660 MW超临界机组协调控制系统的优化

殷 喆， 张明法，张洪涛，刘 健

(1.河北省电力研究院，石家庄 050021；2.河北国华定洲发电有限责任公司,河北 保定 073000；3.河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031)

1 概述

河北国华定洲发电有限责任公司(简称“定洲电厂”)二期工程三四号机组为国产超临界空冷机组。锅炉为SG-2080/25.4-M969的超临界参数变压运行直流炉，采用定-滑-定运行方式，单炉膛、四角切向燃烧方式、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、半露天布置、全钢构架、全悬吊结构的∏型锅炉。采用中速磨冷一次风机正压直吹式制粉系统，每台炉配6台HP型中速磨煤机，其中1台备用。汽轮机为超临界、单轴、二缸二排汽、高中压合缸、一次中间再热、直接空冷凝汽式汽轮机，型号为CLNZK660-24.2/566/566。发电机为水氢氢冷却汽轮发电机，型号为QFSN-660-2。机组的辅机配置主要包括：2台空气预热器、6台磨煤机(5台磨煤机可带MCR负荷)、2台送风机(单台带50%额定负荷)、2台引风机(单台带50%额定负荷)、2台一次风机(单台带50%额定负荷)、3台电动给水泵(可带35%额定负荷)。热工控制系统(DCS)采用SPPA- T3000分散控制系统，机组模拟量控制系统(MCS)是分散控制系统的功能之一，对锅炉、汽轮机主要系统及设备进行连续闭环控制， 保证机组主要参数稳定，满足安全启、停及定压、滑压及正常运行的要求。模拟量控制系统分为上、下级控制，上级为单元机组负荷控制级(协调级)，下级为基本控制级。汽轮机数字式电液控制系统(DEH)采用OVATION控制系统。机组协调级控制系统中包括自动发电控制(AGC)功能。在DEH侧和协调控制回路均设计有一次调频回路，快速响应电网频率波动，稳定电网频率。

2 协调控制策略

定洲电厂2台660 MW 超临界机组协调控制系统主要包括汽轮机主控回路(TM)、锅炉主控回路(BM)、负荷指令设定、主蒸汽压力设定、协调方式切换、辅机故障减负荷(RUNBACK)、频率校正、热值校正等功能回路。对应于汽轮机、锅炉主控回路，通常有4种运行控制方式：机炉协调方式(锅炉主控系统自动，汽轮机主控系统自动)，汽轮机跟随方式(锅炉主控系统手动，汽轮机主控系统自动)，锅炉跟随方式(锅炉主控系统自动，汽轮机主控系统手动)，机炉手动方式(锅炉主控系统手动，汽轮机主控系统手动)。定洲电厂协调控制系统采用以锅炉跟随为基础的协调控制方式。炉跟机协调方式下，锅炉主控系统负责维持机前压力，汽轮机主控系统用于控制机组负荷，机组的负荷响应速度快、负荷控制精度较高，但机前压力波动幅度较大，按照调度部门对机组投入AGC运行指标的要求，在这种协调方式下机组最适合投入AGC运行，协调控制系统总体结构[1]设计见图1。

图1 协调控制系统总体结构示意

2.1 机组负荷指令与主蒸汽压力定值处理回路

负荷指令回路的主要任务是：根据机组可以接受的各种外部负荷指令，处理后作为负荷给定值，分别送到锅炉主控系统和汽轮机主控系统，有3个子回路：负荷控制站，最大、最小限制回路，变化率限制回路[2]。设计了定压、滑压2种压力运行方式。在滑压方式时，根据负荷-主蒸汽压力设定值曲线确定机前压力定值。主蒸汽压力设定值变化时，按给定的压力变化速率进行限速。滑压设定值偏执和定压设定值可以在操作员画面上进行设定。

2.2 锅炉主控回路

锅炉主控回路是负荷指令回路或压力回路与燃烧控制系统之间的接口，即通过该回路将经过修正的机组负荷指令或压力指令发送到风量控制回路及燃料控制回路，以协调锅炉出力与负荷指令之间的匹配关系[3]。锅炉主控有2种工作模式：非锅炉跟踪(即CCS模式)，锅炉跟随(即BF模式)。该机组的协调控制是以锅炉跟随为基础的，即汽轮机侧控制负荷，锅炉主要维持主蒸汽压力。在CCS模式下，锅炉主控调节器主调信号为压力偏差反馈，同时在前馈回路接受机组负荷指令。前馈是粗调，反馈是细调。

2.3 汽轮机主控回路

汽轮机主控回路相当于负荷指令回路与汽机控制器之间的接口，有汽轮机跟随(TF)和机炉协调(CCS)2种运行方式[4]。汽轮机跟随方式是指锅炉主控系统在手动，汽轮机主控系统在自动的方式，即用汽轮机调门来控制汽压。采用这种方式的特点是压力控制响应快，主蒸汽压力很容易稳定在给定值上，但在煤种变化大时，负荷波动较大。汽轮机调门开度指令的大小完全决定于主蒸汽压力偏差信号的PID控制运算，汽轮机负荷则随调门开度的大小而变化。在煤种变化比较大而锅炉燃烧不稳定的工况下，采用汽轮机跟随方式有利于锅炉稳定燃烧。而在机炉协调控制方式下，汽轮机主控系统按照功率偏差控制汽轮机调门的开度，保证机组实际功率满足负荷要求。

3 存在的问题与优化策略

3.1 存在的问题

3.1.1 锅炉特性差

调试期试验发现，单纯加煤，压力反应延迟大概20 min以上；保持煤水比，加煤同时加水，压力纯延迟3 min左右，但惯性时间长达20 min以上；单纯加煤，分离器出口焓值纯延迟时间2 min，惯性时间达20 min以上。由以上试验数据可以看出该锅炉反应极慢，采用常规的PID控制要达到中调要求的1.5%速率，这对协调控制系统提出了高要求。

3.1.2 被控参数之间的耦合关联性强

对于超临界机组协调控制系统来说，煤、水、调门开度(温度、压力、功率)耦合性非常强。要满足中调要求的变负荷速率，变负荷时只能靠水的快速响应来满足功率及压力的要求，以升负荷为例，燃煤与给水快速上升，给水保证初期的功率响应及压力跟踪设定值，但由于煤对温度响应的滞后，分离器出口焓值就会迅速下降，并在较长时间内才回到设定值，这是焓值控制回路及煤的作用造成的，这期间水的变化也会引起功率及压力的不稳定。由于煤的大延迟大惯性，锅炉主控PID调节器参数过慢，会导致压力长时间出现偏差，PID参数稍快，又会导致压力不稳现象的出现。

3.2 优化策略

3.2.1 制粉系统燃烧自动调节

为加快锅炉动态响应特性，在各磨入口一次风热风调节门的设定值中加入锅炉主控输出的微分。原逻辑中热风调节门维持磨的一次风量，该设定值为本磨煤机煤量的函数，经观察发现，锅炉主控输出增加10 t/h时，假设4台磨投入自动则每台磨的煤量增加2.5 t/h，根据煤量-风量对应函数，每台磨的一次风量设定值大约多出1 t/h，在一次风量设定值叠加上锅炉主控微分，以1.5%速率升负荷为例，每台磨的一次风量会较原来增加5 t/h，这就可以保证所加煤量能够快速进入炉膛，提高锅炉动态响应。经观察发现，启、停磨对压力、温度的影响较大，因此加入启、停磨校正回路。如有磨启动，则在锅炉主控输出上叠加-1.5%的煤量，持续1 min，以消除起磨导致压力升高的影响，停磨所叠加作用与起磨相反。加入该回路后，很好的控制了启、停磨对压力及温度的影响。

3.2.2 优化锅炉动态前馈

a.负荷指令微分信号。在各负荷区间进行升降负荷时取不同的系数，使其更加符合机组特性，另外，可以对升降负荷加以区分。

b.滑压运行方式下压力设定值微分。将滑压曲线产生的压力设定值加入三阶惯性环节，并对惯性时间进行调整，以达到一定的解耦目的。

c. 定压方式下压力设定值微分。单纯靠锅炉主控的PID调节就可以保证压力较为快速的响应及稳定，因此将该部分前馈舍去。

d. 各前馈作用减弱为非AGC方式下的0.9倍左右。由于AGC方式下，可能会出现中调反复升降负荷指令的情况，动态前馈过强容易引起系统不稳定，所以AGC方式下，各前馈作用减弱为非AGC方式下的0.9倍左右。

3.2.3 加入稳态压力偏差校正回路

由于机组锅炉侧反应过慢，所以锅炉主控的PID控制器中的积分作用选择较慢，当锅炉提供的能量与汽轮机功率相匹配时，压力偏差不易消除，因此加入稳态压力偏差校正回路。当压力偏差大于0.3 MPa时，煤量增加(或减少)1%～2%，持续1 min恢复。根据煤水-压力的延迟时间，该回路每3 min起一次作用。该回路加入后可有效抑制动态压力偏差过大。

3.2.4 将煤水比函数进行动静分离

煤与水的对应函数作为静态前馈送至给水调节回路中，由于煤与水对温度的响应特性不同，为了温度的稳定，一般的处理方法为煤水比函数加入2到4阶惯性环节以匹配煤水响应，达到解耦及稳定目的。由于该机组锅炉响应较慢，负荷及压力变化要求给水能较快响应，因此该惯性环节惯性时间设置较短，但较短的惯性时间在稳态时又不利于压力的稳定，所以变负荷期间采用较短的惯性时间以维持快速响应，非变负荷时采用正常的惯性时间以维持分离器出口焓值及温度的稳定。

4 现场投运情况

在试运期间机组负荷在300～600 MW以1.5%速率变化，并且经过AGC方式下功率指令反复升降的考验，压力动态偏差最大一次0.7 MPa，其余均在0.5 MPa以内，并能迅速稳定，非变负荷时压力偏差基本不超过0.2 MPa，调节效果良好，变负荷时功率及压力响应曲线见图2。

图2 变负荷时功率及压力响应曲线

5 结束语

由于660 MW超临界机组压力等级高，导致工作介质刚性提高，动态过程加快；另外锅炉为直流锅炉，蓄热能力小，各子系统的相互联系更加紧密，机炉之间，给水、燃烧、汽温之间等各系统的控制是一个相互耦合的过程，因此在协调控制系统的设计中要统筹全局，合理解耦，采用静态、动态前馈，引入汽轮机侧压力拉回回路，锅炉侧加快响应，充分利用锅炉蓄热，才能提高机组的负荷适应性和运行经济、稳定性。通过对定洲电厂2台660 MW机组协调控制系统的逻辑及参数进行优化，该协调控制系统调节性能较好，可以长期可靠投入，为机组的稳定、经济运行打下了基础。

参考文献：

[1] 刘吉臻．协调控制与给水全程控制[M]，北京：水利电力出版社，1995.

[2] 边立秀，周俊霞,赵劲松，等．热工控制系统[M]．北京：中国电力出版社，2001.

[3] 黄红艳，陈华东．超临界直流锅炉控制系统的特点及控制方案[J]．电力建设,2006，27(3):1-3,13.

[4] 杨景祺，戈黎红，凌荣生．超临界参数机组控制系统的特点及其控制策略[J]．中国动力工程学报，2005，25(2):221-225.