李建軍，王 禮，王英薈

(遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

一、二次調(diào)頻是發(fā)電機(jī)組維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的兩項(xiàng)重要功能。一次調(diào)頻是指發(fā)電機(jī)組的自動控制系統(tǒng)在電網(wǎng)頻率下降時(shí)自動增加自身負(fù)荷、在電網(wǎng)頻率升高時(shí)自動減少自身負(fù)荷，從而限制電網(wǎng)頻率的變化。一次調(diào)頻是有差調(diào)節(jié)，只能減少電網(wǎng)頻率的偏離程度，為了使產(chǎn)生偏離的電網(wǎng)頻率得到恢復(fù)，維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，一些發(fā)電機(jī)組還必須根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度中心的指令進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，這一過程稱為二次調(diào)頻，也稱為AGC［1］。參與二次調(diào)頻的機(jī)組必須具有機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

電網(wǎng)頻率是電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要控制參數(shù)，直接影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行及用電設(shè)備的使用壽命和安全。為了提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少電網(wǎng)頻率的波動，增強(qiáng)電網(wǎng)抗事故能力，各電網(wǎng)公司要求發(fā)電機(jī)組要具備一、二次調(diào)頻的能力，并且滿足電網(wǎng)公司要求的技術(shù)指標(biāo)。

超 (超)臨界燃煤機(jī)組作為電力生產(chǎn)領(lǐng)域的主力機(jī)組，也需要成為參與電網(wǎng)一、二次調(diào)頻的主力機(jī)組。但是，超 (超)臨界燃煤機(jī)組在能量產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換過程中存在較大延遲，而且運(yùn)行工況和煤種常常偏離設(shè)計(jì)要求，很難滿足負(fù)荷快速響應(yīng)的要求，給超 (超)臨界燃煤機(jī)組一、二次調(diào)頻功能帶來很大的技術(shù)難度。因此，需要系統(tǒng)分析影響機(jī)組一、二次調(diào)頻能力的主要因素，采取適合機(jī)組特性的控制策略提高超 (超)臨界燃煤機(jī)組的一、二次調(diào)頻性能、使其各項(xiàng)控制技術(shù)指標(biāo)滿足電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰的要求。

1 影響因素

1.1 機(jī)組特點(diǎn)對一、二次調(diào)頻的影響

超 (超)臨界燃煤機(jī)組的多變量耦合、非線性、大遲延特性主要是鍋爐決定的，而鍋爐的子系統(tǒng)響應(yīng)特性也不一致，影響最大的是制粉系統(tǒng)。目前，超 (超)臨界機(jī)組多數(shù)是采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)。中速磨直吹式制粉系統(tǒng)包含了給煤、制粉等多個(gè)工藝環(huán)節(jié)，大大降低了鍋爐的整體響應(yīng)速度［2］。

提高直吹式制粉系統(tǒng)響應(yīng)速度的有效手段是增強(qiáng)前饋?zhàn)饔?。但是前饋?zhàn)饔猛哟罂刂茀?shù)波動、延長調(diào)整過程。因此需合理調(diào)整，與給水系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)等鍋爐子系統(tǒng)互相配合、協(xié)調(diào)工作，達(dá)到既能提高響應(yīng)速度又能減少參數(shù)波動的目的。

1.2 協(xié)調(diào)控制方式對一、二次調(diào)頻的影響

機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)一、二次調(diào)頻功能的核心部分。機(jī)、爐對負(fù)荷的不同響應(yīng)能力決定了機(jī)組的一、二次調(diào)頻能力首先與機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)關(guān)系最大，機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通常采用以下幾種控制方案，即:以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方案、以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方案和介于二者之間的綜合協(xié)調(diào)控制方案。

以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制是由汽機(jī)控制進(jìn)汽壓力、鍋爐控制機(jī)組負(fù)荷，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，但是負(fù)荷響應(yīng)速度慢、控制精度差，采用這種方式運(yùn)行的機(jī)組基本不能滿足電網(wǎng)對機(jī)組一、二次調(diào)頻能力的要求;以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制是由鍋爐控制進(jìn)汽壓力、汽機(jī)控制機(jī)組負(fù)荷，機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度快、控制精度高，但機(jī)前壓力等主要參數(shù)波動大，機(jī)組穩(wěn)定性差，采用這種方式運(yùn)行的機(jī)組一、二次調(diào)頻能力強(qiáng)，但是影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是對超 (超)臨界燃煤機(jī)組影響更大;綜合協(xié)調(diào)控制是由汽機(jī)和鍋爐同時(shí)控制機(jī)前壓力和機(jī)組負(fù)荷，在機(jī)組一、二次調(diào)頻能力和運(yùn)行穩(wěn)定性方面介于前兩種方式之間，而且要求鍋爐、汽機(jī)都要具有良好的控制性能，這是比較常用的控制方式［3、4］。不管采用哪種控制方式，超 (超) 臨界燃煤機(jī)組都難以兼顧在保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，顯著提高一、二次調(diào)頻能力。因此，必須突破傳統(tǒng)的控制模式，采用先進(jìn)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)適合超(超)臨界燃煤機(jī)組特點(diǎn)的新型機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式。

1.3 滑壓運(yùn)行對一、二次調(diào)頻的影響

火電機(jī)組通常有定壓和滑壓兩種運(yùn)行方式。定壓運(yùn)行時(shí)，保持汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力 (機(jī)前壓力)不變，通過改變進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥的數(shù)量和開度來改變進(jìn)汽量，以滿足電網(wǎng)對調(diào)整負(fù)荷的要求，定壓方式不改變鍋爐蓄熱能力，有利于負(fù)荷的快速響應(yīng)?；瑝哼\(yùn)行時(shí)，進(jìn)汽壓力隨負(fù)荷的變化而變化，變化方向與負(fù)荷需求方向相同。當(dāng)增加負(fù)荷時(shí)，鍋爐同時(shí)需要吸收一部分熱量來提高壓力;反之，在降低負(fù)荷時(shí)，鍋爐要釋放一部分蓄熱降低壓力。造成汽壓與負(fù)荷同時(shí)排斥與需求鍋爐的能量，從而產(chǎn)生大的延時(shí)和超調(diào)，對機(jī)組一、二次調(diào)頻產(chǎn)生不利影響。但是，滑壓運(yùn)行方式使汽機(jī)調(diào)速汽門保持相對全開，節(jié)流損失小，可以大大提高機(jī)組的效率，超 (超)臨界燃煤機(jī)組大多采用滑壓方式運(yùn)行。

為了改善滑壓運(yùn)行方式對機(jī)組參與一、二次調(diào)頻的不利影響，可以根據(jù)機(jī)組負(fù)荷指令的變化情況，對滑壓指令進(jìn)行非線性修正，使汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力順勢而為，不再成為阻礙機(jī)組對外界負(fù)荷需求響應(yīng)的因素，而是有利于機(jī)組對外界負(fù)荷需求的響應(yīng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 一、二次調(diào)頻指令

由于一次調(diào)頻指令和二次調(diào)頻指令都是為了維持頻率的穩(wěn)定，目前多數(shù)控制系統(tǒng)是把兩個(gè)指令簡單疊加在一起由鍋爐主控和汽機(jī)主控執(zhí)行，這是不合適的，會影響一次調(diào)頻的效果。因?yàn)橐淮握{(diào)頻和二次調(diào)頻在電網(wǎng)中的作用不同，在響應(yīng)時(shí)間和控制精度上的要求也不同。

機(jī)組在執(zhí)行一次調(diào)頻指令時(shí)，必須立即響應(yīng)，延遲時(shí)間越短越好，這就要求在電網(wǎng)頻率超出死區(qū)范圍時(shí)，調(diào)速汽門立即動作。由于電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻所調(diào)節(jié)的負(fù)荷分量主要是0.033～1 Hz的短周期隨機(jī)變動負(fù)荷，一次調(diào)頻指令有幅度限制，持續(xù)的時(shí)間也有限，雖然也會引起參數(shù)的波動，如果能夠合理地利用鍋爐的有限蓄能，并且采取合適的控制策略，參數(shù)的波動幅度和持續(xù)時(shí)間可以控制在允許范圍內(nèi)。

機(jī)組在執(zhí)行二次調(diào)頻指令時(shí)，為了協(xié)調(diào)鍋爐和汽機(jī)對負(fù)荷響應(yīng)特性的不同，在滿足電網(wǎng)要求指標(biāo)的前提下，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)需要根據(jù)機(jī)、爐間特性的差異，在汽機(jī)側(cè)增加負(fù)荷指令的延遲環(huán)節(jié)，目的在于推遲調(diào)速汽門的動作時(shí)間，使鍋爐儲備一定的能量，盡量保證能量供求的平衡和控制參數(shù)的穩(wěn)定。

為了滿足一次調(diào)頻和二次調(diào)頻控制的不同要求，一、二次調(diào)頻指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下:根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行狀況，將調(diào)度中心下發(fā)的二次調(diào)頻指令進(jìn)行變化率限制、高負(fù)荷限制、低負(fù)荷限制、閉鎖升、閉鎖降等綜合運(yùn)算，形成一個(gè)機(jī)組能夠接受的實(shí)際負(fù)荷指令;根據(jù)電網(wǎng)頻差信號以及要求的調(diào)速系統(tǒng)不等率、死區(qū)、幅值限制，形成一次調(diào)頻指令;實(shí)際負(fù)荷指令送到鍋爐控制系統(tǒng)，作為鍋爐負(fù)荷指令;實(shí)際負(fù)荷指令經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)與一次調(diào)頻指令求和送到汽機(jī)控制系統(tǒng)，作為汽機(jī)負(fù)荷指令;同時(shí)，一次調(diào)頻指令作為并行前饋分別送到鍋爐控制系統(tǒng)和汽機(jī)控制系統(tǒng)。

2.2 滑壓定值曲線

在采用自然滑壓定值曲線 (負(fù)荷的函數(shù))時(shí)，由于自然滑壓定值曲線隨負(fù)荷的變化而線性變化，變化時(shí)壓力與負(fù)荷對能量的需求與排斥方向相同，在升負(fù)荷的工況下，開始變化時(shí)，二者都需要能量，使系統(tǒng)產(chǎn)生大的延遲，當(dāng)接近目標(biāo)負(fù)荷時(shí)，二者又都排斥能量，造成系統(tǒng)較大超調(diào);降負(fù)荷的工況下，情況相同，只是方向相反。從而使壓力調(diào)節(jié)和負(fù)荷調(diào)節(jié)互相制約、互相影響，調(diào)節(jié)品質(zhì)不好，甚至失控。

如果在自然滑壓定值曲線的基礎(chǔ)上、按照協(xié)調(diào)工況下壓力的響應(yīng)特性設(shè)置壓力定值曲線，則可以在時(shí)間上解決壓力與負(fù)荷對鍋爐能量需求的矛盾。從而實(shí)現(xiàn)壓力和負(fù)荷的解耦控制，減少系統(tǒng)的延遲和超調(diào)，達(dá)到改善調(diào)節(jié)品質(zhì)的目的。

由于在大范圍的變壓運(yùn)行過程中，壓力的響應(yīng)特性與運(yùn)行工況和主要運(yùn)行參數(shù)有關(guān)，是非線性、時(shí)變的，為了使壓力定值更接近實(shí)際壓力響應(yīng)特性而實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，可以總結(jié)專家控制經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)負(fù)荷變化率、負(fù)荷偏差、壓力偏差及一次調(diào)頻幅度對自然滑壓定值曲線進(jìn)行自動修正，形成非線性、時(shí)變的滑壓定值曲線。

2.3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

一、二次調(diào)頻功能都需要協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵是在保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，使機(jī)組在參與一、二次調(diào)頻時(shí)的響應(yīng)速度和控制精度滿足電網(wǎng)的要求，而這正是超 (超)臨界燃煤機(jī)組控制的難點(diǎn)，為此，針對超 (超)臨界燃煤機(jī)組的主要特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了帶有多輸入多輸出控制加速器的變參數(shù)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)邏輯如圖1所示，主要由3個(gè)部分組成:汽機(jī)主控、鍋爐主控和多輸入多輸出控制加速器。

2.3.1 汽機(jī)主控

汽機(jī)主控接收汽機(jī)負(fù)荷指令信號，通過調(diào)節(jié)器運(yùn)算輸出控制信號驅(qū)動調(diào)速汽門，使實(shí)際負(fù)荷與負(fù)荷指令相等。

如果主汽壓力偏差超過控制系統(tǒng)內(nèi)部預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時(shí)，汽機(jī)主控將不再控制機(jī)組負(fù)荷，轉(zhuǎn)而控制進(jìn)汽壓力以便維持汽機(jī)輸出和鍋爐輸入相匹配，即為汽機(jī)調(diào)速汽門的超馳控制。

2.3.2 鍋爐主控

鍋爐主控信號由鍋爐負(fù)荷指令信號和主蒸汽壓力校正信號組合形成。

由于鍋爐響應(yīng)呈現(xiàn)非線性特性，所以在鍋爐主控中采用了變參數(shù)PID控制，以滿足機(jī)組在不同負(fù)荷下的響應(yīng)特性。

鍋爐主控的輸出作為鍋爐子控制回路 (給水、燃料、風(fēng)量等)的指令信號，使鍋爐負(fù)荷滿足汽輪機(jī)需求的同時(shí)維持進(jìn)汽壓力和設(shè)定值相同。同時(shí)將鍋爐內(nèi)部過程控制變量 (煙氣含氧量、爐膛壓力和蒸汽溫度等)維持在可接受的范圍內(nèi)，保證鍋爐的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

2.3.3 多輸入多輸出控制加速器

在不同負(fù)荷下鍋爐輸入的平衡是由相應(yīng)的子控制回路的指令信號維持的，如給水、燃料和風(fēng)量指令信號。但是在負(fù)荷變動時(shí)，僅采用常規(guī)調(diào)節(jié)是不夠的，難以快速滿足外界負(fù)荷需求，超 (超)臨界燃煤機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行效果已說明了這點(diǎn)。

為了加快機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度，常規(guī)控制往往采用指令微分作為鍋爐主控的動態(tài)加速前饋，由于微分的作用，這種控制方法易使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，而且沒有考慮到鍋爐子控制回路 (給水、燃料、風(fēng)量等)在負(fù)荷變化過程中的非線性特性，會使系統(tǒng)長期處于不受控狀態(tài)。如果根據(jù)鍋爐子控制回路(給水、燃料、風(fēng)量等)的不同響應(yīng)特性，總結(jié)運(yùn)行人員累積的操作經(jīng)驗(yàn)和技巧，在負(fù)荷變化過程根據(jù)運(yùn)行工況的不同，單獨(dú)并行調(diào)節(jié)鍋爐子控制回路(給水、燃料、風(fēng)量等)的動態(tài)加速分量，可以更好地保持鍋爐的動態(tài)平衡。多輸入多輸出控制加速器就是根據(jù)這一思路設(shè)計(jì)的。

2.4 一次調(diào)頻控制

一次調(diào)頻的持續(xù)作用通過協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其邏輯也是和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)融合在一起，如圖1所示。機(jī)組在協(xié)調(diào) (CCS)方式運(yùn)行過程中一次調(diào)頻動作時(shí)，為了使鍋爐側(cè)、汽輪機(jī)側(cè)協(xié)調(diào)動作，采用CCS+DEH聯(lián)合控制方式，在CCS邏輯中和DEH邏輯中同時(shí)加入頻率校正回路，由CCS和DEH共同完成一次調(diào)頻功能。

為了加快一次調(diào)頻的響應(yīng)速度，將計(jì)算出需補(bǔ)償?shù)臋C(jī)組負(fù)荷作為汽機(jī)主控指令的一部分的同時(shí)，還按汽輪機(jī)調(diào)節(jié)門流量特性在DEH中作為前饋直接疊加在汽輪機(jī)調(diào)節(jié)門指令上，考慮到汽輪機(jī)調(diào)節(jié)門流量特性是在額定壓力下整定的，為保證在大范圍壓力變動過程中前饋?zhàn)饔孟嗤謱η梆佭M(jìn)行了壓力補(bǔ)償。

由于調(diào)門的快速動作勢必影響到鍋爐的蓄熱，如果這時(shí)不改變?nèi)霠t熱量，必然引起機(jī)組主要參數(shù)的波動，波動程度與一次調(diào)頻持續(xù)的時(shí)間和幅度正相關(guān)，而且不能保證一次調(diào)頻的持續(xù)性;如果這時(shí)按常規(guī)方法改變?nèi)霠t熱量，將一次調(diào)頻指令疊加在鍋爐負(fù)荷指令上，由于直吹式制粉系統(tǒng)的滯后性，入爐熱量至少需要3 min才會起作用，而一次調(diào)頻的負(fù)荷響應(yīng)滯后時(shí)間不大于3 s，也會造成鍋爐給水、燃料等系統(tǒng)的大幅波動，使得機(jī)組主要參數(shù)不穩(wěn)定。為了既能改變?nèi)霠t熱量，又能減少波動，可將一次調(diào)頻指令單獨(dú)處理，按鍋爐各子系統(tǒng)的不同響應(yīng)特性采用并行前饋的方式直接引入各子系統(tǒng)，這樣就可以減少超調(diào)，抑制參數(shù)的波動。

3 工程應(yīng)用

華能營口電廠的600 MW超超臨界燃煤機(jī)組投產(chǎn)后，一、二次調(diào)頻功能一直不能滿足電網(wǎng)要求。在對控制邏輯進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化、調(diào)試和大量的負(fù)荷變動試驗(yàn)后，獲得了理想的控制效果，不但使機(jī)組的一、二次調(diào)頻功能優(yōu)于電網(wǎng)要求，而且機(jī)組主要參數(shù)的調(diào)節(jié)品質(zhì)均得到了明顯改善。

圖2是機(jī)組的一次調(diào)頻監(jiān)視曲線，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于電網(wǎng)要求。其中，響應(yīng)速度指標(biāo)β1=1，負(fù)荷調(diào)整幅度指標(biāo)β2=1.1，調(diào)整幅度偏差指標(biāo)β3=8.9%，機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)Bu=1.146。

圖3是機(jī)組二次調(diào)頻響應(yīng)曲線，機(jī)組的二次調(diào)頻響應(yīng)特性優(yōu)于電網(wǎng)要求，主要控制參數(shù)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。二次調(diào)頻響應(yīng)特性:實(shí)際負(fù)荷變化速率為1.2%Pe/min;負(fù)荷響應(yīng)純延遲時(shí)間小于40 s;負(fù)荷偏差在±1%Pe以內(nèi)。機(jī)組主要參數(shù)調(diào)節(jié)品質(zhì):主蒸汽壓力偏差±0.56 MPa;主汽溫偏差±5℃;再熱汽溫偏差±6℃。

4 結(jié)束語

通過對超 (超)臨界燃煤機(jī)組的特性分析和試驗(yàn)研究得知，超 (超)臨界燃煤機(jī)組是以一次完成汽水循環(huán)、強(qiáng)耦合、非線性為特征的多輸入、多輸出、多參數(shù)的被控對象，采用常規(guī)控制方法很難達(dá)到理想的控制效果。本文從超 (超)臨界燃煤機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)和控制難點(diǎn)出發(fā)，按照機(jī)組響應(yīng)特性設(shè)定非線性的、時(shí)變的滑壓定值曲線，解決了變負(fù)荷過程中壓力和負(fù)荷相互制約的矛盾;采用多輸入多輸出控制加速器減少鍋爐的響應(yīng)滯后時(shí)間，減少了鍋爐和汽機(jī)的耦合性，全新的控制方法成功地解決了超 (超)臨界燃煤機(jī)組的控制難題，不但顯著提高了機(jī)組參與電網(wǎng)一、二次調(diào)頻的能力，也改善了機(jī)組主要參數(shù)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，增強(qiáng)了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。

［1］ 康 松．汽輪機(jī)原理［M］．北京:中國電力出版社，2000．

［2］ 肖大雛．超超臨界機(jī)組控制設(shè)備及系統(tǒng)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010．

［3］ 中國動力工程學(xué)會．火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

［4］ 張 華，孫奎明．熱工自動化［M］．北京:中國電力出版社，2010．