高供熱負荷超臨界機組AGC控制優化策略

摘要：當前，隨著電力系統規模的不斷擴大，自動化程度的提高，AGC的需求日益增加，機組接收負載命令的頻率也在急劇增加；同時，機組主要設備的改造和控制參數的優化沒有得到及時調整，導致AGC和協調控制系統的工作狀態不佳，造成機組負載響應不夠快、AGC控制質量降低。針對高供熱負荷超臨界AGC的負荷控制響應滯后問題，本文主要研究超臨界機組的運行特性，并以某電廠超臨界機組為例，優化控制參數，以供參考。

關鍵詞：優化；AGC；超臨界機組

超臨界機組由于具有良好的經濟性能，目前已成為新型電力機組的主流，然而還不夠了解其性能，運行控制方法也并不完備，尤其在《華東區域發電廠并網運行管理實施細則》和《華東區域電力輔助服務管理實施細則》（“兩個細則”）的執行情況下，AGC（Automatic Generation Contro l）綜合評價標準一般不高，影響該系統的評價和電力品質。為此，需要有效控制AGC。

在關鍵參數下，超臨界單元極限值（氣壓22.115MPa，374℃）的氣液濃度是相同的，不能在超臨界壓下保持正常的周期。由于采用了直流加熱技術，會提高工作液的流動速度，導致系統的負載與燃燒不平衡。在超臨界DC爐中，由于沒有與蒸汽相結合的原始能量，在外部負載變化時，能量較低，易引起裝置內的壓力溫度改變。在直流爐中，汽水兩相沒有明顯的界限，由于燃燒、給水、汽輪機調閥的影響，各工序的長短都會受到影響，引起負荷、壓力和溫度的變化。此外，超臨界機組大部分采用滑參數操作，在負荷變動時，實際工作處于亞臨界狀態，控制性能與之截然相反，這是一個具有復雜變化特征的非線性控制目標。

一、超臨界機組特性

（一）超臨界機組的動態特性

從控制觀點考慮，可以把超臨界機組簡單分解成三輸入、三輸出的被控目標，輸入量為燃料量FF、給水量FW、汽機調閥開度U，輸出量為發電量N、主蒸氣壓力Pt、主蒸汽溫度T。圖1顯示了超臨界系統的主輸出功率階躍干擾。通過對給水量的擾動，發現主蒸氣壓力先上升后下降，最后保持在一個較高的水平，隨著主蒸汽溫度的下降，機組的負荷呈現先上升、后下降的趨勢。通過分析燃料擾動，可以發現主蒸氣壓力上升后，始終保持在一個較高水平。在提高主蒸汽溫度后，會提升機組的工作效率。通過擾動開度可以發現，機組的負載先上升后下降，最后保持在較低水平，主蒸氣壓力下降，主蒸汽溫度先降低、后上升。

（二）強烈的非線性特性

由于超臨界直流系統是一個較復雜的系統，動力性能的參量會隨負荷的大幅改變而變化。同時，由于系統中有不穩定的延遲，也會隨負荷條件的變化而變化。

二、超臨界參數機組及其模型

機組工作過程如圖2所示。

其中，μt為汽機調閥開啟；m為給煤量；μd為給水流量；pt為機組主氣壓設定值；psm為加熱段的出氣壓；pjr為加熱區出口蒸氣壓力；pzf為蒸發區的出氣壓；pgr為過熱區域的出氣壓；0gr為過熱的蒸汽的溫度；0sm為鍋爐的排汽水蒸汽的溫度；0jr為加熱區域的出汽溫度；0zf為蒸發區出口蒸汽溫度；0zff為蒸發區的出汽溫度；Qgr為加熱段內的金屬管內的蒸汽傳遞熱量；Qjrf為加熱區域內的金屬管的熱傳遞；Qzf為蒸發區域內的水蒸氣在金屬管內的熱傳遞；Qzff為蒸發區域內的金屬管的熱傳遞；Qgr為過熱段內由蒸汽向金屬管內的熱傳遞；Qgrf為過熱段內的金屬管的熱傳遞；P為單位的輸出功率。

該裝置的工作原理是：由給水泵出口的工質水經過高加的預熱后，進入到鍋爐的加熱面上，在加熱段期間，在爐中為給水加熱、蒸發和過熱，將其轉化為過熱的水蒸氣，然后輸送到汽輪機和發電機。在超臨界條件下，水蒸汽的壓力比閾值還要高0.129MPa，飽和水與飽和蒸汽之間不再存在二相區，因此，在超臨界工況下，不宜使用蒸汽鍋爐。同時，機組的運行壓力也是機組和汽輪機能源供需的均衡，而過熱的蒸汽溫度會直接影響整個系統的運行。以此，可以將控制對象分為完成負荷追蹤、機前壓力、過熱蒸汽在指定范圍內。

三、協調控制系統優化措施

在新的調度模式下，負載命令按照“ACE”（Area Control Error）模式進行控制，負載命令每次使用調整一次。同時，由于超臨界機組的熱容容量較低，當外部負載發生波動時，會使其溫度發生變化，影響機組的安全生產。所以，超臨界機組的協調控制既要達到“兩個細則”的運行目標，確保機組壓力、溫度等運行參數的穩定性，又要保障AGC的投入量，實現機組AGC的有效利用及調整性能的目的。

（一）協調控制系統

在常規的協同控制系統中，多采取以蒸汽為動力的啟動方式實現機組的穩定。超臨界機組比亞臨界汽包爐的儲熱容量要低，容量和負載的反應速度也低于亞臨界汽包爐，僅靠蒸汽發動機調整負載容易引起系統的工作壓力變化。由此，供水系統的供水干擾及燃料水率改變，會導致主要蒸汽的溫度急劇改變。因此，在超臨界汽輪機的協同運行中，沿用常規的跟蹤式爐主跟蹤控制方法是不可行的。

事實上，在超臨界蒸汽包爐中，由于水冷卻壁面的熱耗量與工作物資儲備較低，因而熱容和慣量比亞臨界汽包爐低，且負載反應速度比亞臨界汽包爐高。在此情況下，超臨界機組的協同控制可以實現汽機對主蒸氣壓力的調節，而鍋爐負載是基于機械跟蹤，也就是初期加壓。基于初始壓力的CCS系統，既可以達到負載的反應速度，又可以更好的穩定系統工作性能。

當機組在鍋爐端受到干擾而產生負載和壓力改變時，利用蒸汽發動機調整主蒸氣壓力可以有效減少主蒸汽的波動，但調整后的主蒸氣壓力會使機組的負載波動更加劇烈，無法達到對AGC測試的需求。超臨界機組沒有蒸汽包，不能實現直接的能源均衡，同時，由于背后的壓力受到外部環境的影響，例如，環境溫度等，因此，如果采取負載指示的間接均衡方式，會產生很大的浪費，無法確保各機組之間的能源均衡。

（二）綜合優化提高K值

超臨界機組AGC的標準調整速度是1.5%Pe，調節差異區是額定負載的1%，這樣機組負荷跨出調節差異區時間為45s，而向機組下達負荷調度指令，通常要延遲20s，相加大于火電機組AGC控制響應時間標準60s。當計算機群的負載達到命令時，要求實際負載超出目標負載，需要對負載命令具有很高的響應能力。

1.負荷指令前饋

在鍋爐控制系統中，加入負載命令差分法的動力前向，利用差動效應，在負載變化的早期加入一定的超調節，以消除機組的惰性，能迅速反應負載，在差分時間控制方面，將差分法與固定差分法相結合，使差分法在負載命令逼近目標時逐步降低，以達到準確的前饋過調，該系統能較好適應AGC對負載的調整和響應時間的要求。在汽機主控制系統的設置值回路中，加入一個單元負載命令的差動環，使其在負載命令發生改變時發生調門動作，并最大程度上發揮機組的熱量。在負載命令中加入差動環后，負載的反應速度會得到明顯改善，使負載的反應時間達到AGC響應的要求。

2.利用機組給水加快AGC的響應速度

超臨界蒸汽爐的蓄熱量只有亞臨界汽包爐的1/4～1/3，其負載反應比亞臨界汽包爐低。在該過程中，由于不存在類似汽包之類的蓄熱組件，因此，在超臨界DC鍋爐的汽液流經過程中，經過連續加熱、蒸發、過熱，最終會轉化為主要的蒸汽。結果表明，超臨界機組供給量的大小對機組負載和主蒸氣壓的變化有較大的影響。通過對作為供水系統燃料比命令的設備負載命令進行動力前饋，可以使負載偏離和負載命令改變關系，在提升負載時，提前增加或減少供水量，以此提高機組負載的反應速度。該方法可以有效解決因增加負載反應汽機速率的調門過大引起的主蒸氣壓力起伏，使其在變載期間保持主蒸氣壓力平穩，進而改善系統的負載調整精度。

3.優化協調控制系統壓力控制回路

在大慣性延遲的情況下，汽輪機則能對負荷快速響應，雖然超臨界鍋爐的熱容量及慣性明顯小于亞臨界鍋爐，但負載反應速度低于AGC的負載能力。當AGC命令根據ACE方式進行調整時，由于負載指示的重復變化，很容易使主蒸氣壓力發生變化，影響汽輪機的控制系統，對負載調整的準確性和轉速產生不利影響。在確保機組安全性的情況下，應允許主蒸氣壓力適當變化，改善負載反應時間及負載反應速率。在“蒸汽功率需求”的基礎上，通過為“蒸汽動力需求”增加一個整數數值，在一定程度上降低蒸氣壓力的調整精度，實現負載調整。

（三）實時熱耗計算校正燃料熱值

精確校正燃料發熱是機組協調控制的前提。燃料量的波動不但會直接影響負載的精確和速率，還會影響協同控制的投入量。當前，超臨界機組的熱值修正一般都利用機組的蒸汽流量表示，但由于超臨界機組在運行中的水汽溫度波動很大，且實際熱耗率受環境溫度、風向等外部環境因素的影響，無法精確反映燃油發熱量，使熱值修正功能在超臨界機組中很難獲得有效運用，并進行負載調整。利用鍋爐的熱耗進行預測，修正燃煤溫度，可以有效克服超臨界熱能的不足。

（1）

公式中：Q1為實際燃料熱值，kJ/kg；Q2為實際熱耗量，kJ/h；B1為實際燃料量，kg/h。

可以將鍋爐的實際熱耗分解成兩個吸熱部分，即把整個鍋爐的媒質流動劃分成一個節溫區至過熱器出口和再熱器入口區至再熱器出口處，并將兩個區的吸熱系數進行求和。每一階段的吸熱為該區段出口熱減去該區段入口熱，而在各個區段邊界處的熱能為該區內的熱源與該區內媒質的流速之積。

B2=B1（Q1/Q2） （2）

公式中：B2為設計燃料量，kg/h；Q3為設計燃料熱值，kJ/kg。

四、結語

綜上所述，超臨界機組具有蓄熱量低、負載初期反應緩慢的劣勢，因此本文優化了機組AGC的自動調節策略，引入了初壓型協同控制，既能滿足AGC的控制需求，又能有效改善系統的負載調整和運行性能。通過優化超臨界機組的綜合負荷控制，AGC的可用率和各項性能指數都可以得到極大改善，更好地滿足電力系統的自動化調度要求，確保整個系統的穩定、安全。因此，對電力系統的安全、經濟和平穩供電具有重要意義。

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作者簡介：龔蘇平（1984），男，江西省進賢縣人，大學本科，工程師/技師，從事火電廠儀控專業系統設備檢修、維護工作，致力于生產現場實際問題的研究處理，主要研究方向為儀控設備技術監督、自動控制系統及熱力系統性能優化。