[摘要] 本文針對大型火電機組在AGC調(diào)節(jié)中負(fù)荷響應(yīng)慢、存在較大純遲延的現(xiàn)狀，提出了基于智能判斷和解耦控制的指令模型優(yōu)化控制方案，并結(jié)合該方案在電廠中成功應(yīng)用的實例，闡述了減小負(fù)荷響應(yīng)遲延，實現(xiàn)全過程滑壓經(jīng)濟(jì)運行的控制原理。
[關(guān)鍵詞] 大型機組 AGC 快速響應(yīng) 指令模型優(yōu)化
The Research Of Fast Load Responding And Sliding-pressure Control Technique
For The Large Thermal Power Units In The AGC Mode
Abstract: Aim for the long real lag of the unit load's responding in the large thermal power units operating in the AGC mode, a new 'demand-model optimizing control program' is introduced based on the intelligent concluding and decoupling controls. The control theory for the unit's full range sliding-pressure economic running and fast responding is illustrated too. Some successful applications are cited and analyzed.
Keywords: Large units AGC Fast responding Demand-model optimizing
0. 引言
隨著大型火力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和成熟，以及國家對火電機組經(jīng)濟(jì)性要求的不斷提高，大容量、高參數(shù)的發(fā)電機組已逐漸成為電力生產(chǎn)的主流設(shè)備。發(fā)電自動控制系統(tǒng)AGC在各電廠的廣泛應(yīng)用，對發(fā)電廠運行與調(diào)度的自動化水平提出了更高的要求。但是，大型機組所特有的鍋爐容量大，機組負(fù)荷響應(yīng)遲緩等特點，卻限制了AGC系統(tǒng)的整體調(diào)節(jié)速度，影響了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，成為了發(fā)、供電系統(tǒng)間的一個瓶頸，隨著小容量及水電機組在發(fā)電系統(tǒng)中所占份額的逐漸減小，這一矛盾將日見突出，為電力系統(tǒng)自動調(diào)度帶來較大困難。此外，目前國內(nèi)大多數(shù)電廠在AGC方式下僅能采用定壓方式運行，既限制了AGC指令的可調(diào)范圍，又降低了機組運行的經(jīng)濟(jì)性，隨著AGC運行方式的普及及電廠節(jié)能與經(jīng)濟(jì)運行要求的提高，這也已成為發(fā)電廠控制領(lǐng)域急需解決的一個問題。
經(jīng)過在浙江省北侖港電廠600MW機組及溫州發(fā)電廠300MW機組上的長期試驗和研究，筆者在對機爐對象特性充分認(rèn)識的基礎(chǔ)上，結(jié)合AGC方式的特殊控制要求，提出了指令模型優(yōu)化控制方案，該方案通過建立控制指令的前饋和定值模型，采用人工智能思想，實現(xiàn)了對負(fù)荷與汽壓的優(yōu)化控制，并最終達(dá)到負(fù)荷快速響應(yīng)與過零，汽壓全程受控，機組滑壓調(diào)節(jié)、經(jīng)濟(jì)運行的控制目標(biāo)。
1. 模型優(yōu)化方案的提出與指令建模
1.1 常規(guī)協(xié)調(diào)方式下的系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性
采用直吹式制粉系統(tǒng)的大容量火電機組，從改變煤量到蒸汽流量發(fā)生變化存在著較大的純遲延，對于300MW機組，該遲延一般在1.0 ~ 2.5 min左右[1]，而對于600MW機組，遲延時間將會更長。此外，當(dāng)機組處于滑壓段運行時，還存在一個主汽壓力變化的過程，從蒸汽流量發(fā)生變化到該變化量積累到足以使主汽壓力發(fā)生有效變化還將需要更長的時間。因此，在常規(guī)的協(xié)調(diào)控制方式下，為防止主汽壓向反方向偏離，不得不將汽機指令作延時處理，并放寬汽壓控制偏差的允許范圍，機組處于一種遲緩的、不受控的狀態(tài)。
常規(guī)協(xié)調(diào)控制方式下各主要參數(shù)的調(diào)節(jié)過程將如圖1所示。由于調(diào)門動作④的影響，使主汽壓力②的對象特性變得復(fù)雜，常規(guī)的PID調(diào)節(jié)功能無法正常實現(xiàn)。而汽壓對象本身又是一個大遲延環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)過程中與設(shè)定值⑥的偏差較大，對于AGC方式下負(fù)荷指令頻繁變化的復(fù)雜工況適應(yīng)性較差。此外，該方式最主要的弊端還在于其負(fù)荷與汽壓的響應(yīng)是同步的，汽壓與負(fù)荷變化時對熱量的需求與排斥也始終是同向的，在變化初始段，兩者相互制約，產(chǎn)生大延時，而在接近目標(biāo)負(fù)荷時，又相互激勵，造成較大超調(diào)。在這種方式下，系統(tǒng)整定困難，調(diào)節(jié)品質(zhì)差，不能滿足AGC方式下的滑壓控制要求。
1.2 指令模型優(yōu)化控制方案的設(shè)計思想
新方案的提出是基于以下事實，筆者在現(xiàn)場的試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃料量發(fā)生一個足夠量的近似階躍的快速變化時，汽壓的響應(yīng)時間會大大縮短，這一點在進(jìn)行RUNBACK試驗時可以明顯地感覺到。原因是當(dāng)燃料量的瞬時變化達(dá)到一定量時，爐內(nèi)熱量改變超出了爐體的熱容蓄熱，此時富余部分的變化量能較快地轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝康淖兓�，加快了汽壓的響�?yīng)速度。但為了減少燃料量快速改變對風(fēng)煙系統(tǒng)造成的沖擊，在該指令超前量后應(yīng)設(shè)置速率限制。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，該快速變化量的大小與升負(fù)荷速率（即調(diào)門動作快慢）線性相關(guān)，而與負(fù)荷變化量也存在一定的函數(shù)關(guān)系，這使方案在多變工況下的實際應(yīng)用成為可能。由于汽壓響應(yīng)的加快，在負(fù)荷指令變化初期，調(diào)門可迅速動作改變負(fù)荷（見圖2 /④），若爐內(nèi)燃料能持續(xù)保持一定的超前量，汽壓將不會產(chǎn)生很大的負(fù)向偏離，通過合理建立鍋爐主控的指令前饋模型可實現(xiàn)指令變化初期的負(fù)荷快速響應(yīng)。
負(fù)荷的持續(xù)變化需不斷地改變調(diào)門，故汽壓難以很快產(chǎn)生正向的變化，若仍采用常規(guī)控制中的汽壓設(shè)定值曲線，則大偏差對燃料量控制的不確定影響依然存在。因此筆者提出了將鍋爐主控中支持負(fù)荷與調(diào)節(jié)汽壓的兩項功能分量進(jìn)行解耦處理的思想。以升負(fù)荷為例，如圖2所示，一方面利用鍋爐主控指令的前饋模型③，根據(jù)負(fù)荷指令需求快速準(zhǔn)確地提供熱量支持，另一方面根據(jù)協(xié)調(diào)工況下主汽壓的響應(yīng)特性，擬合出其近似曲線作為主汽壓的設(shè)定值模型⑥，由控制器的PID功能完成主汽壓的精確控制。這種控制思想的運用，從時間上解決了負(fù)荷①與主汽壓②響應(yīng)對熱量的需求矛盾，并有效抑制超調(diào)，提高了汽壓的可控性，使汽機與鍋爐形成一種真正意義上的協(xié)調(diào)與互補關(guān)系。
1.3指令模型的建立
鍋爐指令的前饋模型由基本量與動態(tài)分量組成，圖2中虛線部分為基本量，由各負(fù)荷點對應(yīng)的經(jīng)BTU修正后的準(zhǔn)確燃料量構(gòu)成，虛線以上部分為快速響應(yīng)的動態(tài)分量ΔB，是負(fù)荷目標(biāo)值與實際負(fù)荷設(shè)定值之差ΔN的函數(shù)，該函數(shù)如圖3所示，圖中橫坐標(biāo)正向為負(fù)荷設(shè)定值偏差的絕對值 |ΔN| ，負(fù)向為時間軸t ，a、b分別代表10%MCR和3%MCR點，t0是通過邏輯判斷產(chǎn)生的負(fù)荷過零時間點，t1則需根據(jù)主汽壓響應(yīng)情況現(xiàn)場整定，鍋爐指令動態(tài)分量ΔB的幅值一般整定在±3%至±6%之間，對應(yīng)不同的變負(fù)荷率再乘以相應(yīng)的系數(shù)。
鍋爐能量持續(xù)足量的響應(yīng)將通過以上模型得以保障，但要使實際負(fù)荷的平均變化速率接近負(fù)荷指令的變化率（即指令3%/min變化時實際負(fù)荷變化率不小于2.4%/min），則在負(fù)荷變化的中間段必須維持實際負(fù)荷與指令幾乎同速變化，此時單憑汽機主控的PID調(diào)節(jié)作用將無法滿足汽機調(diào)門的動作需求，必須借助于一定的指令前饋作用。在升負(fù)荷過程中使汽機調(diào)門在指令前饋作用下持續(xù)開啟，鍋爐產(chǎn)生的熱量將迅速轉(zhuǎn)換為主蒸汽流量并快速提升負(fù)荷。前饋量的大小則根據(jù)定壓段調(diào)門動作幅度與負(fù)荷變化量的對應(yīng)關(guān)系整定。
在增減負(fù)荷過程中，由于受調(diào)門動作的干擾，鍋爐主汽壓力的對象特性發(fā)生了較大改變。經(jīng)試驗分析發(fā)現(xiàn)，此時的主汽壓對象是一個帶死區(qū)的高階對象，且死區(qū)大小受負(fù)荷變化率、負(fù)荷變化幅度及機組運行工況等諸多因素影響，無法準(zhǔn)確估算。為滿足主汽壓解耦控制的要求，必須確定主蒸汽壓力的設(shè)定值模型，筆者以二階慣性環(huán)節(jié)對高階對象予以近似，再輔以汽壓起始死區(qū)的智能邏輯判斷，構(gòu)造出了足夠精度的主汽壓設(shè)定值模型，并在實際應(yīng)用中取得了預(yù)期的效果。
3．控制方案的實現(xiàn)技巧
3.1 鍋爐指令動態(tài)分量的邏輯實現(xiàn)
負(fù)荷設(shè)定值偏差由機組負(fù)荷目標(biāo)值減去實際負(fù)荷設(shè)定值產(chǎn)生，機組負(fù)荷目標(biāo)值的改變是階躍的，而實際負(fù)荷設(shè)定值則受機組變負(fù)荷速率的限制，是一個緩變量。當(dāng)機組接受AGC負(fù)荷指令增減負(fù)荷時，負(fù)荷設(shè)定值偏差將產(chǎn)生一個階躍的響應(yīng)，并隨實際負(fù)荷設(shè)定值的勻速變化而勻速減小，經(jīng)函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換后，最終產(chǎn)生鍋爐燃料量指令動態(tài)分量的前饋模型。燃料量的階躍變化限速率應(yīng)低于機組的RB速率，并在保證機組各項參數(shù)調(diào)節(jié)品質(zhì)滿足要求的前提下整定。
圖3中虛線部分是針對負(fù)荷指令小幅改變時，系統(tǒng)調(diào)節(jié)周期短，參數(shù)易超調(diào)而特殊設(shè)計的，同時也避免了AGC連續(xù)調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)不連續(xù)的前饋指令。該設(shè)計通過一套邏輯記憶回路構(gòu)成增減方向的自適應(yīng)浮動門檻值，實現(xiàn)并充分考慮了各記憶點在工況發(fā)生瞬間改變及指令連續(xù)遞變或反轉(zhuǎn)時的及時復(fù)歸與重置功能。
時間點t0是機組負(fù)荷指令變化后的實際負(fù)荷過零點，該點是通過判斷目標(biāo)負(fù)荷與負(fù)荷設(shè)定值、負(fù)荷設(shè)定值與實際負(fù)荷值兩組偏差是否同時同向過零產(chǎn)生的。該功能可保證機組負(fù)荷在外擾或參數(shù)偏離工況下能及時修正和過零。負(fù)荷過零后，鍋爐指令通過慣性衰減，平衡爐內(nèi)能量供需，抑制汽壓超調(diào)，在調(diào)門的配合下使機組快速穩(wěn)定于目標(biāo)負(fù)荷點。
3.2 滑壓段調(diào)門回位設(shè)計縮短機組穩(wěn)定時間
機組運行在滑壓段和定壓段對汽機調(diào)門的動作要求有所不同，定壓運行時調(diào)門開度與機組負(fù)荷存在線性的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)該對應(yīng)關(guān)系即可確定汽機主控的前饋曲線；但對于滑壓運行，各負(fù)荷點的對應(yīng)調(diào)門開度基本不變，必須重新整定該段的函數(shù)關(guān)系，以提供適當(dāng)?shù)那梆佔饔谩９P者采用了比定壓段斜率略小的對應(yīng)實際負(fù)荷設(shè)定值的線性函數(shù)作為機組滑壓段的前饋曲線，保證了負(fù)荷的快速持續(xù)響應(yīng)。但是，若調(diào)門開度偏離滑壓運行的設(shè)計開度后不能及時回位，就會造成機組經(jīng)濟(jì)性的下降而失去了機組滑壓運行的意義。以升負(fù)荷為例，當(dāng)機組負(fù)荷達(dá)到目標(biāo)值后，隨著主汽壓的提升負(fù)荷將進(jìn)一步超調(diào)，此時利用汽機主控前饋信號的回位設(shè)計，一方面可有效抑制負(fù)荷的超調(diào)，提高控制精度，另一方面將調(diào)整鍋爐蓄熱狀態(tài)，在鍋爐指令動態(tài)超前量逐漸消退的同時維持主汽壓力跟隨汽壓設(shè)定值模型緩慢上升。在變負(fù)荷過程結(jié)束，負(fù)荷汽壓達(dá)到目標(biāo)值時，汽機調(diào)門將回歸到設(shè)計的經(jīng)濟(jì)平衡點。該設(shè)計利用前饋模型的巧妙處理加快了鍋爐蓄熱狀態(tài)的恢復(fù)，縮短了機組的穩(wěn)定時間，使機組盡快進(jìn)入經(jīng)濟(jì)運行狀態(tài)。
設(shè)計思想的邏輯實現(xiàn)如圖4框圖所示，其中函數(shù)F1(x)代表全過程汽機調(diào)門開度與機組負(fù)荷的實際對應(yīng)關(guān)系，函數(shù)F2(x)則是負(fù)荷變化過程中實際作用的前饋模型，由上述定壓段與滑壓段的前饋曲線組合而成。當(dāng)負(fù)荷設(shè)定值發(fā)生改變時，參數(shù)設(shè)置模塊“ADAPT”將積分器的積分強度置為0，則積分器的輸出直接來自其前饋F2(x)的輸出，汽機主控即以設(shè)計的前饋模型開始動作；當(dāng)機組負(fù)荷到達(dá)目標(biāo)值后，積分強度切換為參數(shù)A，則汽機主控的前饋信號將在積分器積分作用下緩慢回調(diào)至F1(x)所設(shè)置的經(jīng)濟(jì)工作點，機組恢復(fù)經(jīng)濟(jì)運行。
3.3 汽壓定值模型死區(qū)的智能判斷
汽壓定值模型的死區(qū)設(shè)置采用邏輯回路智能判斷確定，避免負(fù)荷變化前機組初始狀態(tài)對主汽壓響應(yīng)的影響。根據(jù)汽機廠提供的機組滑壓曲線設(shè)定機組汽壓目標(biāo)定值曲線，當(dāng)機組在滑壓段變負(fù)荷時，汽壓設(shè)定值將保持原位，待邏輯回路判斷出實際主汽壓力已產(chǎn)生與負(fù)荷變化同向的響應(yīng)后（如圖2所示），再以二階慣性遲延速率逐漸接近負(fù)荷設(shè)定值所對應(yīng)的汽壓目標(biāo)定值，完成主蒸汽壓力的解耦控制與準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。
3.4 基于系統(tǒng)魯棒性考慮的設(shè)計細(xì)節(jié)
1) 汽壓定值變化的自適應(yīng)性
負(fù)荷變化過程中，因煤質(zhì)突變、投撤油槍或切換磨煤機等非正常原因?qū)е缕麎浩x時，汽壓設(shè)定值將自動進(jìn)行調(diào)整，以配合實際汽壓的偶然變化，消除異常擾動對系統(tǒng)穩(wěn)定造成的負(fù)面影響。當(dāng)負(fù)荷變化方向中途改變時，主汽壓定值及實際值變化的遲緩則恰好縮小了其全過程中的實際變化幅度，當(dāng)AGC指令在某一區(qū)域內(nèi)上下頻繁動作時，可使主汽壓基本保持恒定，這對于惡劣工況下充分發(fā)揮鍋爐蓄能，維持機組各項參數(shù)穩(wěn)定有著明顯的實用價值。
2) 經(jīng)濟(jì)工作點的自適應(yīng)修正
協(xié)調(diào)控制方式下，負(fù)荷控制回路是快速回路，而汽壓控制回路響應(yīng)則慢許多。在運行過程中，機組由于各種偶發(fā)因素可能導(dǎo)致負(fù)荷與汽壓偏離設(shè)定值，此時，汽機主控的調(diào)節(jié)作用將使機組負(fù)荷短時間恢復(fù)，但由于鍋爐汽壓響應(yīng)的滯后，調(diào)門的動作將使主汽壓發(fā)生背離，機組偏離經(jīng)濟(jì)工作點，若僅利用鍋爐與汽機主控的常規(guī)調(diào)節(jié)作用，使機組重新回復(fù)至正常工作點將需要數(shù)個周期的來回調(diào)節(jié)，甚至可能引起系統(tǒng)穩(wěn)定性下降以至參數(shù)振蕩。利用PID模塊的閉鎖功能，可對工作點進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，縮短機組穩(wěn)定時間，提高系統(tǒng)魯棒性。
試驗中發(fā)現(xiàn)，PID閉鎖功能不僅具有閉鎖能力，還有反向調(diào)節(jié)能力，在主汽壓發(fā)生較大偏離時，對機爐的PID控制器作單方向閉鎖，閉鎖不利方向——負(fù)荷調(diào)節(jié)分量，釋放有利方向——汽壓調(diào)節(jié)分量，PID控制器將根據(jù)不同的偏差量做出不同強度的有利汽壓調(diào)節(jié)方向的助推式調(diào)整，一方面通過調(diào)門動作使汽壓較快回歸，另一方面對鍋爐指令做出微調(diào)，使其更快到達(dá)新的工作點，機爐在經(jīng)濟(jì)工作點附近達(dá)成新的平衡。
4．模型優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用實效與前景
模型優(yōu)化控制方案在浙江北侖港電廠二期三臺600MW機組及溫州發(fā)電廠兩臺300MW機組上均得到了成功應(yīng)用，實施該方案的機組負(fù)荷響應(yīng)時間由常規(guī)控制方式下的1~2分鐘提高到了20~40秒，全過程實際平均變負(fù)荷率達(dá)到了2%/min、3%/min以至5%/min試驗的速率要求，機組各項參數(shù)的調(diào)節(jié)品質(zhì)也均有所優(yōu)化，而且實現(xiàn)了機組全程滑壓運行的經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)。AGC方式投入時，機組負(fù)荷的隨動性很好，能完全跟隨AGC指令的變化，主蒸汽壓力平穩(wěn)受控，機組各項參數(shù)均調(diào)節(jié)穩(wěn)定。經(jīng)過一段時期的運行實踐證明，該優(yōu)化控制技術(shù)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，使機組在AGC方式下存在的主要問題得到了有效解決。
新方案中采用的滑壓控制技術(shù)利用機組的設(shè)計經(jīng)濟(jì)滑壓曲線及汽機調(diào)門自動回位技術(shù)使機組在各種工況下的運行經(jīng)濟(jì)性得到了保障，這將為電廠帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益，加之該項技術(shù)對電能品質(zhì)及電網(wǎng)調(diào)度方面做出的貢獻(xiàn)，在今后的推廣實踐中一定會有廣闊的前景。
5．結(jié)束語
AGC技術(shù)還將不斷發(fā)展，新規(guī)則的提出和新問題的暴露都將是控制技術(shù)改進(jìn)與更新的動力，針對不同的現(xiàn)場需求，筆者還將不斷地進(jìn)行探索和完善。
