火电机组深度调峰下的优化控制策略

黄启东

[摘    要]截至目前，我国已经实现了多元化发电，但是火力发电依然是我国主要的发电方式，因此火电厂在我国总能源当中占有最大的比重，而火电机组调峰深度不足50%。我国北方冬季需要集中供热，而在这一时期北方地区的火电厂电力组调峰深度仅有10%～20%。如此低效的调峰深度对我国能源高效利用十分不利，对此我国急需要探寻更加先进的火电机组深度调峰技术途径，从而更好地适应新时期新能源战略发展需求，使新能源入網比例进一步扩大，同时兼顾大容量火电机组节能减排，提升火电机组深度调峰、灵活性，有效提升新能源入网。

[关键词]火电机组;深度调峰;控制技术

[中图分类号]TM621 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）04–000–03

Optimal Control Technology under Deep Peak Load

Regulation of Thermal Power Units

Huang Qi-dong

[Abstract]Up to now， my country has achieved diversified power generation， but thermal power is still the main power generation method in my country. Therefore， thermal power plants account for the largest proportion of my country's total energy， and the peak shaving depth of thermal power units is less than 50%. In northern my country， central heating is needed in winter， and during this period， the peak shaving depth of thermal power plants in northern areas is only 10%-20%. Such inefficient peak shaving depth is very detrimental to the efficient use of energy in my country. For this reason， my country urgently needs to explore more advanced deep peak shaving technology for thermal power units， so as to better adapt to the new energy strategic development needs in the new era and increase the proportion of new energy into the grid. Further expansion， while taking into account the energy-saving and emission reduction of large-capacity thermal power units， is committed to improving the deep peak regulation and flexibility of thermal power units， and effectively improving the access of new energy to the grid.

[Keywords]thermal power unit; deep peak shaving; control technology

《可再生能源法》颁布以后，我国新能源产业开始爆发式增长，由此新能源在我国能源当中所占比例进一步提升。因为使用新能源发电电能波动性与电网配套政策缺失，给我国新能源进一步发展造成影响，因此这也是我国新能源电力急需解决的一项问题。为了解决这一问题，我国电改也实现了进一步深化，用电方面进一步实现市场化，我国已经开始了发电企业和用户之间实现有效交易，同时扩大了用电市场化以后在总交易量当中所占比重，在很大程度上实现了电力市场的进一步完善。为了进一步统筹规划电力市场化需求，急需要提升火电机组运行灵活性，强化火电机组深度调峰能力。

1 现阶段我国火电机组控制情况

我国现阶段的火电机组控制均使用DCS（集散控制系统），对于大型的火电机组会配备协调控制系统。为了最大程度上保证火电机组安全、稳定、经济运行，使火电机组灵活性、深度调峰能力得到有效提升，需要对火电机组协调控制系统进行升级。深度调峰工作中，指标、参数均是影响火电机组运行供电品质的主要因素。火电机组负荷响应速度、稳定性、主蒸汽压力、主蒸汽温度因为受到了火电机组锅炉热纯迟延、高阶惯性特性影响，单纯使用DCS协调控制系统不能满足现阶段火电机组控制系统中控制算法、策略，不能达到理想的效果。

现阶段我国的DCS制造商在软件设计、组态等方面普遍没有太多的投入，而是一直使用一些国际上早期使用的控制方案、算法。这些国际上早期的技术、方法实际上已经不能满足当前我国电力改革背景下的发展需求，导致现场调试工作不能充分的、细致的实现。正因如此现阶段火电机组控制系统仅能满足小幅度的负荷变化以及低速率负荷变化调节。而对于大幅度、高速率负荷变化调节，特别是对于深度调峰，现阶段的控制系统不能有效确保火电机组的安全、稳定运行，与此同时在实际运行过程中常常出现主汽压、功率、气温等一系列参数大幅度变化。

2 机炉协调

传统的机炉协调控制系统大致可以分为以炉跟踪为基础的机炉协调控制系统（CBF），以机跟踪为基础的机炉协调控制系统（CTF）。每种控制系统各有利弊。CBF，汽机侧DEH功率控制系统来控制机组功率信号。因为机组功率关系到汽机调速汽门开度变化，因此具有极其迅捷的响应速度。使用CBF可以很好地确保火电机组的功率稳定性，不过因为火电机组主蒸汽压力受到锅炉燃烧率控制，同时主蒸汽压力具有更大的动态、静态偏差，特别是火电机组负荷在较大变化速率的情况下，此时的主蒸汽压力具有更大的偏差。为了使火电机组运行更加稳定，许多机组都使用压力拉回策略进行控制，有效地控制了负荷的变动速率，同时降低了火电机组负荷变动响应性能。

对于CTF而言，因为汽机侧主控制器负责主蒸汽压力的变化，锅炉主控制器调整入炉燃料的总量实现对机组功率的控制，同时CTF汽机侧控制系统调整汽机调速汽门实现对主蒸汽压力的控制，由此往往可以达到较为理想的主蒸汽压力特性控制效果。不过因为火电机组功率的控制是通过对燃料总量的控制来实现的，因此燃料成为确保火电机组功率控制的主要影响因素。受到燃料总量的影响，火电机组功率的响应特性、主蒸汽压力响应特性具有相似之处，这就会造成在负荷变动情况下，火电机组功率具有较大的起始惯性，最终造成控制过程中火电机组的功率动态、静态偏差进一步增加。

通过分析后可以发现，现阶段主要使用的两种机炉协调控制系统各有利弊，而为了满足火电机组灵活性，提升火电机组的深度调峰能力，需要对机炉协调控制系统进行改良、优化。现阶段主要使用的机炉协调控制系统在实际生产中已经运行多年，因此具有相对成熟的运行方案与设施组成，这为在最小变动条件下展开最大的优化、创新提供了条件。

3 优化改进机炉协调

对于CBF，消除主蒸汽压力变化的主要因素是锅炉的燃烧率。在汽机调速汽门开度没有变化的情况下，在燃料总量影响的情况下，主蒸汽压力响应速度远不及汽机调门干扰情况下主蒸汽压力响应速度，同时汽机调门开度伴随着火电机组的功率变化需要实时变化，并且结合机炉协调控制系统起初的设计，如果要实现机组功率快速响应、火电机组参数稳定，需要同时考虑到至少两方面因素。

对于CBF，需要适当地限制火电机组起始功率速率控制，防止主蒸汽压力变化过快，最终实现主蒸汽压力稳定。实现这些要求以后，CBF中的火电机组功率变化不能实现有效提升。但是主蒸汽压力具有较大的动态偏差。在进行深度调峰时，为了有效改善负荷的变动特性，可以选择使用能量平衡信号反馈，以实现锅炉侧响应速度的提升。

在使用CTF的情况下，因为在实际生产过程中会出现不同的情况，为了确保汽机侧主蒸汽压力不变，在燃料总量影响的情况下，火电机组功率的变化速率会相对较快。若火电机组负荷指令出现变化，主蒸汽压力控制系统当中往往会引进前馈信号作为火电机组的负荷指令信号，同时引进主蒸汽压力给定值增量，从而实现主蒸汽压力主动发生一些变化，这样就可以很大程度上减少甚至消除火电机组功率变化起始惯性，同时火电机组功率变化速率更快。CTF当中的燃料因为在调整、干扰时会引起主蒸汽压力出现波动情况，此时由汽机侧主蒸汽压力控制系统对汽机调速汽门进行调整实现有效控制。

CBF、CTF的这些响应特性存在的差异均使系统可以实现有效控制主蒸汽压力的控制特性。综合考量后，最终选择CTF，CTF可以实现火电机组功率快速响应，这是CBF难以完成的，同时具备CBF的主蒸汽压力动态、静态有效控制特性。因此在实际生产过程中，对CTF控制策略进行有效改进，对参数进行仔细整定，可以实现火电机组负荷的快速响应以及有机结合参数的稳定运行。

CTF的火电机组功率控制工作由锅炉侧燃烧率完成。控制对象具有较大的惯性，在深度调峰过程中，锅炉在运行过程中会受到多种随机因素的影响，导致火电机组的实际运行稳定性不及CBF。

鉴于此，进行优化：深度调峰工作中，倘若具有较大的负荷变动速率，此时主要采用经过改进的前馈CTF，火电机组深度调峰后期，对于功率零度、稳定性往往存在较高要求，此时使用改进后的前馈CBF，实现双向补偿的同时也发挥出系统各自的优越性能。

4 多控制策略的组合优化

结合深度调峰机组的特性、机炉协调的控制优化等一系列具有侧重面的要求，可以直接对能量平衡控制原理与控制策略进行灵活应用。无论是在CTF还是CBF当中，均设计了主汽压力控制器，求取主汽压力数值与实际数值的偏差，使用PI进行运算以后再乘以权重系数，随后再与能量平衡信号、负荷指令信号各自的权重因子乘积求和，最后将燃料控制指令输出。每个控制项都需要对权重因子参数进行对比、整定，最终可以获得最佳的控制项组合。

对于燃料控制回路，燃料量反馈使用了给煤量、切换应用热量信号，或者是对给煤量加热信号时间特性增加，对燃料的燃烧发热过程进行模拟，使用这些控制策略的优化组合可以很大程度上提升锅炉负荷变化过程中对燃料量的控制速度，同时改善机组功率动态、静态控制品质，

气温控制系统，使用传统的串级PID与Smith预估器在线切换，具体使用哪一种需要结合实际的情况。Smith具有自身的缺陷，因为Smith预估器本身对于模型误差具有高度的敏感性，对于模型的精度具有很高的要求，这给实际工程带来一定的难度，并且DCS制造商的Smith预估器补偿算法是不对用户开放的，因此使用Smith预估器控制参数整定是具有一定难度的。

5 低压加热储能参与调频

对于汽轮机侧热力系统而言，通常有3台高压加热器、4台低压加热器、1台除氧器。除氧器流出锅炉给水经过高压加热器加入到锅炉换热面，凝结的水从凝汽器流出至除氧器，途经低压加热器。因为给水控制系统实际的控制性能会对整个机组的运行安全造成影响，所以高压加热器储存的热量才不容易被安全利用，不过对于凝结水而言，由于除氧器具有很大的容积且是一种热力设备，因此具有一定的缓冲作用，在短时间缓凝结水与主给水供需未达到匹配的状态下，改变凝结水流量是对机组负荷作为回热系统能量储存的最佳选择。

5.1 凝结水变负荷

操作开始前，机组首先退出CCS，锅炉给水、给煤、控制风量，这些操作均手动，DEH汽轮机调整至阀位控制模式，操作跃式凝结水泵的转速，从1 280 r/min减小至1 250 r/min，凝结水流量变化1 250 t/h极速下降至1 160 t/h，下降幅度在90 t/h左右，负荷从614 MW提升至617 MW，提升3 MW。自凝结水泵下达转速指令，凝结水泵转速变化，凝结水流量变化，全程结束需要3～5 s，全程变化与变频器实际调节速率密切相关。

5.2 凝结水变负荷参与一次调频

凝结水变负荷实际速率受到变频器/调节阀实际动作速率、低压加热器热力特性等多重因素影响，所以只会出现在一次调频当中。辅助汽轮机DEH、CCS一同完成一次调频。调频动作以前，DEH控制前馈系统率先动作，与此同时凝结水变负荷逻辑也参与到调频当中，凝结水泵转速/调节阀第一时间动作，3～5 s后由于凝结水的变化引发了负荷响应，这对于一次調频中段调节是一种有力支持。

6 结束语

确保火电机组深度调峰过程中控制系统迅速、稳定、精确，需要对火电机组协调控制系统进行优化、改进。以火电机组原本的协调控制系统作为基础，需要对火电机组控制策略进行有效地优化、升级、改良，最终选择了最适合现阶段火电机组深度调峰的控制系统方案。改良后的方案不仅效率高、成本低，还具有很强的适应性，这种方案不需要附加设备，不需要升级改造控制器，只需要对现有的控制系统策略改良优化，就可以达到预期效果，建议在行业内推广使用。

参考文献

[1] 卫鑫.350MWCFB机组切缸深调控制系统的研究[D].太原：山西大学，2020.

[2] 杨建卫.火电机组深度调峰下的优化控制技术研究[J].电力与能源，2018，3（5）：683-685，689.