李強(qiáng)

（廣東能源集團(tuán)有限公司珠海發(fā)電廠，珠海519000）

廣東省能源集團(tuán)珠海發(fā)電廠兩臺(tái)700 MW機(jī)組，DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）、鍋爐爐膛安全監(jiān)控（FSSS）、汽機(jī)旁路控制（BPC）等，機(jī)組在投用AGC方式下存在變負(fù)荷速率偏低、負(fù)荷精度控制性能較差，一次調(diào)頻響應(yīng)情況較差，汽溫汽壓等主要數(shù)據(jù)偏離設(shè)定值較大，不利于機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，且機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K值水平偏低。隨著我國(guó)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的建立，由于珠海發(fā)電廠兩臺(tái)機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K值偏低，無(wú)法成為電網(wǎng)中標(biāo)機(jī)組，經(jīng)濟(jì)損失巨大，所以需要設(shè)計(jì)一種適應(yīng)調(diào)頻市場(chǎng)環(huán)境的控制策略，保證控制系統(tǒng)既能滿(mǎn)足電網(wǎng)頻率控制需要，又能適應(yīng)調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)化的特性要求［1-3］。由于珠海發(fā)電廠DCS系統(tǒng)采用三菱公司提供的DIASYS Netmation分散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在線修改邏輯存在重大安全風(fēng)險(xiǎn)，所以根據(jù)珠海發(fā)電廠實(shí)際情況，在不改變DCS系統(tǒng)的原有控制功能的情況下，設(shè)計(jì)獨(dú)立于DCS控制系統(tǒng)的專(zhuān)用第三方優(yōu)化控制系統(tǒng)（PLC），并采用先進(jìn)的控制技術(shù)（預(yù)測(cè)控制、模糊控制等），在機(jī)組300～700 MW負(fù)荷段來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的AGC控制、一次調(diào)頻、協(xié)調(diào)控制、主汽壓控制、主汽溫控制、再熱汽溫控制的等控制系統(tǒng)的功能優(yōu)化，從而全面提高機(jī)組AGC控制、機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K值和運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定性［4］。

1 優(yōu)化方案

1.1 優(yōu)化策略

采用外接的先控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)優(yōu)化，對(duì)機(jī)組CCS控制系統(tǒng)及相關(guān)子系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和機(jī)組升降負(fù)荷試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組風(fēng)、煤、汽溫和機(jī)爐協(xié)調(diào)的自動(dòng)控制，提高機(jī)組AGC負(fù)荷響應(yīng)能力，提高在調(diào)頻輔助市場(chǎng)環(huán)境下的機(jī)組響應(yīng)特性和機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K值，使機(jī)組的調(diào)頻輔助服務(wù)綜合能力排位在同類(lèi)機(jī)組中處于領(lǐng)先水平。

1.2 硬件配置

目前，珠海發(fā)電廠DCS系統(tǒng)各控制回路采用的是PID控制器為基礎(chǔ)的控制方式，該方式屬于事后控制方式，控制效果欠佳。為了提高機(jī)組的機(jī)組負(fù)荷、主汽壓力、汽包水位、主蒸汽溫度、再熱汽溫度等的控制品質(zhì)，采用一個(gè)外接PLC系統(tǒng)，將各控制回路的控制策略封裝于此，通過(guò)專(zhuān)用通訊卡件與DCS進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。主要控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖如下：

如圖1所示，外掛系統(tǒng)與主機(jī)DCS系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232、RS485/422連接方式，使用MODBUS通訊協(xié)議，還需要從外掛系統(tǒng)引一根RJ45網(wǎng)線到工程師站，連接上位機(jī)，方便調(diào)試和收集歷史數(shù)據(jù)。

圖1 外掛系統(tǒng)硬件配置圖Fig.1 Hardware configuration of plug-in system

通訊卡起到橋梁作用，將不同控制系統(tǒng)之間的信號(hào)進(jìn)行有效交互，從DCS系統(tǒng)中采集相關(guān)信號(hào)至外掛系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)外掛系統(tǒng)中的先進(jìn)控制策略，輸出相應(yīng)的模擬量信號(hào)去控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

1.3 先控系統(tǒng)控制原理圖

該先進(jìn)控制系統(tǒng)主要包括BM、TM的控制，以及一二級(jí)減溫水和再熱器減溫水的控制，各個(gè)先控回路采用集成化封裝，便于系統(tǒng)的維護(hù)［5-7］。各回路主要采用多種算法相結(jié)合的新型先進(jìn)控制器APC-PID。

先進(jìn)控制器APC-PID內(nèi)部原理如圖2（a）所示，通過(guò)一種近似滑動(dòng)窗濾波器（Approximate sliding window filter，ASWF）可構(gòu)造出高性能積分器，仿真試驗(yàn)證明該積分器具有比常規(guī)積分器更高的效率［8］。

圖2 控制器構(gòu)造示意圖Fig.2 Schematic diagram of controller structure

通過(guò)超前觀測(cè)可以提前獲取系統(tǒng)響應(yīng)的信息，常見(jiàn)的超前觀測(cè)形式有：D、PD、相位超前校正等。圖2（b）所示為具有高相位超前效率的高性能超前觀測(cè)器（HPLO）。通過(guò)一種高增益PI（High gain PI，HGPI）控制器，實(shí)現(xiàn)了ASWF的逆變換。對(duì)逆變換的輸出進(jìn)行1階濾波，得到HPLO。

在高性能PI控制器（HPPI）和高性能超前觀測(cè)器（HPLO）的基礎(chǔ)上，構(gòu)造出一種先進(jìn)控制器（APC-PID），如圖2（c）所示。

搭建好先進(jìn)控制器（APC-PID）后，再使其與DCS系統(tǒng)中的鍋爐主控、汽機(jī)主控、過(guò)熱器再熱器溫控制等控制回路配合，實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)各控制回路的優(yōu)化控制。各回路典型原理參見(jiàn)圖3～圖7。

2 控制對(duì)象特性測(cè)定

2.1 需要測(cè)定控制對(duì)象的主要控制對(duì)象

為了快速、準(zhǔn)確整定控制系統(tǒng)相關(guān)控制參數(shù)，分別在40%～50%Pe、60%～70%Pe、80%～90%Pe負(fù)荷段（低、中、高負(fù)荷）進(jìn)行以下控制對(duì)象特性測(cè)試。

圖3 鍋爐主控先控原理圖Fig.3 Schematic diagram of master and advanced control of the boiler

圖4 汽機(jī)主控先控原理圖Fig.4 Schematic diagram of master and advanced control of the turbine

圖5 過(guò)熱汽溫先控原理圖Fig.5 Schematic diagram of temperature advanced control for super heat steam

圖6 再熱汽溫微量噴水先控原理圖Fig.6 Schematic diagram of spray water advanced control for reheat steam

圖7 先控回路的集成化封裝圖Fig.7 Integrated package diagram of the advanced control circuit

1）燃料量擾動(dòng)特性試驗(yàn)，如圖8所示：

圖8 燃料量擾動(dòng)特性Fig.8 Characteristicsoffuelflowdisturbance

2）一次風(fēng)壓擾動(dòng)特性試驗(yàn)，如圖9所示：

圖9 一次風(fēng)壓擾動(dòng)特性Fig.9 Characteristicsofprimaryairpressuredisturbance

3）給水流量特性試驗(yàn)，如圖10所示：

圖10 給水流量特性Fig.10 Characteristicsoffeedwaterflow

4）再熱汽燃燒器擺角－再熱汽溫特性，如圖11所示：

圖11 再熱汽燃燒器擺角特性Fig.11 Characteristicsofreheatsteamburnertilt

5）減溫水門(mén)開(kāi)度-流量特性，如圖12所示：

圖12 減溫水門(mén)開(kāi)度-流量特性Fig.12 Openingandflowcharacteristicsofthespraywatervalve

6）減溫水流量－被調(diào)汽溫及特性，如圖13所示。

3 先控系統(tǒng)投運(yùn)及試驗(yàn)

完成外掛先控控制系統(tǒng)的硬件實(shí)施和通訊接口后，根據(jù)控制對(duì)象特定測(cè)定，將各控制回路建模所得數(shù)據(jù)置于先控系統(tǒng)中，設(shè)定各控制回路在相關(guān)負(fù)荷段下進(jìn)行運(yùn)行，檢測(cè)先控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，進(jìn)一步完善各控制回路相關(guān)參數(shù)，使其達(dá)到最優(yōu)控制狀態(tài)［9-11］。

計(jì)算機(jī)組性能的綜合調(diào)頻指標(biāo)K［12-13］：

式中：k1為調(diào)節(jié)速率指標(biāo)；k2為響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)；k3為調(diào)節(jié)精度指標(biāo)。

圖13 減溫水流量－被調(diào)汽溫及特性Fig.13 Characteristics of spray water flow and regulated steam temperature

調(diào)節(jié)品質(zhì)及目標(biāo)均以以上公式中的參數(shù)最優(yōu)化為標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 調(diào)頻模式下機(jī)組變負(fù)荷試驗(yàn)

投入先進(jìn)控制系統(tǒng)，在400～700 MW負(fù)荷范圍內(nèi)，機(jī)組的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K的值在1.0以上。若綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K低于1.0，則調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，保證綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K不低于1.0。

機(jī)組在調(diào)頻模式下或AGC調(diào)峰模式下，在400～700 MW負(fù)荷范圍內(nèi)，機(jī)組相關(guān)運(yùn)行參數(shù)平穩(wěn)，控制偏差滿(mǎn)足《火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)在線驗(yàn)收測(cè)試規(guī)程（DL/T 657—2015）》要求［14-15］，如主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱汽蒸汽溫度、鍋爐壁溫、爐膛負(fù)壓、氧量等參數(shù)。若相關(guān)運(yùn)行參數(shù)無(wú)法滿(mǎn)足要求，優(yōu)化調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)和控制策略，直到相關(guān)運(yùn)行參數(shù)滿(mǎn)足要求為止。

3.2 控制系統(tǒng)投運(yùn)及試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 大幅度連續(xù)升負(fù)荷300～650 MW

1）圖14中，該機(jī)組的負(fù)荷從300 MW開(kāi)始，逐次升負(fù)荷到650 MW，負(fù)荷率設(shè)定為14 MW/min，升負(fù)荷過(guò)程中有啟動(dòng)2臺(tái)磨煤機(jī)的操作。

2）各次升負(fù)荷過(guò)程中，機(jī)組負(fù)荷控制非常平穩(wěn)，實(shí)際負(fù)荷與負(fù)荷設(shè)定值幾乎重疊。

3）主蒸汽壓力控制平穩(wěn)，最大偏差0.53 MPa。

4）主汽溫度控制平穩(wěn)，A側(cè)主汽溫度（SP=535℃）最低526℃，最高545℃。B側(cè)主汽溫度（SP=535℃）最低525℃，最高545℃。

3.2.2 大幅度連續(xù)降負(fù)荷650～300 MW 1）圖15中，該機(jī)組進(jìn)行高負(fù)荷速率下連續(xù)降負(fù)荷（650～300 MW）試驗(yàn)，降負(fù)荷過(guò)程中有停止2臺(tái)磨煤機(jī)的操作。

圖14 連續(xù)升負(fù)荷（300～650 MW）控制過(guò)程記錄曲線Fig.14 Curve of continuous load increase（300～650 MW）control process

圖15 連續(xù)降負(fù)荷（650～300 MW）控制過(guò)程記錄曲線Fig.15 Curve of continuous load reduction（650～300 MW）control process

2）各次降負(fù)荷過(guò)程中，機(jī)組各參數(shù)運(yùn)行穩(wěn)定，機(jī)組負(fù)荷設(shè)定值與機(jī)組實(shí)際負(fù)荷跟隨平穩(wěn)且響應(yīng)及時(shí)，負(fù)荷機(jī)組調(diào)頻性能相關(guān)要求。徹底解決了原DCS控制系統(tǒng)主蒸汽壓力波動(dòng)大的問(wèn)題，對(duì)主蒸汽溫度的穩(wěn)定也起到了較大的改善作用。

3）主汽壓力控制平穩(wěn)，最大偏差0.54 MPa。

4）主汽溫度控制平穩(wěn)，A側(cè)主汽溫度（SP=536℃）最低525℃，最高547℃。B側(cè)主汽溫度（SP=532℃）最低524℃，最高540℃。

3.2.3 AGC調(diào)頻模式下變負(fù)荷結(jié)果（400～480 MW）

（K值分別為1.4、1.26、1.45、1.46，均值達(dá)到1.39）

1）圖16中，2020年07月02日3時(shí)～7時(shí)（4小時(shí)），機(jī)組在AGC輔助調(diào)頻模式下變負(fù)荷，機(jī)組負(fù)荷在400～480 MW范圍內(nèi)，根據(jù)電網(wǎng)頻率偏差反復(fù)調(diào)節(jié)變化，負(fù)荷率設(shè)定為14 MW/min。

圖16 調(diào)頻模式變負(fù)荷（400～480 MW）控制記錄過(guò)程曲線Fig 16 Curve of frequency modulation mode variable load（400～480MW）control process

2）機(jī)組AGC輔助調(diào)頻模式下，各次升/降負(fù)荷過(guò)程中，高負(fù)荷變化速率下，各相關(guān)主要參數(shù)運(yùn)行穩(wěn)定，響應(yīng)及時(shí)。

3）機(jī)組AGC輔助調(diào)頻模式下，主汽壓力控制平穩(wěn)，最大偏差0.60 MPa。

4）機(jī)組AGC輔助調(diào)頻模式下，主汽溫度控制平穩(wěn)，A側(cè)主汽溫度最低529℃，最高550℃。B側(cè)主汽溫度最低528℃，最高543℃。

3.2.4 綜合調(diào)頻性能指標(biāo)

機(jī)組調(diào)頻性能指標(biāo)如表1所示，綜合調(diào)頻K值的小時(shí)均值在1.25～1.46之間，平均達(dá)到1.34，且每天24 h連續(xù)中標(biāo)。調(diào)頻綜合性能超出預(yù)期。

表1 綜合調(diào)頻性能統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of integrated frequency modulation performance

根據(jù)機(jī)組實(shí)際調(diào)頻輔助服務(wù)的運(yùn)行結(jié)果，滿(mǎn)足以下各項(xiàng)指標(biāo)要求：

1）機(jī)組實(shí)際AGC合格率在90%以上。

2）單機(jī)綜合調(diào)節(jié)指標(biāo)滿(mǎn)足以下要求：正常運(yùn)行期間的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K值不小于0.9。機(jī)組實(shí)際K值達(dá)到1.25～1.46，滿(mǎn)足要求。

3）在CCS方式下，300～700 MW負(fù)荷范圍內(nèi)，各被調(diào)參數(shù)動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)如下：

在一次設(shè)備正常調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，各被調(diào)參數(shù)動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)滿(mǎn)足機(jī)組相關(guān)運(yùn)行參數(shù)平穩(wěn)要求。

4 結(jié) 論

為提高機(jī)組的機(jī)組負(fù)荷、主汽壓力、汽包水位、主蒸汽溫度、再熱汽溫度等的調(diào)節(jié)性能，對(duì)協(xié)調(diào)、汽溫等控制回路采用先進(jìn)控制策略而創(chuàng)新使用的外掛先進(jìn)控制系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)協(xié)同控制方式，不僅大大提高了機(jī)組AGC綜合調(diào)頻性能，而且再熱汽溫、過(guò)熱汽溫度及主汽壓力控制等控制回路在同等負(fù)荷升速率下，較原DCS系統(tǒng)控制更為準(zhǔn)確及穩(wěn)定，達(dá)到了優(yōu)化機(jī)組調(diào)頻性能，優(yōu)化機(jī)組控制回路的預(yù)期目標(biāo)。采用該外掛先控系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷變化速率下，機(jī)組各項(xiàng)主要指標(biāo)穩(wěn)定，機(jī)組調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間及精度均得到大幅提高，機(jī)組綜合調(diào)頻性能K值由原來(lái)的0.9～0.95，提升到1.25～1.46，AGC綜合調(diào)頻性能指標(biāo)明顯提升，為機(jī)組儲(chǔ)能調(diào)頻獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)打下了良好基礎(chǔ)。