燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計(jì)

2022-01-05 18:22吳光明

儀器儀表用戶 2021年12期

吳光明

（大唐華東電力試驗(yàn)研究院，合肥 230088）

0 引言

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組整體效率得到了大幅提升，具有啟動(dòng)快、調(diào)峰性能好、占地小、耗水少、對(duì)環(huán)境污染小等顯著優(yōu)勢(shì)[1]。此外，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組高自動(dòng)化程度、高穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)明顯提升，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)調(diào)峰能力的增強(qiáng)，很大程度上優(yōu)化了整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行能力[2]。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)峰谷差日益增大，發(fā)展調(diào)峰用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組電站勢(shì)在必行[3]。國(guó)內(nèi)對(duì)于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的控制技術(shù)研究進(jìn)度相對(duì)滯后，尤其是對(duì)于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組協(xié)調(diào)控制的掌握程度相比常規(guī)燃煤機(jī)組差距較大。行業(yè)總結(jié)認(rèn)為，主要原因是目前聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)一般在燃機(jī)控制系統(tǒng)（TCS）中實(shí)現(xiàn)[4]。出于技術(shù)保密和封鎖，部分TCS關(guān)鍵功能被封裝，即使開(kāi)放部分也以安全性為由，各聯(lián)合循環(huán)發(fā)電企業(yè)均需和廠家簽訂維護(hù)合同，僅能由廠家技術(shù)人員進(jìn)行維護(hù)。目前，世界上燃機(jī)主要生產(chǎn)廠家有美國(guó)GE、德國(guó)Siemens、法國(guó)Alstom和日本三菱。近年來(lái)為了更好匹配改善大氣環(huán)境與電力發(fā)展的需求，國(guó)內(nèi)逐步引入大型燃機(jī)，建設(shè)了一批燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。如2014年底，上海電氣與意大利安薩爾多能源公司合作，在上海成立了合資公司，在打破國(guó)際燃機(jī)技術(shù)壁壘和服務(wù)壟斷的同時(shí)，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)對(duì)燃機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步掌握，也對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員提出了更高的要求。本文以某新建燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為對(duì)象，結(jié)合調(diào)試過(guò)程對(duì)機(jī)組特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計(jì)思路。

某燃機(jī)工程為雙軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，單元機(jī)組設(shè)有一臺(tái)燃機(jī)及其發(fā)電機(jī)、一臺(tái)余熱鍋爐和一臺(tái)汽輪機(jī)及其發(fā)電機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)由上海電氣與安薩爾多能源公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造，型號(hào)為AE94.3A，余熱鍋爐為三壓、再熱、臥式、無(wú)補(bǔ)燃、自然循環(huán)結(jié)構(gòu)，蒸汽輪機(jī)為上海電氣設(shè)計(jì)制造的三壓、再熱、反動(dòng)式、軸向排汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)。全廠整個(gè)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組及其輔助系統(tǒng)將采用由分散控制系統(tǒng)（DCS）、燃機(jī)控制系統(tǒng)（TCS）、汽機(jī)控制系統(tǒng)（DEH、ETS）等和必要的獨(dú)立的保護(hù)、控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控，具備網(wǎng)調(diào)AGC及一次調(diào)頻等功能。

1 協(xié)調(diào)控制策略分析

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組涉及有燃機(jī)、余熱鍋爐以及蒸汽輪機(jī)，其中燃機(jī)運(yùn)行中控制對(duì)象主要包括轉(zhuǎn)速、機(jī)組負(fù)荷、排氣溫度，為保證這些控制對(duì)象在燃機(jī)運(yùn)行過(guò)程始終處于安全范圍內(nèi)，在TCS中設(shè)計(jì)有啟動(dòng)升程器、速度控制器、功率控制器、排氣溫度控制器、負(fù)荷限制器、壓比控制器、冷卻空氣限制控制器7個(gè)控制器，在燃機(jī)啟動(dòng)直至額定負(fù)荷過(guò)程中完成不同階段的控制任務(wù)，并由燃料分配器把燃料分配給值班閥和預(yù)混閥。功率控制器在燃機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后接管轉(zhuǎn)速控制器，通過(guò)功率控制器（PID調(diào)節(jié)）控制燃機(jī)的負(fù)荷，使之與電網(wǎng)需求匹配。另外，負(fù)荷控制器還具有一次調(diào)頻功能。功率控制器的目標(biāo)設(shè)定包括燃機(jī)側(cè)設(shè)定和接受協(xié)調(diào)側(cè)指令兩種方式，本文研究的主要內(nèi)容正是聯(lián)合循環(huán)機(jī)組投入?yún)f(xié)調(diào)運(yùn)行的控制方式。

對(duì)于分軸式燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，其燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)和蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)同時(shí)輸出電功率，燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐以及蒸汽輪機(jī)三者是一個(gè)相互聯(lián)系的熱能動(dòng)力系統(tǒng)，為了保證各分系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，必然要提出新的控制要求。由于燃機(jī)氣室容積效應(yīng)小、熱慣性小，負(fù)荷變化反應(yīng)靈敏，而余熱鍋爐及其蒸汽輪機(jī)有著較大的熱慣性和汽室容積，對(duì)負(fù)荷變化的響應(yīng)則要反應(yīng)遲鈍，因而聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的協(xié)調(diào)控制的首要任務(wù)就是需要對(duì)單元機(jī)組的負(fù)荷指令進(jìn)行分配。此外，協(xié)調(diào)控制的另一任務(wù)是需要調(diào)整余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)，為確保蒸汽輪機(jī)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，其主蒸汽壓力需工作在合理安全的范圍內(nèi)。

2 汽輪機(jī)壓力控制邏輯設(shè)計(jì)

為適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)快速性要求，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組首要任務(wù)是負(fù)荷調(diào)節(jié)。聯(lián)合循環(huán)機(jī)組控制涉及的燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)負(fù)荷響應(yīng)速度有明顯差別，前文中已分析可知燃機(jī)具有負(fù)荷響應(yīng)快速性的特點(diǎn)。此外，因余熱鍋爐吸熱過(guò)程的大慣性環(huán)節(jié)，主蒸汽壓力對(duì)燃機(jī)燃料量變化的響應(yīng)存在明顯滯后。因此，用燃機(jī)控制負(fù)荷比控制壓力較為有利。同時(shí)，余熱鍋爐配置的大多是自然循環(huán)汽包爐，為了避免各汽包水位異常波動(dòng)，也需要維持主蒸汽壓力的穩(wěn)定。為保障余熱鍋爐系統(tǒng)和蒸汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，以高壓蒸汽壓力控制為例，設(shè)計(jì)了蒸汽輪機(jī)側(cè)的高壓主蒸汽壓力控制回路如圖1所示。當(dāng)余熱鍋爐蒸汽參數(shù)合格后，DEH控制蒸汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、帶負(fù)荷。

啟動(dòng)初始階段的高壓主蒸汽壓力主要由高壓旁路系統(tǒng)進(jìn)行控制，在高壓壓力控制器設(shè)定值基礎(chǔ)上疊加一個(gè)負(fù)偏置量x，如圖1（a）所示，此時(shí)高壓調(diào)門(mén)不參與主蒸汽壓力控制。進(jìn)入初始帶負(fù)荷階段后，隨著高壓旁路系統(tǒng)逐漸關(guān)小，當(dāng)高壓旁路調(diào)閥完全關(guān)閉后，啟動(dòng)汽輪機(jī)初壓模式。在初始?jí)毫δＪ较?，汽輪機(jī)控制器工作及連續(xù)的控制調(diào)門(mén)打開(kāi)，以使實(shí)際壓力達(dá)到高壓壓力設(shè)定值。在這期間，這是唯一工作的控制汽輪機(jī)高壓缸進(jìn)口主蒸汽壓力的壓力控制器。通過(guò)在高壓壓力設(shè)定值的基礎(chǔ)上增加一個(gè)正偏置y的“關(guān)閉裕度”如圖1（b）所示，使高壓旁路閥保持在關(guān)閉位置。

隨著蒸汽流量的增加，汽輪機(jī)調(diào)門(mén)的開(kāi)度越來(lái)越大。當(dāng)蒸汽流量大約在70%時(shí)，汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度已經(jīng)到100%。隨著鍋爐負(fù)荷（蒸汽流量）的進(jìn)一步增加，主蒸汽壓力隨之增加。在高負(fù)荷范圍（70%～100%額定負(fù)荷），汽輪機(jī)處于深度滑壓狀態(tài)，此時(shí)高壓壓力設(shè)定值略低于實(shí)際滑壓值，汽輪機(jī)調(diào)門(mén)保持在100%開(kāi)度，從而減小蒸汽輪機(jī)側(cè)的節(jié)流損失，最大限度地利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣的余熱。

3 負(fù)荷控制邏輯設(shè)計(jì)

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組總負(fù)荷為燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷和蒸汽輪機(jī)負(fù)荷之和，理論上存在兩者負(fù)荷分配關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，可形成聯(lián)合循環(huán)機(jī)組理論負(fù)荷分配控制方案，如圖2所示。從廠家提供的說(shuō)明書(shū)及理論分析可知，燃機(jī)和蒸汽輪機(jī)負(fù)荷分配存在一定比例關(guān)系，圖2中通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷分配系數(shù)KG及蒸汽輪機(jī)負(fù)荷分配系數(shù)KS對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷指令進(jìn)行定量分配，分別獲得燃機(jī)負(fù)荷指令PGD、蒸汽輪機(jī)負(fù)荷指令PSD。該控制方式的原則是按穩(wěn)態(tài)負(fù)荷進(jìn)行負(fù)荷分配的，靜態(tài)時(shí)能夠滿足要求，但通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)在變負(fù)荷過(guò)程中[1]，由于余熱鍋爐及其蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)熱慣性很大，蒸汽輪機(jī)的實(shí)際負(fù)荷響應(yīng)具有一定的遲延，造成總負(fù)荷也無(wú)法快速跟隨其指令變化。

從工程實(shí)際情況分析，需要在總負(fù)荷控制精度及控制快速性兩方面進(jìn)行協(xié)同考慮。聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中燃機(jī)具有負(fù)荷響應(yīng)快的特點(diǎn)，而余熱鍋爐相對(duì)慣性較大，蒸汽輪機(jī)做功則需要在燃機(jī)負(fù)荷變化后，排煙溫度及煙氣量隨之發(fā)生變化，再經(jīng)余熱鍋爐進(jìn)行熱量交換，做功介質(zhì)升溫升壓后才能提升蒸汽輪機(jī)出力，相比呈現(xiàn)出非常明顯的滯后特性。因此，對(duì)上述聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷分配方式進(jìn)行調(diào)整，汽輪機(jī)負(fù)荷采用隨動(dòng)方式，即汽輪機(jī)以最大做功能力運(yùn)行，最大限度消納燃機(jī)余熱。形成如圖2所示汽輪機(jī)負(fù)荷隨動(dòng)方式聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷分配方式。

汽輪機(jī)負(fù)荷隨動(dòng)方式聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷控制方式已基本上能夠滿足燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷控制要求，但從機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)在機(jī)組升負(fù)荷階段，燃機(jī)側(cè)負(fù)荷能夠快速響應(yīng)負(fù)荷總指令，按照設(shè)定速率調(diào)整至目標(biāo)負(fù)荷。由于余熱鍋爐換熱環(huán)節(jié)遲延特性，在升負(fù)荷過(guò)程后期，進(jìn)入蒸汽輪機(jī)的主蒸汽壓力快速上升，蒸汽輪機(jī)做功能力較升負(fù)荷初期明顯增強(qiáng)。隨著蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)負(fù)荷增加，為維持總負(fù)荷不變，則需燃機(jī)減負(fù)荷，形成燃機(jī)先超調(diào)再回調(diào)現(xiàn)象，正常超調(diào)量在4MW左右。這一過(guò)程對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性將產(chǎn)生不利影響，同時(shí)加劇了現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)設(shè)備動(dòng)作頻次。在接近額定負(fù)荷過(guò)程中，燃機(jī)側(cè)極易因快速升負(fù)荷，導(dǎo)致負(fù)荷控制器切換為排氣溫度控制器，它作用于燃料供應(yīng)，控制燃機(jī)的排氣溫度，從而將透平入口溫度限制在允許的水平，而機(jī)組負(fù)荷控制將受限，不利于機(jī)組參與AGC和一次調(diào)頻調(diào)整。

針對(duì)上述現(xiàn)象，對(duì)汽輪機(jī)負(fù)荷隨動(dòng)方式聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷控制方式進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，增加DCS側(cè)燃機(jī)負(fù)荷指令限速環(huán)節(jié)，對(duì)送入燃機(jī)控制系統(tǒng)的負(fù)荷指令PGD進(jìn)行限速處理。該限速功能通過(guò)引入余熱鍋爐側(cè)高壓主蒸汽壓力微分，動(dòng)態(tài)調(diào)整燃機(jī)變負(fù)荷速率。因蒸汽輪機(jī)在高負(fù)荷階段采取的是深度滑壓方式運(yùn)行，蒸汽輪機(jī)調(diào)閥保持全開(kāi)，主蒸汽壓力升高，主蒸汽流量將增加，機(jī)組負(fù)荷也隨之升高。機(jī)組升、降負(fù)荷后期，蒸汽輪機(jī)側(cè)負(fù)荷快速變化，實(shí)際總負(fù)荷升降速率超過(guò)設(shè)定速率[5]，燃機(jī)側(cè)和蒸汽輪機(jī)側(cè)實(shí)際負(fù)荷分配比例發(fā)生了變化。通過(guò)對(duì)燃機(jī)負(fù)荷指令PGD的降速處理，平衡蒸汽輪機(jī)側(cè)較快的負(fù)荷變化率，能夠減少燃機(jī)側(cè)負(fù)荷超調(diào)，縮短變負(fù)荷過(guò)程的穩(wěn)定時(shí)間。對(duì)于升負(fù)荷至額定負(fù)荷過(guò)程，能夠有效避免因燃機(jī)快速變負(fù)荷觸發(fā)排氣溫度控制器，保障機(jī)組有效參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻。

4 工程應(yīng)用及總結(jié)

某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在協(xié)調(diào)控制方式下的主要運(yùn)行參數(shù)曲線如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，機(jī)組負(fù)荷升速率設(shè)定為14MW/min，在320MW～405MW連續(xù)升負(fù)荷過(guò)程中，變負(fù)荷初期燃機(jī)能夠提供快速的負(fù)荷響應(yīng)，高壓蒸汽壓力和蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)負(fù)荷有較為明顯的遲延。采用改進(jìn)后的汽輪機(jī)負(fù)荷隨動(dòng)方式聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷控制方式，在接近目標(biāo)負(fù)荷時(shí)，解決了燃機(jī)負(fù)荷超調(diào)的問(wèn)題。