王錫輝，朱曉星，陳厚濤，周科，朱光明，盛鍇，陶海林

(1.高效清潔火力發(fā)電技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007；3.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032；4.大唐華銀攸縣能源有限公司，湖南 株洲 412300)

0 引言

構(gòu)建“雙新”電力系統(tǒng)是能源領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措[1-2]。國(guó)家要求完善支持靈活性煤電機(jī)組等調(diào)節(jié)性電源運(yùn)行的價(jià)格補(bǔ)償機(jī)制。火電的調(diào)節(jié)性電源屬性進(jìn)一步明確，寬負(fù)荷調(diào)峰和啟停調(diào)峰將成為運(yùn)行常態(tài)[3-6]。

與正常調(diào)峰區(qū)間運(yùn)行工況相比，火電機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰(最低運(yùn)行負(fù)荷＜50%額定負(fù)荷)時(shí)能耗顯著增加[7-8]。部分機(jī)組為降低運(yùn)行出力，采取滑氣溫的運(yùn)行方式[9]，運(yùn)行參數(shù)大幅度偏離設(shè)計(jì)值，長(zhǎng)期運(yùn)行危及汽輪機(jī)葉片的安全。深度調(diào)峰工況下，各系統(tǒng)調(diào)節(jié)裕度降低，執(zhí)行機(jī)構(gòu)線性特性變差，汽溫自動(dòng)控制品質(zhì)不佳，運(yùn)行操作強(qiáng)度驟增[10]，導(dǎo)致機(jī)組調(diào)峰能力受限。近年來(lái)，Smith預(yù)估控制[11]、多模型變論域模糊控制[12]、隱式廣義預(yù)測(cè)控制[13]、基于改進(jìn)TOPSIS法的控制[14]、仿人智能控制[15]以及ARX-Laguerre模型PID預(yù)測(cè)控制[16]等先進(jìn)控制算法被應(yīng)用于解決汽溫控制難題。相比單純的PID串級(jí)控制，應(yīng)用先進(jìn)控制算法后，汽溫控制品質(zhì)有明顯的提升，但其應(yīng)用場(chǎng)景大都集中于50%額定負(fù)荷以上的工況，低負(fù)荷工況(＜40%額定負(fù)荷)涉及較少，且部分控制方法尚處于仿真驗(yàn)證階段。汽溫控制具有大遲延性、大慣性特點(diǎn)，在寬負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程中，對(duì)象特性和執(zhí)行機(jī)構(gòu)線性均動(dòng)態(tài)變化，對(duì)于有些機(jī)組還存在干濕態(tài)的切換，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的控制品質(zhì)難度增大。

基于此，本文提出寬負(fù)荷調(diào)峰汽溫控制技術(shù)，包含兩個(gè)方面:在直接調(diào)節(jié)汽溫的減溫水控制方案設(shè)計(jì)上，提出一種改進(jìn)型串級(jí)PID控制算法，在原有的純線性控制器中疊加一路基于被控對(duì)象變化特性動(dòng)態(tài)響應(yīng)的修正指令，通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)的自學(xué)習(xí)功能實(shí)現(xiàn)控制指令的非線性響應(yīng)；在對(duì)汽溫有較大影響的燃水協(xié)調(diào)控制回路，提出基于狀態(tài)解析和仿人修正的協(xié)調(diào)控制算法，通過(guò)燃水比動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化輔助汽溫穩(wěn)定控制。所述技術(shù)分別在1 000 MW超超臨界機(jī)組和630 MW超臨界機(jī)組上應(yīng)用，取得了良好的工程實(shí)效，汽溫自動(dòng)控制品質(zhì)優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提出的技術(shù)指標(biāo)，降低了運(yùn)行人員的操作強(qiáng)度和調(diào)峰能耗，對(duì)火電機(jī)組參與寬負(fù)荷具有較大價(jià)值，對(duì)其他行業(yè)具有類似對(duì)象特性的控制器設(shè)計(jì)有借鑒意義。

1 控制方法

1.1 改進(jìn)型串級(jí)PID控制器

如圖1所示，在常規(guī)串級(jí)PID控制器中增加一路基于被控對(duì)象實(shí)時(shí)偏差及變化趨勢(shì)變參數(shù)響應(yīng)的修正指令，構(gòu)成改進(jìn)型串級(jí)PID控制器。具體實(shí)現(xiàn)流程如下:獲取主蒸汽溫度的測(cè)量值，與設(shè)定值求取差值后輸入至主調(diào)PID控制器；構(gòu)建以主汽溫設(shè)定值與測(cè)量值的偏差e以及該偏差對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)為元素的反饋向量[e，de/dt]；設(shè)計(jì)與反饋向量維數(shù)相同的調(diào)節(jié)參數(shù)向量[w1i，w2i]，并同步設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)參數(shù)的自學(xué)習(xí)規(guī)則；將獲得的反饋向量與調(diào)節(jié)參數(shù)向量的轉(zhuǎn)置進(jìn)行點(diǎn)積計(jì)算，計(jì)算結(jié)果作為主調(diào)PID控制器輸出指令的修正部分；修正指令與主調(diào)輸出之和作為副調(diào)控制器的設(shè)定值。[w1t，w2t]的下標(biāo)t是指第t時(shí)刻。學(xué)習(xí)規(guī)則為w1t在第t次與第t+1次運(yùn)算中的取值滿足如下關(guān)系:當(dāng)de/dt≥0時(shí)，w1t+1=w1t+△w1(△w1＞0)；當(dāng)de/dt＜0時(shí)，w1t+1=w1t+△w2(△w2＜0)，且△w1+△w2≠0。w2t的調(diào)整規(guī)則為:當(dāng)d(de/dt)/dt≥0時(shí)，w2t+1=w2t+△w3(△w3＞0)；當(dāng)d(de/dt)/dt＜0時(shí)，w2t+1=w2t+△w4(△w4＜0)，且△w3+△w4≠0。w1t，w2t的初始值以及△w1—△w4具備調(diào)試功能，并對(duì)w1t、w2t設(shè)置限值。

圖1 改進(jìn)型串級(jí)PID控制器示意圖

1.2 控制器特點(diǎn)分析

由圖1所示控制器結(jié)構(gòu)可知，改進(jìn)后主調(diào)控制器的輸出表達(dá)式變?yōu)?

假設(shè)△e=e(t+1)-e(t)，且de/dt＜0，d(de/dt)/dt≥0，則控制器的輸出在t+1時(shí)刻相比t時(shí)刻的變化量△u表示如下:

式(2)中前三項(xiàng)為一般PID控制輸出變化增量，后兩項(xiàng)為修正部分。改進(jìn)后的PID響應(yīng)具有以下特點(diǎn):1)調(diào)節(jié)參數(shù)根據(jù)被控變量的控制偏差和變化趨勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，修正部分使得執(zhí)行器的響應(yīng)指令具有二次非線性曲線響應(yīng)的加速功能。當(dāng)被控對(duì)象設(shè)定值與測(cè)量值偏差較大且有擴(kuò)大趨勢(shì)時(shí)，控制器大幅度輸出使之向偏差減小方向動(dòng)作的指令，具有快速性；當(dāng)被控對(duì)象設(shè)定值與測(cè)量值偏差減小時(shí)，控制器超前輸出防止超調(diào)的指令，具有預(yù)見(jiàn)性。2)考慮被控對(duì)象偏差的變化趨勢(shì)，使得控制器具有超前動(dòng)作功能，有效緩解了遲延性。3)對(duì)調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置限幅而不是直接動(dòng)態(tài)調(diào)整PID參數(shù)，充分保障了原PID的基準(zhǔn)調(diào)節(jié)作用，修正部分實(shí)現(xiàn)增速調(diào)節(jié)功能，有效防止了控制系統(tǒng)的發(fā)散，確保其良好的魯棒性。

汽溫控制采用串級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，分為導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)[11-13]，通過(guò)傳遞函數(shù)的精準(zhǔn)辨識(shí)，設(shè)置對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，可以獲得良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。而實(shí)際應(yīng)用中卻常出現(xiàn)汽溫控制不穩(wěn)的現(xiàn)象，其原因在于傳遞函數(shù)的相關(guān)參數(shù)甚至模型在不同負(fù)荷和工況下存在差異，工程中無(wú)法將所有工況都進(jìn)行辨識(shí)然后針對(duì)性地整定調(diào)節(jié)參數(shù)。采用改進(jìn)型串級(jí)PID控制后，可對(duì)典型工況進(jìn)行辨識(shí)，并設(shè)置合適的調(diào)節(jié)參數(shù)，作為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)部分，利用修正指令的調(diào)節(jié)參數(shù)自學(xué)習(xí)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)其他工況的動(dòng)態(tài)適應(yīng)，從而達(dá)到全負(fù)荷工況下均能實(shí)現(xiàn)良好調(diào)節(jié)品質(zhì)的目的。

1.3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化方法

對(duì)超臨界機(jī)組或超超臨界機(jī)組而言，雖然減溫水的噴淋可以直接調(diào)節(jié)主汽溫度，但燃水比是否匹配對(duì)汽溫控制有極大影響，實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)減溫水調(diào)門全開(kāi)但主汽溫仍超溫，或者減溫水調(diào)門全關(guān)而主汽溫仍較低的情況，其原因就在于燃水比的失配。本文提出如圖2所示的協(xié)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，統(tǒng)籌汽溫和汽壓對(duì)于給水和燃料的調(diào)節(jié)需求，基于運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、燃料、給水與汽溫汽壓之間的耦合影響規(guī)律，設(shè)計(jì)修正指令，動(dòng)態(tài)優(yōu)化燃水比的匹配，達(dá)到間接調(diào)節(jié)汽溫的目的。對(duì)于采用外掛式優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，基于運(yùn)行參數(shù)的狀態(tài)分析進(jìn)行編碼和針對(duì)性地仿人修正指令設(shè)計(jì)。對(duì)于在原DCS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)燃料指令的修正采用以主汽壓力控制偏差為自變量的函數(shù)型指令，并以主汽溫度控制偏差為自變量的函數(shù)輸出作為修正系數(shù)；對(duì)給水指令的修正，采用以主汽溫度控制偏差為自變量的函數(shù)型指令，并以主汽壓力控制偏差為自變量的函數(shù)輸出作為修正系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)燃水比協(xié)調(diào)。

圖2 協(xié)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制方法示意圖

2 應(yīng)用對(duì)象概況

2.1 超臨界機(jī)組

某電廠630 MW機(jī)組于2016年投產(chǎn)，鍋爐為超臨界參數(shù)、帶啟動(dòng)循環(huán)泵、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架、W型火焰燃燒、垂直內(nèi)螺紋管水冷壁、П型變壓直流鍋爐，配置6臺(tái)雙進(jìn)雙出制粉系統(tǒng)，設(shè)計(jì)額定主汽壓力24.2 MPa，額定主汽溫度為566℃。汽輪機(jī)為超臨界、單軸、三缸(高中壓缸合缸)四排汽、一次中間再熱、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)，配置2臺(tái)50%容量汽動(dòng)給水泵。當(dāng)前常態(tài)化運(yùn)行最低負(fù)荷為180 MW，機(jī)組功率位于230～290 MW時(shí)，鍋爐側(cè)進(jìn)行干濕態(tài)的切換。寬負(fù)荷調(diào)峰過(guò)程中汽溫自動(dòng)控制品質(zhì)較差，運(yùn)行人員頻繁操作煙氣擋板，導(dǎo)致煙溫波動(dòng)而影響脫硝控制，影響機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

2.2 超超臨界機(jī)組

某電廠1 000 MW新建機(jī)組鍋爐為DG3035/29.4-Ⅱ1超超臨界變壓運(yùn)行直流爐，單爐膛、一次中間再熱、前后墻對(duì)沖燃燒方式、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、П型布置；采用四分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，配置6臺(tái)中速磨煤機(jī)，設(shè)計(jì)主汽壓力為28 MPa，額定主汽溫度為605℃。汽輪機(jī)為N1046-28/600/620超超臨界、一次中間再熱、單軸、雙背壓、四缸四排汽、十級(jí)回?zé)岢槠?含零號(hào)高加)、凝汽式汽輪機(jī)。給水動(dòng)力由一臺(tái)100%容量汽動(dòng)給水泵提供。當(dāng)前常態(tài)化運(yùn)行最低負(fù)荷為300 MW，在30%～100%額定負(fù)荷區(qū)間均為干態(tài)運(yùn)行。

3 應(yīng)用結(jié)果與分析

3.1 超臨界機(jī)組濕態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行工況

超臨界機(jī)組濕態(tài)運(yùn)行時(shí)，鍋爐給水經(jīng)省煤器進(jìn)入爐膛水冷壁，受熱后進(jìn)入汽水分離器，氣態(tài)工質(zhì)流經(jīng)后續(xù)各級(jí)過(guò)熱器，液態(tài)工質(zhì)經(jīng)連通管道返回儲(chǔ)水箱，由爐水循環(huán)泵重新打入省煤器。分離器內(nèi)的工質(zhì)呈混合態(tài)，鍋爐給水存在回流，并未100%轉(zhuǎn)化為蒸汽，燃水耦合影響作用相對(duì)減弱，減溫水的噴淋調(diào)節(jié)對(duì)汽溫控制的影響權(quán)重增大。因此，重點(diǎn)整定減溫水調(diào)節(jié)回路。在不同的負(fù)荷下進(jìn)行PID調(diào)節(jié)參數(shù)整定，獲得典型工況的適配參數(shù)，根據(jù)參數(shù)之間的差別設(shè)定修正指令中調(diào)節(jié)參數(shù)自學(xué)習(xí)調(diào)整步長(zhǎng)及初始值，即w1t、w2t以及△w1—△w4，再根據(jù)實(shí)際工況中的響應(yīng)特性進(jìn)行精調(diào)。所有參數(shù)調(diào)試完成后投入運(yùn)行。機(jī)組功率182 MW，濕態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，主蒸汽溫度控制效果如圖3所示。設(shè)定值為額定主汽溫度566℃，與設(shè)定值最大控制偏差處的實(shí)際溫度為568.1℃，差值為2.1℃。機(jī)組負(fù)荷小于50%額定負(fù)荷時(shí)，尚無(wú)關(guān)于汽溫控制品質(zhì)的國(guó)家或行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。在50%～100%額定功率區(qū)間段，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)明確主汽溫度的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)為±3℃。機(jī)組在深度調(diào)峰工況下的實(shí)際穩(wěn)態(tài)控制指標(biāo)滿足正常調(diào)峰區(qū)間規(guī)程要求。

圖3 超臨界機(jī)組濕態(tài)穩(wěn)定工況汽溫控制效果

3.2 超臨界機(jī)組濕態(tài)變負(fù)荷工況

與濕態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行工況相比，變負(fù)荷過(guò)程中的汽溫控制難度增加，原因在于動(dòng)態(tài)過(guò)程中，蒸汽流量與流速、加熱器的換熱量以及燃料、給水等輸入條件都處于變化當(dāng)中，導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的傳遞函數(shù)特性是變化的，單純依靠典型工況下獲得的調(diào)節(jié)參數(shù)無(wú)法獲得良好的控制品質(zhì)，必須發(fā)揮修正部分的動(dòng)態(tài)加速調(diào)節(jié)功能。圖4為超臨界機(jī)組濕態(tài)變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)主汽溫度的控制效果圖。從182 MW變負(fù)荷至242 MW過(guò)程中，正反兩個(gè)方向的最大控制偏差分別為2.6℃和-3.1℃，在50%～100%額定功率區(qū)間段，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)明確主汽溫度的動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)為±8℃。

圖4 超臨界機(jī)組濕態(tài)變負(fù)荷工況汽溫控制效果

3.3 超臨界機(jī)組干態(tài)變負(fù)荷工況

超臨界機(jī)組干態(tài)運(yùn)行時(shí)，工質(zhì)在汽水分離器內(nèi)直接由飽和水100%轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽后進(jìn)入后續(xù)各級(jí)換熱器，分離器相當(dāng)于一段承載了工質(zhì)轉(zhuǎn)態(tài)的流通管道。此時(shí)的主汽溫度控制除減溫水噴淋直接調(diào)節(jié)外，還與燃水協(xié)調(diào)緊密相關(guān)，后者的作用甚至超過(guò)了前者。因此，該工況下應(yīng)同時(shí)關(guān)注協(xié)調(diào)控制回路和減溫水調(diào)節(jié)回路的作用。對(duì)協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行優(yōu)化，減溫水調(diào)節(jié)采用改進(jìn)型串級(jí)PID控制。解析主汽壓力和主汽溫度的狀態(tài)，綜合其對(duì)于燃料和給水的調(diào)節(jié)需求，進(jìn)行適應(yīng)性修正，防止因燃水比失配而導(dǎo)致主汽溫度超溫或甩汽溫，再利用減溫水的噴淋對(duì)汽溫實(shí)現(xiàn)修正，獲得優(yōu)良的調(diào)節(jié)品質(zhì)。選用變負(fù)荷—穩(wěn)定—變負(fù)荷的復(fù)合工況進(jìn)行舉例說(shuō)明，超臨界機(jī)組干態(tài)運(yùn)行，負(fù)荷由375 MW間斷變化至451 MW，主汽溫度控制效果如圖5所示，全過(guò)程最大控制偏差為2.7℃，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)(±3℃)。

圖5 超臨界機(jī)組干態(tài)變負(fù)荷工況汽溫控制效果

3.4 超超臨界機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行工況

干態(tài)運(yùn)行時(shí)，超超臨界機(jī)組與超臨界機(jī)組的汽溫控制特性相似，不同之處在于前者由于參數(shù)更高，加熱器換熱面積增大，擾動(dòng)因素更多，對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性要求更高。分別選用超超臨界機(jī)組干態(tài)最低技術(shù)出力工況以及額定負(fù)荷工況進(jìn)行說(shuō)明，兩工況下的汽溫控制效果分別如圖6和圖7所示。兩種工況下的系統(tǒng)調(diào)節(jié)裕度均有限，對(duì)減溫水控制系統(tǒng)的響應(yīng)精準(zhǔn)性要求更高。由圖6可知，機(jī)組負(fù)荷325 MW穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，屬深度調(diào)峰工況，主汽溫度最大控制偏差不超過(guò)±1.5℃，控制品質(zhì)指標(biāo)滿足自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)調(diào)峰區(qū)間行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。由圖7可知，機(jī)組額定負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，主汽溫度最大控制偏差不超過(guò)

圖6 最低負(fù)荷穩(wěn)態(tài)工況汽溫控制效果

圖7 額定負(fù)荷穩(wěn)態(tài)工況汽溫控制效果

±2℃。

3.5 超超臨界機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行工況

如圖8所示，超超臨界機(jī)組負(fù)荷由700 MW上升至800 MW過(guò)程中，將主汽溫度設(shè)定減小4℃，穩(wěn)定后又增大3℃，在多重?cái)_動(dòng)下，主汽溫度控制優(yōu)良，全程最大動(dòng)態(tài)偏差為7.9℃，最大穩(wěn)態(tài)控制偏差為-2.6℃，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要求。

圖8 變負(fù)荷工況汽溫控制效果

3.6 定值擾動(dòng)工況

為進(jìn)一步檢驗(yàn)控制方法的有效性，在超超臨界機(jī)組上進(jìn)行了汽溫控制系統(tǒng)定值擾動(dòng)試驗(yàn)，分別如圖9和圖10所示。由圖可知，控制系統(tǒng)的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)控制指標(biāo)及響應(yīng)時(shí)間均滿足規(guī)程要求。

圖9 超超臨界機(jī)組汽溫定值增擾動(dòng)

圖10 超超臨界機(jī)組汽溫定值減擾動(dòng)

為使表述更直觀，所述工況的注汽溫度控制品質(zhì)分析見(jiàn)表1。

表1 各工況控制品質(zhì)分析

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出適用于火電機(jī)組寬負(fù)荷調(diào)峰的汽溫控制方法，包含用于減溫水控制回路的改進(jìn)型串級(jí)PID控制算法和用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)的基于狀態(tài)解析和仿人修正的協(xié)調(diào)控制算法，并在不同爐型、不同容量、不同輔機(jī)配置和不同參數(shù)等級(jí)的機(jī)組進(jìn)行工程應(yīng)用。某630 MW超臨界機(jī)組的應(yīng)用結(jié)果表明，在28.7%～100%額定負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行時(shí)，所述策略對(duì)濕態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行和變負(fù)荷工況，以及干態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行和變負(fù)荷工況下的汽溫控制均具有良好的適用性，無(wú)需降參數(shù)運(yùn)行，所有工況的控制品質(zhì)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。某1 000 MW超超臨界機(jī)組的應(yīng)用結(jié)果表明，在30%～100%額定負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行時(shí)，汽溫穩(wěn)態(tài)控制品質(zhì)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，控制方法對(duì)多重?cái)_動(dòng)的復(fù)雜工況也具有優(yōu)良的響應(yīng)特性。