火电机组深度调峰下的优化控制技术研究

杨建卫

(中电华创电力技术研究有限公司，江苏 苏州 215123)

随着《可再生能源法》的颁布和实施，我国新能源产业迎来了爆发式的发展。由于新能源发电的波动性以及配套政策的不完善，新能源电力消纳成了一个亟待解决的新问题。据国家能源局发布资料显示：2016年、2017年全国平均弃风率为15%左右；“三北”地区的弃风问题尤为严峻，弃风率超过30%。火电作为我国的主力电源，目前装机容量超过9 亿kW，其中大容量火电机组的调峰深度不到50%，北方地区热电机组的调峰深度只有20%左右。因此，探寻提升火电机组灵活性的技术路径以适应新的能源战略要求，更好地接纳新能源入网，以及实现在役大容量火电机组的技术改造优化都有实际意义。

2016 年11 月初，国家能源局发布的《电力发展"十三五"规划( 2016—2020 年)》中明确表示，要充分挖掘现有系统调峰潜力，着力增强系统尤其是火电机组的灵活性[1-2]。控制技术和控制策略是火电灵活性改造中不可或缺的一环，本文以现有分布式控制系统(DCS)的控制策略为基础，提出以协调优化和改进为基础、多控制策略组合优化的方法，可更好适应机组的灵活性改造和深度调峰。

1 火电机组控制系统现状

在确保机组运行安全性和经济性的前提下，提高火电机组的灵活性和深度调峰能力，对机组协调控制系统和自动发电控制 (AGC)方式提出很高的要求[3]。为提高机组灵活性和深度调峰能力，必须研究和开发新型的控制策略和算法，使机组主蒸汽压力、主蒸汽温度等主要参数运行在安全、稳定、经济的范围，使机组的安全和经济运行达到新的高度，增强电厂在市场中的竞争力，有助于电力体制改革的深化。

由于DCS制造商在应用软件的设计、组态方面投入不多，大多数火电机组沿用许多国外早期的控制方案和算法，现场调试工作也进行得不够充分和细致，控制系统只能基本满足小幅度负荷变动或低速率负荷变动工况下的调节，在大幅度、较高速率的负荷变动工况下，控制系统均难以保证机组安全稳定运行，出现主汽压、功率、主汽温、水位等主要运行参数的大幅度波动。

2 机炉协调方式

常见的机炉协调控制系统有两种构成方式，即以锅炉跟踪为基础的机炉协调控制系统(CBF)和以汽机跟踪为基础的机炉协调控制系统(CTF)。CBF控制方式图见图1。CTF控制方式图见图2。

在CBF系统中，机组功率由汽机侧功率控制系统保持，由于机组功率对汽机调速汽门的开度变化响应迅速，故应用CBF系统，可得到较好的机组功率稳态特性。由于是通过锅炉燃烧率控制系统保持机组主蒸汽压力，主蒸汽压力动、静态偏差往往偏大，特别是在负荷变化速率较大工况下，主蒸汽压力的偏差更大，为了稳定机组运行，相当一部分机组采用了“压力拉回”控制策略，即限制负荷变动速率，这样实际上降低了机组的负荷变动响应性能。

图1 CBF控制方式图

在CTF系统中，主蒸汽压力由汽机侧主控制器保持，机组的功率主要由锅炉主控制器通过调整燃料量来控制。由于CTF系统的主汽压力是由汽机侧控制系统通过调整汽机调速汽门去控制的，因此有可能达到十分良好的主汽压力控制特性，然而由于主要通过控制燃料量来控制功率，燃料量扰动下，机组功率响应特性和主汽压力响应特性类似，其速率是较小的，而且燃料控制不可能阶跃动作，这使得在负荷变动时，机组功率变动的起始惯性较大，控制过程中机组功率之动、静态偏差较大。

图2 CTF控制方式图

无论是CBF系统还是CTF系统都存在缺陷，为适应机组灵活性和深度调峰，必须加以改进和优化。由于CBF系统或CTF系统在电厂中应用多年，相当实用且主要部分是成熟的，对其进行改进和创新是有意义的，也更易于被电厂现有技术人员接受和掌握。

3 机炉协调方式的优化和改进

在CBF系统中，主汽压力变化是要靠锅炉燃烧率的控制去消除的。当汽机调速汽门开度不变时，燃料扰动下的主汽压力响应速度远小于汽机调门扰动下的主汽压力响应速度，并且汽机调门开度随机组功率控制的需要在不断变化，而根据机炉协调控制系统设计的初衷，机组功率的快速响应和机组主参数的稳定性是必须同时考虑的两个方面。在CBF系统中必须适当限制机组功率起始的控制速率，不使主汽压力初始变化过快，最终达到主汽压力必要的稳定性。这使得在CBF控制系统中机组功率实际变化速率往往难于有较大提高，而同时主汽压力动态偏差也已经较大了。在深度调峰中，为改善其负荷变动特性，可以采用能量平衡信号前馈、燃料量超前/滞后、热量信号反馈等控制策略，提高锅炉侧的响应速度。

在CTF系统中情况有所不同，在汽机侧保证主汽压力不变、燃料扰动时，机组功率将达到较快的平均变化速率，当机组负荷指令变化时，在主汽压力控制系统中，除引入机组负荷指令前馈信号外，还引入一个主汽压力给定值增量，主动让主汽压力有一定的变化，则可以大大减小继而消除机组功率变化的起始惯性，并达到较快的机组功率变化速率。在CTF系统中，调整燃料或燃料扰动所引起的主汽压力波动，是由汽机侧的主汽压力控制系统通过调整汽机调速汽门去控制的。由于响应特性的差异，CTF系统可能达到非常好的主汽压力控制特性。因此，采用CTF控制系统，在达到CBF系统难以达到的快速机组功率响应的同时，获得了CBF控制系统无法达到的主汽压力的良好动、静态控制品质。通过改进CTF控制系统的控制策略，并仔细整定参数，可将机组快速负荷响应和主要运行参数稳定较好地结合起来。在CTF系统中，机组功率由锅炉侧通过对燃烧率的控制去保持，除控制对象惯性稍大外，深度调峰时，锅炉运行中各种随机扰动频繁发生，使机组稳态品质较CBF系统略差。

带前馈的控制方式图见图3。

图3 带前馈的控制方式图

综合分析确定了如下改造原则：在深度调峰过程中，负荷变动速率较大时，主要采用经过改进的前馈CTF系统，而在机组深度调峰末期，对功率的稳态精度要求高时，变为采用经过改进的前馈CBF系统，并进行双向补偿，以充分发挥两种系统各自的优越性。

双向串联补偿协调控制图见图4。

图4 双向串联补偿协调控制图

4 多控制策略的组合和优化

根据深度调峰机组的特性、机炉协调控制优化的侧重面等具体要求，灵活地应用直接能量平衡的控制原理和控制策略。在CTF系统和CBF系统中均设计主汽压力控制器，主汽压力设定值与实际值的偏差经PI运算后乘以权重系数，再与能量平衡信号及负荷指令信号与各自的权重因子乘积进行求和，最后输出燃料控制指令。各控制项的权重因子参数要进行比较和整定，最终获得最优的控制项组合。

直接能量平衡协调控制图见图5。

图5 直接能量平衡协调控制图

在燃料控制回路中，对燃料量反馈采用给煤量(或转速)、热量信号切换应用，或将给煤量增加热量信号的时间特性，模拟燃料的燃烧发热过程等，采用这些控制策略的优化组合，可大大提高锅炉负荷变化时燃料量的控制速度，改善机组功率的动、静态控制品质。

对于汽温控制系统，可采用传统串级PID控制和Smith预估器在线切换方案，根据实际情况选用。理论上，Smith预估器对模型误差十分敏感，要求预估模型很准，这使工程应用时有难度，并且DCS厂商推出的Smith预估补偿算法并不对用户开放，其控制器参数的整定有一定的难度。

串级控制图见图6。Smith预估控制图见图7。

图6 串级控制图

图7 Smith预估控制图

5 结语

要保证火电机组灵活性改造和深度调峰的控制系统的快速性、准确性和稳定性，对火电机组原控制系统的优化和改进是必要的。本文以火电机组原有协调控制系统为基础，对控制策略进行优化和改造，并在子回路控制系统中应用多种控制策略的组合，最终使控制系统适应火电机组的深度调峰。本方法不使用外挂设备，也不对控制器进行升级改造，仅仅对现有控制系统的控制策略进行优化和改造，具有投资少、效率高、可移植性好的特点，可以进一步推广。