優化330MW 亞臨界火電機組協調控制策略的探討與實施

徐坤

（華電淄博熱電有限公司，山東 淄博 255000）

1 協調控制系統分析

協調控制系統（CCS），是指機組利用分散控制系統的邏輯回路協調汽輪機、鍋爐保持高度一致，向鍋爐主控、汽輪機主控分別傳遞指令，保持跟蹤自動發電控制系統（AGC）發出的功率指令，并且維持機組重要參數運行在正常范圍內的系統。

協調控制系統的運行方式包括手動方式、汽輪機跟隨（TF）、鍋爐跟隨（BF）、機爐協調控制等四種方式。從機組能量平衡角度對協調控制方案進行分類，可分為為間接能量平衡（IEB）和直接能量平衡（DEB）兩種。由于IEB 控制策略采用定壓運行，當主汽壓力偏差較大時，僅依靠鍋爐主控無法在短時間內維持壓力，因此需要犧牲負荷兼顧主汽壓力，其本身特點決定了響應能力差，存在控制滯后的問題。

直接能量平衡控制是將功率偏差和能量偏差同時送到汽機主控和鍋爐主控控制器。能量偏差信號是由汽機側能量需求與鍋爐側熱量信號偏差得到的。

其中：P1 為調節級壓力；

PT為主汽壓力；

PS為主汽壓力設定值；

Pd為汽包壓力；

C 為鍋爐蓄能系數。

Pd汽包壓力的微分能夠提前反應鍋爐內部熱量的變化，即蓄能還是放熱。調節級壓力P1 在負荷升、降變化過程中與機組輸出功率成正比，可以代表汽輪機DEH 調閥的開度。因為能量需求和熱量信號是由多個信號源構造的，因此直接能量平衡方案需要整定的參數較多并且調試難度較大，但熱量信號在相位上比主蒸汽壓力信號超前，可以達到超前控制的目的。

2 協調控制系統與AGC 控制

根據山東省發電廠并網運行管理實施細則要求，對AGC 機組的考核包括AGC 可用率考核和AGC 性能考核兩部分。AGC 考核指標包括可用率指標KA、調節性能指標K1（調節速率）、K2（調節精度）、K3（響應時間）。

機組月度調節性能指標K1、K2、K3參數采用分項單獨考核，若參數大于設定值1，則免于考核；若參數小于1，則按照參數大小進行考核。每次AGC 動作調節性能KP用于衡量AHC 機組調節過程中性能的好壞，其計算公式為：

KP=K1×K2×K3

AGC 調節存在主要問題：

某330MW 機組為亞臨界參數汽包爐，自然循環，單爐膛，一次中間再熱。汽機采用東方汽輪機廠生產的亞臨界、一次中間再熱、三缸兩排氣、高中壓分缸、雙抽可調、凝汽式汽輪機。

機組采用GE 新華XDPS-400e 系統，DCS 與DEH 一體化設計。閉環控制系統包括鍋爐和汽機主控為基礎的機爐協調控制系統、汽包水位三沖量控制系統、爐膛壓力控制系統、磨煤機料位控制等。

目前該機組AGC 控制方面主要存在以下問題：

（1）AGC 指標較低。查閱AGC 投入指標，K1、K2值偏低，反映了機組調節精度和調節速率不滿足要求。機組負荷指令和發電機功率經RTU 與DCS 傳輸通訊，由于信號偏差造成精度降低，影響AGC 指標。

由于RTU 無法實現實時參數顯示和歷史數據查詢，因此解決信號偏差問題需在DCS 側增加AGC 指令修正函數，通過與調度核對指令和機組功率反饋，設置函數參數，使其抵消信號偏差導致的精度降低的問題。

（2）主汽壓力控制超調。由于機組運行工況和煤質的影響，主汽壓力升壓滿。主汽壓力長時間低于設定壓力，導致總容量風指令不斷增加至上限。由于鍋爐主控繼續增加容量風門開指令,造成指令繼續累積。期間大量燃料進入爐膛，增加了鍋爐蓄能。當機組負荷快速減小，造成燃料過剩，主蒸汽壓力快速上升，造成爐側超壓。

機組AGC-R 模式運行，負荷250MW，主蒸汽流量762t/h，一次風壓力7.5kPa，主汽壓力設定值14.76MPa, 實際主汽壓力為14.8MPa，機組滑壓運行(壓力設定值跟蹤主蒸汽流量自動設定），給煤量115t/h，壓力變化率為0MPa/min，燃料供給平衡，主汽壓力穩定。

機組負荷升至321MW 后開始下降。主汽壓力設定值跟蹤主蒸汽流量逐漸升高。實際主汽壓力變化率為-0.1MPa/min,呈緩慢下降趨勢。機組負荷降至302MW，主汽壓力設定值升至16.1MPa。機組負荷降至297MW，主汽壓力設定值15.8MPa，實際壓力17.02MPa，壓力變化率升至0.54MPa/min(最高）后開始下降。主蒸汽壓力繼續升至18.08MPa，PCV 閥動作，主汽壓力開始下降。

3 協調控制系統優化策略

單元機組的負荷控制由CCS 完成，CCS 通過改變鍋爐的燃料率和汽機調門開度來完成對負荷和主汽壓調節。為使機組AGC 控制負荷考核指標，需根據機組AGC 指標和運行情況對汽機主控和鍋爐主動邏輯進行完善。

3.1 鍋爐主控優化（PID 超調、一次風滑壓曲線）

3.1.1 一次風壓自動邏輯優化。一次風的作用是為制粉系統提供與風粉比合適壓力的一次風，一次風壓力母管壓力的設定值是根據不同工況下熱一次風母管壓力合適的要求范圍進行設置。影響磨煤機出力的因素除了容量風門開度外，還有一次風量的調節。由于一次風量調節響應較慢，運行人員在機組燃料調整時，采用手動設置一次風自動目標值。因此在機組燃料負荷快速變化的工況下，如果不能及時改變一次風量，易造成一次風與容量風開度的不匹配。為提高一次風壓與機組負荷變化的及時調整，達到快速響應負荷的目的，增加一次風滑壓曲線，采用容量風門平均開度作為參考值。減小運行人員操作頻次，提高變負荷工況下，鍋爐燃料調整效率。根據試驗結果，為保證安全運行，其最低風壓設定值為7kPa。

優化后一次風壓設定值生成邏輯采用機組容量風指令均值，通過容量風指令反映機組磨煤機運行情況和鍋爐燃料量，見圖1。

圖1 優化后一次風壓自動調節邏輯組態圖

優化后，一次風壓跟蹤容量風門開度自動增減，可實現負荷的快速響應，穩定壓力。

3.1.2 鍋爐指令控制邏輯優化。燃料主控采用串級PID 控制，通過計算鍋爐熱量需求和熱量信號偏差，通過主控PID 輸出鍋爐主控指令。鍋爐主控指令與總容量風反饋的偏差輸入副控PID，得到燃料主控指令，經過平均分配模塊控制每臺容量風門開度，見圖2。

圖2 鍋爐指令控制邏輯SAMA 圖

當進入爐膛的燃料熱量較低，機組負荷升高時，負荷調整出現幾個階段：（1）負荷上升初期，鍋爐熱量指令大于熱量信號，主汽壓力長時間設定壓力，鍋爐主控PID 輸出持續增加，容量風門開度增加，鍋爐燃料增加；（2）鍋爐燃料指令達到上限，容量風門開度至最大，由于鍋爐熱量持續建立，鍋爐熱量指令仍大于熱量信號，鍋爐主控PID 持續增加，出現“積分飽和”現象；（3）隨著燃料累計，鍋爐熱量信號與鍋爐熱量指令一致，鍋爐主控PID 指令出現“調頭”下降，由于前段時間的“積分飽和”現象，燃料主控指令未調整，容量風門仍在全開位；（4）隨著鍋爐主控指令持續降低，燃料指令開始減少，容量風門開始關小，由于前期加入了過量燃料，導致主汽壓力迅速升高，導致PVC 閥動作，鍋爐過熱器壓力高報警。

為避免CCS 調節過程中出現超壓情況，對燃料主控指令進行優化：一是增加磨煤機運行臺數對應鍋爐主控指令上限邏輯，經過磨煤機最大處理試驗確定，磨煤機容量風指令為66.74%時，達到最大出粉能力。因此當三臺磨煤機運行時，鍋爐主控指令限值應設置為200；當兩臺磨煤機運行時，其鍋爐主控指令上限應為145。二是增加鍋爐主控PID 閉鎖增功能，當鍋爐主控指令達到磨煤機運行臺數對應的上限時，閉鎖PID 指令增加，消除“積分飽和現象”，當鍋爐出現滿負荷時，不再增加PID 輸出指令，避免當負荷指令降低時，由于PID 輸出大于實際主控指令，導致給煤量未及時調整，大量燃料進入爐膛，引起機組超壓。

優化后，控制邏輯圖如圖3。

圖3 鍋爐主控PID 閉鎖邏輯組態圖

3.2 汽機主控優化（閉鎖負荷率）

主汽壓力偏差反映機組熱量信號和負荷調整之間的對應關系。當主汽目標值持續與實際壓力存在偏差時，機組負荷連續調整，影響CCS 系統穩定性。設計增加主汽壓力目標值與實際壓力偏差大于1.5MPa，閉鎖負荷變化率邏輯，可有效保證機組穩定性要求。

4 結論

通過增加一次風壓滑壓控制曲線、鍋爐主控調節上限和閉鎖邏輯、機組負荷變化率閉鎖邏輯，不斷改善機組負荷響應能力和控制機組壓力的可靠性。使機組的協調系統更加適應不同工況下快速完成爐、機能量需求的平衡控制，有效提升了機組協調控制穩定性，避免了機組超壓等不安全事件發生。