350MW超临界机组协调控制系统的优化

谭成恩

摘 要：简要的介绍了辽宁大唐国际沈东热电有限责任公司350MW超临界机组的协调控制系统的结构、性能、响应特点及其在现场的实际应用情况，并对机组协调控制系统进行分析、研究，提出了优化负荷指令对燃料控制前馈环节的作用、锅炉主控PID采用变参数控制、BTU煤质校正、汽机主控采用负荷定值的微分前馈及压力拉回等控制策略。实际应用表明，优化后的协调控制系统能够快速响应AGC负荷指令，同时保证了机组本身各项参数的稳定运行。

关键词：协调控制；超临界；AGC；前馈

中图分类号：TK39 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）18-0154-02

近年来，随着国民经济的高速发展，电网容量逐渐增大，对供电质量的要求也越来越高，这就需要通过AGC控制来实现，而AGC的投入要建立在协调控制系统具有良好品质的基础之上。因此，结合超临界机组的特点，研究其自动控制系统，尤其是研究机组协调控制系统的控制策略显得尤为重要。目前，由于电网对AGC的控制品质及功能要求越来越高，从而对协调控制系统提出了更高的要求。为此，本文重点介绍了如何改进及优化协调控制系统，以满足机组AGC的投入要求。

1 机组概况

辽宁大唐国际沈东热电有限责任公司一期建设工程为两台350MW超临界参数燃煤发电机组。汽轮机由北京北重汽轮电机有限责任公司供货，锅炉由东方电气集团东方锅炉股份有限公司供货。

汽轮机为超临界参数﹑一次中间再热、单轴、双缸双排汽抽汽凝汽式汽轮机。整机共设有25级，其中高压为1+7级、中压为7级、低压为2×5级。机组采用3高加+1除氧+4低加、1台100%B-MCR容量的汽动给水泵+1台50%（两机公用一台）的通用回热系统。高低压串联40%旁路系统，额定功率为350MW，额定主蒸汽压力为24.2MPa，额定主蒸汽温度和额定再热蒸汽进口温度为566℃。

锅炉为超临界参数变压运行直流炉，单炉膛、一次中间再热，采用前后墙对冲燃烧方式、平衡通风、紧身封闭、固态排渣、全钢悬吊结构Π型锅炉。每台锅炉配6台中速磨煤机，5台运行，1台备用。每台锅炉配2台动叶可调轴流式送风机，2台变频离心式一次风机。

控制系统采用上海新华控制技术集团科技有限公司制造的XDC800分散控制系统，该DCS系统主要包括DAS、MCS、FSSS、SCS、ECS五大部分。

2 协调控制系统简介

协调控制系统（CCS）就是将单元机组的锅炉和汽轮机看作一个整体进行控制的系统。协调控制系统在保证机组安全的前提下尽快响应调度的负荷变化要求，并使机组经济和稳定地运行。

协调控制的目的是基于DCS系统的投入与应用，在机组AGC负荷动态响应中提升燃料量控制、给水量控制、风量控制、主汽温度控制的动态响应速度，改善其动态响应特性，进而能够达到优化控制。同时，协调控制能够通过DCS控制燃料量、风量、给水量、主汽温度等相关因素，提高机组负荷相应中的稳定性以及准确性，缩短调整周期、提升优化效率，避免过积分饱和现象的出现，提升机组的控制精度。由于协调控制能够兼顾到机组的各个环节的决策信息，因而当机组内燃烧的煤种、煤质发生变化时，能够连续的对控制指令自动进行补偿，进而能够将影响燃烧热量的各方面因素调整到外界需求的水平。

3 協调控制系统的结构、特点分析

3.1 协调控制系统的结构

单元机组协调控制系统可认为是一种二级递阶控制系统。上位级即机炉协调级，单元机组主控系统是整个系统的核心部分。局部控制级包括锅炉燃料控制系统、风量控制系统、汽轮机功率调节系统以及直流锅炉的给水控制系统。单元机组主控系统产生指挥机炉控制器动作的锅炉指令和汽机指令。局部控制级的控制器执行主控系统发出的指令，完成指定的控制任务。

3.2 协调系统的主要模式及其特点分析

沈东热电公司机组的协调控制系统设计下列四种控制模式：

基本方式（BM）：锅炉主控和汽机主控均在手动方式运行，这种情况大多是在机组启动不久或在一些特殊工况下。

锅炉跟随（BF）：汽机主控在手动方式，由操作员手动设定汽机调门开度指令，控制机组负荷。锅炉主控自动调整机前压力，该方式下机组负荷响应快，动态过程压力波动相对较大，系统抗干扰能力较差。

汽机跟随（TF）：锅炉主控在手动方式，由操作员手动设定燃料指令，控制机组负荷。汽机主控自动调整机前压力，该方式下动态过程压力波动较小，机组运行稳定，但是机组负荷响应慢。

协调方式（CCS）：沈东热电公司的机、炉协调控制系统采用以锅炉跟随为基础的协调控制方式（CCBF），该方式下汽机主控自动控制机组的负荷，锅炉主控自动维持主汽压力的稳定。这种协调控制系统策略的特点是机组负荷响应快，负荷控制精度高，动态过程压力相对汽机跟随方式波动较大。

沈东热电公司作为接入东北电网的供热机组，由于AGC的投入，为了使机组能够按照电网的要求达到较快的功率响应，就把CCBF 作为日常运行的主要控制方式。

4 协调控制系统逻辑优化

4.1 锅炉侧

4.1.1 合理利用锅炉蓄热

锅炉是一个巨大的蓄热装置，当机组负荷要求发生变化时，如果能够比较合理的利用其蓄能的变化，可以大大提高机组对负荷指令的响应速度。虽然直流炉的蓄热能力相对比较小，但也要充分的利用其蓄热。沈东热电公司协调控制系统合理利用了锅炉这部分蓄热，允许主蒸汽压力的合理波动，即在机组负荷变化的开始时候，取消主蒸汽压力偏差对汽轮机调门开度的限制作用。升负荷的初期，允许主蒸汽压力适当地下降；开始降负荷的时候，则允许主蒸汽压力适当地上升。

4.1.2 BTU煤质校正回路

传统的协调控制系统中并没有考虑煤质频繁变化对热量信号的影响，并且煤质变化与负荷、给煤量呈非线性关系，从而会对机组主蒸汽温度、主汽蒸压力及功率造成一定的影响，因而沈东热电公司协调控制系统中加入煤质校正回路，并且通过热量信号对给水量、给煤量进行相关的一些控制，以保证锅炉的供应能力能满足实际需要。

4.1.3 锅炉主控制器PID采用变参数控制

锅炉主控PID参数采用变增益，变负荷时减小比例系数和加长积分时间，削弱PID的调节作用，使得变负荷时炉主控前馈占据主导地位；另一方面，稳态时由于压力是一个变化缓慢、迟延时间大的控制对象，因此引入非线性元件，当压力偏差小于0.1Mpa时，PID的调节作用放慢一半，稳定机前压力，避免压力和燃料量的来回摆动。

4.1.4 负荷指令前馈

机组负荷指令作为锅炉主控制器的前馈信号，其包括静态和动态两部分。静态微分前馈为f3（x），动态实际微分前馈为f4（x），经折算函数f5（x）后作为燃烧率的前馈信号，加快了燃料调节的燃烧速度，如图1中GLFF1。

4.1.5 主蒸汽压力偏差微分前馈

主蒸汽压力偏差的微分信号作为锅炉主控制器的前馈，提高了燃料率对主汽压力的响应，如图1中的GLFF2。采用外部微分前馈比锅炉主控的直接微分作用对主汽压力的反应要迅速。

4.2 汽機侧

4.2.1 汽机主控的微分前馈

如图1中f6（x）负荷指令的实际微分，作为汽机主控制器PID2的前馈信号，加强了机侧对电网一次调频的响应速度。但是此微分的作用不宜过强，否则将会造成汽机调门的振荡。

4.2.2 汽机主控负荷指令修正（压力拉回）

在协调控制方式下，将炉侧主汽压力偏差经比例函数f7（x）负向叠加到汽机主控PID2指令回路中。当压力偏离设定值达到一定范围时，压力的负向偏差将按一定系数修正汽机主控的负荷指令。由于机侧的电调响应较快，实发功率很快按要求改变，从而反向抑制压力偏差的增大，起到辅助锅炉调压的作用。

对负荷指令回路修正后，通过试验调整f7（x）函数的参数，选择适当的比例系数和死区，经过多次大负荷变动试验测定，该回路可以有效而快速地消除炉侧的压力偏差。它充分利用了汽机能快速消除压力偏差的特性，但功率响应有所减缓。通过适当折中，可以明显地改善机组协调控制系统的性能，在主设备和控制系统正常运行的情况下，协调控制系统的性能基本上达到了规程要求。

5 优化后的投运情况

机组在AGC方式下，我们对协调控制系统进行了负荷定值扰动试验，负荷定值扰动从200MW加到350MW，来观察实际负荷和压力的调节效果。通过图2可以看出，负荷在200MW不变时主汽压力实际值与设定值跟踪良好，最大动态偏差为0.2MPa，机组实发功率与ADS指令跟踪一致；在负荷扰动过程中，主汽压力实际值与设定值最大动态偏差为0.5MPa，并且能迅速达到稳定状态，机组实发功率与ADS指令跟踪良好，最大动态偏差仅为1MW。从负荷定值扰动试验可以看出，沈东热电公司的协调控制系统的稳态性能和动态性能比较好，完全达到热工监督规程的技术规范要求。负荷定值扰动下负荷-压力变化曲线如图2所示。

6 结语

超临界直流炉机组是一个多输入多输出的控制对象，各个过程参数之间的偶合较强，动态特性的延迟和惯性时间大。因此，直流炉的自动调节系统较复杂，控制难度显著增大。为了协调机组功率与机前压力、负荷需求与实际出力之间的平衡，我们通过前馈控制、变定值、变参数、BTU煤质校正等控制方式的结合，提高了机、炉的快速响应能力，保证了主蒸汽压力、温度的平稳。协调控制系统的优化不仅提高了机组的经济性，也为安全运行打下了坚实基础。

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