火電機組深度調(diào)峰下的優(yōu)化控制策略

黃啟東

[摘? ? 要]截至目前，我國已經(jīng)實現(xiàn)了多元化發(fā)電，但是火力發(fā)電依然是我國主要的發(fā)電方式，因此火電廠在我國總能源當(dāng)中占有最大的比重，而火電機組調(diào)峰深度不足50%。我國北方冬季需要集中供熱，而在這一時期北方地區(qū)的火電廠電力組調(diào)峰深度僅有10%～20%。如此低效的調(diào)峰深度對我國能源高效利用十分不利，對此我國急需要探尋更加先進的火電機組深度調(diào)峰技術(shù)途徑，從而更好地適應(yīng)新時期新能源戰(zhàn)略發(fā)展需求，使新能源入網(wǎng)比例進一步擴大，同時兼顧大容量火電機組節(jié)能減排，提升火電機組深度調(diào)峰、靈活性，有效提升新能源入網(wǎng)。

[關(guān)鍵詞]火電機組;深度調(diào)峰;控制技術(shù)

[中圖分類號]TM621 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）04–000–03

Optimal Control Technology under Deep Peak Load

Regulation of Thermal Power Units

Huang Qi-dong

[Abstract]Up to now， my country has achieved diversified power generation， but thermal power is still the main power generation method in my country. Therefore， thermal power plants account for the largest proportion of my country's total energy， and the peak shaving depth of thermal power units is less than 50%. In northern my country， central heating is needed in winter， and during this period， the peak shaving depth of thermal power plants in northern areas is only 10%-20%. Such inefficient peak shaving depth is very detrimental to the efficient use of energy in my country. For this reason， my country urgently needs to explore more advanced deep peak shaving technology for thermal power units， so as to better adapt to the new energy strategic development needs in the new era and increase the proportion of new energy into the grid. Further expansion， while taking into account the energy-saving and emission reduction of large-capacity thermal power units， is committed to improving the deep peak regulation and flexibility of thermal power units， and effectively improving the access of new energy to the grid.

[Keywords]thermal power unit; deep peak shaving; control technology

《可再生能源法》頒布以后，我國新能源產(chǎn)業(yè)開始爆發(fā)式增長，由此新能源在我國能源當(dāng)中所占比例進一步提升。因為使用新能源發(fā)電電能波動性與電網(wǎng)配套政策缺失，給我國新能源進一步發(fā)展造成影響，因此這也是我國新能源電力急需解決的一項問題。為了解決這一問題，我國電改也實現(xiàn)了進一步深化，用電方面進一步實現(xiàn)市場化，我國已經(jīng)開始了發(fā)電企業(yè)和用戶之間實現(xiàn)有效交易，同時擴大了用電市場化以后在總交易量當(dāng)中所占比重，在很大程度上實現(xiàn)了電力市場的進一步完善。為了進一步統(tǒng)籌規(guī)劃電力市場化需求，急需要提升火電機組運行靈活性，強化火電機組深度調(diào)峰能力。

1 現(xiàn)階段我國火電機組控制情況

我國現(xiàn)階段的火電機組控制均使用DCS（集散控制系統(tǒng)），對于大型的火電機組會配備協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。為了最大程度上保證火電機組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，使火電機組靈活性、深度調(diào)峰能力得到有效提升，需要對火電機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行升級。深度調(diào)峰工作中，指標、參數(shù)均是影響火電機組運行供電品質(zhì)的主要因素。火電機組負荷響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、主蒸汽壓力、主蒸汽溫度因為受到了火電機組鍋爐熱純遲延、高階慣性特性影響，單純使用DCS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)不能滿足現(xiàn)階段火電機組控制系統(tǒng)中控制算法、策略，不能達到理想的效果。

現(xiàn)階段我國的DCS制造商在軟件設(shè)計、組態(tài)等方面普遍沒有太多的投入，而是一直使用一些國際上早期使用的控制方案、算法。這些國際上早期的技術(shù)、方法實際上已經(jīng)不能滿足當(dāng)前我國電力改革背景下的發(fā)展需求，導(dǎo)致現(xiàn)場調(diào)試工作不能充分的、細致的實現(xiàn)。正因如此現(xiàn)階段火電機組控制系統(tǒng)僅能滿足小幅度的負荷變化以及低速率負荷變化調(diào)節(jié)。而對于大幅度、高速率負荷變化調(diào)節(jié)，特別是對于深度調(diào)峰，現(xiàn)階段的控制系統(tǒng)不能有效確保火電機組的安全、穩(wěn)定運行，與此同時在實際運行過程中常常出現(xiàn)主汽壓、功率、氣溫等一系列參數(shù)大幅度變化。

2 機爐協(xié)調(diào)

傳統(tǒng)的機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)大致可以分為以爐跟蹤為基礎(chǔ)的機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CBF），以機跟蹤為基礎(chǔ)的機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CTF）。每種控制系統(tǒng)各有利弊。CBF，汽機側(cè)DEH功率控制系統(tǒng)來控制機組功率信號。因為機組功率關(guān)系到汽機調(diào)速汽門開度變化，因此具有極其迅捷的響應(yīng)速度。使用CBF可以很好地確保火電機組的功率穩(wěn)定性，不過因為火電機組主蒸汽壓力受到鍋爐燃燒率控制，同時主蒸汽壓力具有更大的動態(tài)、靜態(tài)偏差，特別是火電機組負荷在較大變化速率的情況下，此時的主蒸汽壓力具有更大的偏差。為了使火電機組運行更加穩(wěn)定，許多機組都使用壓力拉回策略進行控制，有效地控制了負荷的變動速率，同時降低了火電機組負荷變動響應(yīng)性能。

對于CTF而言，因為汽機側(cè)主控制器負責(zé)主蒸汽壓力的變化，鍋爐主控制器調(diào)整入爐燃料的總量實現(xiàn)對機組功率的控制，同時CTF汽機側(cè)控制系統(tǒng)調(diào)整汽機調(diào)速汽門實現(xiàn)對主蒸汽壓力的控制，由此往往可以達到較為理想的主蒸汽壓力特性控制效果。不過因為火電機組功率的控制是通過對燃料總量的控制來實現(xiàn)的，因此燃料成為確保火電機組功率控制的主要影響因素。受到燃料總量的影響，火電機組功率的響應(yīng)特性、主蒸汽壓力響應(yīng)特性具有相似之處，這就會造成在負荷變動情況下，火電機組功率具有較大的起始慣性，最終造成控制過程中火電機組的功率動態(tài)、靜態(tài)偏差進一步增加。

通過分析后可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段主要使用的兩種機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)各有利弊，而為了滿足火電機組靈活性，提升火電機組的深度調(diào)峰能力，需要對機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行改良、優(yōu)化。現(xiàn)階段主要使用的機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中已經(jīng)運行多年，因此具有相對成熟的運行方案與設(shè)施組成，這為在最小變動條件下展開最大的優(yōu)化、創(chuàng)新提供了條件。

3 優(yōu)化改進機爐協(xié)調(diào)

對于CBF，消除主蒸汽壓力變化的主要因素是鍋爐的燃燒率。在汽機調(diào)速汽門開度沒有變化的情況下，在燃料總量影響的情況下，主蒸汽壓力響應(yīng)速度遠不及汽機調(diào)門干擾情況下主蒸汽壓力響應(yīng)速度，同時汽機調(diào)門開度伴隨著火電機組的功率變化需要實時變化，并且結(jié)合機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)起初的設(shè)計，如果要實現(xiàn)機組功率快速響應(yīng)、火電機組參數(shù)穩(wěn)定，需要同時考慮到至少兩方面因素。

對于CBF，需要適當(dāng)?shù)叵拗苹痣姍C組起始功率速率控制，防止主蒸汽壓力變化過快，最終實現(xiàn)主蒸汽壓力穩(wěn)定。實現(xiàn)這些要求以后，CBF中的火電機組功率變化不能實現(xiàn)有效提升。但是主蒸汽壓力具有較大的動態(tài)偏差。在進行深度調(diào)峰時，為了有效改善負荷的變動特性，可以選擇使用能量平衡信號反饋，以實現(xiàn)鍋爐側(cè)響應(yīng)速度的提升。

在使用CTF的情況下，因為在實際生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)不同的情況，為了確保汽機側(cè)主蒸汽壓力不變，在燃料總量影響的情況下，火電機組功率的變化速率會相對較快。若火電機組負荷指令出現(xiàn)變化，主蒸汽壓力控制系統(tǒng)當(dāng)中往往會引進前饋信號作為火電機組的負荷指令信號，同時引進主蒸汽壓力給定值增量，從而實現(xiàn)主蒸汽壓力主動發(fā)生一些變化，這樣就可以很大程度上減少甚至消除火電機組功率變化起始慣性，同時火電機組功率變化速率更快。CTF當(dāng)中的燃料因為在調(diào)整、干擾時會引起主蒸汽壓力出現(xiàn)波動情況，此時由汽機側(cè)主蒸汽壓力控制系統(tǒng)對汽機調(diào)速汽門進行調(diào)整實現(xiàn)有效控制。

CBF、CTF的這些響應(yīng)特性存在的差異均使系統(tǒng)可以實現(xiàn)有效控制主蒸汽壓力的控制特性。綜合考量后，最終選擇CTF，CTF可以實現(xiàn)火電機組功率快速響應(yīng)，這是CBF難以完成的，同時具備CBF的主蒸汽壓力動態(tài)、靜態(tài)有效控制特性。因此在實際生產(chǎn)過程中，對CTF控制策略進行有效改進，對參數(shù)進行仔細整定，可以實現(xiàn)火電機組負荷的快速響應(yīng)以及有機結(jié)合參數(shù)的穩(wěn)定運行。

CTF的火電機組功率控制工作由鍋爐側(cè)燃燒率完成。控制對象具有較大的慣性，在深度調(diào)峰過程中，鍋爐在運行過程中會受到多種隨機因素的影響，導(dǎo)致火電機組的實際運行穩(wěn)定性不及CBF。

鑒于此，進行優(yōu)化：深度調(diào)峰工作中，倘若具有較大的負荷變動速率，此時主要采用經(jīng)過改進的前饋CTF，火電機組深度調(diào)峰后期，對于功率零度、穩(wěn)定性往往存在較高要求，此時使用改進后的前饋CBF，實現(xiàn)雙向補償?shù)耐瑫r也發(fā)揮出系統(tǒng)各自的優(yōu)越性能。

4 多控制策略的組合優(yōu)化

結(jié)合深度調(diào)峰機組的特性、機爐協(xié)調(diào)的控制優(yōu)化等一系列具有側(cè)重面的要求，可以直接對能量平衡控制原理與控制策略進行靈活應(yīng)用。無論是在CTF還是CBF當(dāng)中，均設(shè)計了主汽壓力控制器，求取主汽壓力數(shù)值與實際數(shù)值的偏差，使用PI進行運算以后再乘以權(quán)重系數(shù)，隨后再與能量平衡信號、負荷指令信號各自的權(quán)重因子乘積求和，最后將燃料控制指令輸出。每個控制項都需要對權(quán)重因子參數(shù)進行對比、整定，最終可以獲得最佳的控制項組合。

對于燃料控制回路，燃料量反饋使用了給煤量、切換應(yīng)用熱量信號，或者是對給煤量加熱信號時間特性增加，對燃料的燃燒發(fā)熱過程進行模擬，使用這些控制策略的優(yōu)化組合可以很大程度上提升鍋爐負荷變化過程中對燃料量的控制速度，同時改善機組功率動態(tài)、靜態(tài)控制品質(zhì)，

氣溫控制系統(tǒng)，使用傳統(tǒng)的串級PID與Smith預(yù)估器在線切換，具體使用哪一種需要結(jié)合實際的情況。Smith具有自身的缺陷，因為Smith預(yù)估器本身對于模型誤差具有高度的敏感性，對于模型的精度具有很高的要求，這給實際工程帶來一定的難度，并且DCS制造商的Smith預(yù)估器補償算法是不對用戶開放的，因此使用Smith預(yù)估器控制參數(shù)整定是具有一定難度的。

5 低壓加熱儲能參與調(diào)頻

對于汽輪機側(cè)熱力系統(tǒng)而言，通常有3臺高壓加熱器、4臺低壓加熱器、1臺除氧器。除氧器流出鍋爐給水經(jīng)過高壓加熱器加入到鍋爐換熱面，凝結(jié)的水從凝汽器流出至除氧器，途經(jīng)低壓加熱器。因為給水控制系統(tǒng)實際的控制性能會對整個機組的運行安全造成影響，所以高壓加熱器儲存的熱量才不容易被安全利用，不過對于凝結(jié)水而言，由于除氧器具有很大的容積且是一種熱力設(shè)備，因此具有一定的緩沖作用，在短時間緩凝結(jié)水與主給水供需未達到匹配的狀態(tài)下，改變凝結(jié)水流量是對機組負荷作為回?zé)嵯到y(tǒng)能量儲存的最佳選擇。

5.1 凝結(jié)水變負荷

操作開始前，機組首先退出CCS，鍋爐給水、給煤、控制風(fēng)量，這些操作均手動，DEH汽輪機調(diào)整至閥位控制模式，操作躍式凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，從1 280 r/min減小至1 250 r/min，凝結(jié)水流量變化1 250 t/h極速下降至1 160 t/h，下降幅度在90 t/h左右，負荷從614 MW提升至617 MW，提升3 MW。自凝結(jié)水泵下達轉(zhuǎn)速指令，凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速變化，凝結(jié)水流量變化，全程結(jié)束需要3～5 s，全程變化與變頻器實際調(diào)節(jié)速率密切相關(guān)。

5.2 凝結(jié)水變負荷參與一次調(diào)頻

凝結(jié)水變負荷實際速率受到變頻器/調(diào)節(jié)閥實際動作速率、低壓加熱器熱力特性等多重因素影響，所以只會出現(xiàn)在一次調(diào)頻當(dāng)中。輔助汽輪機DEH、CCS一同完成一次調(diào)頻。調(diào)頻動作以前，DEH控制前饋系統(tǒng)率先動作，與此同時凝結(jié)水變負荷邏輯也參與到調(diào)頻當(dāng)中，凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速/調(diào)節(jié)閥第一時間動作，3～5 s后由于凝結(jié)水的變化引發(fā)了負荷響應(yīng)，這對于一次調(diào)頻中段調(diào)節(jié)是一種有力支持。

6 結(jié)束語

確保火電機組深度調(diào)峰過程中控制系統(tǒng)迅速、穩(wěn)定、精確，需要對火電機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行優(yōu)化、改進。以火電機組原本的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，需要對火電機組控制策略進行有效地優(yōu)化、升級、改良，最終選擇了最適合現(xiàn)階段火電機組深度調(diào)峰的控制系統(tǒng)方案。改良后的方案不僅效率高、成本低，還具有很強的適應(yīng)性，這種方案不需要附加設(shè)備，不需要升級改造控制器，只需要對現(xiàn)有的控制系統(tǒng)策略改良優(yōu)化，就可以達到預(yù)期效果，建議在行業(yè)內(nèi)推廣使用。

參考文獻

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