660MW高效超超临界单列辅机机组协调控制系统优化

摘 要：内蒙古大唐托克托电厂五期新建工程2台660MW机组锅炉为高效超超临界参数变压运行直流炉，机组辅机为单列辅机配置。在机组运行过程中发现，协调控制系统存在一些问题。热工专业从实际问题出发，对自动控制系统设定值、PID参数以及相应前馈参数对机组基于中间点温度自动的协调控制系统进行了优化，取得了满意的效果。

关键词：中间点 自动 控制 优化 高效

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）11-0-02

一、机组概况

锅炉为DG2057/29.3-Ⅱ2型高效超超临界参数变压运行直流炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构；锅炉采用紧身封闭、Π型布置锅炉。机组一次风机、送风机、小汽轮机均为单列辅机配置。

二、概述

1.优化前存在问题

在机组运行过程中，由湿态转干态运行以后，分离器入口过热度偏低，在50%～100%负荷范围运行工况下，与锅炉厂家提供的设计参数相比，过热度普遍偏低10℃以上，在50%负荷工况点时，机组实际过热度只有8℃左右。尤其是机组处于低负荷运行工况时，面临由于过热度过低导致基于中间点温度校正的给水自动控制系统无法投入自动、无法通过中间点温度控制来修正机组动态运行过程中的煤水比。在机组变负荷过程中，由于煤水比失调引起主汽温发生变化时，喷水减温不能及时适应主蒸汽温度调节的需要，主、再热汽温度波动较大，给机组的安全经济运行带来巨大的压力。

机组在基建调试运行中，由于机组在中、高负荷段时一级减温器前后温度随喷水量变化不大，将一级减温控制策略从串级方式改为了单回路控制，从而控制过程较为缓慢，温度波动较大。机组在运行过程中的水煤比调整不精细，减温水效果不好。过热器一级减温水量低负荷时明显偏大，高负荷时低于设计值。锅炉两侧存在温度偏差现象，锅炉对象响应不及时（有时主汽温已经发生明显变化了，此时中间点温度还没有变化）。

自动控制系统中被控对象的设定值一般是按照锅炉说明书的建议值进行给定。但是当机组负荷工况变化较大，被控对象参数发生变化，在机组运行的全负荷范围内，按照锅炉说明书给定的设定值很难取得满意的控制效果。

2.优化的必要性

对机组运行数据分析，在自动控制运行中经常处于各种参数调节失衡状态，这种运行工况对机组的经济性将产生重要的影响。机组参数的变化严重影响着机组的经济指标，使机组运行成本增加。同时参数波动也使机组的安全性能降低，若机组主汽温波动过大，将导致锅炉和汽轮机金属管材及部件疲劳，还将引起汽轮机汽缸和转子的胀差变化，甚至产生剧烈振动，危急机组的安全运行。过热汽温温度过高，会使锅炉受热面及蒸汽管道金属材料的蠕变速度加快，降低使用寿命。过热汽温过低，会降低机组的循环热效率，一般汽温每降低5-10℃，效率就会降低约1%，同时会使通过汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损。

对于超超临界直流锅炉，给水控制系统的任务是既要参与负荷控制又要参与汽温控制。当进入高负荷直流运行方式（干态）时，锅炉给水控制系统的主要任务是在不同负荷阶段保持合适的燃水比，以控制过热器出口汽温。一旦燃水比失调，对过热器出口汽温产生严重影响，导致过热器出口汽温波动剧烈，严重影响机组的安全运行。因此，机组运行过程中给水控制系统的目標就是要维持合适的燃水比，给水控制系统的设计的合理性及控制系统调节品质的好坏将直接影响整个机组的安全经济运行。

三、优化方案

1.主、再热汽温采用smith控制

火电机组汽温被控对象是具有大迟延、大惯性、非线性及时变性的复杂系统，在机组变负荷过程中，由于煤水比失调引起主汽温发生变化时，喷水减温不能及时适应主、再热蒸汽温度调节的需要，主、再热蒸汽温度波动较大。同时由于机组本身存在一些问题，比如机组在基建调试运行中，由于机组在中、高负荷段时一级减温器前后温度随喷水量变化不大，将一级减温控制策略从串级方式改为了单回路控制，从而控制过程较为缓慢，温度波动较大。

针对遇到的问题，采用Smith预估控制的方法，Smith预估控制是用于时滞对象的有效控制方法，对被控对象的参数变化很敏感，为了提高控制系统的鲁棒性，通过机组运行过程中的扰动试验，获取主、再热汽温对象模型参数，同时对常规Smith预估控制进行改进，以便更能适应被控对象的变化，改善系统的控制调节性能。

分别对过热器一级减温水单回路控制的PID控制器，过热器二级减温水串级控制的主、副PID控制器采用PID变参数控制方式，通过观测计算机组负荷变动过程中的控制器调节效果，根据机组的当前负荷来动态调整PID控制器的最佳参数，从而达到最优的控制效果。

2.给水控制系统优化

对于超超临界直流锅炉，给水控制系统的任务是既要参与负荷控制又要参与汽温控制。控制汽温的主要手段是通过给水控制系统维持合适的燃水比，给水控制系统的设计的合理性及控制系统调节品质的好坏将直接影响整个机组的安全经济运行。在优化过程中，主要是对机组给水流量指令设定值以及对中间点温度自动控制修正给水指令回路进行了优化。

2.1给水流量设定值生成回路优化

直流锅炉在运行过程中一项重要的任务就是保证机组在运行过程中具有合适的水煤比。在给水流量设定值优化过程中，采用水跟煤的运行方式，但是由于机组实际运行过程中，加水远比加煤响应及时，因此在调节过程中，充分考虑机组运行时的自身变化规律，通过锅炉主控指令、中间点温度修正、给水前馈及多阶惯性环节最终得出给水流量设定值。保证机组在燃水比适当、过热汽温基本不变的同时能够快速响应负荷变化。多阶惯性环节能够保证快速的给水流量变化与慢速的燃烧过程相适应，保证负荷动态响应过程的匹配，使机组在动态变负荷过程中，煤水配比更加合理。

2.2中间点温度自动控制修正给水指令回路优化

中间点温度的调节在超超临界机组的给水和过热汽温控制中起着重要的作用，但是由于燃水比变化时，过热汽温的响应延时很长，当采用中间点温度控制策略时，中间点温度设定值由锅炉设计说明书获得，由于机组自身原因，运行值普遍低于设计值，为了保证调节的有效性和及时性，在充分进行试验摸清规律的基础上，通过采用加偏置的方式来保证设定值符合当前运行工况下的最优设定值，从而保证在机组燃水比失调时能够对给水流量指令进行实时校正，在控制中间点温度的同时兼顾过热气温的变化。

此外还根据不同负荷工况下中间点温度变化对给水流量指令的修正作用量不同，采用变PID控制参数的方法，使不同负荷工况下，PID都能在最佳工况下参与调节。另外在中间点温度修正给水回路中不但采用了变PID控制参数优化方法，同时也对控制逻辑进行了一定的完善。结合负荷变动试验发现，在负荷变动试验过程中给水给煤配比相对合适，主汽温和过热度相对合适，但是在负荷变动结束后的一段时间内通过试验发现机组的主汽温会有很大的波动，此时汽温变化的涨幅和速度都比较剧烈，汽温增长很快，运行人员调节手段有限，通过对运行曲线进行分析，对逻辑进行了适当的优化。主要原则就是在负荷变动过程中弱化通过中间点温度控制给水的调节，当机组负荷变动结束时，恢复已有的回路控制参数，从而保证中间点温度调节给水的有效性，从而保证机组运行过程中给水指令的精确，进而保证运行过程中合适的水煤比。

中间点修正给水自动控制策略

3.锅炉主控、燃料量指令回路优化

直流锅炉在负荷变动过程中有2种调节方式，一种为煤跟水方式，另外一种为水跟煤方式。煤跟水的方式运行过程中更有利于主蒸汽压力的控制，水跟煤的方式运行过程中更有利于主蒸汽温度的控制。托电五期采用的是水跟煤的运行方式，在调节过程中根据煤量来进行修正给水流量。因此需要保证机组运行过程中不同负荷工况下的燃料量指令的合理精确值。

在回路优化过程中，针对锅炉主指令回路的锅炉主控前馈分量引入主蒸汽压力设定值微分环节，使机组能够在接收到主蒸汽压力设定值指令后能够迅速动作，提高锅炉主指令的变化速度，从而能够更及时的满足指令的变化需求。

在锅炉总燃料量生成指令回路的燃料主控前馈回路中分别引入负荷指令与主蒸汽压力控制偏差微分环节，使机组燃料量变化及时准确，能够迅速适应负荷变化的需求，提高锅炉自身的响应能力。

结论

针对五期机组面临的问题，热工专业从实际问题出发，在机组进行锅炉燃烧调整试验及机组升降负荷试验过程中，抓住机组存在的主要矛盾和核心问题，逐步摸清机组不同工况下的运行参数变化规律以及机组运行参数数值，通过采用先进的控制算法，对自动控制系统设定值、PID参数以及相应前馈参数对机组基于中间点温度的协调控制系统进行了优化，取得了满意的效果，很大程度上减少了机组运行人员人工干预的频率和幅度，保证了在投入自动的条件下系统自身的调节能力，提高了机组运行的安全性、经济性。

参考文献

[1]《自动控制理論》

[2]《火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》

作者简介：王三明，男，（1985-2）满族，吉林松原人，工程师，本科，热控技术员。