北侖1000MW超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略分析及優(yōu)化

王中勝 ，夏 明 ，趙松烈，賀賢峰，郭 峰

（1.北京國電智深控制技術(shù)有限公司，北京市，100085；2.國電北侖發(fā)電廠，浙江省 寧波市，315800）

0 引言

發(fā)展高效率、低煤耗的大容量超（超）臨界火力發(fā)電機(jī)組已是我國目前火力發(fā)電的主要方向。采用直流鍋爐的超（超）臨界機(jī)組區(qū)別于傳統(tǒng)亞臨界汽包爐機(jī)組，其工藝流程與對(duì)象特性發(fā)生了顯著變化，因此必須采用不同的運(yùn)行方式與協(xié)調(diào)控制策略。在對(duì)國電北侖電廠三期工程2×1000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組（以下簡稱“北侖1000 MW機(jī)組”）協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試與完善工作中，分析了超超臨界機(jī)組工藝過程，提出超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方案。

1 北侖1000 MW機(jī)組熱力系統(tǒng)

北侖1000 MW機(jī)組選用東方鍋爐（集團(tuán)）股份有限公司生產(chǎn)、引進(jìn)日本巴布科克日立公司（BHK）設(shè)計(jì)、超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行的鍋爐，汽輪機(jī)選用上海汽輪機(jī)有限公司和西門子聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的超超臨界、一次中間再熱、凝汽式、單軸、四缸四排汽汽輪機(jī)，機(jī)組額定主蒸汽壓力為26.25 MPa，額定主蒸汽溫度為600℃。每臺(tái)機(jī)組共配置3套德國KSB公司制造的給水泵組，其中汽動(dòng)給水泵組采用2×50%BMCR的定速給水泵，電動(dòng)給水泵組為1×30%BMCR的定速給水泵。鍋爐采用前后墻對(duì)沖燃燒方式，每臺(tái)鍋爐共設(shè)有48只旋流低NOx燃燒器，前后墻各3層，每墻每層8只燃燒器，每墻每層燃燒器由同一臺(tái)磨煤機(jī)供給煤粉，每臺(tái)鍋爐配置6臺(tái)高效可靠的MPS中速磨煤機(jī)和皮帶稱重式給煤機(jī)。

2 超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)象結(jié)構(gòu)模型

超臨界機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)象結(jié)構(gòu)模型可簡化為一個(gè)三輸入三輸出系統(tǒng)，輸入為燃料量M(%)、汽輪機(jī)調(diào)門開度μT(%)、給水流量W（%）；輸出為機(jī)前壓力PT(MPa)、機(jī)組負(fù)荷NE(MW)、分離器出口蒸汽溫度θ（℃）或焓值H（kJ/kg），其相互間的作用關(guān)系如圖1所示。燃料量增大，負(fù)荷、壓力、溫度均增大；調(diào)門開度增大，負(fù)荷增大，壓力、溫度降低；給水流量增大，負(fù)荷、壓力增大，溫度降低。圖1中實(shí)線為強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，虛線為弱相關(guān)關(guān)系，在調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)建與參數(shù)配置時(shí)，弱相關(guān)關(guān)系將予以忽略，而通過對(duì)各強(qiáng)相關(guān)分量的不同系數(shù)配比，則可實(shí)現(xiàn)不同的協(xié)調(diào)控制策略。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的時(shí)域指令模型可表述如下：

其中，ULD為負(fù)荷指令，PI、PID為調(diào)節(jié)器算法，k1～k4為負(fù)荷-汽壓分量的配比系數(shù)，f1(x)為汽機(jī)前饋函數(shù)，f2(x)、f4(x)為超前指令函數(shù)，f3(x)、f5(x)為燃水分配函數(shù)，λ、λ’為微過熱汽溫調(diào)整的選擇系數(shù)，即：若燃料側(cè)調(diào)整微過熱汽溫，λ=1、λ’=0；若給水側(cè)調(diào)整微過熱汽溫，λ=0、λ’=1。

3 北侖1000 MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制分析

3.1 北侖1000 MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略

傳統(tǒng)的鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)系統(tǒng)，也同樣適用于直流鍋爐。在這種方式下，初始階段汽壓偏離較快，但后續(xù)調(diào)節(jié)中鍋爐熱慣性小，能量補(bǔ)充快，適合連續(xù)滑壓運(yùn)行。對(duì)于超超臨界直流爐機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，熱量平衡仍是機(jī)爐協(xié)調(diào)的關(guān)鍵。由于沒有汽包的蓄熱緩沖，給水流量較短延時(shí)后將直接反映蒸汽流量，而調(diào)門指令對(duì)耗汽量的緩變影響反而要小很多，因此，鍋爐吸熱量與耗汽量的平衡關(guān)系將轉(zhuǎn)變?yōu)槲鼰崃颗c給水量的平衡。只要保持好變負(fù)荷過程中的這一熱量平衡關(guān)系，則分離器出口過熱度或比焓將始終保持平穩(wěn)，機(jī)爐處于協(xié)調(diào)平穩(wěn)的受控狀態(tài)。

如圖2所示，北侖1000 MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要包括機(jī)主控TM、爐主控BM、負(fù)荷指令設(shè)定、壓力設(shè)定、協(xié)調(diào)方式切換、頻率校正、輔機(jī)故障減負(fù)荷RUNBACK等功能回路。

鍋爐主控回路：與汽包爐相比，超臨界機(jī)組直流爐的蓄熱相對(duì)較小，利用調(diào)門調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷的能力相當(dāng)有限，負(fù)荷調(diào)節(jié)主要由鍋爐承擔(dān)，因此，提高機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度的重點(diǎn)應(yīng)放在鍋爐主控回路上。對(duì)于直吹式制粉系統(tǒng)，鍋爐的給煤量由給煤機(jī)控制。由于從原煤到煤粉有一個(gè)較長的制粉過程，所以給煤量變化到煤粉量變化有一個(gè)純延遲時(shí)間和一定的慣性，且純延時(shí)時(shí)間和慣性時(shí)間會(huì)隨磨煤機(jī)的運(yùn)行工況變化，難以測(cè)定，尤其是連續(xù)雨天，煤較濕，純延時(shí)時(shí)間和慣性時(shí)間會(huì)明顯增加。因此，在設(shè)計(jì)鍋爐主控回路時(shí)，要考慮采用各種措施來克服鍋爐側(cè)的延遲，充分利用直流爐的蓄熱，以提高機(jī)組的負(fù)荷適應(yīng)能力。

汽機(jī)主控回路：為CCS系統(tǒng)和DEH系統(tǒng)之間提供接口。在機(jī)組協(xié)調(diào)方式下，機(jī)前壓力和壓力設(shè)定值的偏差經(jīng)過具有死區(qū)和限幅功能的壓力修正函數(shù)（“壓力拉回”回路）。負(fù)荷指令通過一階慣性環(huán)節(jié)后和“壓力拉回”回路輸出相加，最終產(chǎn)生汽機(jī)功率指令來控制機(jī)組負(fù)荷。

過程動(dòng)態(tài)匹配設(shè)計(jì)：壓力定值生成回路中，在滑壓曲線函數(shù)的輸出增加三階慣性環(huán)節(jié)，代表鍋爐從機(jī)組負(fù)荷指令變化到新蒸汽產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)過程，使主汽壓偏差真正反映爐內(nèi)生產(chǎn)過程偏差、無人為引入偏差。另一方面，鍋爐側(cè)對(duì)負(fù)荷指令的響應(yīng)遠(yuǎn)慢于汽輪機(jī)側(cè)，需用三階慣性環(huán)節(jié)來匹配兩者之間的動(dòng)態(tài)特性，但考慮到利用蓄熱、加快負(fù)荷的初始響應(yīng)速度的需要，去汽機(jī)側(cè)的負(fù)荷指令只增加一階慣性，兼顧協(xié)調(diào)汽機(jī)與鍋爐對(duì)負(fù)荷響應(yīng)性的差異，又保證機(jī)組對(duì)負(fù)荷的快速響應(yīng)性。

3.2 北侖1000 MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制方式

3.2.1 DEH系統(tǒng)控制方式

北侖1000 MW機(jī)組采用了西門子汽輪機(jī)，并網(wǎng)前DEH投轉(zhuǎn)速控制回路，并網(wǎng)后投入功率閉環(huán)，由汽輪機(jī)旁路控制主蒸汽壓力。在旁路關(guān)閉后，DEH可投入主汽壓力控制，由鍋爐控制功率。在機(jī)組投入?yún)f(xié)調(diào)方式運(yùn)行后，DEH回到功率閉環(huán)控制，功率指令由協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)給出。在整個(gè)機(jī)組啟動(dòng)過程中，機(jī)組負(fù)荷和主汽蒸汽壓力控制分成3個(gè)階段：旁路控制、汽機(jī)側(cè)滑壓控制（相當(dāng)于汽機(jī)跟隨）、主汽調(diào)門全開情況下鍋爐控制負(fù)荷和主汽壓力（以鍋爐跟隨為主的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)）。機(jī)組正常運(yùn)行后，DEH系統(tǒng)控制有2種方式：主蒸汽壓力控制（即初壓控制方式）和功率閉環(huán)控制（主蒸汽壓力偏差起到限制作用）。

3.2.2 機(jī)組的協(xié)調(diào)控制方式

西門子汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)沒有閥位方式，傳統(tǒng)意義的汽機(jī)主控必須在DEH控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。機(jī)組協(xié)調(diào)控制方式分成基本方式、汽機(jī)跟隨、鍋爐跟隨和協(xié)調(diào)控制方式，為了能實(shí)現(xiàn)這4種控制方式，將機(jī)爐協(xié)調(diào)相關(guān)的補(bǔ)償信號(hào)綜合到機(jī)組功率指令中，送至DEH作為功率控制回路設(shè)定值。4種協(xié)調(diào)控制方式如表1所示。

表1 北侖1000 MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制方式Tab.1 Beilun 1000 MW unit coordinated system control mode

3.2.3 機(jī)組BASE方式下的穩(wěn)定問題

由于西門子汽輪機(jī)DEH任何情況下都有閉環(huán)回路存在的特點(diǎn)，鍋爐側(cè)在手動(dòng)控制而DEH在負(fù)荷本地控制方式時(shí)，發(fā)生鍋爐內(nèi)擾后，機(jī)組存在不穩(wěn)定的傾向。例如，如果煤質(zhì)變好后，機(jī)組負(fù)荷上升，汽輪機(jī)為了控制負(fù)荷，將會(huì)關(guān)小調(diào)門。但由于實(shí)際蒸發(fā)量的上升，汽輪機(jī)調(diào)門將越關(guān)越小，導(dǎo)致主汽壓力不斷上升，操作員不得不手動(dòng)改變煤量或更改DEH的負(fù)荷設(shè)定值來維持汽壓的穩(wěn)定；如果煤質(zhì)變差，情況則與之相反。因此，建議一般情況下不要在BASE方式下運(yùn)行。如果鍋爐側(cè)手動(dòng)控制，那么最好把DEH切至壓力控制方式，機(jī)組進(jìn)入TF方式下運(yùn)行。

4 控制策略的優(yōu)化措施及效果

4.1 加快鍋爐動(dòng)態(tài)響應(yīng)的并行前饋控制

從能量與物質(zhì)平衡的觀點(diǎn)來看，協(xié)調(diào)控制中各回路的控制策略是采取以并行前饋為主，合理地調(diào)整并行前饋中的動(dòng)態(tài)前饋BIR，再通過PID單級(jí)或串級(jí)的反饋調(diào)節(jié)，發(fā)揮自動(dòng)平衡和糾偏作用，最終使得鍋爐的各個(gè)控制子回路的實(shí)際工作點(diǎn)逼近理想工作點(diǎn)，使燃料、風(fēng)、水、汽等物質(zhì)和能量關(guān)系處于平衡點(diǎn)附近，如圖3所示。

并行前饋控制回路中的前饋信號(hào)由靜態(tài)前饋和動(dòng)態(tài)前饋（BIR）2個(gè)部分組成。靜態(tài)前饋是鍋爐負(fù)荷指令（BID）通過各自的函數(shù)發(fā)生器，并行地送到各子系統(tǒng)的前饋信號(hào)，建立不同工況下的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。動(dòng)態(tài)前饋（BIR）則是當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，對(duì)鍋爐側(cè)的純時(shí)延和大滯后環(huán)節(jié)的修正信號(hào)，以加速鍋爐對(duì)負(fù)荷指令的響應(yīng)速度，從而起到先動(dòng)作、早控制的作用。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，根據(jù)不同回路的響應(yīng)特性，BIR指令將以不同的速率和幅值加入到燃料、風(fēng)量、給水等系統(tǒng)中，以加速各子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。BIR控制回路分成升負(fù)荷和降負(fù)荷2個(gè)回路，可以根據(jù)負(fù)荷變化率（LOAD CHD RATE）、負(fù)荷變化幅度（LOAD CHD WIDTH）和負(fù)荷指令（ULD）調(diào)整BIR作用強(qiáng)度和作用的持續(xù)時(shí)間。而在機(jī)組出力即將到達(dá)目標(biāo)值時(shí)，BIR指令以一定的速率快速切除。

因此，合理地采用并行前饋控制技術(shù)，使鍋爐各項(xiàng)輸入接近實(shí)際值，避免由于反饋控制的緩慢調(diào)節(jié)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定或過度積分。將靜態(tài)／動(dòng)態(tài)并行前饋方法與反饋調(diào)節(jié)控制結(jié)合起來，對(duì)加速機(jī)組動(dòng)態(tài)響應(yīng)非常有利。

4.2 鍋爐主控制器變參數(shù)控制

并行前饋控制回路中的靜態(tài)前饋由鍋爐主指令（BID)通過各自的函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，BID可表述為

在變負(fù)荷過程中，理想情況是要求鍋爐指令BID沿著負(fù)荷指令ULD變化而變化，從而保證不同負(fù)荷工作點(diǎn)的各子系統(tǒng)的靜態(tài)前饋量是相對(duì)固定的。在變負(fù)荷過程中，通過變參數(shù)控制，減弱主汽壓力PI調(diào)節(jié)器的作用強(qiáng)度，使得主汽壓力PI調(diào)節(jié)器輸出量基本不變或緩慢變化，從而保證變負(fù)荷過程中鍋爐指令BID沿著負(fù)荷指令ULD變化而變化，如圖4。

另一方面，在變負(fù)荷過程中，如果實(shí)際主蒸汽壓力偏離了滑壓曲線，可通過暫時(shí)抑制壓力設(shè)定值變化來減弱主汽壓力PI調(diào)節(jié)量輸出。如在升負(fù)荷過程中，由于開大調(diào)門，鍋爐還未來得及補(bǔ)充能量，造成主汽壓力不升反降或不變化時(shí)，暫時(shí)閉鎖壓力設(shè)定值隨負(fù)荷變化而變化，待鍋爐側(cè)風(fēng)、水、煤補(bǔ)充進(jìn)來使得實(shí)際主汽壓力開始上升時(shí)，解除壓力設(shè)定值閉鎖功能。

4.3 進(jìn)入給水指令中的鍋爐主指令的分解

由式（4）可看出，鍋爐主指令BID由負(fù)荷指令ULD、主蒸汽壓力PI調(diào)節(jié)量及功率修正回路3部分構(gòu)成。根據(jù)日立／東方鍋爐提供的控制邏輯，給水指令可表述為

由于燃料量對(duì)溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間達(dá)2～4 min，相對(duì)于給水量對(duì)溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要慢得多，因此給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)中設(shè)有給水量的延遲環(huán)節(jié)，使得負(fù)荷變化過程中給水流量要等燃料量變化一段時(shí)間后才開始變化，以使分離器出口蒸汽保持平穩(wěn)的過熱度，從而保證主蒸汽溫度的穩(wěn)定。日立／東方鍋爐原設(shè)計(jì)中，給水流量的延遲動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是對(duì)給水指令FWD統(tǒng)一進(jìn)行的，這個(gè)補(bǔ)償必然對(duì)鍋爐主指令中的PI(ΔPT)量也進(jìn)行了延時(shí)。因此，當(dāng)主蒸汽壓力有偏差時(shí)，偏差調(diào)節(jié)量也同時(shí)將延時(shí)2～4 min才作用到給水，勢(shì)必造成壓力調(diào)節(jié)嚴(yán)重滯后，對(duì)汽壓穩(wěn)定非常不利。

基于以上分析，在鍋爐給水控制系統(tǒng)中對(duì)鍋爐主指令BID前饋進(jìn)行了分解，即將鍋爐主指令中的前饋信號(hào)ULD和反饋調(diào)節(jié)信號(hào)PI(ΔPT)區(qū)分開來、分別引入，其中前饋信號(hào)ULD部分根據(jù)燃燒與給水對(duì)溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程的差異進(jìn)行2～4 min動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，而PI(ΔPT)部分只進(jìn)行20 s左右動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，快速作用到給水，加快對(duì)汽壓的穩(wěn)定過程。由于PI(ΔPT)這個(gè)量往往在10～20 MW之間，只占總量的1%～2%，對(duì)汽溫影響很小，可以忽略不計(jì)。實(shí)際調(diào)試結(jié)果證明，前饋分解的方案既能夠保證汽溫穩(wěn)定，又大大加快了主汽壓的穩(wěn)定過程。

4.4 磨煤機(jī)啟/?？刂?/h3>

給煤機(jī)在停運(yùn)前存在最低煤量控制，在磨煤機(jī)停運(yùn)后，給煤機(jī)中的小部分煤粉會(huì)進(jìn)入磨煤機(jī)，即使在磨煤機(jī)清掃后，還有小部分煤粉存留在磨煤機(jī)間隙內(nèi)。當(dāng)磨煤機(jī)啟動(dòng)時(shí)，殘留在磨煤機(jī)的煤粉會(huì)瞬間甩出，進(jìn)入爐膛燃燒，這部分煤粉進(jìn)入爐膛燃燒會(huì)對(duì)汽溫、汽壓產(chǎn)生擾動(dòng)。因此，可通過磨煤機(jī)啟/停指令的微分信號(hào)模擬這部分煤量，用于消除磨煤機(jī)啟/停對(duì)汽溫、汽壓的影響。需要注意的是，磨煤機(jī)啟/停指令的微分信號(hào)是作用到燃料主控而影響其他給煤機(jī)給煤量的，這部分煤量需要經(jīng)過給煤、磨煤過程才能送入爐膛。相對(duì)磨煤機(jī)啟動(dòng)來說這部分補(bǔ)償?shù)拿毫渴谴嬖跍蟮模瑥臅r(shí)序上是不能完全抵消磨煤機(jī)啟/停的擾動(dòng)。但是，通過增加磨煤機(jī)啟/停的實(shí)際微分作用，可使得燃料總量快速平衡，從運(yùn)行的結(jié)果看可大大減弱磨煤機(jī)啟/停對(duì)汽溫帶來的擾動(dòng)。

4.5 功率偏差反饋對(duì)鍋爐并行前饋的修正

西門子汽輪機(jī)的調(diào)門開度到達(dá)45%以后，其流量曲線基本拉平，流量隨調(diào)門開度變化很小。由圖4中負(fù)荷曲線（曲線3）可以看出，在升負(fù)荷過程中，當(dāng)高調(diào)門開度到達(dá)45%時(shí)，負(fù)荷曲線會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)，實(shí)際負(fù)荷會(huì)稍停頓。針對(duì)這個(gè)特性，利用負(fù)荷偏差的反饋信號(hào)來修正給水、燃料并行前饋中的動(dòng)態(tài)前饋量，當(dāng)實(shí)際負(fù)荷和負(fù)荷指令偏差大于15 MW時(shí)，增加給水、燃料的動(dòng)態(tài)前饋量，偏差越多，增加量就越大，盡快提高實(shí)際負(fù)荷響應(yīng)速度。

在實(shí)際變負(fù)荷過程中，除了汽機(jī)調(diào)門對(duì)負(fù)荷擾動(dòng)外，由于其他因素如煤質(zhì)變化、鍋爐燃燒工況變化等擾動(dòng)，使得機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化后，利用功率偏差反饋對(duì)鍋爐并行前饋的修正方法，都能有效克服這些擾動(dòng)，加快鍋爐對(duì)負(fù)荷的響應(yīng)速度。

4.6 優(yōu)化后的應(yīng)用效果

經(jīng)過協(xié)調(diào)控制策略完善優(yōu)化與參數(shù)整定，北侖1000 MW機(jī)組從700 MW升負(fù)荷至1000 MW時(shí)，然后又降到600 MW負(fù)荷的響應(yīng)曲線如圖4所示，負(fù)荷初始響應(yīng)快，過程變化平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)偏差在1.5%以內(nèi)，實(shí)際負(fù)荷變化率接近14 MW/min，同時(shí)又有效地克服了汽輪機(jī)高調(diào)門非線性死區(qū)問題；燃料與給水動(dòng)靜態(tài)前饋量的幅值與時(shí)序匹配良好，過程中過熱汽溫保持平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)偏差在3℃以內(nèi)。

5 結(jié)論

北侖1000 MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略以及相關(guān)的優(yōu)化方案經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)整與完善，能實(shí)現(xiàn)良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，可以在超（超）臨界機(jī)組上推廣應(yīng)用。

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