热电联产机组的控制优化策略研究

张德才

阳煤平原化工有限公司 山东德州 253100

1 常规的控制方法

热电联产机组是一个多输入、多输出的被控对象。输入有锅炉燃料量、抽汽蝶阀开度、汽轮机高调门开度；输出有汽轮机中压缸排汽压力、汽轮机机前压力、机组发电负荷。当前普遍采用的热电联产机组控制方法为锅炉燃料量控制汽轮机前压力；汽轮机高调门开度控制机组发电负荷；汽轮机中压缸压力由调节蝶阀来调整[1]。

热电联产机组额定发电负荷指令（AGC）通过速率约束后即为实际发电指令，一般发电负荷指令设定为每分钟调节1.5%Pe（Pe为额定负荷），对于300MW机组，通过计算可知其发电负荷速率约为4.5MW/min。供热回路汽轮机抽汽压力经调整调节蝶阀开度来控制。锅炉主控输出到控制燃烧系统：为响应锅炉主控输出变化，相应的锅炉给煤量也要随之调整，一次风量、二次风量均需乘以一不同系数进行修正以适应锅炉主控输出变化，在此选择一阶惯性环节1/（10s+1）来描述；汽轮机同样也选择一阶惯性环节1/（10s+1）；对于抽汽蝶阀开度的变化速率，控制系统一般采用惯性或者限速环节来约束，这里也用一阶惯性环节1/（10s+1）来描述。下面对热电联产机组在不同工况下的运行特性进行分析，首先看一下常规控制系统在额定发电负荷工况、额定供热负荷工况下的运行性能[2]。

图1 常规热电联产机组控制系统原理

2 改进后的控制方法

由上述仿真结果及分析可知，常规控制方案中机前压力波动并不明显，但存在一个明显的不足，就是AGC的指令跟随性能差，延迟时间太长，不能满足电网快速性响应要求，无法实时参与电网调峰。要解决这一问题，需要考虑新的系统控制方案来提高系统发电负荷响应能力这一关键性能指标的快速性，这里提出一种基于热惯性的改进控制方案来解决这一关键的系统性能指标。新的方案利用锅炉燃料量控制机组发电负荷，汽轮机高调门开度控制汽轮机机前压力，通过改变供热抽汽调节蝶阀开度控制供热抽汽流量，优化后的控制系统发电功率能够快速跟踪功率指令变化[3]。

改进后的热电联产机组控制原理通过引入非线性滤波器，将AGC指令分解成基本负荷指令和波动负荷指令两个部分。其中，基本负荷指令仍然由常规机组控制系统进行调控，而将蝶阀开度指令与惯性环节叠加之后，由波动负荷指令对蝶阀开度进行控制。

对改进后的控制方案在额定发电负荷工况下和额定供热负荷工况下进行仿真分析，观察系统的相关运行情况。无论是额定发电负荷工况还是额定供热负荷工况，整体仿真时间都设定为3000s，其中在1000s时，额定发电负荷工况下给定负荷由300MW渐变到270MW；额定供热负荷工况下给定负荷由235MW渐变到215MW。

对比常规控制方法和改进后的控制方法，可以发现：

（1）无论是额定发电负荷工况还是额定供热负荷工况，改进后的控制系统的机前压力波动都要大于常规控制系统，在额定发电负荷工况时，机前压力值最大达到18.5MPa；在额定供热负荷工况时，机前压力值最大达到18MPa。系统无论工作在额定发电负荷工况还是额定供热负荷工况，改进后的系统控制方案中发电负荷的控制性能不管在跟随性还是在稳定性上，都要明显优于常规控制系统。

（2）由于在发电负荷的控制性能上，改进后的控制系统优于常规控制系统，相应地，在额定供热负荷工况下，改进后的控制系统的抽汽压力波形和抽汽流量波形优于相应的常规控制系统下的波形。综上所述，改进后的控制方案优于常规控制方案，特别是改进后的控制系统发电负荷的跟随性能优异，能满足热电联产机组发电负荷控制的快速性要求，而发电负荷控制的快速性又是热电联产机组参与电网系统调峰的先决条件。

3 结语

在额定发电工况和额定加热工况下，对常规的热电联产控制系统进行了分析和仿真，仿真结果表明，常规控制系统对发电负荷响应这一指标的跟随性，有大约200秒的时间延迟。热电联产系统的控制方法通过利用锅炉燃料量控制装置的发电负荷和汽轮机高门开关控制汽轮机前压力进行了改进，并且与常规控制方法模拟进行比较的结果是对各种控制系统进行了改进。改进后的发电机负载响应指数响应速度快，可跟踪性好，改进后的控制方案的总体性能优于常规控制方案。