1 000 MW超超临界机组协调控制策略分析

孙月亮，董 泽，亢 猛

(华北电力大学，河北 保定 071003)

近几年，超超临界机组相继投产运行，大容量、高效率机组已经成为火电机组发展的主流趋势。超超临界机组效率比超临界机组效率提高2%～3%，进一步降低煤耗、节约能源的同时,大大节省了电厂的运行成本，并减少了相同电量污染物的排放，对于响应国家“节能减排”策略具有重要意义。目前，国内对超超临界机组的协调控制策略的研究仍处于发展和完善阶段，以下对1 000 MW超超临界机组协调控制策略现状及存在的问题进行分析。

1 协调控制系统介绍

超超临界机组协调控制系统的控制对象是由直流锅炉、汽轮机和发电机组成的整个机组。机组特性表现为复杂多变的多输入、多输出对象，且随着负荷变化，机组的动态特性随之大幅度变化，同时具有强烈的非线性、强耦合、大惯性和纯滞后等特性。协调控制系统由给水、燃烧、汽温、送风、引风、一次风等子系统构成，这些子系统交叉限制，在控制过程中相互影响。

协调控制系统接收负荷指令、机组实发功率、机前压力设定值和机前压力，经运算后分别送往锅炉主控回路和汽轮机主控回路。锅炉主控回路经过处理后送往给水、燃烧、汽温、送风、引风、一次风等子系统；汽轮机主控回路作为协调控制系统(CCS)和汽轮机数字式电液控制系统(DEH)的接口则用来控制汽轮机调门的开度、机炉协调动作，在保持机组稳定运行的前提下，满足负荷指令的要求。

2 协调控制策略分析

CCS是指通过控制回路协调锅炉和汽轮机的工作状态，同时给锅炉自动控制系统和汽轮机自动控制系统发出指令，稳定参数的同时，达到快速响应负荷变化的目的，最大可能发挥机组的调频、调峰能力[1]。一般协调控制系统的运行方式分为机炉协调控制方式、锅炉跟随控制方式、锅炉输入控制方式、锅炉手动控制方式[2]。其中机炉协调控制方式又可分为炉跟机协调和机跟炉协调。在炉跟机协调方式下，锅炉主控回路负责维持机前压力，汽轮机主控回路负责控制机组负荷；在机跟炉协调方式下，汽轮机主控回路负责维持机前压力，锅炉主控回路控制机组负荷。以下就浙江华能玉环电厂(简称“华能玉环”)1 000 MW超超临界机组和上海外高桥第三电厂(简称“上海外高桥”)1 000 MW超超临界机组的协调控制系统进行分析。由于机跟炉方式难以满足快速响应自动发电控制(AGC)指令的要求，因此上述机组均采用以锅炉跟随为基础的机炉协调控制方式。

在机炉协调方式下，锅炉主控指令和汽轮机主控指令都处于自动状态，机组的目标负荷是由运行人员手动设定的，或接受电网调度中心AGC指令。除采用机炉协调方式外，还要自动跟踪发电机实际功率，以保证无扰切换。华能玉环超超临界机组的负荷设定回路主要完成目标负荷指令形成升、降负荷速率及负荷闭锁增、减等功能限制，并参与一次调频，且目标负荷经过高、低负荷限制后输出机组功率需求信号。上海外高桥超超临界机组的负荷设定回路中机组目标负荷经速率限制，负荷上、下限限制和负荷指令增、减闭锁等运算后送往汽轮机、锅炉主控系统，并将频率校正的部分分别在汽轮机主控回路和锅炉主控回路中实现。

2.1 锅炉主控回路

华能玉环1 000 MW超超临界机组锅炉主控回路示意见图1。在协调方式下，锅炉输入需求(BID)信号由功率需求信号、功率偏差校正信号和主蒸汽压力修正信号组成。机组采用定-滑-定运行方式，定压运行时，压力由运行人员手动设定；滑压运行时，压力为功率需求信号的函数,2种方式可以无扰切换。

图1 华能玉环锅炉主控回路示意

上海外高桥1 000 MW超超临界机组锅炉指令由四部分叠加而成：基本指令，即经过频差修正的机组负荷指令，使锅炉主控指令对应于负荷及频率的改变有一个绝对变化量；机组负荷指令与频差信号的动态补偿信号，主要考虑在负荷与频率变化时对锅炉蓄热量变化的基本补偿；压力调节器输出信号；压力偏差对锅炉蓄热的动态补偿信号[3]。锅炉主控回路示意见图2。

图2 上海外高桥锅炉主控回路示意

综合2种锅炉主控策略可知，2种锅炉主控回路中都有功率偏差的校正信号，可在变负荷时提高锅炉侧的响应速度，减小锅炉侧的惯性，适应负荷指令的需求。频差和压差的动态补偿环节直接作用于锅炉主控回路起到动态前馈的作用，同样达到加快锅炉反应速度的目的。2种控制策略中都使用了负荷(或需求功率)的前馈信号，直接作用于锅炉主控回路，使锅炉风、煤、水相对于负荷都有一个基本变化量，这是最基础、最直接、最快速的比例控制。

2.2 汽轮机主控回路

华能玉环1 000 MW超超临界机组在协调方式下，汽轮机主控指令将跟随机组主控指令和功率控制(发电机实际负荷)，以便使实际功率与功率设定值相匹配[4]，实现功率控制。同时考虑用主蒸汽压力偏差修正实际功率，并设置汽轮机调节器的超驰功能，汽轮机主控回路示意见图3。

图3 华能玉环汽轮机主控回路示意

上海外高桥1 000 MW超超临界机组，在CCS方式下，汽轮机主控指令负责调节机组实际功率，功率设定值由机组负荷指令及其动态前馈、频差信号、压力拉回回路三部分叠加而成，即经过死区特性和限幅特性的压力偏差信号，汽轮机主控回路示意见图4。

图4 上海外高桥汽轮机主控回路示意

由上面2种汽轮机主控策略可知，选择汽轮机主控方式下的主要控制负荷，机组响应负荷速度快，负荷控制精度高。按照调度部门对机组投入AGC运行指标的要求，这种控制方式更能快速满足AGC的负荷目标。

2种方式都考虑了汽压限制的作用，因为在炉跟机方式下，当负荷变化时机前压力波动幅度比较大。当机前压力偏差超出锅炉主控回路的预测范围时，汽轮机主控回路不再调功，而是参与调压，二者共同作用使机前压力调整到允许范围内，使得压力控制不再影响汽轮机主控回路正常的功率调节，从而实现快速响应动态过程，并稳定锅炉输入和汽轮机输出的平衡。根据各机组的具体特点，可在汽压限制环节函数曲线上设置调压作用的强弱，完成汽轮机与锅炉间的解耦。此外，上海外高桥1 000 MW超超临界机组使用了负荷的动态前馈环节，当负荷变化时，在允许机前压力有一定波动的前提下，为了能最大限度的利用锅炉蓄热，加快机组初期响应负荷的执行速度，利用前馈环节使汽轮机调门提前动作。

2种控制方式可概括为：将“以汽轮机跟随为基础的协调控制方式”和“以锅炉跟随为基础的协调控制方式”的优点结合在一起的全协调控制方式，是稳态时“解耦”，动态时“协调”的柔性控制策略，锅炉主控回路和汽轮机主控回路都没有绝对的控制。

2.3 给水量、给煤量和给风量与负荷的关系

直流锅炉汽水是一次性完成的，因此燃料量和给水量都将对锅炉的蒸发量起到决定性影响。煤水比的配合是与超超临界机组负荷控制紧密相连的；而维持煤水比恒定又是直流炉汽温的主要调节手段，风煤比的适中是燃烧经济性的体现。因此，在协调方式下，要统筹协调这三者与负荷的关系，以最大限度达到机组的稳定性、快速性和经济性。

华能玉环1 000 MW超超临界机组，锅炉主控指令并行送到给水控制子系统和燃烧控制子系统，即锅炉指令直接送到给水主控回路，形成给水量设定值；而经过燃水比修正的锅炉主控指令送往燃烧控制子系统，形成燃料指令，燃料指令乘以风煤比送往风量控制子系统。采用这种煤水比控制方式能迅速有效的调整燃水比，避免锅炉出口蒸汽超温；但由于给水量的变化，在调整初期容易对机组负荷和主蒸汽压力造成很大波动，使得机组稳定性变差。

上海外高桥1 000 MW超超临界机组，总风量指令=锅炉主控指令×风煤比函数×氧量校正输出;燃料量指令=锅炉主控指令+焓值调节的动态解耦;给水流量指令=延迟的锅炉主控指令/焓值调节器的输出。

基于比值控制的系统，在稳定工况下，维持燃料量/给水量、给水量/主蒸汽流量、喷水流量/给水流量为常数可保证过热器出口温度为设定值；在变工况下，上述3个比值按照一定规律变化。

上海外高桥机组煤水比控制方式与华能玉环机组煤水比控制方式相反，燃料指令变化在前，给水指令变化在后。由于燃料控制相对给水控制存在很大迟延，对机组负荷和主蒸汽压力的影响较为平缓，但对于外界扰动调节缓慢，容易因煤水比失配造成主蒸汽超温。

这2种煤水比控制方式都采用了并行前馈控制，相对于绝对的“煤跟水”和“水跟煤”控制方式来说，极大的提高了锅炉的响应特性，达到了尽量扬长避短的目的。

3 存在的问题与建议

直流锅炉在不同工况下，表现出不同的蓄热特性。同时，外界因素的干扰对机组动态特性也有很大影响。例如，煤炭资源紧张，考虑电厂经济性原因，很难保证一直供给设计煤种。尤其对我国那些主要参与调峰的超超临界燃煤大机组来说，煤质的变化一定程度上影响机组运行的稳定性和AGC的投入品质。因此，为使机组稳定运行并能快速响应电网负荷要求，在控制设计中多考虑静态、动态前馈控制技术，以及大范围的使用变参数、变定值，同时针对不同工况，结合变结构控制技术，满足不同动态特性的要求。

现代控制理论中的很多方法已被运用到单元机组协调控制系统优化中，如自适应模糊控制、基于状态观测器的方法、动态特性补偿等[5]。这些设计思想已在超临界机组上得到很好的应用，1 000 MW超超临界机组可以借鉴、吸收其控制经验，使协调控制策略更加完善。

参考文献：

[1] 钱庆生.600 MW超临界机组控制系统特点与协调控制策略[J]，热电技术,2008(2):53-56.

[2] 肖大维，超超临界机组控制设备及系统[M].北京：化学工业出版社,2008.

[3] 刘 潇，曹冬林，丁劲松.外高桥1 000 MW超超临界机组闭环控制系统设计[J]，中国电力,2006,39(3):70-73.

[4] 王远平，傅望安.华能玉环电厂4×1 000 MW超超临界燃煤发电机组协调控制系统浅析[C]//中国超超临界火电机组技术协作网第二届年会1 000 MW机组论文集.青岛：中国电机工程学会，2006.

[5] 姚 远，管庆相，吴 松.直吹式锅炉机组协调控制系统优化[J]，东北电力技术,2007,28(8):1-4.