頻繁地對機組下達發電功率變換指令，當負荷變更情況超出機組的受控范圍時，CCS（Coordination Control System，機組協調控制系統）將失去有效的調控能力，對火電機組甚至整個電力系統造成重大安全隱患。因此，研究火電機組功率與電網頻率的交互特性、AGC控制策略對于保障機組和電網的安全穩定運行具有重要意義。

火力發電機組全面實施“兩個細則”規定措施的同時，會產生一定的考核波動。在現代電力系統中，將AGC性能指標和機組自身的CCS進行有機融合，對火電機組采用INFIT（英菲迪系統）實時優化控制系統，引入預測控制、模糊控制、神經網絡控制等先進的控制思想和控制策略，以AGC指令為控制指令，以協調控制系統為基礎，使CCS在滿足AGC控制指令的基礎上保證機組的穩定運行，從而提高機組的AGC性能指標，使機組具有較高的響應速度和精度，進一步完善系統內頻率調節的應用效果，提高機組的運行效率、負荷跟蹤速率以及安全穩定性。

1.2 國內外研究現狀

國內的電力系統自動化控制起步較晚，AGC技術的推進堅持技貿相結合的原則，通過引進國際先進的電力能量控制平臺及應用軟件，促進國內區域電力系統的自動化水平，以達到國際先進控制水平。目前，國外已經基本實現了電網有功功率和調頻的自動控制。

CCS的穩定運行是AGC有效實施的必要保障，根據AGC的控制思想，CCS控制器需要滿足2個控制要求：提升機組的功率響應速率和保證機組的穩定運行[8-10]。不斷復雜化的電力系統要求將AGC控制與CCS控制有效結合，兼顧系統的響應速度和穩定性，使電力系統更好的服務經濟發展。

1.3 INFIT系統研究現狀

INFIT控制系統由南京英納維特自動化科技有限公司研發設計，針對發電機組中傳統PID（Proportion Integral Derivative Regulating，比例積分調節）和前饋控制存在的負荷響應速率慢、機組參數波動幅度大、對不同煤種工況適應能力差的問題，引入預測控制、神經網絡控制、自適應控制、模糊控制等先進控制算法來達到優化控制。

INFIT控制系統的設計結構和思路最早由呂劍虹提出，并進行了大量的理論研究和實驗測試，已成功應用于近百臺發電機組的控制系統，取得了較好的控制效果。INFIT系統得到了國內各大電力系統、電廠的認可，大量的科研仿真實驗和應用實踐證明了其可靠的運行效果和較佳的控制效果。

1.4 主要研究內容

INFIT系統在望亭發電廠3/4號機組中的應用。望亭電廠3號、4號機組的信息，在自動發電控制系統中存在的問題，以及引入INFIT系統后想要達到的效果，INFIT系統在機組的應用方法和流程。通過3號機組未優化和4號機組優化后、4號機組優化前后監控界面圖對比，說明INFIT系統良好的控制優化效果。

2 望亭發電廠3/4號機組

望亭電廠初期工程竣工于1956年，位于江蘇蘇州，主要負責華東地區的電力輸送和調頻，幾經擴建、改造，裝機容量從最初的8.8萬kW發展到274萬kW。

望亭電廠3號機組于2009年竣工生產，4號機組于2010年竣工生產，鍋爐額定容量2024 t，屬于超超臨界直流鍋爐，定—滑—定運行模式，單爐膛四角切向燃燒，一次中間加熱。鍋爐的型號SG-2024/26.15/605-M621。汽輪機功率660 MW，為超超臨界、一次中間再熱、單軸、4缸4排汽、雙背壓、8級回熱抽汽、反動凝汽式汽輪機（型號N660-25/600/600），機前主汽壓力額定值25 MPa，額定溫度值600℃，再熱蒸汽溫度額定值600℃，末級葉片高914.4 mm。該機組額定發電功率可達660 MW，保證熱耗 7391 kJ/k·Wh；TMCR（Turbine Maximum Continuous Rating,汽輪機最大連續功率）694.7 MW，VWO（Vavle Whole Open Rating，汽輪機閥門全開工況）717.7 MW。

660 MW機組汽輪機由1個單流筒型高壓缸、1個雙流型中壓缸和2個雙流型低壓缸組成。汽輪機本體軸封包括高壓缸兩端、中壓缸和低壓缸兩端汽封。汽輪機軸系由多個軸承支承。機組共有4根轉子，5個軸承座，即高壓缸前軸承座、高—中壓缸軸承座、中—低壓缸軸承座、低—低壓缸軸承座、低壓缸后軸承座，為汽輪機組提供支撐。輪機組盤車裝置采用由頂軸油驅動的液壓馬達，同時提供手動盤車裝置。盤車裝置配備超速離合器。在汽機轉速降至零時，既能自動嚙合進行盤車，也能手動盤車。盤車裝置預留DCS遠方監視和控制接口。

3 INFIT系統在3/4號機組的應用

3.1 預期目標

隨著機組運行時間的增加，受到煤種變化、設備精度等因素的影響，3/4號自動發電控制系統出現負荷升降速率低、負荷調節精度差；消除擾動能力差，汽壓、汽溫等參數大幅波動及振蕩；煤種變化對控制系統影響大；正常AGC調節中，燃料、給水等控制量波動大；再熱煙氣擋板難以投入自動，機組運行經濟性差等問題。為此，引入INFIT實時優化系統，預期目標：

（1）獲得更高的AGC響應速率和調節精度。對于不同的機組，INFIT系統的引入會帶來不同的增益效果，常規情況下機組的AGC負荷調整速率可達到2.0%/min，功率的控制精度可以達到0.3%。

（2）降低鍋爐側主蒸汽壓力和溫度的波動幅度。穩態工況：±（0.1～0.2）MPa/±2 ℃，變負荷工況：±（0.4～0.5）MPa/±6 ℃。避免參數浮動、波形難收斂情形的發生。

（3）解決機組發電效率對于煤鐘質量的高依賴性。主要針對兩大滯后系統：煤種熱值、制粉系統，引入神經網絡算法進行優化控制，實現系統全局參數的自適應調整，提高機組對不同煤鐘的適應能力。

（4）針對供煤量、給水量、供風量等參數的波動情況，利用智能控制算法進行優化控制，使其擾動范圍減少到60%，提高機組的硬件設施使用壽命，增強機組的運行安全穩定性。

（5）更高的運行效率。利用先進算法控制再熱煙氣擋板，提高系統能量的利用率，從而提升機組的發電效率和經濟性。

3.2 安裝方式

INFIT控制系統，通過標準通訊接口從機組DCS系統獲取所需運行參數的設定值、測量值、控制指令的實時數據，在INFIT控制系統完成優化控制計算，得出即時的優化控制指令，再通過通訊接口回送給DCS系統，由DCS系統完成對現場設備的控制，達到改善機組運行的控制品質、提高機組AGC考核指標、有效改善機組在加減負荷、煤種變化、檢修周期設備變化等擾動下的運行穩定性，實現優化控制的目的。

利用INFIT控制系統（含INFIT CCS控制方式、INFIT SH控制方式）取代4號機組原有DCS中的AGC控制系統、過熱汽溫控制系統，實現4號機組的AGC控制、協調控制、一次調頻、主汽溫度控制等功能。進一步提升火電機組的AGC控制效果，提升機組的運行安全穩定性，增強機組的自動化控制水平。

3.3 操作步驟

3.3.1 INFIT CCS機組AGC英菲迪控制方式

機組在AGC控制方式工況穩定時，值班員在主控畫面上檢查INFIT CCS投入條件滿足(機組不在變負荷狀態、機組主蒸汽壓力設定未變化、主蒸汽壓力設定/實際值偏差＜0.4 MPa，INFIT指令跟蹤正常)后投入INFIT CCS，即將機組協調控制系統控制權交至INFIT系統控制；在該方式下退出INFIT CCS時，機組控制方式將直接退至TF。

在INFIT CCS控制方式下，根據需要進行AGC的投、退工作，并設置合理的變負荷速率。

INFIT CCS進行正常系統控制時，DCS（Distributed Control System，分布式控制系統）將以下控制權交給INFIT系統。

（1）燃料量指令：完全由INFIT控制系統計算得出。

（2）給水流量指令：完全由INFIT控制系統計算得出。

（3）汽機負荷指令偏置：在汽機負荷指令基礎上增加±50 MW的優化偏置。

（4）一次風壓設定值：針對已有的DCS控制模式，對其系統參數的設定值增加±1.0 kPa的優化誤差值。

（5）中間點溫度設定值：INFIT系統參與到中間點溫度值的優化處理，將處理后的優化參數值輸送給DCS系統，與中間溫度點接口保持兼容性。

（6）主汽壓力設定值：優化過程不影響機組的靜態滑壓曲線，即負荷和壓力設定之間的邏輯關系保持原樣，INFIT系統只對鍋爐側的主蒸汽壓力給定值進行動態優化改善。

（7）總風量設定值：在原DCS系統設定值基礎上增加±5%的優化偏置。

3.3.2 INFIT SH（英菲迪系統下鍋爐主蒸汽減溫水調整門控制）鍋爐主汽溫英菲迪控制方式

機組工況穩定時，值班員在汽水系統畫面上投入INFIT SH時，投入自動的鍋爐主蒸汽減溫水調整門控制權交至INFIT系統控制；在汽水系統畫面上退出“INFIT SH”時，鍋爐主蒸汽溫度的控制權退由機組DCS或值班員手動控制。

INFIT SH工作時，AGC系統將以下變量的控制權交出：

（1）Ⅰ級減溫A調整門開度指令。

（2）Ⅰ級減溫B調整門開度指令。

（3）Ⅱ級減溫A調整門開度指令。

（4）Ⅱ級減溫B調整門開度指令。

（5）Ⅲ級減溫A調整門開度指令。

（6）Ⅲ級減溫B調整門開度指令。

3.3.3 發生下列情況將自動退出INFIT系統控制方式

（1）INFIT系統由DCS獲取的過程參數出現異常時，INFIT系統立即將控制指令保持，并將控制權交還給機組DCS系統。

（2）INFIT系統發生CPU死機、通信故障、系統掉電等故障情況時，INFIT系統立刻停機并交還其所有的控制權給原DCS系統，維持控制指令的波動幅度，保證控制指令的平穩交接。

（3）DCS系統發生主要自動回路切手動、RunBack（鍋爐快速減負荷）等異常工況時，INFIT系統立即退出工作，機組平穩過渡到原DCS控制的運行方式。

（4）機組有關設備自動退出，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級減溫水自動均退出時，自動退出INFIT SH汽溫控制方式。

機組控制方式退至CCS以下時，自動退出INFIT CCS控制方式。

在機組正常運行情況下，應投入INFIT控制系統（機組控制方式為INFIT CCS），且投入AGC負荷控制，并按要求設置AGC負荷變化速率。同時還應投入INFIT SH控制系統，以協助INFIT CCS控制方式更快響應AGC負荷指令變化。

在INFIT控制系統投入階段，值班員應加強對系統、參數的監視，發現異常及時退至原機組DCS控制方式進行控制、調整，并將有關異常情況向鍋爐運行專業、生產技術部進行匯報，以便聯系廠家對其進行優化完善。

3.3.4 INFIT投入運行期間注意事項

（1）各磨煤機運行工況，防止出現磨煤機堵塞、出口溫度不正常升高等異常情況。

（2）各段汽溫的變化趨勢，防止主蒸汽/再熱蒸汽溫度、受熱面管壁溫度超限。

（3）主蒸汽壓力變化情況，防止壓力超限。

（4）脫硝進口氮氧化物變化趨勢，控制好出口氮氧化物濃度不超標（最終控制目標是煙囪入口的氮氧化物濃度≯50 mg/m3）。

（5）各一次風機運行工況，防止出現搶風異常。

（6）一旦INFIT控制方式退出，值班員應立即檢查各制粉系統運行工況、各減溫水調整門開度情況以及主蒸汽壓力情況，發現異常及時處理。

4 INFIT系統的控制與優化效果

望亭發電廠3/4號機組是2臺設備、參數相同的機組，工作特性基本一致。其中4號機組于2016年安裝INFIT系統，3號機組未安裝INFIT系統。將3號機組未安裝INFIT系統時和4號機組安裝投入INFIT系統后進行對比。

（1）未引入INFIT的原控制系統中，響應電網AGC控制下，3號火力發電機組的中間點溫度受機組變功率的影響如圖1所示。

（2）引入INFIT的原控制系統中，響應電網AGC控制下，4號火力發電機組的中間點溫度受機組變功率的影響如圖2所示。

從圖1和圖2可以看出，引入INFIT優化系統前，3號機中間點溫度最大偏差7.9℃，負荷最大偏差7 MW；引入INFIT優化系統后，4號機中間點溫度最大偏差5.9℃，負荷最大偏差1 MW。

（3）3號，4號火力發電機組主汽溫度壓力跟隨機組負荷變化的響應情況如圖3、圖4所示。

從圖3和圖4可以看出，優化前3號機主汽壓力最大偏差0.5 MP，主蒸汽溫度上下波動幅度5.4℃，優化后4號機主汽壓力最大偏差0.2 MPa，主蒸汽溫度上下波動幅度4.1℃。

（4）3號，4號火力發電機組燃料輸送量隨機組負荷變化的響應情況如圖5、圖6所示。

圖1 3號機組系統優化前中間點溫度及負荷變化

圖2 4號機組系統優化后中間點溫度及負荷變化

圖3 3號機組系統優化前主汽溫度壓力及負荷變化

從圖5和圖6可以看出，為響應機組負荷變化控制，燃料輸送量發生了較大的波動，引入INFIT后燃料輸送量得到了優化。綜合上述情況可以得出，在傳統的DCS控制下，為響應自動發電控制系統的變負荷控制，機組的溫度、壓力及燃料輸送量均出現較大的波動，影響了機組的穩定運行，同時負荷變化響應速度并不理想。引入INFIT實時優化控制系統后，4號火電機組的優化效果對比如圖7所示。

圖4 4號機組系統優化后主汽溫度壓力及負荷變化

圖5 3號機組系統優化前燃料輸送量及負荷變化

圖6 4號機組系統優化后燃料輸送量及負荷變化

圖7a為未加入INFIT系統的控制效果圖，圖7b為加入INFIT系統后的優化效果圖。從上至下分別是實際負荷與負荷指令偏差、中間點溫度實際值與指令偏差、主汽壓力實際值與設定值偏差。可以明顯看出，INFIT系統的引入,提升了機組的運行穩定性，在響應機組負荷變化的同時，主汽溫度壓力波動較小，機組的負荷響應速度明顯上升，機組有效功率的調節精度也得到明顯提高。

圖7 4號機組INFIT系統優化效果對比

5 總結

受多方面因素的影響，火力發電機組可以被看作是一個復雜多變的多輸入多輸出受控系統，系統內部一個變量的變化往往會導致巨大的連鎖反應，使得諸多變量跟隨其變化。隨著經濟的不斷發展，對電力系統負荷響應要求越來越高，傳統的機組系統控制方式難以應對龐大的非線性、大慣性、時變性復雜系統。機組控制算法的陳舊將直接導致機組的安全穩定性及經濟效益受到影響，因此，對大型火電機組引入先進的優化控制算法具有至關重要的意義。

針對超超臨界火力發電機控制系統存在的問題，引入INFIT實時控制系統并對其進行應用與對比。實踐表明，INFIT系統是一款專門針對現代火力發電機組系統負荷升降率低、升降精度低、系統波動加大、煤種適應性不理想等問題而設計的優化控制系統。它融合了目前國際上較為先進的控制算法，達到了較為理想的火電機組控制效果，系統可靠性高、實用性強、對煤種多變的適應性較好、能夠較好的響應AGC控制、對于不同設備的通用性強且成本較低，具有很高的綜合性價比。