超(超)临界燃煤机组一、二次调频研究与应用

李建军，王 礼，王英荟

(辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

一、二次调频是发电机组维持电网频率稳定的两项重要功能。一次调频是指发电机组的自动控制系统在电网频率下降时自动增加自身负荷、在电网频率升高时自动减少自身负荷，从而限制电网频率的变化。一次调频是有差调节，只能减少电网频率的偏离程度，为了使产生偏离的电网频率得到恢复，维持电网频率的稳定，一些发电机组还必须根据电网调度中心的指令进行负荷调整，这一过程称为二次调频，也称为AGC［1］。参与二次调频的机组必须具有机组协调控制系统。

电网频率是电力系统运行的重要控制参数，直接影响到电网的安全稳定运行及用电设备的使用寿命和安全。为了提高电网运行的稳定性，减少电网频率的波动，增强电网抗事故能力，各电网公司要求发电机组要具备一、二次调频的能力，并且满足电网公司要求的技术指标。

超 (超)临界燃煤机组作为电力生产领域的主力机组，也需要成为参与电网一、二次调频的主力机组。但是，超 (超)临界燃煤机组在能量产生和转换过程中存在较大延迟，而且运行工况和煤种常常偏离设计要求，很难满足负荷快速响应的要求，给超 (超)临界燃煤机组一、二次调频功能带来很大的技术难度。因此，需要系统分析影响机组一、二次调频能力的主要因素，采取适合机组特性的控制策略提高超 (超)临界燃煤机组的一、二次调频性能、使其各项控制技术指标满足电网调频调峰的要求。

1 影响因素

1.1 机组特点对一、二次调频的影响

超 (超)临界燃煤机组的多变量耦合、非线性、大迟延特性主要是锅炉决定的，而锅炉的子系统响应特性也不一致，影响最大的是制粉系统。目前，超 (超)临界机组多数是采用中速磨直吹式制粉系统。中速磨直吹式制粉系统包含了给煤、制粉等多个工艺环节，大大降低了锅炉的整体响应速度［2］。

提高直吹式制粉系统响应速度的有效手段是增强前馈作用。但是前馈作用往往加大控制参数波动、延长调整过程。因此需合理调整，与给水系统、送风系统等锅炉子系统互相配合、协调工作，达到既能提高响应速度又能减少参数波动的目的。

1.2 协调控制方式对一、二次调频的影响

机组协调控制系统是实现一、二次调频功能的核心部分。机、炉对负荷的不同响应能力决定了机组的一、二次调频能力首先与机炉协调控制系统关系最大，机炉协调控制系统通常采用以下几种控制方案，即:以汽机跟随为基础的机炉协调控制方案、以锅炉跟随为基础的机炉协调控制方案和介于二者之间的综合协调控制方案。

以汽机跟随为基础的协调控制是由汽机控制进汽压力、锅炉控制机组负荷，机组运行稳定，但是负荷响应速度慢、控制精度差，采用这种方式运行的机组基本不能满足电网对机组一、二次调频能力的要求;以锅炉跟随为基础的协调控制是由锅炉控制进汽压力、汽机控制机组负荷，机组负荷响应速度快、控制精度高，但机前压力等主要参数波动大，机组稳定性差，采用这种方式运行的机组一、二次调频能力强，但是影响机组的安全稳定运行，尤其是对超 (超)临界燃煤机组影响更大;综合协调控制是由汽机和锅炉同时控制机前压力和机组负荷，在机组一、二次调频能力和运行稳定性方面介于前两种方式之间，而且要求锅炉、汽机都要具有良好的控制性能，这是比较常用的控制方式［3、4］。不管采用哪种控制方式，超 (超) 临界燃煤机组都难以兼顾在保证机组安全稳定运行的同时，显著提高一、二次调频能力。因此，必须突破传统的控制模式，采用先进控制技术，设计适合超(超)临界燃煤机组特点的新型机炉协调控制方式。

1.3 滑压运行对一、二次调频的影响

火电机组通常有定压和滑压两种运行方式。定压运行时，保持汽轮机进汽压力 (机前压力)不变，通过改变进汽调节阀的数量和开度来改变进汽量，以满足电网对调整负荷的要求，定压方式不改变锅炉蓄热能力，有利于负荷的快速响应。滑压运行时，进汽压力随负荷的变化而变化，变化方向与负荷需求方向相同。当增加负荷时，锅炉同时需要吸收一部分热量来提高压力;反之，在降低负荷时，锅炉要释放一部分蓄热降低压力。造成汽压与负荷同时排斥与需求锅炉的能量，从而产生大的延时和超调，对机组一、二次调频产生不利影响。但是，滑压运行方式使汽机调速汽门保持相对全开，节流损失小，可以大大提高机组的效率，超 (超)临界燃煤机组大多采用滑压方式运行。

为了改善滑压运行方式对机组参与一、二次调频的不利影响，可以根据机组负荷指令的变化情况，对滑压指令进行非线性修正，使汽轮机进汽压力顺势而为，不再成为阻碍机组对外界负荷需求响应的因素，而是有利于机组对外界负荷需求的响应。

2 系统设计

2.1 一、二次调频指令

由于一次调频指令和二次调频指令都是为了维持频率的稳定，目前多数控制系统是把两个指令简单叠加在一起由锅炉主控和汽机主控执行，这是不合适的，会影响一次调频的效果。因为一次调频和二次调频在电网中的作用不同，在响应时间和控制精度上的要求也不同。

机组在执行一次调频指令时，必须立即响应，延迟时间越短越好，这就要求在电网频率超出死区范围时，调速汽门立即动作。由于电力系统的一次调频所调节的负荷分量主要是0.033～1 Hz的短周期随机变动负荷，一次调频指令有幅度限制，持续的时间也有限，虽然也会引起参数的波动，如果能够合理地利用锅炉的有限蓄能，并且采取合适的控制策略，参数的波动幅度和持续时间可以控制在允许范围内。

机组在执行二次调频指令时，为了协调锅炉和汽机对负荷响应特性的不同，在满足电网要求指标的前提下，协调控制系统需要根据机、炉间特性的差异，在汽机侧增加负荷指令的延迟环节，目的在于推迟调速汽门的动作时间，使锅炉储备一定的能量，尽量保证能量供求的平衡和控制参数的稳定。

为了满足一次调频和二次调频控制的不同要求，一、二次调频指令系统设计如下:根据机组的运行状况，将调度中心下发的二次调频指令进行变化率限制、高负荷限制、低负荷限制、闭锁升、闭锁降等综合运算，形成一个机组能够接受的实际负荷指令;根据电网频差信号以及要求的调速系统不等率、死区、幅值限制，形成一次调频指令;实际负荷指令送到锅炉控制系统，作为锅炉负荷指令;实际负荷指令经过惯性环节与一次调频指令求和送到汽机控制系统，作为汽机负荷指令;同时，一次调频指令作为并行前馈分别送到锅炉控制系统和汽机控制系统。

2.2 滑压定值曲线

在采用自然滑压定值曲线 (负荷的函数)时，由于自然滑压定值曲线随负荷的变化而线性变化，变化时压力与负荷对能量的需求与排斥方向相同，在升负荷的工况下，开始变化时，二者都需要能量，使系统产生大的延迟，当接近目标负荷时，二者又都排斥能量，造成系统较大超调;降负荷的工况下，情况相同，只是方向相反。从而使压力调节和负荷调节互相制约、互相影响，调节品质不好，甚至失控。

如果在自然滑压定值曲线的基础上、按照协调工况下压力的响应特性设置压力定值曲线，则可以在时间上解决压力与负荷对锅炉能量需求的矛盾。从而实现压力和负荷的解耦控制，减少系统的延迟和超调，达到改善调节品质的目的。

由于在大范围的变压运行过程中，压力的响应特性与运行工况和主要运行参数有关，是非线性、时变的，为了使压力定值更接近实际压力响应特性而实现控制目标，可以总结专家控制经验，根据负荷变化率、负荷偏差、压力偏差及一次调频幅度对自然滑压定值曲线进行自动修正，形成非线性、时变的滑压定值曲线。

2.3 协调控制系统

一、二次调频功能都需要协调控制系统实现，协调控制系统的技术关键是在保证机组稳定运行的前提下，使机组在参与一、二次调频时的响应速度和控制精度满足电网的要求，而这正是超 (超)临界燃煤机组控制的难点，为此，针对超 (超)临界燃煤机组的主要特点，设计了带有多输入多输出控制加速器的变参数协调控制系统。

协调控制系统逻辑如图1所示，主要由3个部分组成:汽机主控、锅炉主控和多输入多输出控制加速器。

2.3.1 汽机主控

汽机主控接收汽机负荷指令信号，通过调节器运算输出控制信号驱动调速汽门，使实际负荷与负荷指令相等。

如果主汽压力偏差超过控制系统内部预先设定的数值时，汽机主控将不再控制机组负荷，转而控制进汽压力以便维持汽机输出和锅炉输入相匹配，即为汽机调速汽门的超驰控制。

2.3.2 锅炉主控

锅炉主控信号由锅炉负荷指令信号和主蒸汽压力校正信号组合形成。

由于锅炉响应呈现非线性特性，所以在锅炉主控中采用了变参数PID控制，以满足机组在不同负荷下的响应特性。

锅炉主控的输出作为锅炉子控制回路 (给水、燃料、风量等)的指令信号，使锅炉负荷满足汽轮机需求的同时维持进汽压力和设定值相同。同时将锅炉内部过程控制变量 (烟气含氧量、炉膛压力和蒸汽温度等)维持在可接受的范围内，保证锅炉的安全、稳定运行。

图1 协调控制系统

2.3.3 多输入多输出控制加速器

在不同负荷下锅炉输入的平衡是由相应的子控制回路的指令信号维持的，如给水、燃料和风量指令信号。但是在负荷变动时，仅采用常规调节是不够的，难以快速满足外界负荷需求，超 (超)临界燃煤机组的实际运行效果已说明了这点。

为了加快机组负荷响应速度，常规控制往往采用指令微分作为锅炉主控的动态加速前馈，由于微分的作用，这种控制方法易使系统产生振荡，而且没有考虑到锅炉子控制回路 (给水、燃料、风量等)在负荷变化过程中的非线性特性，会使系统长期处于不受控状态。如果根据锅炉子控制回路(给水、燃料、风量等)的不同响应特性，总结运行人员累积的操作经验和技巧，在负荷变化过程根据运行工况的不同，单独并行调节锅炉子控制回路(给水、燃料、风量等)的动态加速分量，可以更好地保持锅炉的动态平衡。多输入多输出控制加速器就是根据这一思路设计的。

2.4 一次调频控制

一次调频的持续作用通过协调控制系统实现，其逻辑也是和协调控制系统融合在一起，如图1所示。机组在协调 (CCS)方式运行过程中一次调频动作时，为了使锅炉侧、汽轮机侧协调动作，采用CCS+DEH联合控制方式，在CCS逻辑中和DEH逻辑中同时加入频率校正回路，由CCS和DEH共同完成一次调频功能。

为了加快一次调频的响应速度，将计算出需补偿的机组负荷作为汽机主控指令的一部分的同时，还按汽轮机调节门流量特性在DEH中作为前馈直接叠加在汽轮机调节门指令上，考虑到汽轮机调节门流量特性是在额定压力下整定的，为保证在大范围压力变动过程中前馈作用相同，又对前馈进行了压力补偿。

由于调门的快速动作势必影响到锅炉的蓄热，如果这时不改变入炉热量，必然引起机组主要参数的波动，波动程度与一次调频持续的时间和幅度正相关，而且不能保证一次调频的持续性;如果这时按常规方法改变入炉热量，将一次调频指令叠加在锅炉负荷指令上，由于直吹式制粉系统的滞后性，入炉热量至少需要3 min才会起作用，而一次调频的负荷响应滞后时间不大于3 s，也会造成锅炉给水、燃料等系统的大幅波动，使得机组主要参数不稳定。为了既能改变入炉热量，又能减少波动，可将一次调频指令单独处理，按锅炉各子系统的不同响应特性采用并行前馈的方式直接引入各子系统，这样就可以减少超调，抑制参数的波动。

3 工程应用

华能营口电厂的600 MW超超临界燃煤机组投产后，一、二次调频功能一直不能满足电网要求。在对控制逻辑进行反复优化、调试和大量的负荷变动试验后，获得了理想的控制效果，不但使机组的一、二次调频功能优于电网要求，而且机组主要参数的调节品质均得到了明显改善。

图2是机组的一次调频监视曲线，各项技术指标均优于电网要求。其中，响应速度指标β1=1，负荷调整幅度指标β2=1.1，调整幅度偏差指标β3=8.9%，机组一次调频响应指数Bu=1.146。

图3是机组二次调频响应曲线，机组的二次调频响应特性优于电网要求，主要控制参数满足行业标准。二次调频响应特性:实际负荷变化速率为1.2%Pe/min;负荷响应纯延迟时间小于40 s;负荷偏差在±1%Pe以内。机组主要参数调节品质:主蒸汽压力偏差±0.56 MPa;主汽温偏差±5℃;再热汽温偏差±6℃。

4 结束语

通过对超 (超)临界燃煤机组的特性分析和试验研究得知，超 (超)临界燃煤机组是以一次完成汽水循环、强耦合、非线性为特征的多输入、多输出、多参数的被控对象，采用常规控制方法很难达到理想的控制效果。本文从超 (超)临界燃煤机组的运行特点和控制难点出发，按照机组响应特性设定非线性的、时变的滑压定值曲线，解决了变负荷过程中压力和负荷相互制约的矛盾;采用多输入多输出控制加速器减少锅炉的响应滞后时间，减少了锅炉和汽机的耦合性，全新的控制方法成功地解决了超 (超)临界燃煤机组的控制难题，不但显著提高了机组参与电网一、二次调频的能力，也改善了机组主要参数的调节品质，增强了机组运行的稳定性、经济性。

［1］ 康 松．汽轮机原理［M］．北京:中国电力出版社，2000．

［2］ 肖大雏．超超临界机组控制设备及系统［M］．北京:化学工业出版社，2010．

［3］ 中国动力工程学会．火力发电设备技术手册［M］．北京:机械工业出版社，2000．

［4］ 张 华，孙奎明．热工自动化［M］．北京:中国电力出版社，2010．