超临界机组协调控制系统在崇信发电厂中的应用❋

2014-12-31马林东葛智平

机械工程与自动化 2014年2期

马林东，葛智平

（甘肃电力科学研究院，甘肃兰州 730050）

0 引言

近年来，随着能源危机的加剧，人们不得不在节能环保领域探索先进的技术来降低碳排放量和降低能源需求。火电机组随着蒸汽参数的提高，效率相应提高，其平均煤耗在310g～320g左右，比亚临界机组减少20g～40g［1］。随着我国建设节约型社会的规划，600 MW超临界机组及1 000MW超超临界机组在国内日趋成为主流，尽快掌握先进的超临界机组控制技术，对于节能减排显得尤为重要。

超临界直流锅炉由于其工艺流程与对象特性发生了较大的变化，因此在不同的工况下必须采用不同的控制策略，否则会造成超温超压，严重情况下会造成停机停炉。本文在分析已投产的超临界机组协调控制系统的设计和调试经验的基础上，对比不同控制策略的优缺点，并且对崇信电厂2×660MW超临界机组协调控制方案进行了优化，实践证明机组调节品质良好。

1 超临界机组协调控制系统主要特点

直流炉没有汽包环节，机组蓄热能力下降，在超临界参数下，压力达到22.137MPa，温度达到374.15℃时，汽水密度相等，在整个汽水流程中（加热段、蒸发段和过热段）任何一种扰动都会使分界线前移或后移，从而导致温度和压力变化，表现出很强的非线性和不可控性，因此要求协调系统应该能够快速、准确、稳定地保持机组的能量平衡。

协调系统中各子系统（如给水控制、燃料控制回路）之间有很强的非线性耦合，随着燃料、给水和汽机调门开度的扰动而变化，从而影响负荷、压力和温度的变化。

如果采用直吹式分系统，由于从给煤到制成粉末再送到炉膛燃烧整个环节具有较大的迟滞性，对于整个协调控制系统来说是一个控制难点。

2 协调控制方案分析及优化

2.1 方案分析

崇信电厂2×660MW超临界机组协调控制系统包括炉主控、机主控、压力控制回路、负荷指令设定回路等。机组具有4种运行方式：机炉协调控制方式、锅炉跟踪方式、汽机跟踪方式及机炉手动方式。该电厂采用以锅炉跟踪为基础的协调方式。该方式下机主控维持机组负荷，炉主控控制机前压力，这种情况下机组负荷响应速度快，控制比较稳定，但是机前压力波动幅度比较大，在控制中是个难点。

2.1.1 锅炉主控回路

由于采用直吹式制粉系统，给煤量变化反映到炉膛燃烧具有一定的延时和惯性时间，因此在设计锅炉主控方案时，要考虑采用前馈控制来提高机组负荷适应能力。

在锅炉跟随（Boiler Follow，BF）方式下，根据主汽压力与设定值的偏差进行PID运算，PID输出加上3个相当于前馈作用的分量构成锅炉主控输出。这3个分量是：主汽压力偏差、汽机调速级压力×主汽压力设定值/主汽压力（限幅后）、经50s滤波后的主汽压力值（相当于微分作用）。

在协调控制（Coordination Control System，CCS）投入时，根据主汽压力与设定值的偏差进行PID运算，指令构成如下：PID输出加上4个相当去前馈作用的分量。这4个分量分别是：主汽压力的偏差、机组负荷指令函数、主汽压力偏差和负荷指令函数、机组负荷指令经滤波后减去机组负荷后的函数。

锅炉主控回路的输出主要控制燃烧量、风量和给水量，以保证合适的燃水比和风煤比来适应负荷的变化。

2.1.2 汽机主控回路

汽机主控指令也由两部分构成，一部分是汽机跟踪方式下汽机主指令，另一部分是协调方式下的汽机主指令。在汽机跟随（Turbine Follow，TF）方式下汽机指令仅仅是主汽压力偏差的PID运算，在没有投入TF的方式下跟踪汽机主控的输出值。

在CCS方式下，机组负荷指令经一阶惯性环节与机组负荷偏差进行PID运算，同时引入主汽压力偏差和负荷指令函数作为前馈量，以提高机组的负荷调整能力。

2.1.3 燃料量和给水量的比值控制回路

直流锅炉的蒸发量不仅取决于燃料量，同时也取决于给水流量，机组负荷的控制与燃水比密切相关，燃料指令和给水指令与负荷指令成一定比例的关系。在崇信电厂，煤主控接收锅炉主控和总风量之间的小选（保证有足够的风量）与总燃料量相减之后进行PID运算构成燃料指令；给水指令为两阶惯性环节后的锅炉指令乘以燃水比函数再加上中间点温度PID的输出。以上这种设计方式是水跟煤加给水修正中间点温度调整燃水比的控制方式，当燃料量指令改变时自动改变给水指令的输出值，这种方式对机组负荷和主气压影响平缓，机组稳定性大大提高；但它的缺点是调节特性慢，造成管壁超温。当中间点温度偏离正常值以后会立即以微分的前馈量和负荷变化的前馈量来修正，刚好弥补水跟煤控制的不足，因此这样的优化设计有利于燃水比的控制，不至于造成机组超温。

2.1.4 负荷指令和压力设定回路

在机组投入协调以后接受中调（AGC）指令，经过速率限制、负荷上下限后送往机主控和炉主控，频差信号转换成负荷信号后直接加到负荷指令上。

机组设计了定压和滑压两种运行方式，处在滑压运行方式时，根据负荷和压力的关系函数确定压力设定值，并进行一定压力变化速率的限制。

2.2 优化措施

2.2.1 变参数PID设计

在负荷动态变化过程中起主要作用的还是前馈量，因此在这个过程中要通过变参数来减弱PID的调节作用，当实际负荷接近目标负荷时，前馈的作用开始慢慢减弱，这时候也通过变参数来增强PID的调节作用，使实际负荷尽快达到目标负荷，变参数是通过不断的试验测得的一组数值，把这组数值植入函数发生器就会根据实际负荷与目标负荷的差值大小相应地调节PID的比例、积分、微分等系数。实际机组运行证明，变参数的PID有利于负荷的快速响应和稳态稳定。

2.2.2 变负荷控制回路设计

当机组负荷变化时，很难依靠调节器自身的作用来调节负荷。变负荷控制回路设计依靠前馈作用直接作用在给水控制回路、煤主控回路及送风控制回路，这样当负荷变化时能够及时地将负荷拉回稳态区域，当实际负荷接近目标负荷时通过调节器自身将负荷稳定在设定值附近。

2.2.3 给水主调优化

崇信发电厂根据过热度来调节中间点温度，首先按照锅炉说明书写入分离器出口压力对应工况下的饱和蒸汽温度，然后加上过热度作为中间点温度的给定值，运行人员可以手动设定过热度。在逻辑组态中考虑了8℃的最小过热度限制，经过反复试验，在给水主调调节器加入燃料量指令前馈，水煤比为6∶1，这样当锅炉主控指令发生变化时，可以提前改变给水流量的设定值。另外还加入了变负荷指令前馈，这样的设计使得燃水比能够很快地稳定在一个数值，也有利于实际负荷很快接近目标负荷。

3 应用效果及结论

崇信发电厂锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司设计制造的HG-2145/25.4-YM12型超临界、一次中间再热、单炉膛、前后墙对冲燃烧方式、固态排渣、平衡通风、全钢构架、全悬吊结构Π型变压运行直流锅炉。汽轮机为哈尔滨汽轮机有限责任公司制造的CLNZK660-24.2/566/566型超临界、一次中间再热、两缸两排汽、单轴、单背压、凝汽式、直接空冷汽轮机。DCS控制系统为上海FOXBORO控制系统。

机组在试运行期间从实际负荷300MW开始，投入CCS，在420MW～660MW之间进行负荷扰动试验，试验曲线如图1所示。通过图1可知，机组负荷响应比较快，动态变化平稳，速率变化为10MW/min，给水及煤主控变化匹配良好，机组在很短的时间内能够达到目标负荷，主汽压力偏差不大于0.5MPa。