350MW 超臨界機組應用AECS- 2000 先進過程控制系統對機組AGC 控制的優化

黃曉東 李獻平 王定濤 石義坤 曾憲輝

（華能應城熱電有限責任公司，湖北 應城432400）

1 概述

隨著電網容量的增長和區域間潮流的交換，電網對發電端電廠機組的AGC 要求越來越高，目前華北電網已經推行關于AGC 的細則性能考核，AGC 的性能指標已經明確化。主要的性能指標有4 個，分別為K1，K2，K3 和Kp，K1 是考核負荷實際變動速率，中儲式機組要求實際負荷實際變動速率不小于2%pe%/min，直吹式機組不小于1.5%pe%/ min；K2 是負荷穩態調節精度，衡量負荷調整的穩態誤差，該指標要求不小于1%pe；K3 是負荷響應的靈敏度，指負荷實際變化的快慢指標，要求響應時間小于60s。實際考核中，要求K1＞1.0，K2＞1.0，K3＞1.0，Kp＞1.0。而且有一套自動考核系統，電網根據考核機組的運行情況自動計算出該機組的性能指標，并根據指標情況對投入AGC 運行的機組進行考核。

華能應城熱電有限公司#2 機組為350MW 超臨界直流爐機組。

鍋爐為東方鍋爐生產的DG1130/25.4-II2 型鍋爐，該型號鍋爐是超臨界參數變壓運行的直流鍋爐，一次再熱、平衡通風、單爐、膛、尾部雙煙道，采用煙氣擋板調節再熱汽溫，固態排渣、全鋼構架、前后墻對沖燃燒的全懸吊結構Π 型鍋爐。汽輪機組采用上海汽輪機廠生產的350MW 超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸雙排汽、雙抽凝汽式汽輪機。DCS 系統采用FOXBORO 過程控制有限公司的IA 分散控制系統。DCS 系統控制范圍包括模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）、燃燒器管理（BMS）、報警系統（ANN）、鍋爐給水汽輪機控制（MEH）、旁路控制（BCS）、數據采集(DAS)、汽機控制系統（DEH）、電氣監控系統（ECS）、吹灰控制系統SOOT 等功能及有關系統的通訊功能。主汽溫調節采用二級噴水減溫調節。再熱汽溫調節采用煙氣擋板調節和事故超溫噴水。

2 #2 機組AGC 現狀

#2 機組AGC 控制的機爐協調控制采用以水跟煤為主的控制策略，汽機控制機組負荷，鍋爐控制主汽壓力；當機組處于AGC 控制模式時，AGC 負荷指令經過負荷上下限及速率限制后形成機組實際負荷指令，與機組實發功率進入汽機主控進行PID 偏差運算后生成汽機負荷指令送DEH 控制汽機閥門開度，同時鍋爐主控接收主汽壓力偏差進行PID 運算后形成鍋爐負荷指令，鍋爐側燃料量直接響應鍋爐負荷指令，給水流量則由兩部分形成：一部分根據鍋爐負荷指令和設計煤水比形成，這是給水流量指令的主要部分；另外一部分由分離器出口溫度（中間點溫度）的穩態矯正信號組成，這是給水流量的次要部分。

#2 未優化前投運AGC 系統期間，實際負荷速率僅能達到3MW/MIN，大負荷變工況時主汽壓力波動比較劇烈，偏差最大達到1.1MPa，穩定時間超過50 分鐘；分離器出口溫度（中間點溫度）經常波動幅度在±7℃左右。

結合華能應城熱電有限公司AGC 及協調控制系統運行實際情況及湖北電網《湖北電網統調發電機組運行考核辦法》及相關規定，控軟自動化技術（北京）有限公司與應城熱電廠聯合設計開發了AGC 實時快速響應及協調控制優化系統（AECS-2000 優化控制系統，下文均采用此縮寫），為大型火力發電機組AGC 及協調控制優化提供了一套完整的解決及優化方案。AECS-2000 優化控制系統將火力發電廠自動控制領域先進控制算法（內模控制、協調控制、解耦控制）與AGC 及協調控制策略有機地結合在一起，為火力發電機組提高AGC 及協調控制系統響應能力、系統閉環穩定性和系統抗擾動能力提供了一套合理完整的解決方案。

3 AECS-2000 先進過程控制系統功能概述及#2 機組應用實施

AECS-2000 先進控制系統是開放式控制系統，軟件組態采用面向對象（Object-Oriented）技術的函數模塊編程，提供100 余種函數模塊庫供選擇，包含了許多復雜的先進控制算法，如：

串級PID（Cascade PID）

多變量PID（Multiple Parameter PID）

分程控制（Split Range）

內模控制IMC（Internal Model Controller）

協調控制CC（Coordinated Control）

多變量解耦控制MMC（Modular Multivariable Controller）等等。

所有的控制模塊已被完全配置在AECS-2000 系統中，并且提供了實用的自整定、自動－手動無擾切換和自動跟蹤等控制功能。這些控制模塊使用了兩個或更多的控制變量，有效地控制一個或多個過程并使之達到相應的設定值。這些先進控制算法還考慮到了過程之間的相互干擾，用戶可以自己定義最優的控制方案并結合控制輸出來抑制干擾。這些控制模塊還帶有各自獨立的ActiveX 技術的用戶圖形接口（Faceplates），用戶可以運用它們快速地配置出畫面來，用于開發和調試控制方案。

模型預測控制具有依據調節回路數學模型建立預測控制的特點，可以很好的解決調節系統延遲大、慣性大的問題，其原理圖如下：

3.1 AECS-2000 先進過程控制系統安裝

硬件安裝：

計算機系統配置

服務器數量：1 臺

服務器類型：塔式

配置：AECS-2000 專用服務器/22 液晶顯示器、鍵盤、鼠標

通訊軟件介紹：

AECS-2000 軟件：該軟件能通過OPC 服務器與DCS 進行相關回路的數據采集和傳輸。其通訊協議是OPC 協議。

通訊配置

電廠網絡拓撲圖：

工程師站/歷史站/操作員站需預留一個空余的網口（IP2地址200.200.200.210），在工程師站/ 歷史站/ 操作員站安裝Foxbro 的OPC 軟件包，設置AECS-2000 服務器IP 地址：200.200.200.212，工程師站/ 歷史站/ 操作員做為服務器端，AECS-2000 做為客戶端，通過OPC 協議實現服務器和客戶端數據雙向可讀寫通訊。

3.2 AECS-2000 先進過程控制- 新型協調控制策略開發

（1）AECS-2000 與DCS 的通訊測點

AGC 系統優化需要建立的通訊測點

（2）開發AECS-2000 先進過程控制系統- 新型協調控制系統相應控制策略

新型協調控制策略采用直接能量平衡（DEB）方式下的爐跟隨控制，能量平衡信號Ps*P1/Pt 為鍋爐指令，鍋爐熱量信號P1+dPd/dt 為鍋爐反饋，d(AGC)/dt 為前饋增強燃燒，模型預測控制器CC 替換原有的PID 控制器作為主控制器；DCS 側增加無擾切換邏輯和畫面投切按鈕、通訊監視點，控制策略如下：

3.3 DCS 需要完善的邏輯

DCS 與AECS-2000 的握手邏輯

3.4 通訊投入條件

（1）通訊握手信號，APC 控制平臺輸出連續翻轉的3 秒脈沖信號，經過“心跳邏輯”判斷，當通訊正常時最終輸出常1，反之輸出為0。

（2）鍋爐主控/再熱汽溫在自動，當鍋爐主控/再熱汽溫在自動時，可投入APC 控制；若手動，不允許投入APC 或切除APC。

（3）運行人員操作按鈕，當以上條件都滿足時，運行人員可手動操作畫面中的APC 投入按鈕，完成APC 投入或切除；當APC 已投入后，若因其他投入/切除條件引起APC 被切除，運行人員操作按鈕自動復位，其他條件再次滿足投入條件，還需運行人員進行操作投入，否則無法自動投入。

3.5 DCS 與AECS-2000 鍋爐主控無擾切換邏輯

AECS-2000 投入時，鍋爐主控的輸出為APC 的輸出，鍋爐主控的PID 跟蹤APC 的輸出。AECS-2000 未投入時，鍋爐主控的輸出為鍋爐主控的PID 的輸出，APC 跟蹤鍋爐主控的PID 的輸出。這是為了實現在切換過程中的無擾切換。

4 影響AGC 控制調節指標主要控制回路的優化

4.1 優化機組協調控制邏輯

（1）煤水比環節中，#2 原有控制邏輯中，鍋爐主控——燃料主控、鍋爐主控——給水主控的所有前饋均疊加在鍋爐主控上，而鍋爐主控指令變化成給水指令時需經過3 階15 秒的慣性延時，以保證主汽溫度的穩定，但與此同時也就無法有效適當的利用鍋爐蓄熱，針對此情況，提出在燃料主控及給水主控入口處分別增加1 路負荷指令微分前饋：目標負荷指令與速率后負荷指令經減法運算后直接疊加在燃料主控設定上（也就是鍋爐主控輸出），幅值為每10MW 負荷指令最大輸出鍋爐主控總值1%，最大限幅為正負2；目標負荷指令與速率后負荷指令經減法運算后直接疊加在給水主控設定上（也就是煤水比三階慣性之后），幅值為每10MW 負荷指令最大輸出12T/H 給水，最大限幅為正負20T/H；該前饋微分時間由目標負荷和速率后負荷偏差決定，利用該前饋在負荷變動初期，以適當放寬溫度波動范圍來加快AGC 負荷響應。

（2）對煤水比函數、煤水比三階15 秒慣性環節進行試驗摸底后，適當修改煤水比函數（修改后煤水比基本為1:7.2）及慣性時間（修改后三階慣性為35：35：30），確保主汽溫度穩定及主汽壓力響應快速。

（3）煤水比控制中，#2 機組原分離器出口溫度設定值由機組負荷指令經三階15 秒慣性環節后生成，但鑒于飽和蒸汽溫度與壓力關系更為直接，提出修改分離器出口溫度設定值由分離器出口壓力經三階10 秒慣性后生成，確保在負荷變動初期中間點溫度的穩定。

（4）制粉環節中，#2 機組現階段一次風量控制主要由一次風機改變一次風壓來實現，磨煤機熱風門基本處于無用狀態，此現象極大影響對磨煤機蓄粉的利用，不利于鍋爐能量的快速變化，提出對熱風門邏輯中新增機組負荷微分邏輯：速率后負荷指令經40 秒微分運算后疊加在熱風門指令處，幅值暫為每10MW 對應5%，最大值為正負5%，同時提高機組一次風壓使磨煤機熱風門始終處于70%有效調節開度以內，確保風煤配比的及時性、超前性。

（5）機組滑壓控制中，#2 機組原滑壓方式下主汽壓力指令由目標負荷指令經三階10 秒慣性環節后生成，在AGC 指令頻繁鋸齒波變動下不利于主汽壓力的穩定，提出修改為機組實際負荷指令經三階30 秒慣性環節生成，確保主汽壓力指令在AGC 變動時不會額外增加協調控制自身內擾。

4.2 優化機組協調控制系統

（1）對基礎執行層控制回路進行參數優化，通過定值擾動試驗以保證制粉系統、送風系統、一次風系統、爐膛負壓系統等主要子回路調節品質達到優良，使協調控制上層指令在下層控制中能得到有效執行。

（2）對機、爐主控進行參數優化，通過穩態下的定值擾動試驗以保證機、爐主控在機組內擾工況下的調節品質。

（3）對機、爐主控前饋進行參數優化，通過負荷變動試驗以保證機、爐主控在機組外繞工況下的調節品質。

4.3 優化機組DEH 閥門流量特性參數

通過對機組DEH 閥門進行流量特性摸底后，修改了#3、#4高調閥流量特性參數，消除機組負荷突變，提高負荷控制精度至±1.5MW 以內。

5 優化后投運效果

通過對#2 機組進行優化工作后，AGC 控制品質得到明顯提高，負荷變動速率可達1.5%pe%/min，機組主要控制參數也穩定可控，下圖為優化后投運效果：

負荷變動三角波主蒸汽壓力變化情況

上圖為AECS-2000投運時，360MW～315MW～350MW～320MW變負荷的曲線圖（最大壓力偏差0.43MPa）

6 負荷單向爬坡主蒸汽壓力變化情況

上圖為AECS-2000 投運時，335MW～250MW 單向變動變負荷的曲線圖（最大壓力偏差0.56MPa）

從以上曲線分析可知：AGC 負荷大范圍變化時，AECS-2000 能夠使主汽壓力與設定值動態偏差控制在0.5MPa以內，機組實際負荷變化率達到平均速率為5.3MW/min，優于1.2%Pe/min 的直流爐考核標準，機組各項指標均能滿足電網對AGC 的性能要求。

7 結論

本文對華能應城熱電有限公司350MW 超臨界機組AGC控制優化進行了介紹分析，針對機組協調控制原設計，我們對主要控制策略和參數進行了優化，目前該機組AGC 控制動作迅速、主參數穩定平滑，投入至今安全可靠。