超临界循环流化床机组负荷快速响应的协调控制优化

侯益铭，王智微，王晋权

超临界循环流化床机组负荷快速响应的协调控制优化

侯益铭1，王智微2，王晋权3

（1.格盟国际能源有限公司，山西 太原 030006；2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054；3.山西格盟安全生产咨询有限公司，山西 太原 030006）

超临界循环流化床（CFB）机组采用常规煤水比控制策略，存在惯性大、滞后长等问题，导致主蒸汽压力波动大，负荷响应效果差，在区域控制误差（ACE）模式下更为严重。本文根据CFB机组的特点，提出一种负荷快速响应的协调控制优化策略，采用主蒸汽流量协同中间点温度实现全过程给水控制；前馈调节与PID偏差调节相结合，采用负荷和主蒸汽压力偏差共同作用于锅炉主控的负荷快速响应；充分利用CFB锅炉蓄热，通过汽轮机主控与各调节阀指令响应负荷变化。某超临界350 MW CFB机组应用该控制优化策略后，主蒸汽压力波动小且温度稳定，变负荷运行时控制效果良好，ACE模式下负荷响应综合评价指标Kp值达4.21，满足电网考核指标。

超临界；CFB；火电机组；协调控制；负荷响应；给水流量；主蒸汽流量

随着电力市场化进程的推进，智能电网中电力辅助服务细则要求火电机组变负荷调节速率达到1.5% P/min（每分钟额定功率），火电机组在自动发电控制（AGC）模式运行时投入区域控制误差（ACE）模式，并主要通过综合评价指标p进行考核及补偿。这就要求火电机组具有快速的负荷响应速率和良好的控制品质[1-5]。

现阶段循环流化床（CFB）机组的协调控制主要采用常规PID加前馈解耦的方法，但由于CFB机组具有多变量、强耦合和大迟延的特性，常规的控制方法难以取得理想的调节效果[6-8]。目前国内在役超临界350 MW和600 MW CFB机组有30多台。随着智能电网、智能电厂对机组要求的提高，提高超临界CFB机组的负荷响应速率及经济性，需要在协调控制优化方面进行深入探索。

已投运的超临界CFB机组常规协调控制方式下，负荷指令、燃料量快速变化时，会出现给水和主蒸汽压力大幅波动，甚至造成污染物排放超标等问题，且目前运行超临界CFB机组的变负荷速率一般在1% P/min左右[8-10]。

山西河坡电厂超临界2×350 MW CFB机组为变压运行直流锅炉、一次中间再热间接空冷机组，其分散控制系统（DCS）采用艾默生系统。该机组优化前采用传统的协调控制方式。当电网AGC负荷指令快速变化时，会出现以下问题：1）主蒸汽压力波动大，波动幅值达±3 MPa，90%负荷以上主蒸汽压力不能高于23 MPa；2）机组燃用无烟煤时，惯性延时大，负荷响应无法满足山西电网电力辅助服务细则的要求，不能投入ACE方式；3）煤水比调节时，燃料量、给水控制波动大，机组主蒸汽温度波动大。对此，本文结合CFB锅炉的特点，对原协调控制方式进行优化，提出一种能快速响应负荷的协调控制优化策略，以满足电网辅助服务细则要求，保证机组的安全稳定运行。

1 负荷快速响应的协调控制策略

1.1 主蒸汽流量协同中间点温度给水控制策略

对于直流锅炉，给水控制的主要目的是保证煤水比，实现过热汽温的粗调，满足负荷的响应。原协调控制方式下给水流量设定是由煤水比控制。根据CFB锅炉燃烧机理和特性，CFB锅炉炉膛内存有大量的循环物料，循环物料中有大量的未燃尽碳。在CFB锅炉中，给煤机送入的新燃料并不能实时提供锅炉燃烧所需的全部能量，炉膛内循环物料中的碳燃烧产生的热量在锅炉输出热量中占很大比例。因此，以燃料量作为给水量的控制参数无法反映锅炉的实时负荷要求。同时由于无烟煤燃烧延时较长，采用煤水比调节时，超临界CFB锅炉主蒸汽压力和温度波动很大，经常出现超压现象[11-13]。

超临界CFB锅炉响应机组负荷需要给水流量、燃料量、风量同时快速响应，然而燃料量不能及时反映锅炉炉膛燃烧情况，而且CFB锅炉燃料调节均需有一定量超调。直流锅炉给水流量既影响蒸汽温度也影响蒸汽压力，所以负荷变动过程中给水流量控制需要精确[14-15]。给水流量与主蒸汽流量存在动态平衡，可以通过主蒸汽流量作为给水流量控制主输入信号，以函数()表示，具体关系见表1。

表1 主蒸汽流量与给水流量关系()

Tab.1 Relationship between the steam flow and feedwater flow f(x)

为实时精确地控制给水量，将给水控制主控因素改为主蒸汽流量，加入减温水量修正（过热减温水引接至省煤器前），同时叠加以下因素：1）负荷偏差修正函数作用于给水流量设定值；2）压力偏差修正函数作用于给水流量设定值；3）分离器出口目标温度与分离器出口实际温度的偏差，经给水过热度修正函数作用于给水流量设定值。

通过以上控制因素共同构成给水流量设定值，且中间点温度偏差同步作用于锅炉主控。其控制策略流程如图1所示。主蒸汽流量直接作用于给水流量，比原来常规煤水比控制更准确地控制给水流量，避免了燃料量燃烧延时和物料循环中未燃尽碳燃烧的影响。另外给水流量的及时响应，使主蒸汽压力快速达到目标压力，减少了主蒸汽压力和温度的波动。

1.2 锅炉主控负荷快速响应优化

当负荷指令快速增加时，响应负荷时主蒸汽压力会降低，此时需要锅炉侧快速增加燃料量和风量。锅炉主控负荷快速响应优化策略采用前馈调节与PID偏差调节相结合的控制方法，PID的输入为压力偏差，PID比例、积分系数采用2路切换输入。当负荷偏差大于3 MW时采用快速响应输出，负荷偏差小于3 MW时采用较缓的速率变化，控制思路为负荷快速变化时，压力偏差会快速作用燃料指令，最大程度消除燃料燃烧的响应滞后问题。

前馈调节采用4路输入共同作用：1）经热值修正后的燃料量反馈输入；2）负荷偏差调节输入；3）目标负荷直接折算基础燃料量输入；4）压力实时值偏差对应燃料量输入。4路信号输入叠加，根据实际运行工况调整适合响应机组的各输入信号增益系数，最终输出至锅炉主控动态前馈。

动态调节过程中，主要是负荷偏差和压力偏差起主要前馈作用，煤质稳定的情况下，热值修正后的燃料量和目标负荷折算的燃料量仅起到基础作用。锅炉主控输出分别作用于燃料量、一次风量、二次风量，锅炉主控对一次风量设定直接影响CFB锅炉的压力跟踪特性和负荷响应速度。通过锅炉主控与一次风量形成一个基本关系，同时增加负荷指令变化对一次风量设定修正系数，即负荷指令增加初期，一次风量有一定阶跃。具体为负荷指令变化达3 MW时，一次风量标准状态下增加20 000 m3/h，指令输出时间为5 s，主要是增加CFB锅炉炉膛内物料中未燃尽碳的燃烧释放热量，通过过量加风及时释放炉膛内蓄热，燃料量随后逐步增加，进而维持整个负荷变化过程床温稳定，满足机组对电网的负荷响应速度要求。

1.3 汽轮机主控负荷快速响应优化

汽轮机主控在ACE模式下通过汽轮机调节阀快速动作至目标位置以响应负荷。为更好地响应负荷，对汽轮机调节阀流量特性进行优化，对顺序阀和单阀下流量特性曲线进行修改，保证了汽轮机主控与各调节阀流量线性均匀流畅。同时根据修改后汽轮机调节阀的调节特性，利用前馈调节加PID偏差调节的方法，前馈调节接入限速后的目标负荷同滞后20 s信号求偏差，保证负荷指令变化时，汽轮机主控快速响应，并依靠PID偏差调节稳定在目标负荷状态。

2 应用实例

采用上述方法对山西河坡电厂350 MW CFB机组原协调控制方式进行优化。首先在1号机组实施该控制策略，对协调优化后负荷变动曲线进行了对比，2018年11月24日运行参数曲线如图2所示。

从图2可以看出：15 h中机组负荷升降变化明显，负荷变化区间为220~310 MW，给水流量跟踪良好且能够及时响应；主蒸汽压力实际值与压力设定值跟踪效果良好，最大偏差在±1.0 MPa范围内；中间点温度偏离设定值时，其及时作用于给水流量和燃料量指令，主蒸汽温度波动不超±10 ℃。

图3为采用优化的协调控制策略后ACE方式运行4 h的DCS曲线。

从图3可以看出：在ACE模式下，负荷阶跃变化约在20~30 MW区间，幅值较大，目标负荷快速变化后给水流量稍有滞后，但满足负荷响应要求；主蒸汽压力围绕压力设定值有一定波动，偏差基本在±1.0 MPa范围内，控制效果较好。采用优化协调控制策略后，电网ACE方式运行时，该机组的ACE综合评价指标P由原来1.09增加为4.21，达到山西省调电厂的优秀水平。

3 结 语

根据超临界CFB机组的特点，对机组协调控制策略进行了优化，以主蒸汽流量为主输入因素控制给水流量设定值，以锅炉主控控制燃料量、一次风量、二次风量，通过一次风量的快速阶跃变化，充分释放CFB锅炉蓄热能力，进而快速响应负荷指令要求；同时结合中间点温度修正锅炉主控稳定主蒸汽压力和主蒸汽温度。某超临界350 MW CFB机组应用该协调控制策略后，在ACE模式下，机组实际负荷可实现快速响应，主蒸汽汽压力和主蒸汽温度基本维持稳定，ACE综合评价指标p值达到4.21，满足电网考核指标。

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Optimization of coordinated control for rapid response to electric power in supercritical CFB unit

HOU Yiming1, WANG Zhiwei2, WANG Jinquan3

(1. Gemeng International Co., Ltd., Taiyuan 030006, China; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China;3. Shanxi Gemeng Safety Production Consultation Co., Ltd., Taiyuan 030006, China)

The supercritical circulating fluidized bed (CFB) boilers use the conventional coal-to-water ratio control strategy, which exists large inertia and long lag problem, resulting in large fluctuation in main steam pressure and poor load response performance. Under area control error (ACE) mode, the rapid change of AGC load will increase the fluctuation of fuel quantity and steam pressure, especially for circulating fluidized bed (CFB) units. Against this problem, according to the characteristics of CFB units, a coordinated control strategy of load rapid response is proposed. In this strategy, the feed water control of the whole process is realized by using the main steam flow rate and the intermediate point temperature. Both the load and the main steam pressure deviation act on the rapid response of the main control of the boiler by the combination of feedforward regulation and PID deviation adjustment. The heat storage of the CFB boiler is fully used and the load change is responded through the main control of the steam turbine and the instruction of each regulating valve. Moreover, this control strategy was applied in a supercritical 350 MW CFB unit of Shanxi Hepo Power Plant, and the results show that, the main steam pressure fluctuation was small, the steam temperature was stable, and the value of the load response comprehensive evaluation index Kp in ACE mode reached 4.21, which proves that the control effect of the supercritical CFB unit in varying load operation is good and the ACE index reaches excellent level.

supercritical, CFB, thermal power unit, coordinated control, load response, feedwater flow, main steam flow

TM621.6

B

10.19666/j.rlfd.201905139

2019-05-17

侯益铭(1969)，男，高级工程师，主要研究方向为火电厂热工控制及节能优化技术，houyiming2000@163.com。

侯益铭, 王智微, 王晋权. 超临界循环流化床机组负荷快速响应的协调控制优化[J]. 热力发电, 2019, 48(10): 33-37. HOU Yiming, WANG Zhiwei, WANG Jinquan. Optimization of coordinated control for rapid response to electric power in supercritical CFB unit[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(10): 33-37.

（责任编辑 杜亚勤）