超臨界循環流化床機組負荷快速響應的協調控制優化

侯益銘，王智微，王晉權

超臨界循環流化床機組負荷快速響應的協調控制優化

侯益銘1，王智微2，王晉權3

（1.格盟國際能源有限公司，山西 太原 030006；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.山西格盟安全生產咨詢有限公司，山西 太原 030006）

超臨界循環流化床（CFB）機組采用常規煤水比控制策略，存在慣性大、滯后長等問題，導致主蒸汽壓力波動大，負荷響應效果差，在區域控制誤差（ACE）模式下更為嚴重。本文根據CFB機組的特點，提出一種負荷快速響應的協調控制優化策略，采用主蒸汽流量協同中間點溫度實現全過程給水控制；前饋調節與PID偏差調節相結合，采用負荷和主蒸汽壓力偏差共同作用于鍋爐主控的負荷快速響應；充分利用CFB鍋爐蓄熱，通過汽輪機主控與各調節閥指令響應負荷變化。某超臨界350 MW CFB機組應用該控制優化策略后，主蒸汽壓力波動小且溫度穩定，變負荷運行時控制效果良好，ACE模式下負荷響應綜合評價指標Kp值達4.21，滿足電網考核指標。

超臨界；CFB；火電機組；協調控制；負荷響應；給水流量；主蒸汽流量

隨著電力市場化進程的推進，智能電網中電力輔助服務細則要求火電機組變負荷調節速率達到1.5% P/min（每分鐘額定功率），火電機組在自動發電控制（AGC）模式運行時投入區域控制誤差（ACE）模式，并主要通過綜合評價指標p進行考核及補償。這就要求火電機組具有快速的負荷響應速率和良好的控制品質[1-5]。

現階段循環流化床（CFB）機組的協調控制主要采用常規PID加前饋解耦的方法，但由于CFB機組具有多變量、強耦合和大遲延的特性，常規的控制方法難以取得理想的調節效果[6-8]。目前國內在役超臨界350 MW和600 MW CFB機組有30多臺。隨著智能電網、智能電廠對機組要求的提高，提高超臨界CFB機組的負荷響應速率及經濟性，需要在協調控制優化方面進行深入探索。

已投運的超臨界CFB機組常規協調控制方式下，負荷指令、燃料量快速變化時，會出現給水和主蒸汽壓力大幅波動，甚至造成污染物排放超標等問題，且目前運行超臨界CFB機組的變負荷速率一般在1% P/min左右[8-10]。

山西河坡電廠超臨界2×350 MW CFB機組為變壓運行直流鍋爐、一次中間再熱間接空冷機組，其分散控制系統（DCS）采用艾默生系統。該機組優化前采用傳統的協調控制方式。當電網AGC負荷指令快速變化時，會出現以下問題：1）主蒸汽壓力波動大，波動幅值達±3 MPa，90%負荷以上主蒸汽壓力不能高于23 MPa；2）機組燃用無煙煤時，慣性延時大，負荷響應無法滿足山西電網電力輔助服務細則的要求，不能投入ACE方式；3）煤水比調節時，燃料量、給水控制波動大，機組主蒸汽溫度波動大。對此，本文結合CFB鍋爐的特點，對原協調控制方式進行優化，提出一種能快速響應負荷的協調控制優化策略，以滿足電網輔助服務細則要求，保證機組的安全穩定運行。

1 負荷快速響應的協調控制策略

1.1 主蒸汽流量協同中間點溫度給水控制策略

對于直流鍋爐，給水控制的主要目的是保證煤水比，實現過熱汽溫的粗調，滿足負荷的響應。原協調控制方式下給水流量設定是由煤水比控制。根據CFB鍋爐燃燒機理和特性，CFB鍋爐爐膛內存有大量的循環物料，循環物料中有大量的未燃盡碳。在CFB鍋爐中，給煤機送入的新燃料并不能實時提供鍋爐燃燒所需的全部能量，爐膛內循環物料中的碳燃燒產生的熱量在鍋爐輸出熱量中占很大比例。因此，以燃料量作為給水量的控制參數無法反映鍋爐的實時負荷要求。同時由于無煙煤燃燒延時較長，采用煤水比調節時，超臨界CFB鍋爐主蒸汽壓力和溫度波動很大，經常出現超壓現象[11-13]。

超臨界CFB鍋爐響應機組負荷需要給水流量、燃料量、風量同時快速響應，然而燃料量不能及時反映鍋爐爐膛燃燒情況，而且CFB鍋爐燃料調節均需有一定量超調。直流鍋爐給水流量既影響蒸汽溫度也影響蒸汽壓力，所以負荷變動過程中給水流量控制需要精確[14-15]。給水流量與主蒸汽流量存在動態平衡，可以通過主蒸汽流量作為給水流量控制主輸入信號，以函數()表示，具體關系見表1。

表1 主蒸汽流量與給水流量關系()

Tab.1 Relationship between the steam flow and feedwater flow f(x)

為實時精確地控制給水量，將給水控制主控因素改為主蒸汽流量，加入減溫水量修正（過熱減溫水引接至省煤器前），同時疊加以下因素：1）負荷偏差修正函數作用于給水流量設定值；2）壓力偏差修正函數作用于給水流量設定值；3）分離器出口目標溫度與分離器出口實際溫度的偏差，經給水過熱度修正函數作用于給水流量設定值。

通過以上控制因素共同構成給水流量設定值，且中間點溫度偏差同步作用于鍋爐主控。其控制策略流程如圖1所示。主蒸汽流量直接作用于給水流量，比原來常規煤水比控制更準確地控制給水流量，避免了燃料量燃燒延時和物料循環中未燃盡碳燃燒的影響。另外給水流量的及時響應，使主蒸汽壓力快速達到目標壓力，減少了主蒸汽壓力和溫度的波動。

1.2 鍋爐主控負荷快速響應優化

當負荷指令快速增加時，響應負荷時主蒸汽壓力會降低，此時需要鍋爐側快速增加燃料量和風量。鍋爐主控負荷快速響應優化策略采用前饋調節與PID偏差調節相結合的控制方法，PID的輸入為壓力偏差，PID比例、積分系數采用2路切換輸入。當負荷偏差大于3 MW時采用快速響應輸出，負荷偏差小于3 MW時采用較緩的速率變化，控制思路為負荷快速變化時，壓力偏差會快速作用燃料指令，最大程度消除燃料燃燒的響應滯后問題。

前饋調節采用4路輸入共同作用：1）經熱值修正后的燃料量反饋輸入；2）負荷偏差調節輸入；3）目標負荷直接折算基礎燃料量輸入；4）壓力實時值偏差對應燃料量輸入。4路信號輸入疊加，根據實際運行工況調整適合響應機組的各輸入信號增益系數，最終輸出至鍋爐主控動態前饋。

動態調節過程中，主要是負荷偏差和壓力偏差起主要前饋作用，煤質穩定的情況下，熱值修正后的燃料量和目標負荷折算的燃料量僅起到基礎作用。鍋爐主控輸出分別作用于燃料量、一次風量、二次風量，鍋爐主控對一次風量設定直接影響CFB鍋爐的壓力跟蹤特性和負荷響應速度。通過鍋爐主控與一次風量形成一個基本關系，同時增加負荷指令變化對一次風量設定修正系數，即負荷指令增加初期，一次風量有一定階躍。具體為負荷指令變化達3 MW時，一次風量標準狀態下增加20 000 m3/h，指令輸出時間為5 s，主要是增加CFB鍋爐爐膛內物料中未燃盡碳的燃燒釋放熱量，通過過量加風及時釋放爐膛內蓄熱，燃料量隨后逐步增加，進而維持整個負荷變化過程床溫穩定，滿足機組對電網的負荷響應速度要求。

1.3 汽輪機主控負荷快速響應優化

汽輪機主控在ACE模式下通過汽輪機調節閥快速動作至目標位置以響應負荷。為更好地響應負荷，對汽輪機調節閥流量特性進行優化，對順序閥和單閥下流量特性曲線進行修改，保證了汽輪機主控與各調節閥流量線性均勻流暢。同時根據修改后汽輪機調節閥的調節特性，利用前饋調節加PID偏差調節的方法，前饋調節接入限速后的目標負荷同滯后20 s信號求偏差，保證負荷指令變化時，汽輪機主控快速響應，并依靠PID偏差調節穩定在目標負荷狀態。

2 應用實例

采用上述方法對山西河坡電廠350 MW CFB機組原協調控制方式進行優化。首先在1號機組實施該控制策略，對協調優化后負荷變動曲線進行了對比，2018年11月24日運行參數曲線如圖2所示。

從圖2可以看出：15 h中機組負荷升降變化明顯，負荷變化區間為220~310 MW，給水流量跟蹤良好且能夠及時響應；主蒸汽壓力實際值與壓力設定值跟蹤效果良好，最大偏差在±1.0 MPa范圍內；中間點溫度偏離設定值時，其及時作用于給水流量和燃料量指令，主蒸汽溫度波動不超±10 ℃。

圖3為采用優化的協調控制策略后ACE方式運行4 h的DCS曲線。

從圖3可以看出：在ACE模式下，負荷階躍變化約在20~30 MW區間，幅值較大，目標負荷快速變化后給水流量稍有滯后，但滿足負荷響應要求；主蒸汽壓力圍繞壓力設定值有一定波動，偏差基本在±1.0 MPa范圍內，控制效果較好。采用優化協調控制策略后，電網ACE方式運行時，該機組的ACE綜合評價指標P由原來1.09增加為4.21，達到山西省調電廠的優秀水平。

3 結 語

根據超臨界CFB機組的特點，對機組協調控制策略進行了優化，以主蒸汽流量為主輸入因素控制給水流量設定值，以鍋爐主控控制燃料量、一次風量、二次風量，通過一次風量的快速階躍變化，充分釋放CFB鍋爐蓄熱能力，進而快速響應負荷指令要求；同時結合中間點溫度修正鍋爐主控穩定主蒸汽壓力和主蒸汽溫度。某超臨界350 MW CFB機組應用該協調控制策略后，在ACE模式下，機組實際負荷可實現快速響應，主蒸汽汽壓力和主蒸汽溫度基本維持穩定，ACE綜合評價指標p值達到4.21，滿足電網考核指標。

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Optimization of coordinated control for rapid response to electric power in supercritical CFB unit

HOU Yiming1, WANG Zhiwei2, WANG Jinquan3

(1. Gemeng International Co., Ltd., Taiyuan 030006, China; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China;3. Shanxi Gemeng Safety Production Consultation Co., Ltd., Taiyuan 030006, China)

The supercritical circulating fluidized bed (CFB) boilers use the conventional coal-to-water ratio control strategy, which exists large inertia and long lag problem, resulting in large fluctuation in main steam pressure and poor load response performance. Under area control error (ACE) mode, the rapid change of AGC load will increase the fluctuation of fuel quantity and steam pressure, especially for circulating fluidized bed (CFB) units. Against this problem, according to the characteristics of CFB units, a coordinated control strategy of load rapid response is proposed. In this strategy, the feed water control of the whole process is realized by using the main steam flow rate and the intermediate point temperature. Both the load and the main steam pressure deviation act on the rapid response of the main control of the boiler by the combination of feedforward regulation and PID deviation adjustment. The heat storage of the CFB boiler is fully used and the load change is responded through the main control of the steam turbine and the instruction of each regulating valve. Moreover, this control strategy was applied in a supercritical 350 MW CFB unit of Shanxi Hepo Power Plant, and the results show that, the main steam pressure fluctuation was small, the steam temperature was stable, and the value of the load response comprehensive evaluation index Kp in ACE mode reached 4.21, which proves that the control effect of the supercritical CFB unit in varying load operation is good and the ACE index reaches excellent level.

supercritical, CFB, thermal power unit, coordinated control, load response, feedwater flow, main steam flow

TM621.6

B

10.19666/j.rlfd.201905139

2019-05-17

侯益銘(1969)，男，高級工程師，主要研究方向為火電廠熱工控制及節能優化技術，houyiming2000@163.com。

侯益銘, 王智微, 王晉權. 超臨界循環流化床機組負荷快速響應的協調控制優化[J]. 熱力發電, 2019, 48(10): 33-37. HOU Yiming, WANG Zhiwei, WANG Jinquan. Optimization of coordinated control for rapid response to electric power in supercritical CFB unit[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(10): 33-37.

（責任編輯 杜亞勤）