熱電廠切缸旁路閥輔助調頻自動控制設計

張 靜，楊超杰，王 琦，衛 鑫，姜 平，李麗鋒

（1.山西大學自動化系，山西 太原 030013；2.山西河坡發電有限責任公司，山西 陽泉 045001）

低壓缸切缸技術是靈活性調峰的一種改造方式[1]，具有提高機組深度調峰能力和供熱能力的特點[2-6]。該技術采用在原有低壓缸進汽閥（CV閥）基礎上加裝旁路閥（BPV閥）來保證低壓缸最低流通量，改造技術工藝簡單、成本低，成為很多熱電廠進行靈活性改造的選擇[7-10]。

機組參與電網調頻時，高壓調節閥（GV閥）隨著發電負荷指令頻繁動作而產生磨損，同時調節時延相對較大，低負荷時小流量控制精度有限，調節效果并不良好，機組的穩定性和調頻的快速性難以保證[11-13]。

在分析這些特性基礎上，某電廠350 MW發電機組通過切缸工藝改造，利用BPV閥開度調節的快速性和小流量控制的高精度實現了該機組參與電網的深度調峰和輔助調頻，同時設計了BPV閥參與輔助調頻自動控制方案。

本文通過理論推導BPV閥開度變化量和電負荷變化量關系，基于MATLAB軟件中的Simulink平臺進行控制仿真，并將相應自動控制組態邏輯導入機組分散控制系統（DCS）進行試驗驗證，確定了BPV閥參與輔助調頻自動控制方案的可行性和有效性。

1 BPV閥輔助調頻自動控制方案

某超臨界350 MW熱電機組切缸改造加裝BPV閥，其通流面積是CV閥的一半，有效線性區間為20%~60%開度，BPV閥留有20 t/h的最低流通量，可以保證最小低壓缸冷卻進汽流量。當前，175 MW負荷以下低壓缸切缸，CV閥全關，手動控制BPV閥在保證低壓缸最小冷卻進汽量的同時參與電網調頻；本文研究105 MW以上的全工況BPV閥輔助調頻自動控制方案，實現BPV閥參與機組的實時輔助調頻。

根據BPV閥的閥門特性曲線，綜合現場人員手動控制經驗，105 MW（30%機組額定負荷，機組深調負荷下限）以上負荷時BPV閥最佳初始開度為40%。升負荷時閥門在40%開度基礎上增大一定開度，降負荷時閥門在40%開度基礎上減小一定開度，通過快速調節低壓缸進汽量，短時間改變機組發電負荷，滿足調頻的快速性要求。利用熱網大延時的特點[14-17]來消納輔助調頻過程中產生的蒸汽流量的小范圍波動。

圖1為BPV閥投自動條件。如圖1所示，允許BPV閥投自動須滿足：

1）BPV閥位反饋、AGC負荷指令、實發功率、中壓缸排汽壓力、低壓缸進汽壓力信號質量好；

2）中壓缸排汽壓力在調節級后壓力所對應的中壓缸排汽目標壓力上下限范圍內；

3）低壓缸進汽壓力大于背壓對應的最小低壓缸進汽壓力；

4）實時功率大于105 MW；

5）熱網總供熱量大于300 GJ/h；

6）BPV閥初始開度40%；

7）運行人員按下自動及確認按鍵。

圖1 BPV閥投自動條件Fig.1 The automatic conditions for BPV valve

圖2為BPV閥自動控制方案。由圖2可見，在BPV閥投自動的情況下，當AGC指令與限速后的目標負荷指令的偏差大于20 MW時，依據限速后偏差，控制BPV閥參與調頻；當偏差小于10 MW或者BPV調節時間大于4 min時，BPV閥強制復位到初始開度40%。BPV閥復位過程中引發的負荷偏差由GV閥自動消除，完成BPV閥自動調頻。當不滿足BPV閥投自動條件時，系統報警提示操作人員手動控制。

圖2 BPV閥自動控制方案Fig.2 The automatic basic operation plan of BPV valve

2 模型分析與仿真

2.1 模型分析

為進一步驗證BPV閥輔助調頻自動控制的可行性，對BPV閥開度與電負荷間的關系進行機理建模，并采用MATLAB進行仿真驗證。

為減小仿真干擾項，構建BPV閥開度時，默認滿足BPV閥投自動時要求，即：1）電負荷在105 MW以上；2）中壓缸排汽壓力在上下限范圍內，即不需要CV閥或BPV閥調整中壓缸排汽壓力；3）蒸汽焓值不變。

在中壓缸排汽壓力控制系統保證中壓缸排汽壓力穩定的情況下，流通量為流體面積與流速的乘積。由于BPV閥調節的流量變化范圍不大，流速基本不變，因此近似流通量與通流面積成比例。故低壓缸進汽閥的通流面積與低壓缸進汽量成正比關系，即

式中：SBPV為BPV閥的橫截面積，m2；SCV為CV閥的橫截面積，m2；C為低壓缸進汽量的變化量，t/h；L為低壓缸當前進汽量，t/h；α為單次BPV閥的開度變化量，%；β為CV閥當前開度。

電負荷偏差和對應所需的蒸汽熱量偏差的關系為

式中：ΔQt為克服當前電負荷偏差所需熱量，GJ/h；PAGC2為限速目標負荷指令，MW；Pt0為當前電負荷，MW；0.4為汽輪機蒸汽熱量-電量的轉換效率，3.6為功率單位MW-GJ/h轉換系數。

負荷偏差所需熱量和低壓缸進汽量的關系為

式中：HBPV1為BPV閥前焓值，kJ/kg；HBPV2為BPV閥后焓值，kJ/kg。

由式(1)—式(3)可以推出BPV閥開度與電負荷指令的關系為

根據熱量為焓值與流量的乘積，并參考功率-熱量轉換式(2)，統一單位后進一步得到初始電負荷Pt0和初始低壓缸進汽量的關系為

因為BPV閥的初始開度為40%，CV閥流通面積為BPV閥的2倍，由式(4)和式(5)可得

為進一步仿真驗證，設定初始的限速目標負荷指令PAGC1=Pt0為175.0 MW（調整前電負荷），最終負荷指令AGC2為PAGC2為185.5 MW（目標負荷指令），CV閥的開度為25%，焓值在調整過程中保持不變，觸發時間為0 s，進而推導可得：

2.2 仿真及其結果分析

根據以上傳遞函數模型，搭建MATLAB仿真系統，調整PID參數，觀察BPV閥開度變化是否能滿足輸出要求，電負荷能否達到實時跟蹤和快速調節電負荷目的[18-20]。MATLAB仿真系統如圖3所示。

圖3 MATLAB仿真系統Fig.3 The simulation system based on MATLAB

在Simulink運行上述仿真系統，觀察電負荷變化仿真曲線和BPV閥開度變化曲線，仿真結果如圖4所示。

圖4 BPV閥門開度變化與電負荷仿真曲線Fig.4 The BPV valve opening change and electric load curve

由圖4可見，在0 s時刻，BPV閥的開度增大5.4%左右，后逐漸下降到0，電負荷則從175.0 MW上升到185.5 MW，后逐漸趨于穩定。該過程說明負荷指令從175.0 MW增加至185.5 MW時，BPV閥開度增加5.4%，低壓缸進汽量增加，發電負荷隨即增加，逐漸跟蹤目標負荷指令。電負荷偏差趨于0 MW后，BPV閥的開度減小，并逐漸復位，3 s內完成電負荷的自動調節。仿真結果表明BPV閥的快開性能能夠實現調頻功能。

3 BPV閥自動輔助調頻效果分析

為了驗證BPV閥自動控制效果，分別提取電廠2018年12月20日BPV閥手動控制和2020年3月7日同一時段的運行數據，分析機組在手動和自動控制方式下，電負荷跟蹤效果、BPV閥開度和電負荷的對應關系，以及電負荷變化時對應高壓調節閥開度的變化。

圖5為手動控制機組電負荷跟蹤效果，圖6為旁路閥輔助調頻的自動控制機組電負荷跟蹤效果。

圖5 手動控制機組電負荷跟蹤效果Fig.5 The electric load tracking effect of manual control unit

圖6 自動控制機組電負荷跟蹤效果Fig.6 The electric load tracking effect of automatic control unit

由圖5和圖6可見：手動控制調頻機組目標負荷發生變化時，電負荷隨著AGC指令變化，但跟蹤效果比較差，且存在超調現象，對于機組的穩定性有一定影響；機組加入BPV閥輔助調頻后，機組的負荷跟蹤AGC指令更加緊湊，擬合度更高，且無超調現象，相比于手動控制效果更好。

圖7為手動控制BPV閥時GV閥總開度與電負荷的對比曲線，圖8為手動控制時BPV閥開度與電負荷關系。由圖7和圖8可見，BPV閥手動控制方式下，電負荷調整全靠GV閥來實現，BPV閥開度基本保持在20%左右，并無明顯變化，未起到調頻作用。

圖7 手動控制方式GV閥總開度與電負荷對比曲線Fig.7 Comparison of the GV valve total opening in manual control mode and the electrical load

圖8 手動控制BPV閥開度與電負荷關系Fig.8 Comparison of the BPV valve opening in manual control mode and the electrical load

圖9為BPV閥自動控制時，GV閥總開度與電負荷的對比曲線，圖10為自動控制旁路閥的BPV閥開度和電負荷關系。由圖9和圖10可見，GV閥并沒有根據電負荷趨勢改變開度，而BPV閥開度發生快速變化，BPV閥調節電負荷至AGC指令后緩慢復位到初始開度，GV閥克服BPV閥復位過程中產生的偏差，BPV閥的快速動作起到輔助調頻的作用，有效減少GV閥動作頻率，提高機組穩定性。

圖9 自動控制方式GV閥總開度與電負荷對比曲線Fig.9 Comparison of the GV valve total opening in automatic control mode and the electrical load

圖10 自動控制BPV閥開度和電負荷關系Fig.10 Comparison of the BPV valve opening in automatic control model and the electrical load

綜上所述，BPV閥投自動后，機組的負荷跟蹤更加穩定，無超調現象，BPV閥自動穩定快速調節電負荷。同時相比于手動控制，BPV自動控制時，只有BPV閥復位過程中，GV閥才用于克服負荷偏差，動作頻率更低，機組運行更加穩定。

4 結 論

以某熱電廠為例，基于BPV閥開度調節的快速性和小流量控制的高精度，設計BPV閥輔助調頻的自動控制方案。通過理論計算，推算出BPV閥開度與電負荷的對應關系，并采用MATLAB仿真，驗證BPV閥參與調頻的可行性和有效性。

將設計的BPV閥自動控制方案進行現場試驗，比較驗證BPV閥在手/自動控制時負荷跟蹤效果、BPV閥調節電負荷的效果，以及BPV閥投自動后對GV閥的穩定作用。實際運行結果表明，BPV閥投自動后，機組的負荷跟蹤更加快速穩定，機組運行穩定性更好。綜上所述，該BPV閥自動控制方案可用于同類型熱電機組的深度調峰和輔助電網調頻。