百万级超超临界火电机组新型协调控制策略分析

周松国，罗昌福

（华电电力科学研究院西安分院，陕西西安710032）

百万级超超临界火电机组新型协调控制策略分析

周松国，罗昌福

（华电电力科学研究院西安分院，陕西西安710032）

目前，国内超超临界火电机组普遍存在AGC模式下电负荷响应速率不足的问题，主要原因是协调控制系统的主汽压力调节品质差。由于主汽压力控制存在多变量相互耦合的因素，如何消除各变量互耦作用就成为提高主汽压力调节品质的核心技术。通过理论分析提出一种新型协调控制策略，将协调控制系统变负荷公用指令进行分解，形成多个彼此独立的子系统变负荷前馈量，并设计一套智能型防燃料超调逻辑，成功地达到了解耦目的。该控制策略应用到中电投安徽平圩三期2×1050MW超超临界火电机组，并取得良好的应用效果，实践证明该策略能够改善主汽压力调节品质，进而提高电负荷响应速率。

速率；主汽压力；独立；前馈；解耦；燃料闭锁

0 引言

目前，发展高效率、低煤耗的大容量超超临界火力发电机组已是我国火力发电的主要方向，国内不少超超临界火电机组在负荷变化过程中，由于主汽压力调节品质差，最终影响到AG C电负荷的响应速率。如何提高超超临界机组的协调控制系统的调节品质就成为了火电机组自动控制领域的一个重要研究课题。

影响机组电负荷响应速率的根本原因是汽机侧与锅炉侧的能量不平衡，最直接的表现就是主汽压力出现较大的控制偏差。

变负荷过程中，当主汽压力控制偏差量达到一定值后，电负荷指令将出现将反向调节甚至被闭锁，机组失去响应AG C指令变化的能力。如何控制主汽压力就成为了提高协调控制系统调节品质的核心技术。

图2 汽机阀门阶跃扰动

图3 燃料量阶跃扰动

图4 给水量阶跃扰动

1 主汽压力控制问题分析

直流状态下影响主汽压力的因素是多样的，包括蒸汽流量、燃料、给水、汽温及锅炉燃烧率等诸多变量。各种变量关系如图1所示。下面对各种变量之间的耦合关系进行讨论。

图1 超临界直流锅炉机组简化模型

1.1 汽机阀门阶跃扰动

当汽机调阀发生正向阶跃且给水流量和燃料不变情况下，蒸汽流量初始阶段将发生阶跃，随着锅炉金属和工质蓄热量的下降，主汽压力及主汽温度将跟随着下降；待蒸汽流量回落到初始值时主汽温度将恢复初始值，而主汽压力将趋于稳定并保持与初始值一定的负向偏差值。具体过程如图2所示。

1.2 燃料量扰动

当燃料发生正向阶跃且给水流量和汽机调阀不变情况下，经过短暂延时后，由于锅炉各受热面吸热量大幅增加，蒸汽流量将迅速增加，主汽压力跟随着上升，主汽温度初期因为吸热量与蒸汽流量相当能够保持短时的稳定；由于给水流量没有改变导致蒸汽流量逐渐回落，此时由于水煤比发生大的变化汽温经过一定延时后将迅速上升，而主汽压力虽然因为蒸汽流量的下降会伴随着下降，但是因为蒸汽容积流量的增大而引起沿程压降的增加，所以蒸汽压力最终保持与初始值一定的正向偏差值。具体过程如图3所示。

1.3 给水量扰动

当给水流量发生正向阶跃且燃料和汽机调门不变的情况下，蒸汽流量将迅速上升，主汽压力伴随着上升，主汽温度在初始阶段保持短时的稳定；由于水煤比发生比较大的改变引起主汽温度经过延时后将迅速下跌，主汽压力将伴随主汽温度的下降而回落到初始值。具体过程如图4所示。

1.4 风量扰动

在锅炉风量或者烟气流量改变且其它变量不变的情况下，锅炉燃烧率将发生大的变化，主汽温度和主汽压力将会伴随着同向变化。

上述可见，如果不对各个变量进行特殊处理将严重制约主汽压力控制的速度和精度。各个变量之间如何解耦成为亟需解决的问题。

2 预给煤逻辑

在机侧能量需求发生改变时，要求锅炉侧各个子系统（包括风量、燃料、给水、一次风压、磨煤机入口一次风量及过热器减温水等系统）必须同时作出相应的调整。为此，设计一个锅炉侧超前控制量，作为机组变负荷初期协调控制系统的公用指令，同时作用到各子系统，以提高锅炉侧热负荷响应速度，俗称“预给煤”。

3 具有解耦功能的子系统前馈量

前面提到影响主汽压力的诸多变量必须实现解耦，在此讲解具体的方法。根据图2-图4的曲线可以得知，燃料量与主汽压力变化趋势同向，因此燃料量可以作为主汽压力正常调节的手段。真正对主汽压力造成扰动的因素是汽机阀门开度、蒸汽温度及给水量。

首先，消除蒸汽温度扰动的方法就是通过调节燃料来稳定中间点温度。利用燃料对主汽压力的正向调节作用来抵消掉主汽温度对主汽压力的负向扰动，同时稳定了主汽压力和蒸汽温度。例如:当中间点温度降低时，由于末级过热器蒸汽温度（后面简称主汽温度）必定降低，导致主汽压力降低。此时增加燃料量，则必然同时提高中间点温度（主汽温度）和主汽压力，具体过程如图3所示。

其次，为了防止给水量的扰动，将中间点温度调节器输出量（后面简称水煤比输出）绕过锅炉主控指令，直接作为燃料指令的一部分；而给水指令则取自相对稳定的锅炉主控指令对应的函数。水煤比失调时通过调节燃料量既稳定了蒸汽温度又避免了给水量对主汽压力造成扰动。

最后，重点分析如何消除汽机阀门开度变化对主汽压力的扰动，即变负荷工况下主汽压力如何控制的问题。在变负荷过程中上述的几种扰动因素同时并存，必须对各个变量的控制实行“解耦”，这是决定AG C品质的一项核心技术。

前面提到变负荷时各子系统将同时接收到“预给煤”公用信号，必须根据各自的系统特性设立独立的响应速度及调节幅度，图5的逻辑正是为此而设计的。图5以燃料前馈量控制为例，说明各子系统前馈量是如何形成的。

图5中，左右对称的两部份分别为升/降负荷的前馈量运算逻辑，其中PID1和PID2为纯积分环节。

调整f（x）1/f（x）4参数可以改变各子系统的前馈量；调整f（x）3/f（x）6参数（可以改变积分量）

或者调整PID功能块的积分时间，二者均可以改变前馈量调节速率；调整K1/K2可以分别设置“预给煤”初始阶段和结束阶段的速率，实现“快加（减）慢回”的目的。

f（x）2/f（x）5是在兼顾锅炉燃烧稳定性和功煤比特性后，特意设置的前馈量修正系数。具体功能是在低负荷区升（降）负荷时自动加大（减小）前馈量系数；而在高负荷区升（降）负荷时自动减小（加大）前馈量系数。

图5 变负荷至燃料前馈量

从上面的分析可以看出，在变负荷工况下，各子系统的前馈量幅度和响应速率是可以独立设置的，互不影响。通过上述逻辑能够很好地分解给水、燃料、汽温等子系统对主汽压力的耦合作用。只要遵循下面几个原则合理搭配各子系统关系，就能精确控制主汽压力和蒸汽温度。

（1）燃料前馈量与给水前馈量必须严格遵循正常的水煤比关系，并且要求给水量滞后燃料量一定的时间。

（2）一次风压和磨煤机热风调门的前馈量响应速率必须与燃料量前馈量同步；其调节幅度不宜太大，只要能够有效地改变磨煤机内部的存粉量即可。

（3）过热器减温水调门前馈量幅度应匹配燃料量的幅度，但是响应速率要相对缓慢。

（4）总风量前馈量在升降负荷两种不同工况下必须区别对待，降负荷的幅度要小于升负荷的幅度，其目的是防止欠氧运行危及锅炉燃烧稳定性能。

综上所述，通过上述各自独立的子系统前馈逻辑能够很好地解决变负荷过程中的主汽压力与其它变量的耦合作用。

4 智能型防燃料超调逻辑

由前述得知，为了提高机组变负荷过程锅炉热负荷响应速度，有多个控制系统同时作用到燃料子系统（包括变负荷“预给煤”量、锅炉主控的输出量及水煤比调节量）。如不对总燃料调节量加以限制，有可能危及锅炉燃烧稳定性，因此，设计了一套智能型防燃料超调逻辑，如图6所示。

图6 燃料自动闭锁逻辑框图

图6中，变负荷开始时通过T1自动记忆住单位电负荷对应的燃料量，并根据实际负荷指令的变化由MUL1计算出动态的燃料指令基准值。

在基准值上叠加变负荷燃料前馈量后，再给予± 15t/h煤量的调节裕度（分别对应升降负荷两个不同工况）。三者之和即为变负荷阶段燃料量的限制值。

当燃料指令超过限制值时同时给锅炉主控及中间点温度控制器发出闭锁增（或闭锁减）信号。（若是升负荷，则闭锁增；降负荷则闭锁减）。

图7为锅炉主控SAM A图。在燃料闭锁期间，锅炉主控的前馈量原始值SUM2保持变化趋势，但调节器PID1的前馈变量FF被T1暂时冻结；待闭锁信号消除后FF以0.15M W/s的速度缓慢接近SUM2的输出值。

智能型燃料闭锁逻辑不但可以防止燃料超调；而且可以放开变负荷前馈量的幅度和持续时间，加快锅炉热负荷响应速度，提高了主汽压力的控制能力，更进一步加快了机组AG C模式电负荷的响应速率。

图7 锅炉主控SAM A

5 实际运行效果

选取了2015年4月29日22：30~23：10机组的变负荷曲线，如图8所示。图中电负荷变动范围为950-800M W，电负荷变化速率为15M W/m in。

图8 平圩电厂#5机组实际变负荷曲线

从实际运行曲线来看，AG C控制方案经受了负荷变动的考验，过程中主要参数的调节品质均达到《DL/T 657－2006火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》的要求，完全能够满足机组变负荷的要求。

6 结语

通过分析主汽压力各种扰动因素之间的耦合关系，结合超临界机组的运行特征，制定出针对性的解决方案，将机组变负荷过程中各个子系统的前馈量分隔开进行独立控制，很好地解决了主汽压力与多变量之间相互耦合耦的问题，在智能型防燃料超调逻辑的辅助控制下，有效地提高了协调控制系统AG C模式下电负荷的响应能力。

（华电集团2016年科研项目《火电机组低氮燃烧器NOx排放指标与蒸汽温度自动平衡控制技术的研究》，编号：CHECKJ16-03-75）

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Analysis of a New Coordinated Control Strategy for one Million Ultra Supercritical Thermal Power Units

ZHOU Song-guo，LUO Chang-fu
（Huadian Electric Power Research Institute Xi’an Branch，Xi’an 710032，China）

A tpresent,the dom estic ultra-supercriticaltherm alpowerunit AG C m ode are widespread the problem of insufficientelectricity load response rate,the m ain reason isthatthe poorquality ofcoordinated controlsystem ofm ain steam pressure control.Due to the m ain steam pressure controlofm ultivariable coupling factors are variables how to elim inate the m utualcoupling effectbecom esthe core technology to im prove quality ofm ain steam pressure control.The authorthrough the theoreticalanalysis,a new coordinated control strategy is proposed to load change public instruction in decom position of coordinated controlsystem,to form m ultiple independentsubsystem s variable load feedforw ard quantity,and design a setof intelligentfuelovershootlogic,successfully achieve decoupling.The control strategy is applied to the CLP vote for anhui pingweithree periods of2×1050M W ultra supercriticaltherm alpower unit,and achieved good application effect,practice showsthatthisstrategy can im prove the quality ofm ain steam pressure control,electric load response rate can be im proved.

rate；M SP；independent；feedforw ard；decoupling；fuel-locking

TK 323

B

2095-3429（2017）02-0016-05

2017-02-13

修回日期:2017-03-27

周松国（1973-），男，湖南衡阳人，本科，高级工程师，从事火电机组自动控制领域的研究工作；

罗昌福（1981-），男，青海湟中人，本科，高级工程师，从事火电机组锅炉燃烧领域的研究工作。

D O I:10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.02.004