火電廠超臨界機組協調控制系統控制方法研究

[摘 要] 為了提高協調控制系統在火電廠超臨界機組運行中的應用效果，設計了一種超臨界機組協調控制系統控制方法。先對超臨界機組協調控制系統結構進行了設計，然后以多目標優化方法為依托，對超臨界機組協調控制系統控制方法進行了優化，并通過仿真分析驗證了優化后的協調控制系統的可行性，旨在保障超臨界機組安全、穩定的運行。

[關鍵詞]超臨界機組；協調控制系統；控制方法；爐跟機控制

[中圖分類號]TM621 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0015–03

Research on Control Method of Coordinated Control System for Supercritical Units in Thermal Power Plants

WANG Ruiwen

[Abstract]In order to improve the application effect of coordinated control system in the operation of supercritical units in thermal power plants， a control method for coordinated control system of supercritical units was designed. Firstly， the structure of the coordinated control system for supercritical units was designed， and then the control method of the coordinated control system for supercritical units was optimized based on multi-objective optimization methods. The feasibility of the optimized coordinated control system was verified through simulation analysis， aiming to ensure the safe and stable operation of supercritical units.

[Keywords]supercritical unit； coordinated control system； control methods； furnace and machine control

1 超臨界機組協調控制系統結構設計

1.1 火電廠單元機組的常見控制系統結構

科技的快速發展加快了我國火電廠信息化建設步伐，從而開發出多種不同的控制方法。通過這些控制方法的應用，一方面，動態跟蹤外部負荷指令N0，另一方面，則使主汽壓力PT保持穩定。針對電網負荷變化的不同，可將控制方法分為以下3種類型。

（1）鍋爐跟蹤法。超臨界機組運行時，當N0出現改變后，功率調節器自動發出指令，以修改汽輪機調門的開度μ，從而調節電機的功率Ne，使其與N0相匹配，確保電機運行狀況符合外部電網實際情況的要求。同時，當調門開度出現改變后，PT也隨之改變，以此調節鍋爐內的燃料量，確保整個機組的汽壓處于穩定狀態。鍋爐跟蹤法原理如圖1所示。該方法可通過外部荷載的變化，自動地對電機功率、主汽壓力進行調節，但受到鍋爐高延遲特性的影響，導致主汽壓力并不穩定，在一定程度上干擾了整個機組的運行。所以，該方法一般應用到電網調頻控制中。

（2）汽機跟隨法。N0出現改變后，功率調節器自動發出指令，以調節鍋爐內部燃料量B，同時，PT也隨之改變，針對PT變化情況，主汽壓調節器對汽輪機調門開度進行調節，從而達到主汽壓力穩定的目的。汽機跟隨法原理如圖2所示。該方法主要通過汽輪機調門的調節，達到主汽壓穩定的目的，但因為鍋爐存在延遲與慣性，導致機組與外部荷載存在延遲。所以，該方法通常僅用于承載基本負荷。

（3）機爐協調法，N0出現改變后，協同控制系統自動產生負荷偏差信號，該信號不僅會修改汽輪機調門開度，還會對燃料量進行調節，從而實現主汽壓穩定的目的。機爐協調法原理如圖3所示。該方法融合了上述兩種方法的優勢，更加有利于整個機組運行的穩定性，因而現代火電廠建設時，通常采用機爐協調法對超臨界機組進行控制。

1.2 超臨界機組鍋爐跟機方式控制系統結構

通過觀察可以發現，超臨界機組內部并無汽包，直接將給水泵與蒸汽機相連，使得機組內部給水量出現改變后，蒸汽量也隨之改變，從而改變了機組內部的蒸汽壓力，即鍋爐給水量與汽輪機運行情況具有非常緊密的聯系。因此，超臨界機組協調控制過程中，應將給水量作為主要控制指標之一。此外，鍋爐運行過程中，火電廠需要對汽水分離器出口溫度（中間點溫度）進行監測，以此作為鍋爐壓力調節的主要依據之一，因而協調控制系統控制時，還應選擇中間點溫度作為控制指標，從而進一步提升協調控制系統的控制效果。

目前，隨著我國火電行業的快速發展，電網規模越來越大，使得電網調峰調頻工作開展時，需要更多的超臨界機組參與進來，即機組應具備良好的跟蹤負荷能力，即當電網負荷出現改變后，機組內部功率等也隨之改變。針對這一情況，現代火電廠超臨界機組建設時，通常采用爐跟機控制法進行控制：利用μ的調節，改變鍋爐電機負荷N，利用B的調節，改變機組PT，利用給水流量W的調節，改變中間點溫度T。

1.3 超臨界機組協調控制系統結構設計

傳統跟機控制法雖然可以自動地對外部負荷進行跟蹤，但主汽壓力并不穩定，對整個機組的運行有一定干擾。針對這一問題，以傳統爐跟機控制法為依托，設計出一種超臨界機組協調控制系統，即增加了壓力拉回回路和機組負荷指令的前饋回路。協調控制系統結構如圖4所示。增加拉回回路后，可自動地對壓力偏差數據進行處理，得到符合后續處理要求的信號，并將其傳輸給輸入端，以提升機組控制效率與精確性。增加前饋回路后，可自動地對壓力偏差變化情況進行觀測，若發現壓力偏差變化范圍大，則自動地對該信號進行限幅，以控制壓力偏差的變化幅度，防止由于變化幅度較大而影響機組的正常運行。同時，在前饋回路中，還會根據機組運行情況，提前對給煤量與給水量進行調節，以賦予系統更快的響應速度。

2 超臨界機組協調控制系統多目標優化方法設計

2.1 多目標優化基本原理

多目標優化解決問題時，共包含控制變量、目標函數與約束條件3部分，其中，控制變量指問題中需要進行控制或選擇的因素與參數，共有n個；目標函數指待解決問題與相關因素之間的函數關系，共M個；約束條件指問題解決時應遵守的前提條件。以此為基礎，結合多目標優化的原理，可得到多目標優化問題表達式為：

通過大量實踐研究可以發現，采用多目標優化解決復雜問題時，所有指標通常無法都獲得最優解，有些指標甚至存在矛盾，即一個指標達到最優解時，其他一個或多個指標得到很差的解。針對這一情況，在多目標優化實際操作時，需要根據各指標在復雜問題中的重要程度，賦予其相應的權重值，并按照由高到低的順序對各指標進行排列，然后選擇權重值較高的指標作為關鍵指標，盡量計算出這些指標的最優解，以使整個問題的最優解盡量最優。由此可以發現，多目標優化問題過程中，通常可以得到最優解集，而非單一的最優解。最后，工作人員應針對問題的具體情況，結合以往工作經驗，在集合中提取出最終的最優解，以此當作整個問題的最優解。

2.2 多目標優化方案設計

在超臨界機組協調控制系統中，共有3個輸入與3個輸出，主要控制指標為機組功率、主蒸汽壓力與中間點溫度，屬于多目標復雜控制問題。采用傳統優化方法時，分別構建3個控制器，每個控制器分別控制不同的指標，以使各指標均處于最佳狀態，最后，通過對3個指標的耦合，實現超臨界機組協調控制的目的。該控制方法具有一定的應用效果，但由于各指標控制相對獨立，可能出現各指標相互沖突的問題，從而制約了機組的控制效果。所以，為了進一步提升超臨界機組的協調控制效果，采用多目標優化的方式對協調控制器進行控制。由上述可知，目標函數是多目標優化中的重要組成部分，直接影響到最終優化結果的準確性，所以協調控制系統多目標優化時，應選擇最佳的目標函數。針對超臨界機組協調控制系統具體情況，采用誤差平方積分（ISE）加權和確定目標函數，表達式為：

采用該方法確定目標函數時，根據各指標在整個問題中的重要程度，分別賦予各指標相應的權值，若兩個指標的重要程度相同，應賦予一致的加權系數。若其中1個指標的重要程度顯著高于其他兩個，則重新設置該指標的加權系數，以提升整個系統的運行效率。

3 超臨界機組協調控制系統優化與仿真分析

為了驗證該優化方案是否合理，選擇傳統爐跟機控制參數作為對照，對優化前后協調控制系統的控制效果進行模擬分析。由模擬分析結果可知，相較于原控制參數，優化后的控制參數更合理，可顯著提升機組負荷、主蒸汽壓力、中間點溫度、給煤量、調門開度及給水量達到穩定狀態的速度，使整個機組可以穩定運行。

4 結束語

文章針對火電廠超臨界機組的運行特點，設計了一種協調控制系統及其控制方法。該系統顯著提升了超臨界機組的控制效果，使整個機組可以安全、穩定的運行，有利于推動火電廠向著更加良好的方向發展。

參考文獻

[1] 袁俊文，劉偉，黨文越，等.超超臨界機組協調控制系統及AGC響應特性分析[J].電站系統工程，2023，39（4）：57-59.

[2] 姜川，呂劍虹.超臨界機組協調系統的模糊增益調度預測控制[J].熱能動力工程，2022，37（1）：28-33.