INFIT控制系统在燃煤电厂AGC运行方式下的应用效果分析研究

蒋奕锋，朱春玉，许建林，王 锋

(神华国华寿光发电有限责任公司，山东 潍坊 261000)

随着风能、太阳能等新能源发电容量的持续增长，新能源发电的不稳定性及间隙性，容易对电网产生冲击的特点被逐渐放大，电网侧对发电容量占多数的燃煤机组负荷响应能力提出了更高的要求，为保障电网安全，执行国家政策方针，充分发扬燃煤机组压舱石、稳定剂的作用，增强清洁能源的消纳，每个省份都出台建立了辅助服务补偿机制，多数火电机组为提高新的利润增长点，也积极地介入电网的辅助服务，实时参与调峰任务，甚至进行深度调峰。但是随着机组负荷变化范围和变化频率的大幅度增加，同时在深度调峰工况下运行的比例逐步加大，机组的安全、稳定运行受到重大影响，机组经济性也受损失，为确保机组运行的安全与经济，适应大环境所要求，燃煤机组进行自身升级，采取更加适应电网要求的灵活性改造，控制系统的升级就是其中一项，本文通过试验验证，在采用INFIT新控制系统后，机组在参与电网辅助服务时能够明显提高机组安全性与经济性，减少电网的查核，确保得到电量奖励。

1 锅炉概况介绍

某电厂一期工程为2×1 000 MW超超临界湿冷机组。锅炉为东方锅炉厂生产的超超临界参数直流炉、前后墙对冲燃烧、半露天布置、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构Π型布置的燃煤锅炉，运行参数为28.6 MPa/605 ℃/623 ℃。

2 原DCS控制系统投用时机组运行性能

该厂现DCS控制系统采用和利时MACSV5.2.5b系统，该系统和所有大多数控制系统一样采用了负荷指令前馈+PID反馈的调节方案，如图1所示，锅炉主控回路的输出作为锅炉主指令同时控制给水量和燃料量，保证机组在负荷变化时始终保持合适的水煤比，进而保证主蒸汽温度和主汽压力在稳定区间。其核心思想在于：通过给煤量的过量调节，保证机组负荷响应速度跟上调度要求，而允许主蒸汽压力在一定范围内波动。弊端在于以锅炉调压汽轮机调节负荷的CCS控制方式在煤种多变、负荷波动范围大时，锅炉调节压力的滞后性被无限放大，导致主参数波动较大，甚至发散失去控制，无法满足当前电网调度要求。

图1 原DCS控制系统锅炉主控逻辑原理

#1机组未投用INFIT优化系统时，在AGC方式下(O模式)机组的运行性能曲线如图2所示(负荷区间739 ～800 MW)，可以明显看出#1机组在投用原DCS协调控制的运行调整特点：

(1)AGC考核：机组无法达到山东电网AGC R模式的投用基本要求，机组辅助服务功能存在欠缺；

(2)负荷控制：负荷变化率虽能设为10～15 MW/min，但在跟踪过程中的性能较差，调节滞后明显；

(3)主汽压力控制：实际压力与设定压力存在明显偏差，负荷变化速率为10 MW/min时，压力偏差最大达0.7 MPa且长时间无法消除，煤量过量调节过大，汽机调门波动频繁，不利于汽机运行；

(4)主汽温度控制：当负荷变化在10～15 MW/min时，水煤比最低达到6.0，造成主汽温度偏低，最大达到12 ℃，且长时间无法恢复到正常温度，机组安全性受较大影响；

(5)再热汽温控制：再热烟气挡板无法自动调节再热汽温，需要人为手动调整，灵活性和及时性受到制约，再热汽减温水用量偏大，机组经济性得不到保证。

图2 投用原DCS协调控制时机组负荷、主汽压力、过热器汽温、再热器汽温曲线

3 投用INFIT优化系统的运行性能

INFIT系统的优势在于依据锅炉的非线性模型及提前预控技术，针对汽轮机与锅炉调节存在差异的特性，对锅炉的“蓄热量”进行提前计算，从而提前调整煤量，正确弥补锅炉调节的滞后性，保证机组具有较迅捷的负荷变动速率和平缓的压力变化，有效针对我国当前燃煤机组调峰次数增多、重要参数波动大及控制系统无法良好适应煤种变化等问题，并根据特征参数变化及时预测AGC方式下控制系统的前馈和反馈回路中的各项控制参数，保证控制系统性能永远处在最佳状态。原理如图3所示某电厂#1机组2019年7月26日初次投入INFIT系统后，通过约一周的调整及优化，机组的AGC控制、CCS、主再热汽温均有了显著的改善。

图3 “INFIT”新控制系统逻辑图

3.1 CCS方式下高负荷20MW速率变负荷试验的控制性能

在7月29日16∶00—17∶00，#1机组以20 MW/min的速率在800～900 MW进行了一次三角波变负荷试验，具体方法为机组以20 MW/min速率从900 MW降至800 MW又快速升至900 MW的变负荷试验；

结合图4和表1可以看出#1机组投入INFIT优化系统后进行20 MW速率变负荷试验的整体性能：

(1)负荷控制：实际负荷及时依照设定变负荷速率变化，负荷跟踪精度高，偏差小，过程平稳，过调量很小；

(2)主蒸汽压力：主蒸汽压力调整偏差小，在0.3～0.4 MPa，在负荷稳定时偏差在±0.1 MPa，几乎无调节振荡现象；

(3)主蒸汽温度控制：主蒸汽温度控制性能良好，试验中主汽温动态偏差仅为+1 ℃/-2 ℃，水煤比在6.5～8.0波动，控制平稳；

(4)再热温度控制：再热汽温控制采取既调节汽温又调节金属壁温的设计，在壁温超限时优先控制壁温，在变负荷期间，蒸汽温度波动幅度为+5 ℃，控制平稳。

图4 #1机组高负荷段15～20 MW/min速率CCS变负荷试验控制曲线

表1 20 MW/min速率变负荷试验数据

3.2 CCS方式下深调负荷段10MW速率变负荷试验的控制性能

在7月30日3∶00—4∶00，#1机组以10 MW/min的速率从500 MW降至400 MW，稍作稳定后由400 MW升为500 MW，分别进行了两次100 MW幅度的单向升降负荷测试。

测试过程中的负荷、主汽压力、主再热汽温控制曲线见图5。测试过程中的特征参数波动情况见表2。

图5 #1机组深调负荷段10MW/min速率CCS变负荷试验控制曲线

结合图5和表2可以看出#1机组投入INFIT优化系统后在深度调峰阶段进行10 MW速率变负荷试验的整体特点。

(1)负荷控制：在该时间段内进行变负荷试验中机组实际负荷控制偏差满足要求，调节良好，汽机侧调节控制平缓；

(2)主汽压力控制：在整个变负荷测试中，主汽压力的动态偏差仅为0.2～0.3 MPa，在负荷稳定时的稳态偏差更是<±0.1 MPa；

(3)主汽温度控制：变负荷试验中主汽温动态偏差仅为+2 ℃/-5.2 ℃，水煤比在7.0左右小幅波动，主汽温整体控制平稳；

表2 10 MW/min速率变负荷试验数据

(4)再热温度控制：在变负荷试验中，再热蒸汽温能可控制在±5 ℃范围内，壁温无超限现象，控制平稳。

在CCS方式下进行升降负荷发现，证明了机组的调节能力改善明显，在申请调度同意后，进行了远方AGC R模式及AGC O模式的试验，其中AGC R模式下，机组负荷根据电网频率自动生成，机组负荷变化频率及幅值相对较大，对机组控制系统的稳定性及安全性要求更高，相对的电网对于参与辅助服务的机组投入AGC R模式，考核的次数更少，享受电量补偿更多。AGC R模式的主要指标有投入率KP、调节速率K1、调节精度K2、响应时间K3四个参数。本次主要收集AGC R模式的数据，时间为8月1日和8月2日两天，每次投用AGC R 时间为6 h。

图6是8日1 #1机组投入INFIT系统以AGC R模式运行6 h的控制曲线，期间#1以15 MW/min速率在590～836 MW进行AGC调节，机组调节特性远远优于投用原DCS控制下平稳负荷的控制性能：

(1)AGC考核值：综合考核系数KP≈2.4～2.5，远优于AGC R模式的投用门槛值1.6，如表3所示；

(2)主汽压力控制：主汽压力最大动态偏差仅为0.3～0.5 MPa，绝大部分时间仅存在0.2 MPa的控制偏差；

(3)主汽温度控制：主汽温度始终控制在设定值±6 ℃范围内波动，绝大部分时间偏差仅为±2 ℃，水煤比在7.0左右波动，整个过程平缓；

(4)再热汽温控制：再热汽温始终可以控制在一个设定值±5 ℃范围内，且绝大部分时间温度偏差仅为±3 ℃，壁温无超限，安全性得到较大提高。

图6 #1机组投用INFIT系统AGC R模式运行控制曲线

表3 投用INFIT优化系统前后的AGC R模式考核数据及调整电量

4 结 论

通过试验可以看出，参与辅助服务的机组，在使用INFIT控制系统后取得了良好的效果，主要表现在以下方面：

(1)8月1日、8月2日共投用AGC R模式约12 h，调整电量总共为11 277 MW，每兆瓦出清价格为6元，按照计算公式的AGC补偿费用为61 015元，约5 084元/h。假设全年有1/3的时间参与辅助服务，投入AGC R模式，全年的AGC补偿费用为5 084×24×365×0.333=1 483万元/年。

(2)通过与原DCS系统技术相比，可以看出INFIT系统投用后有明显的社会经济效益改观，经济性的提高主要体现在汽机高压调门节流损失减少、主汽温度提高、再热汽温提高、再热减温水量降低4个方面。

汽机高压调门节流损失若按5%计算，百万机组汽机节流损失约降低煤耗约为1.5 g/kW·h。

主汽温平均提高1.78 ℃，百万机组对应煤耗降低0.207 g/kW·h；再热汽温提高1.34 ℃，对应煤耗降低0.075 g/kW·h；再热减温水量可以降低5.70 t/h，对应煤耗降低0.240 g/kW·h，综合标准煤耗成本降低0.522 g/kW·h。按照年平均负荷率65%，标煤600元/t计算，可降低运行成本178万/年。

另外，由于调节性能的提升，机组主要运行参数的波动大大减小;INFIT控制系统兼顾控制再热汽温壁温超限的特性，减少了氧化皮集中脱落甚至超温爆管的风险，从而确保锅炉安全稳定运行。

5 结 语

随着新能源项目并网增多，燃煤机组的考验将会持续增大，INFIT 系统是一款专门针对当前燃煤发电机组参与辅助服务、负荷升降频繁、控制系统存在欠缺、煤种适应性不佳等问题而设计的优化控制方案。采用INFIT控制系统后的燃煤机组能够更好地应对AGC控制，调节精度能够有效保证，且成本较低，具有很高的综合性价比，非常适合推广应用。