1 350 MW二次再熱雙軸機負荷分配控制策略探討

邸真珍

（淮北申能發電有限公司，安徽 淮北 235000）

引言

隨著目前我國環境保護工作的逐步加強，火電站的建設也朝著高效率、低能耗的方向發展，單機容量不斷加大，效率逐步提高。隨之而來的機組技術也不斷出現，并在工程實踐中投入使用。在700℃材料仍未大量投入電廠使用前，深挖600℃材料機組潛能，進一步節能減排成為目前火電機組推進的首選之路。因此，二次再熱機組以及雙軸機組也在國內開始建造。

1 項目背景

安徽平山電廠二期工程建設了單臺1 350 MW塔式爐機組，鍋爐采用二次再熱技術的同時，汽輪機采用了雙軸雙機技術，進一步降低了煤耗，提高了機組熱效率。但在降低煤耗、節能的同時，卻對自動控制提出了挑戰。如圖1所示的熱力系統可以看出，單臺機組實際出力由2臺獨立發電機發出，對于機組協調控制中的負荷分配問題就成了需要解決的問題。

圖1 二次再熱雙軸機組原則性熱力系統框圖

2 常規機組協調負荷指令控制策略

目前，幾乎所有電廠都已經采用了自動發電控制（Automatic Generation Control，AGC）自動控制方式，由電網側統一下發負荷指令，之后經過電廠側一系列邏輯控制，最終轉化為給水、燃料以及風煤等指令，通過協調控制系統，完成機組負荷，并按要求發出。

2.1 常規塔式爐機組負荷處理回路

參照常規1 000 MW機組協調控制系統，對常規塔式鍋爐機組的負荷處理回路進行簡單介紹。

協調控制常規根據功能分為以下3種方式：協調控制方式（Coordinate Control System，CCS）、鍋爐跟隨方式（Boiler Follow，BF）和汽輪機跟隨方式（Turbine Follow，TF）[1]。

燃料主控自動、鍋爐主控手動控制燃料量、汽機主控手動控制調門開度為基本控制方式。鍋爐主控自動控制主汽壓力、汽機主控手動控制負荷為鍋爐跟隨方式。汽機主控自動控制主汽壓力、鍋爐主控手動控制負荷為汽機跟隨方式。而運用較多的則是鍋爐控制主汽壓力、汽機控制負荷、負荷指令由協調控制產生并發送至數字電液控制系統（Digital Electro-Hydraulic control system，DEH）中進行控制，這種方式成為CCS方式。

負荷指令設定回路接受電網自動發電控制（AGC）指令[2]，經速率限制，負荷上、下限限制和負荷指令增、減閉鎖等運算后分別送往機、爐主控等回路。頻率校正回路把頻差信號轉換為負荷偏差信號，分別疊加到鍋爐主控和汽輪機主控的指令上。鍋爐主控給出根據負荷指令得出的鍋爐負荷指令，并送至給水控制以及燃料控制回路。燃料主控主要針對鍋爐指令進行燃料量的加減與計算，熱值校正回路也在燃料主控內。給水主控根據負荷進行給水指令的生成，并轉化為給水泵汽輪機（下稱小汽機）轉速信號送至小汽機電液控制系統（Minor Digital Electro-Hydraulic control system，MEH）進行調節。熱值校正回路在煤種發生變化時對給煤機轉速指令進行修正，以保證機組功率不變。其中本文所邏輯框圖探討重點負荷指令產生的邏輯框圖如下頁圖2所示。

圖2 常規機組負荷指令產生邏輯框圖

2.2 二次再熱雙軸機組指令產生回路難點分析

根據上述回路可以看出，常規百萬塔式爐機組負荷回路相對比較簡單，可以認為從AGC指令輸入至機組指令輸出，回路基本為單回路，只是在回路中適當考慮了手自動切換、速率限幅、大小限幅等設置。

雙軸機組根據熱力系統，其2臺機組出力互相影響，由上頁圖1可以看出，為保證經濟性，2號軸系無法通過DEH控制單獨進行負荷調節，其汽機調門在機組正常運行后將保持全開狀態，此時，1號軸系出力增加，勢必會造成2號軸系出力增加。但在控制回路中，為滿足機組啟動、甩負荷等一系列控制要求（非本文闡述內容，此文中不再展開贅述），2個軸系又必須具有單獨控制回路，以確保具備獨立運行功能。

機組正常運行需滿足機組只接受一個負荷指令，但需合理分配至2臺汽輪機的要求。同時，還需滿足機組如啟動、甩負荷等非正常運行工況時2臺汽機可以獨立接受負荷指令的要求。這就要求對原有負荷處理回路進行優化修改，增加負荷分配中心，保證負荷指令的分配滿足上述兩個要求，同時力求經濟性最好，運行最安全可靠。

3 二次再熱雙軸機組指令產生控制策略制定

為滿足上文所述兩個要求，需要對原控制回路進行細化，實現以下功能：根據雙軸機只能接受1個負荷指令，自動調節2臺汽輪機負荷分配機制，分配至2臺汽輪機，同時2臺汽輪機所發有功與下發指令相同。主要改動如下：

1）需增加負荷分配中心，負責負荷自動調節。

2）需考慮負荷分配中心配置于負荷處理回路中的位置。

3）一次調頻回路至負荷改變量和快速甩負荷（Run Back，RB）回路的限值如何實施。

以上問題中，負荷分配中心為解決整個問題的核心所在。

3.1 控制策略設計

負荷指令分配于兩個汽輪機，且要求汽輪機總負荷不變，只能依靠汽輪機自身熱力系統的自平衡達成。在恒定負荷指令情況下，1號軸系負荷增加，2號軸系負荷必然減少，反之亦然。因此，我們可以將總負荷指令簡化成一個軸系的指令，另外一個軸系指令作為總負荷指令和原軸系指令的函數，這樣，可以實現控制指令的解耦。正常運行情況下，為了保證機組經濟性，其中壓缸的4只進汽調門基本處于全開狀態，2號軸系的出力是隨動的，基本不做調節，因此，2號軸系的控制指令可以用他所發的實發負荷代替。1號軸系通過超高壓缸進汽調門調節，直接影響后續高壓缸以及2號軸系的出力，最終形成整個機組的出力。

通過以上的分析，得出負荷分配中心的最終控制策略，如圖3所示。

圖3 二次再熱雙軸機組負荷指令產生邏輯框圖

3.2 負荷分配中心與原有邏輯的結合

根據雙軸機組在電網中的命名規則，雖然為2臺發電機，但是在負荷調度時，電網仍按1臺機組考慮，即AGC指令只有1個，最終有功出力也只有1個?；诖嗽瓌t，負荷分配中心只能在AGC指令處理完成后進行負荷分配。

此外，作為一臺機組，考慮運行人員習慣于傳統的協調控制方式，包括機組高低限的設置和機組負荷變化速率的限值都是針對整臺機組設置，而不可能分別對2個軸系的汽輪機進行設置，因此，負荷分配中心應該經限幅和限速率后配置負荷。

根據上文所確定的控制原則，本機作為一臺機組考慮，2號軸系隨動，1號軸系調節，因此，一次調頻相關負荷補償也應作為一臺機進行，負荷分配中心也應置于一次調頻負荷補償量之后。

最終的協調控制邏輯發至DEH內的負荷指令產生回路，如圖4所示。

圖4 二次再熱雙軸機組最終邏輯框圖

3.3 對一次調頻和RB邏輯的影響

作為一臺機組，一次調頻在汽機本體側常規通過高壓調門來動作，根據頻差以及不等率計算對應負荷量，疊加于汽輪機控制回路的負荷設定值中，控制調門盡快響應以滿足一次調頻要求。針對雙軸機組，在一次調頻問題上，因2號軸系調門全開，可以簡化將兩臺雙軸機組看作一臺機組，因此，一次調頻的動作完全依靠1號軸系動作完成。熱力系統中1號軸系蒸汽量的減少也將直接影響2號軸系的出力，因此，看似只調節了超高壓缸調門，實質上同時減少了2臺汽輪機的出力，與常規百萬機組的高調門動作調頻而中調門保持不變的道理類似。

RB限值是從RB回路根據送風機、引風機、一次風機、磨煤機和空預器等輔機運行情況計算生成，雙軸機組鍋爐采用的仍舊是一臺鍋爐，輔機常規配置，因此，RB回路的限額也應按照常規指令生成回路配置，應配置于負荷指令仍未分配之前。RB發生后生成的指令，也需經負荷分配中心分別送往1號和2號軸系，以確保機組負荷分配合理。

4 應用效果

將上述控制策略在工程中進行實際運用，完成了雙軸機的自動控制邏輯?？刂菩Ч鐖D5所示。

圖5 雙軸機組實際負荷調節曲線

由圖5可以看出，當機組負荷穩定時，2個軸系發電機出力也基本穩定，當機組負荷指令增加時，因2號軸系此時實發功率在增加一刻仍未變化，增加后的總負荷指令減去未變化的2號軸系實發功率，所得出的1號軸系的負荷設定值會增大，1號軸系超高壓調門開啟增加負荷。同時，因熱力系統的耦合性，2號軸系進汽量也隨之增大，負荷也隨之增加。因機組負荷指令增加后維持不變，因此，隨2號軸系負荷的增加，引起1號軸系負荷設定值的增加量逐漸減小，1號軸系超高壓調門開啟逐漸穩定，最終達到新的平衡點。減負荷反之亦然。在機組負荷變動初期，1號軸系優先響應，之后2號軸系隨之動作，最終取得負荷穩定，完成負荷調節。

該控制策略也有缺點，在協調方式下，加減負荷初期階段會出現1號和2號軸系間負荷分配平衡過程。以加負荷為例，如AGC指令增加，此時2號軸系負荷仍未發出，1號軸系會迅速反應開出。待2號軸系負荷發出后，此時1號軸系負荷因前期機組指令瞬間增加減去滯后增加的2號軸系負荷，會引起超調。因此，其調門會關小回調，最終造成在負荷變動初期負荷穩定時間加長，這對機組AGC會產生負面影響。

5 結語

雙軸汽輪機分配負荷在水電等清潔能源發電行業內運用較多，但在大型火電站運用則少之又少。電網調度發送AGC指令為1個，通過結合熱力系統流程工藝考慮，對2臺汽輪機負荷指令進行解耦，重新設計控制策略，并綜合考慮一次調頻等因素，與常規負荷指令生成回路結合，最終形成大型二次再熱雙軸汽輪機火電機組的負荷指令控制策略。該策略可以解決雙軸汽輪機組的負荷分配問題，對后續雙軸汽輪機的自動協調控制具有一定的借鑒意義。