基于功率信号阶跃修正的供热机组AGC优化

(1.浙江浙能绍兴滨海热电有限责任公司，浙江 绍兴 312073; 2.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001; 3.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京 102206)

电网“两个细则”给出了机组的有偿调峰补偿服务标准，火力发电市场份额的压缩使得这一部分补偿也逐渐成为电力市场不断争夺的对象，越来越多的机组由传统带基础负荷变为调峰机组[1]。火电机组投AGC运行时，要求其对调度指令的响应更迅速，即更快的变负荷速率。作为AGC的考核指标之一的调节性能Kp取决于调节速率K1、调节精度K2和响应时间K3。Kp值被电网用于核算最终的补偿电量，直接决定机组的经济效益，如何提高机组的Kp一直是AGC系统优化的重点。一些学者从电网的角度出发，通过优化负荷分配、超短期负荷预报等手段改善区域内的AGC性能[2-3]。也有一些学者从机组侧的角度出发，寻求提升机组速率对AGC指令的跟踪能力的方法。文献[4]通过增加锅炉主控前馈信号和优化磨煤机热风挡板控制逻辑等方法解决了机组由于锅炉的大延迟特性无法投AGC运行的问题。文献[5]在锅炉侧采用动态变负荷控制、在汽机侧修正调门控制逻辑的策略，保证变负荷时机组蒸汽参数波动仍处于正常波动范围内。文献[6]对AGC指令在限速滤波前增加惯性滤波的方案，避免了机组变负荷时出现较大的机前压力偏差。文献[7]建立基于煤量预测前馈的协调控制系统，通过煤量预测前馈使得煤量供给变化满足负荷响应要求。文献[8]和[9]分别研究了利用凝结水节流和增加储能的方式对改善AGC的影响。此外，通过直接改变机组变负荷速率设定值也是一种用于提升机组AGC指令跟踪能力的手段；但过大地变负荷速率设置会对机组设备的使用寿命造成影响[10-11]。因此，部分学者试图建立汽轮机的寿命监测系统，为机组安全变负荷运行提供保障[12-13]。但这种利用实时数据计算预警的监测方法仍存在一定的滞后性，致使真正投入实际应用的方法比较少。因此，保证变负荷速率设置在正常范围内有效改善机组AGC性能的方法仍是一种必要的手段。通过设计前馈阶跃控制策略、利用调门储能提升机组AGC指令跟踪能力的研究未见公开权威详细论述。

本文在综合前人研究工作的基础上分析了机组投AGC运行时对各设备的影响，针对机组设备自身的特性以及电网考核标准，提出了基于功率信号阶跃修正的AGC综合优化方法，通过对去往汽轮机主控制器的实际功率信号阶跃修正改善机组的指令跟踪性能。该方法充分利用调门自身的储能特性，在保证机组AGC指令跟踪能力的同时将机组变负荷速率设定值调整至正常范围，缓解了机组追求快速变负荷能力和自身设备使用寿命间的矛盾，具有极大的实际推广应用价值。

1 实际机组AGC性能问题及分析

1.1 机组概况及存在的问题

某电厂330 MW亚临界六调门机组，为了提升机组对AGC指令的跟踪能力，将变负荷速率设定值由7 000 W/min提升至9 000 W/min。由此不仅引发调门摆动问题，并且过大地变负荷速率设定值严重影响了机组的使用寿命。针对以上存在的问题，前期通过对汽轮机前馈及主控制器参数变增益优化设计，如图1所示。但问题仍无法解决，最终机组只能在高变负荷速率状态下长期运行。

1.2 机组AGC性能问题分析

在机组诸多AGC优化方法中，直接提升机组变负荷速率设定值是一种最为直接的方法，但由此给机组带来很多不利影响，可以概括为以下两个方面：

(a)汽轮机侧

在汽轮机侧，调频机组投AGC后，负荷不断变化，使得调门频繁动作，加快磨损，降低了调门使用寿命。并且机组需要有较高的变负荷速率才能更快速的跟踪AGC指令，而变负荷速率过高会加快转子寿命的损耗。研究表明，当变负荷速率由3 MW/min变为5 MW/min时，由此对转子寿命损耗提升了4～7倍[8]。

(b)锅炉侧

对于炉跟机的调频机组，负荷波动使调门动作，引发机前蒸汽压力变化，这种偏差信号传递给锅炉主控制器，从而改变燃料量，送风量等。偏差信号越大，燃料量改变了越大。特别是在升负荷末，降负荷开始的阶段，AGC指令正反变化引起燃料调整量的叠加，会产生更大的扰动，如图2所示。

燃料量、送风量等参数的波动对锅炉造成的影响包括烟气内NOx参数大幅波动；过热/再热蒸汽温度等参数频繁波动；炉膛内水冷壁、换热器等管道壁面超温；甚至在一定负荷区域内，燃料量的变化可能导致磨煤机频繁启停[6]。

2 功率补偿信号阶跃优化策略

2.1 传统协调控制方法

机组投AGC要求机组必须投协调控制，AGC负荷指令最终通过协调控制系统实现对机组负荷出力的控制。协调控制系统用于协调机组锅炉侧，汽机侧各控制量，让机组出力按电网负荷要求变化，并且在满足电网负荷要求的同时还确保机组各运行参数的波动在合理范围内。图3所示为炉跟机的协调控制方案。当机组投AGC时，汽机侧以AGC负荷指令和机组实际功率间的功率偏差作为前馈信号传入汽轮机主控制器。各种变负荷速率优化的本质是调节各设备的控制信号，使设备提前动作，减小延迟。对偏差信号修正，设置动态的超调量，可以直接改善机组变负荷能力。

3.2 控制回路优化设计

综合以上分析，提出了一种基于功率信号阶跃修正的机组AGC综合优化方法，逻辑如图4所示。该方法对去往汽轮机调节器的实际功率信号P进行修正：首先判断机组是否投入AGC模式，若AGC未投入运行，传递给汽轮机调节器的功率信号仍为机组的实际功率信号P；若AGC已投入运行，首先计算指令偏差ΔP

ΔP=P′-P

(1)

随后，判断指令偏差ΔP与常量ΔP1的大小关系：当ΔP(-ΔP1, ΔP1)时，去往汽轮机主控制器的功率信号仍为实际功率信号P；当指令偏差ΔP>ΔP1时，用常量ΔP2修正去往汽轮机调节器的功率信号

PT=P′-ΔP2

(2)

当ΔP<-ΔP1时，修正信号为

PT=P′+ΔP2

(3)

2.2 控制参数估计方法

修正实际功率信号进行时，需要给定常量ΔP1、ΔP2，具体计算公式如下

ΔP1=KaP0

(4)

ΔP2=KbP0

(5)

式中P0——机组的额定负荷；

Ka、Kb——比例系数，取值范围由下式确定

Ka=1%×(35%～40%)

(6)

Kb=1%×(90%～92%)

(7)

其中，1%的设定根据电网发布的“两个细则”标准规定的调节过程中最大的偏差不能超过机组额定负荷P0的1%，因此ΔP1在1%机组额定负荷的基础上以该值的35%～40%(约1/3)作为是否对去往汽轮机主控制器的功率信号做修正的判断依据；常量ΔP2为机组1%额定负荷的90%～92%，确保了修正量不超过电网规定值。

该策略对AGC整体性能都有改善：当指令偏差ΔP(-ΔP1,ΔP1)时，不做信号修正，可以减少阀门动作，防止过调；当指令偏差ΔP(-ΔP1,ΔP1)对传递至汽轮机主控制器的偏差信号修正，可以提高AGC响应速度，缩短AGC响应时间。当偏差值ΔP位于上述区间外时，调门关小，提高AGC响应精度。

这种优化策略在保证机组安全运行(即汽压在允许范围内变化)的前提下，合理利用机组的蓄热能力。即在负荷变动时，通过汽轮机调门的适当动作，允许汽压有一定波动而释放或吸收部分蓄能，加快机组初期负荷的响应速度。随着负荷变化，AGC指令与实际功率偏差减小，当偏差ΔP(-ΔP1,ΔP1)时，结束信号修正。在此时，送往汽轮机主控制器的偏差信号阶跃性减少了ΔP2，可以减小调节速率，提高调节精度，防止过调。相对未做信号修正之前，调门总行程没有改变，因此不会减少调门的寿命。同样，这种优化方法合理的利用了调门自身储能，不会引发蒸汽参数的大范围波动，因此也不会对锅炉使用寿命造成影响。

3 实际应用测试及结果分析

表1为优化前后各参数的对比，调节速率K1、调节精度K2和响应时间K3，并得出调节性能Kp值

Kp=K1×K2×K3

(8)

从表1可看出：在9 000 W/min的变负荷速率下，优化使Kp值由1.79提升至2.52；当减小变负荷速率至7000 W/min时，Kp值仍为2.49，符合电网考核要求。

表1 330MW机组优化前后各参数对比

性能指标变负荷速率/W·min-1K1K2K3Kp阶跃修正前9 0001.091.011.631.79阶跃修正后9 0001.21.211.742.52阶跃修正后7 0001.21.211.722.49

4 结论及展望

本文针对过大地变负荷速率下投AGC运行给机组各设备的安全运行及使用寿命造成不利影响的实际问题进行理论分析及试验研究，得到的结论如下：

(1)针对一台实际机组AGC问题，分析了传统优化方法的机理、特点及局限性；

(2)在此基础上提出了一种基于实际功率信号阶跃修正的AGC系统前馈优化方法，通过对去往汽轮机主控制器的实际功率信号做阶跃修正；

(3)实际测试效果证明，该方法可以充分利用调门自身的储能特性，在减小变负荷速率大小设置至正常值的同时，实现对AGC指令的良好跟踪。

本方法对于其它类型的大功率燃煤机组AGC优化、减少电网考核，具有极大的实际推广应用价值。