1-1000MW超临界直流炉机组协调控制系统策略研究与应用

1 前言
随着电力系统的发展，材料技术的发展和节能要求的不断提高，对火电机组的经济性提出了更 高的要求。通过提高蒸汽参数并与发展大容量机组相结合是提高常规火电厂效率及降低单位容量造 价最有效的途径。与同容量亚临界火电机组的热效率相比，采用超临界参数在理论上可提高效率2 ％～2.5％， 采用超超临界参数可提高4％～5％。 目前， 世界上先进的超超临界机组效率已达到47％～ 49％。大容量超超临界机组具有运行经济性高、负荷适应性强的特点, 是我国未来大型火电机组的 发展方向。 但是超超临界机组的直流特性、变参数的运行方式、多变量的控制特点，与亚临界汽包炉相比 在控制上具有很大的特殊性。因此，有必要对超超临界机组的运行方式和控制策略进行讨论。 本文依照潮州和天津北疆1000MW机组的协调控制策略设计和调试经验，对超超临界直流炉的 特点和控制困难，以及解决方案进行了详细的介绍和总结。
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图1 负荷设定站原理图 F ig 1 T h e fig u re o f lo ad s et p o in ts
频 差 A G C指 令 实际负荷 CRT
A
协调方式 N Y
T
N AGC 方 式
Y
T
压力修正
H/L
F(x)
△ 负荷指令 W MD
汽机主控
锅炉主控
在协调方式下且 AGC 切除等条件下， 负荷设定值给定站就工作在负荷手动设定方式，机组接受 运行操作人员通过 OM 操作画面上的设定值给定站手动设定负荷指令，作为机组负荷控制指令设定 值给定站的输出。 � 负荷跟踪方式 当机组在非协调控制方式时，机组负荷控制指令设定值给定站的输出处于跟踪方式，其跟踪信 号就是机组实际负荷(即实发功率)。 3.1.2 负荷指令的最大/最小值限制 无论是自动调度系统的 AGC 指令， 还是运行人员的手动指令，经过机组负荷控制指令设定值给 定站输出并与频率修正指令叠加后，还需经过最大值和最小值的限制，才能得到幅值合适的负荷指 令。 负荷指令的最大值限制由小值选择器完成，其限制信号是机组最大允许负荷和由运行操作人员 通过设定值给定站设定的上限限幅值；负荷指令的最小值限制由大值选择器完成，其限制信号是机 组最小允许负荷和由运行操作人员通过设定值给定站设定的下限限幅值。 3.1.3 负荷指令的变化速率限制 为了避免负荷指令信号突变给机组运行带来的冲击，机组负荷指令处理回路利用变化率限制功 能将阶跃变化负荷指令信号转变为以给定速率变化的斜坡信号。变化速率限制功能在 CCS 方 式 下 ， 且没有发生 MFT 和 RB 的情况下才有效。 3.1.4 一次调频指令的叠加 本机组设计中一次调频信号的投入，只有在机组处于协调运行方式且机组频率测量信号故障时 才允许。当一次调频投入时，根据网上频率的变化，当网频变化超过死区（大于±0.033HZ） ，调 频 函 数输出相应的负荷值，叠加到负荷指令上，同时 DEH 叠加相应的阀位值，保证调频的动作时间满足 要求。 3.2 汽机主控回路 为了满足电网AGC要求，提高机组负荷响应速率，控制方案采用了以锅炉跟随为基础的协调控
实际负荷 负荷指令 MW D 压力偏差
LAG 三阶惯性
LAG LAG
压力拉回 △ F(x)
F(x)
P S F PID ZBiblioteka Baidu
I
A
T
A 机 主 控
I
DEH 阀位指令
3.2.1 机炉强耦合解耦的处理 由于采用了锅炉跟随方式的协调策略，汽机控制功率，锅炉控制压力。汽机调门对负荷的响应 快, 负荷控制精度高，相对汽包炉而言，直流炉蓄热较少。大幅度负荷变动时，势必对压力造成很 大的影响。这是由于锅炉特性慢和汽轮机特性快的特征所造成的。因此在控制系统中设置动态补偿 环节，减少机炉间控制的不协调，不匹配的现象。在实际控制过程中，采用了“压力拉回”和负荷指 令的三阶惯性的办法。 在负荷指令后加入了三阶惯性环节，模拟从负荷指令变化到工质进入水冷壁吸热，汽化到压力、 温度变化的过程，使汽机“等待”锅炉的响应。从而减低机炉间的强耦合的问题。 压力拉回回路上，主要是用机前压力偏差信号修正负荷指令信号。这样做的目的是当机前压力 偏差较小时，由锅炉主控制系统控制机前压力，维持机前压力为定值；当机前压力偏差较大时，仅 靠锅炉主控调节以及不能达到控制要求。此时利用汽机响应快速的特点，短时间内牺牲一下负荷， 拟补锅炉控制慢的特性。从而保证压力控制的快速性。 3.3 锅炉主控回路 依据超超临界机组的特性可知，协调控制的核心部分是在锅炉侧。一方面，直流锅炉在干态运 行时，过热蒸汽温度仅取决于燃料量和给水量的比例(即水煤比)。如果水煤比保持不变，则过热蒸汽 温度保持不变；反之也然。所以，水煤比的变化是造成过热蒸汽温度变化的基本原因，给水量与燃 料量是过热汽温的调节主要手段。而另一方面，基于炉跟随方式的协调控制策略，由于锅炉蓄热较
1000MW 超超临界直流炉机组协调控制系统 策略研究与应用
刘磊 1,高爱国 1, 骆意 1
（1. 华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100043）
摘 要：介绍了超超临界直流炉的控制特点，分析了其控制系统的现状及难点。针对超超临界直 流锅炉多变量、非线性、大迟延、大惯性等特点，在日本三菱公司提供的控制策略基础之上，结合 工程实际，提出了合理的控制策略，并应用于实际机组控制中。通过对控制系统进行了整定和优化， 取得了比较好的效果。 关键词：超超临界；协调控制；非线性控制；直流炉；水煤比
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制策略。在这种方式下,汽机主控采用了“汽机PID调节器”实现“协调控制”方式下的汽机调功任务,汽 机主控的给定值是由经频率偏差修正过的 MWD输出和主汽压力给定与主汽压力实际值的偏差共同 形成的,而过程值为机组实发功率。汽机主控的输出发送给DEH调节主汽门的开度。控制原理图见图 2。
图2 机主控原理图 F i g 2 T h e fi g u re o f T u rb i n e M a st e r
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由此可以看出机组的主要控制参数功率、压力、温度均受到了汽机调门开度、燃料量、给水量 的影响。从而也说明直流锅炉控制系统是一个三输入／三输出并具有相互耦合关联极强的特性[1]。 2.2 机组对象的非线性特征 在超超临界直流锅炉中，不同工况下各区段工质的比热、比容、热焓与其温度、压力的关系是 非线性的，工质传热特性、流量特性是非线性的。在启动初期，锅炉建立最小工作流量，蒸汽流量 小于最小给水流量，锅炉运行在湿式方式，此时机组控制给水流量，利用疏水控制启动分离器水位， 启动分离器出口温度处于饱和温度，此时直流锅炉的运行方式与汽包锅炉基本相同。而当锅炉负荷 继续增加，蒸发量大于最小流量时，分离器中的饱和水转变为饱和蒸汽，锅炉运行于干态模式。由 此也可看出整个锅炉启动过程中就是非线性过程。 2.3 机组蓄热较少的特性 机组的可用蓄热主要来源于锅炉汽水流程中的金属吸热部件与汽水工质在温度变化时的热惯性, 与汽水工质相比, 金属部件的比热要小许多, 因此, 在锅炉蓄热能力中起主要作用的是在锅炉管道 与联箱中流动与混合的汽水工质, 而处于蒸发区的饱和水的比热最大, 蓄热能力最强。与汽包炉相 比, 直流锅炉没有重型汽包、较粗的下降管, 水容积也小许多, 尤其是蒸发区容积很小, 因此, 在相 同的汽压条件下, 其蓄热能力仅为汽包炉的1/4~1/3。一方面，由于蓄能小，负荷调节的灵敏性好， 可以实现机组的快速启停和负荷调节；另一方面，由于蓄能小，负荷变动时汽压反映很敏感，因此， 机组变负荷性能较差，保持汽压困难。
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小，汽机调门扰动对压力影响远比汽包炉大得多。因此，炉侧控制的核心就取决于两个方面，压力 控制和水煤比控制。炉侧控制原理图见图 3。
图3 炉 主 控 原 理 图 F ig 3 The figure of B oiler M aster
实际压力 负荷指令 MW D CRT A 滑 压 Y N T F(x)
3 超超临界机组协调控制策略
由上述可知超超临界机组被控对象有功率、压力和温度。在这三个被控参数中，功率是外界对 机组负荷的需求，是一个变量；压力在任何负荷下代表了机炉之间的能量平衡。 另外, 由于没有汽包的蓄热缓冲, 给水流量在较短延时后将直接反映于蒸汽流量, 而调门指令 对耗汽量的缓变影响反而要小许多, 因此, 锅炉吸热量与汽轮机耗汽量的平衡关系将转变为吸热量 与给水量的平衡, 只要保持好变负荷过程中的这一热量平衡关系, 则分离器出口比焓或过热度将始 终保持平稳, 机炉处于协调平稳的受控状态。理论上，如果锅炉效率、燃料发热量、给水热焓均保 持不变，则过热蒸汽温度只决定于燃料量与给水量的比值，如果该比值保持一定，则出口过热蒸汽 和给水的热焓保持不变。 所以，直流炉的控制核心变为如何控制压力和煤水比。而煤水比的控制对象恰恰是中间点温度 （相变点） ，该温度设定值是由压力形成的单值函数。总而言之，压力控制是直流锅炉控制系统的关 键环节，压力的变化对机组的外特性来说将影响机组的负荷，对内特性来说将影响锅炉的温度。控 制压力是稳定控制超临界机组的基础。 为了满足电网AGC的要求，本控制方案采用了炉跟机协调方式。即炉主控负责维持机前压力， 机主控用于控制机组负荷。这是由于在此种方式下，机组的负荷响应速度快、负荷控制精度较高， 但机前压力波动幅度较大，后经过优化控制逻辑，压力也得到了很好的控制。现以北疆电厂和潮州 二期1000MW机组的控制策略为实例，详细说明超超临界机组的协调控制策略。 3.1 负荷控制站 负荷控制站完成机组负荷指令的形成功能，包含负荷指令设定，负荷指令限制，速率限制和一 次调频指令叠加等回路。原理图见图1。 3.1.1 负荷指令设定 机组负荷指令处理回路可以工作在负荷自动设定方式、负荷手动设定方式或负荷跟踪方式三种 运行工况。 � 负荷自动设定方式(也称 AGC 方式) 当“AGC 遥控投入 ” 条件具备，同时满足自动调度系统送来的 AGC 负荷指令与机组实际负荷 N E 之间的偏差在允许变化范围内时，机组处于负荷自动设定方式， “AGC 遥控投入”必须在协调控制方式、AGC 测量信号无故障、自动调度系统送来的 AGC 负荷 指令与机组实际负荷 N E 之间的偏差在允许变化范围内， 实际负荷满足要求等四个条件同时满足时才 能够发出。 � 负荷手动设定方式
2 超超临界机组控制对象的特点
2.1 多变量以及强耦合的关系 由于超超临界直流锅炉在汽水流程上的一次性通过的特性， 没有汽包这类参数集中的储能元件， 在直流运行状态汽水之间没有一个明确的分界点，给水从省煤器进口就被连续加热、蒸发与过热， 根据工质(水、湿蒸汽与过热蒸汽)物理性能的差异，可以划分为加热段、蒸发段与过热段三大部分， 在流程中每一段的长度都受到燃料、给水、汽机调门开度的扰动而发生变化，从而导致了功率、压 力、温度的变化。 当给水量和汽轮机调门的开度保持不变的条件下，将锅炉燃料量减少。由于加热段和蒸发段延 长，锅炉储水量增多，因此主蒸汽流量在短暂的迟延后向下发生一次幅度很小的波动．随后又稳定 下来。主蒸汽压力开始因为主蒸汽流量下降而下降后来则因主蒸汽流量回升及汽温下降的共同作用 有所平缓，最后，由于汽温的不断降低，蒸汽比容减少而达到更低的水平。从而导致压力、功率、 温度的降低。 当燃料量和汽轮机调门开度保持不变时，将锅炉给水量减少。由于加热段、蒸发段缩短，所以 主蒸汽流量在迟延一段时间后开始下降，逐渐与给水量相平衡。由于过热段延长，汽温经过一段时 间的延迟后单调上升，最后稳定在一个较高的温度上。工质压力降低是由于流量减少，汽温升高比 容增大，工质流量减少又有所回升。蒸发量降低，导致汽机进气量减少，功率降低。 超超临界直流锅炉汽水一次性通过特性，使超超临界锅炉动态特性受末端阻力的影响远比汽包 锅炉大。当燃料量和给水量不变的条件下，关小汽轮机调节阀。由于关小调节阀后直接影响了锅炉 出口末端阻力特性，使工质的流动阻力增加，从而使汽压上升，流量瞬时剧降。从而缩短了锅炉侧 汽水流程的加热段，汽温由于流量减少，压力增加而有所增加，但幅度不大。汽机功率开始时由于 蒸汽流量突然降低而迅速降低, 随后因蒸汽流量增加、 蒸汽温度上升而逐渐上升, 最后基本稳定在其 初始值水平上。