莊志寶，李 想

（吉林電力股份有限公司 白城發(fā)電公司，吉林 白城 137000）

0 引言

2020年9月和12月，習近平主席分別在第七十五屆聯(lián)合國大會和氣候雄心峰會上宣布，將提高國家自主貢獻力度，提出到2030年，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到1.2×109kW以上；二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取于2060年前實現(xiàn)“碳中和”。2021年3月15日，習近平總書記在中央財經(jīng)委員會第九次會議上明確了“十四五”是碳達峰的關(guān)鍵期、窗口期，需要落實幾項重點工作，其中第一項任務(wù)就是“要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”。因此，在“十二五”“十三五”的發(fā)展過程中，國家積極推進以風電、太陽能為代表的新能源的快速發(fā)展。

與此同時，高比例新能源的并網(wǎng)改變了電力系統(tǒng)中的電源構(gòu)成比例，高比例新能源和高比例電力電子設(shè)備都將導(dǎo)致電力系統(tǒng)動態(tài)特性發(fā)生深刻的變化，使電力系統(tǒng)長期、中短期和日內(nèi)平衡難度逐漸加大，使系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)大規(guī)模棄風棄光、穩(wěn)定性下降等問題。高比例新能源電力系統(tǒng)亟需靈活可調(diào)度資源。鑒于國內(nèi)燃煤火電機組存量巨大，通過設(shè)備或系統(tǒng)改造提升機組運行靈活性，對電網(wǎng)接納可再生能源電力將發(fā)揮重要作用。秉持“先立后破”的能源發(fā)展觀念，提升煤炭清潔高效利用水平，大力發(fā)展燃煤機組靈活性提升技術(shù)，是提升國內(nèi)電力系統(tǒng)靈活性，保障國家能源安全，實現(xiàn)“雙碳”目標的重要舉措。2021年10月，國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達峰行動方案》，明確指出要推進煤炭消費替代和轉(zhuǎn)型升級，要加快現(xiàn)役機組節(jié)能升級和靈活性改造，推動煤電向基礎(chǔ)保障性和系統(tǒng)調(diào)節(jié)性電源并重轉(zhuǎn)型。同月，國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)《全國煤電機組改造升級實施方案》，明確提出存量煤電機組的靈活性改造應(yīng)改盡改，“十四五”期間要完成2億千瓦靈活性改造容量，增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力3000～4000萬千瓦，“十四五”期間實現(xiàn)煤電機組靈活制造規(guī)模1.5億千瓦。以上政策的相繼發(fā)布，充分說明了提升煤電機組靈活性對于國家能源發(fā)展的必要性與急迫性。

作為一種深度調(diào)峰靈活性改造技術(shù)，低負荷協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)以實現(xiàn)全程自動控制為目標，是必不可少的一項內(nèi)容。當前AGC及協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的投入范圍一般在50%～100%額定負荷，在50%額定負荷以下區(qū)間協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)品質(zhì)較差，因此在深度調(diào)峰區(qū)間（＜50%Pe）需要考慮各燃煤機組自動投入的適用性和可靠性，經(jīng)過充分研究后進行全面的熱工控制系統(tǒng)優(yōu)化升級。而目前研究工作中，建立的火電機組協(xié)調(diào)系統(tǒng)模型普遍是針對50%額定負荷以上工作區(qū)間的機組，部分包含低負荷運行特性的模型則是建立在APROS等仿真軟件上，由于其復(fù)雜性，難以直接應(yīng)用于控制策略設(shè)計。因此，需要建立針對低負荷情況下的協(xié)調(diào)簡化控制模型?；痣姍C組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個典型的大遲延、大慣性、強耦合的非線性對象，對該系統(tǒng)設(shè)計有效的控制策略一直是研究的熱點?？刂撇呗灾饕刂平Y(jié)構(gòu)與控制算法兩部分，控制結(jié)構(gòu)中較為典型的是機跟爐、爐跟機和機爐協(xié)調(diào)控制策略，控制器中獲得實際應(yīng)用的主要有比例積分微分控制（Proportional integral differential control， PID），自抗擾控制（Active disturbance rejection control，ADRC）和廣義預(yù)測控制（Generalized predictive control，GPC）等。除此之外，基于該對象，眾多學者研究了最優(yōu)控制、智能控制、模糊控制、滑?？刂频认冗M控制算法，但是由于設(shè)計過程過于復(fù)雜、繁瑣，以及現(xiàn)場應(yīng)用效果不佳等原因，限制了眾多先進算法的現(xiàn)場應(yīng)用。考慮全工況運行下控制器的魯棒性，部分學者設(shè)計了基于多工況線性模型的魯棒控制器以及基于非線性對象的變增益LADRC控制策略。但是以上研究首先缺少沒有考慮低負荷運行特性的機組模型，其次未曾兼顧在不同負荷下機組在不同控制目標中的優(yōu)化選擇問題。因此，需要研究和完善在不同負荷下，體現(xiàn)對穩(wěn)定性與快速調(diào)峰目標不同需求程度的工況自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制策略。本文在以上研究的基礎(chǔ)上，以實際機組為例，說明低負荷協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用情況，供靈活性改造電廠參考。

1 2號機組情況

1.1 主機情況

2號機組鍋爐是三井巴布科克公司的標準化典型設(shè)計鍋爐，型號為HG-2070/25.4-HM9。該鍋爐為超臨界壓力變壓運行、帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動系統(tǒng)、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、π型緊身布置的直流鍋爐。2號汽輪機為哈爾濱汽輪機廠有限責任公司生產(chǎn)的NZK660-24.2/566/566型超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機。

1.2 靈活性運行情況

在深度調(diào)峰靈活性改造前，鍋爐最小技術(shù)出力為251MW，且僅在一次實驗中達到，未能長期運行。原有系統(tǒng)中缺乏機組50%額定負荷以下的協(xié)調(diào)自動控制邏輯，當機組下降到40%時，需要切換為手動控制，增加了運行人員工作壓力。此外，原有系統(tǒng)中對低負荷下主輔機設(shè)備的特殊故障，如穩(wěn)燃、風機失速等，未能有針對性的預(yù)警手段。同時，由于燃用煤質(zhì)與機組運行設(shè)備狀態(tài)的變化，機組在常規(guī)負荷下的控制邏輯未能得到相應(yīng)提升優(yōu)化，其變負荷速率有較大提升空間。

1.3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

2號機組DCS廠家為福克斯波羅，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)現(xiàn)采用典型3PID加若干前饋的控制方式。經(jīng)過長期運行，煤質(zhì)的變化、設(shè)備運行工況偏移等原因，給水量、給煤量靜態(tài)前饋、主蒸汽壓力參數(shù)已經(jīng)失準。目前，機組只能實現(xiàn)50%～100%額定負荷下的自動運行，無法參與機組深度調(diào)峰，補充30%～50%額定負荷下協(xié)調(diào)控制是必要的，可有效提升機組自動化運行水平，進而最大限度地消納風、光等可再生能源。

2 實施技術(shù)路線

2.1 主輔機設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控

火電機組從常規(guī)負荷（通常為50%以上額定功率）轉(zhuǎn)向長期低負荷運行時，各類輔機可能由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定狀態(tài)。由于工況的變化引起輔機各個參數(shù)發(fā)生改變，使輔機的安全性受到了一定威脅。比如當流量較低時，風機容易引發(fā)失速、喘振等異常；磨煤機可能會因出力較低而導(dǎo)致振動較大，從而引起零部件的磨損；給水泵在給水量很小的情況下運行時，水在泵體內(nèi)長期受葉輪的摩擦發(fā)熱，當水溫升高到一定程度后，會發(fā)生汽蝕。輔機是發(fā)電廠的重要設(shè)備，當因故障而發(fā)生跳閘甚至損壞時，不僅會影響發(fā)電廠的正常生產(chǎn)，而且很可能造成人員的傷亡。因此，在正式實施之前，需要對低負荷下可能存在的風機、水泵、磨煤機、汽輪機、水冷壁等主輔機狀態(tài)進行重點關(guān)注。于是基于大數(shù)據(jù)分析、自編碼神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、軟測量、水冷壁安全監(jiān)控等技術(shù)手段，開發(fā)并安裝了輔機安全監(jiān)控系統(tǒng)、汽輪機安全監(jiān)控系統(tǒng)、燃燒穩(wěn)定性分析試驗系統(tǒng)，對參與深度調(diào)峰的火電機組實施全方位低負荷運行的安全監(jiān)控，保證低負荷試驗及運行狀態(tài)過程中的主輔機安全。

2.2 燃燒調(diào)整試驗

首先，根據(jù)2號爐實際情況和歷史運行數(shù)據(jù)建立了簡化模型，并結(jié)合實際操作經(jīng)驗逐步實施了鍋爐燃燒精細化運行調(diào)整實驗，首次成功將2號機組在純凝方式下的最小技術(shù)出力降低至198MW，并通過了第三方測試。在此期間詳細記錄燃燒調(diào)整過程中的風、煤、水、主汽溫度、壓力、鍋爐四管壁溫等主要參數(shù)的變化，進行再次模擬，為下一步協(xié)調(diào)控制參數(shù)調(diào)整做好準備工作。

2.3 協(xié)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略研究

在燃燒調(diào)整試驗的基礎(chǔ)上，開展了協(xié)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制研究，協(xié)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制研究方面的技術(shù)路線如圖1。首先，簡化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)流程，結(jié)果如圖2?；跈C理分析和歷史數(shù)據(jù)辨識相結(jié)合的復(fù)合建模方法，建立了低負荷協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模型，模型結(jié)果如圖3。模型經(jīng)過驗證，平均相對誤差在5%以內(nèi)。然后，簡化2號機組現(xiàn)有控制邏輯，在模型上得到復(fù)現(xiàn)和驗證。基于該數(shù)學模型，研究智能給煤前饋構(gòu)造方法，優(yōu)化鍋爐主控，研究寬負荷調(diào)度增益PID參數(shù)優(yōu)化方法。

圖1 協(xié)調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化示意圖Fig.1 Simplified diagram of coordination system structure

圖2 模型驗證結(jié)果Fig.2 Model validation results

圖3 給水參數(shù)設(shè)定曲線Fig.3 Setting curve of water supply parameters

3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1 給水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整

給水靜態(tài)前饋加入30%額定負荷情況，補充邏輯內(nèi)容，將給水流量最低設(shè)定值更改成合適的540t/h，避免在30%額定負荷下運行時給水量仍然為692t/h的情況，避免造成控制器調(diào)節(jié)壓力過大，中間點溫度波動劇烈的后果。

3.2 煤主控進行調(diào)整

補充完善30%額定負荷對應(yīng)的給煤量，修改低負荷數(shù)據(jù)最低平均給煤量約145t/h，之后幾次調(diào)峰過程中均大于145t/h，因此設(shè)定為148t/h，同時在0對應(yīng)的位置設(shè)置為140t/h，可以在自動投運后，即便鍋爐主控指令出現(xiàn)下降的情況下，對給煤量進行保護，最低給煤量始終保持在140t/h以上。

圖4 給煤量設(shè)定曲線Fig.4 Setting curve of coal feeding capacity

3.3 壓力波動允許范圍進行調(diào)整

原來系統(tǒng)中允許的壓力偏差設(shè)置為定值1.2MPa，造成機組調(diào)節(jié)過程中主蒸汽壓力波動較大。為了增強主蒸汽壓力在不同負荷下的控制效果，減小穩(wěn)態(tài)和動態(tài)情況下主汽壓的波動，現(xiàn)將該數(shù)值減小，同時為考慮低負荷下機組安全性，將該參數(shù)設(shè)置成隨機組負荷變化，高負荷數(shù)值略大，低負荷數(shù)值略小。

3.4 增加動態(tài)給煤前饋

增強系統(tǒng)中原有因負荷偏差提供的前饋量，原有系統(tǒng)中動態(tài)量太小，難以在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中充分調(diào)用鍋爐蓄熱，因此現(xiàn)將機組動態(tài)給煤前饋效果增強，提升機組變負荷速率。具體參數(shù)如圖6。同時在系統(tǒng)中設(shè)置選擇功能，當機組負荷高于50%額定負荷，動態(tài)前饋起作用，考慮鍋爐低負荷穩(wěn)燃；當負荷低于50%額定負荷下時，動態(tài)給煤量減少或消除。

圖5 主汽壓力波動范圍設(shè)定曲線Fig.5 Setting curve of main steam pressure fluctuation range

圖6 給煤前饋設(shè)定曲線Fig.6 Coal feed forward setting curve

圖7 主汽壓力設(shè)定曲線Fig.7 Main steam pressure setting curve

3.5 低負荷下壓力曲線調(diào)整

按照機組原有設(shè)定曲線約為11.2MPa左右，在進行的低負荷試驗摸底過程中，機組低負荷壓力運行在14MPa左右，手動控制方式時，主汽壓力普遍在15MPa、16MPa左右，壓力運行越來越高，但沒有固定數(shù)值。主蒸汽壓力定值影響機組效率和機組安全性，通過現(xiàn)場實驗的方式確定低負荷下最優(yōu)壓力設(shè)定值，初步設(shè)置30%額定負荷下的壓力為16 MPa。由于低負荷下壓力設(shè)定較高會提升低負荷下的供電煤耗，因而后續(xù)將根據(jù)機組實際運行效果嘗試逐步降低低負荷主汽壓力。

4 改造后效果

經(jīng)過電科院測試，深度調(diào)峰負荷段、低負荷和高負荷范圍機組AGC控制系統(tǒng)功能正常，機組與中調(diào)之間的各種通訊信號正確無誤。機組的負荷跟蹤、出力限制、負荷的增/減速率、增/減負荷的閉鎖、AGC負荷指令響應(yīng)等功能正常好用，在機組CCS系統(tǒng)能夠有效投入的情況下，AGC控制系統(tǒng)可以正常響應(yīng)中調(diào)的負荷指令，滿足電網(wǎng)負荷調(diào)節(jié)的需要。目前2號機組已經(jīng)實現(xiàn)30%額定負荷（200MW）安全穩(wěn)定運行，參與《東北電力輔助服務(wù)市場》深度調(diào)峰并取得了可觀的補償收益。

5 結(jié)束語

綜上所述，火電機組深度調(diào)峰靈活性改造技術(shù)的應(yīng)用具有十分重要的經(jīng)濟價值和社會價值。此項技術(shù)改造適合風、光、熱等比較充足的寒冷供熱地區(qū)，可以優(yōu)化化石能源和清潔能源消耗結(jié)構(gòu)，充分利用可再生新能源發(fā)電，實現(xiàn)減碳減排的目的。具體靈活性改造過程要了解當?shù)丨h(huán)境、機組現(xiàn)存問題，為后續(xù)針對性的改造提供依據(jù)。