摘要: 本文針對(duì)大型火電機(jī)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(shí)例，闡述了減小負(fù)荷響應(yīng)遲延，實(shí)現(xiàn)全過程滑壓經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的控制原理。
關(guān)鍵詞: 大型機(jī)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(guó)家對(duì)火電機(jī)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(jī)組已逐漸成為電力生產(chǎn)的主流設(shè)備。發(fā)電自動(dòng)控制系統(tǒng)AGC在各電廠的廣泛應(yīng)用，對(duì)發(fā)電廠運(yùn)行與調(diào)度的自動(dòng)化水平提出了更高的要求。但是，大型機(jī)組所特有的鍋爐容量大，機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)遲緩等特點(diǎn)，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(gè)瓶頸，隨著小容量及水電機(jī)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(dòng)調(diào)度帶來較大困難。此外，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)電廠在AGC方式下僅能采用定壓方式運(yùn)行，既限制了AGC指令的可調(diào)范圍，又降低了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，隨著AGC運(yùn)行方式的普及及電廠節(jié)能與經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(gè)問題。
經(jīng)過在浙江省北侖港電廠600MW機(jī)組及溫州發(fā)電廠300MW機(jī)組上的長(zhǎng)期試驗(yàn)和研究，筆者在對(duì)機(jī)爐對(duì)象特性充分認(rèn)識(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jī)組滑壓調(diào)節(jié)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(jī)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(duì)于300MW機(jī)組，該遲延一般在1.0 ~ 2.5 min左右[1]，而對(duì)于600MW機(jī)組，遲延時(shí)間將會(huì)更長(zhǎng)。此外，當(dāng)機(jī)組處于滑壓段運(yùn)行時(shí)，還存在一個(gè)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(zhǎng)的時(shí)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(jī)指令作延時(shí)處理，并放寬汽壓控制偏差的允許范圍，機(jī)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(dòng)作④的影響，使主汽壓力②的對(duì)象特性變得復(fù)雜，常規(guī)的PID調(diào)節(jié)功能無法正常實(shí)現(xiàn)。而汽壓對(duì)象本身又是一個(gè)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(duì)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(shí)對(duì)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(shí)，而在接近目標(biāo)負(fù)荷時(shí)，又相互激勵(lì)，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(jì)思想
新方案的提出是基于以下事實(shí)，筆者在現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃料量發(fā)生一個(gè)足夠量的近似階躍的快速變化時(shí)，汽壓的響應(yīng)時(shí)間會(huì)大大縮短，這一點(diǎn)在進(jìn)行RUNBACK試驗(yàn)時(shí)可以明顯地感覺到。原因是當(dāng)燃料量的瞬時(shí)變化達(dá)到一定量時(shí)，爐內(nèi)熱量改變超出了爐體的熱容蓄熱，此時(shí)富余部分的變化量能較快地轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝康淖兓涌炝似麎旱捻憫?yīng)速度。但為了減少燃料量快速改變對(duì)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(huì)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(shí)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(duì)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(xiàng)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(yùn)用，從時(shí)間上解決了負(fù)荷①與主汽壓②響應(yīng)對(duì)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(jī)與鍋爐形成一種真正意義上的協(xié)調(diào)與互補(bǔ)關(guān)系。
1.2 模型的建立
鍋爐指令的前饋模型由基本量與動(dòng)態(tài)分量組成，圖2中虛線部分為基本量，由各負(fù)荷點(diǎn)對(duì)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(dòng)態(tài)分量ΔB，是負(fù)荷目標(biāo)值與實(shí)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?yàn)樨?fù)荷設(shè)定值偏差的絕對(duì)值 |ΔN| ，負(fù)向?yàn)闀r(shí)間軸t ，a、b分別代表10%MCR和3%MCR點(diǎn)，t0是通過邏輯判斷產(chǎn)生的負(fù)荷過零時(shí)間點(diǎn)，t1則需根據(jù)主汽壓響應(yīng)情況現(xiàn)場(chǎng)整定，鍋爐指令動(dòng)態(tài)分量ΔB的幅值一般整定在±3%至±6%之間，對(duì)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(shí)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(shí)實(shí)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(shí)際負(fù)荷與指令幾乎同速變化，此時(shí)單憑汽機(jī)主控的PID調(diào)節(jié)作用將無法滿足汽機(jī)調(diào)門的動(dòng)作需求，必須借助于一定的指令前饋?zhàn)饔谩Ｔ谏?fù)荷過程中使汽機(jī)調(diào)門在指令前饋?zhàn)饔孟鲁掷m(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(dòng)作幅度與負(fù)荷變化量的對(duì)應(yīng)關(guān)系整定。
在增減負(fù)荷過程中，由于受調(diào)門動(dòng)作的干擾，鍋爐主汽壓力的對(duì)象特性發(fā)生了較大改變。經(jīng)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的主汽壓對(duì)象是一個(gè)帶死區(qū)的高階對(duì)象，且死區(qū)大小受負(fù)荷變化率、負(fù)荷變化幅度及機(jī)組運(yùn)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(duì)高階對(duì)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(shí)際應(yīng)用中取得了預(yù)期的效果。
3．控制方案的實(shí)現(xiàn)技巧
3.1 鍋爐指令動(dòng)態(tài)分量的邏輯實(shí)現(xiàn)
負(fù)荷設(shè)定值偏差由機(jī)組負(fù)荷目標(biāo)值減去實(shí)際負(fù)荷設(shè)定值產(chǎn)生，機(jī)組負(fù)荷目標(biāo)值的改變是階躍的，而實(shí)際負(fù)荷設(shè)定值則受機(jī)組變負(fù)荷速率的限制，是一個(gè)緩變量。當(dāng)機(jī)組接受AGC負(fù)荷指令增減負(fù)荷時(shí)，負(fù)荷設(shè)定值偏差將產(chǎn)生一個(gè)階躍的響應(yīng)，并隨實(shí)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(dòng)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(jī)組的RB速率，并在保證機(jī)組各項(xiàng)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(duì)負(fù)荷指令小幅改變時(shí)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)周期短，參數(shù)易超調(diào)而特殊設(shè)計(jì)的，同時(shí)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(jì)通過一套邏輯記憶回路構(gòu)成增減方向的自適應(yīng)浮動(dòng)門檻值，實(shí)現(xiàn)并充分考慮了各記憶點(diǎn)在工況發(fā)生瞬間改變及指令連續(xù)遞變或反轉(zhuǎn)時(shí)的及時(shí)復(fù)歸與重置功能。
時(shí)間點(diǎn)t0是機(jī)組負(fù)荷指令變化后的實(shí)際負(fù)荷過零點(diǎn)，該點(diǎn)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(shí)際負(fù)荷值兩組偏差是否同時(shí)同向過零產(chǎn)生的。該功能可保證機(jī)組負(fù)荷在外擾或參數(shù)偏離工況下能及時(shí)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(jī)組快速穩(wěn)定于目標(biāo)負(fù)荷點(diǎn)。
3.2 滑壓段調(diào)門回位設(shè)計(jì)縮短機(jī)組穩(wěn)定時(shí)間
機(jī)組運(yùn)行在滑壓段和定壓段對(duì)汽機(jī)調(diào)門的動(dòng)作要求有所不同，定壓運(yùn)行時(shí)調(diào)門開度與機(jī)組負(fù)荷存在線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)該對(duì)應(yīng)關(guān)系即可確定汽機(jī)主控的前饋曲線；但對(duì)于滑壓運(yùn)行，各負(fù)荷點(diǎn)的對(duì)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(zhàn)饔谩９P者采用了比定壓段斜率略小的對(duì)應(yīng)實(shí)際負(fù)荷設(shè)定值的線性函數(shù)作為機(jī)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(yùn)行的設(shè)計(jì)開度后不能及時(shí)回位，就會(huì)造成機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的下降而失去了機(jī)組滑壓運(yùn)行的意義。以升負(fù)荷為例，當(dāng)機(jī)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(shí)利用汽機(jī)主控前饋信號(hào)的回位設(shè)計(jì)，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(dòng)態(tài)超前量逐漸消退的同時(shí)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(shí)，汽機(jī)調(diào)門將回歸到設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)。該設(shè)計(jì)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(jī)組的穩(wěn)定時(shí)間，使機(jī)組盡快進(jìn)入經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。
設(shè)計(jì)思想的邏輯實(shí)現(xiàn)如圖4框圖所示，其中函數(shù)F1(x)代表全過程汽機(jī)調(diào)門開度與機(jī)組負(fù)荷的實(shí)際對(duì)應(yīng)關(guān)系，函數(shù)F2(x)則是負(fù)荷變化過程中實(shí)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(shí)，參數(shù)設(shè)置模塊“ADAPT”將積分器的積分強(qiáng)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(jī)主控即以設(shè)計(jì)的前饋模型開始動(dòng)作；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷到達(dá)目標(biāo)值后，積分強(qiáng)度切換為參數(shù)A，則汽機(jī)主控的前饋信號(hào)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(diǎn)，機(jī)組恢復(fù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(jī)組初始狀態(tài)對(duì)主汽壓響應(yīng)的影響。根據(jù)汽機(jī)廠提供的機(jī)組滑壓曲線設(shè)定機(jī)組汽壓目標(biāo)定值曲線，當(dāng)機(jī)組在滑壓段變負(fù)荷時(shí)，汽壓設(shè)定值將保持原位，待邏輯回路判斷出實(shí)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(duì)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(jì)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(jī)等非正常原因?qū)е缕麎浩x時(shí)，汽壓設(shè)定值將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以配合實(shí)際汽壓的偶然變化，消除異常擾動(dòng)對(duì)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(shí)，主汽壓定值及實(shí)際值變化的遲緩則恰好縮小了其全過程中的實(shí)際變化幅度，當(dāng)AGC指令在某一區(qū)域內(nèi)上下頻繁動(dòng)作時(shí)，可使主汽壓基本保持恒定，這對(duì)于惡劣工況下充分發(fā)揮鍋爐蓄能，維持機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定有著明顯的實(shí)用價(jià)值。
2) 經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)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(yùn)行過程中，機(jī)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(shí)，汽機(jī)主控的調(diào)節(jié)作用將使機(jī)組負(fù)荷短時(shí)間恢復(fù)，但由于鍋爐汽壓響應(yīng)的滯后，調(diào)門的動(dòng)作將使主汽壓發(fā)生背離，機(jī)組偏離經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)，若僅利用鍋爐與汽機(jī)主控的常規(guī)調(diào)節(jié)作用，使機(jī)組重新回復(fù)至正常工作點(diǎn)將需要數(shù)個(gè)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(duì)工作點(diǎn)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，縮短機(jī)組穩(wěn)定時(shí)間，提高系統(tǒng)魯棒性。
試驗(yàn)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(shí)，對(duì)機(jī)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(qiáng)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(dòng)作使汽壓較快回歸，另一方面對(duì)鍋爐指令做出微調(diào)，使其更快到達(dá)新的工作點(diǎn)，機(jī)爐在經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)附近達(dá)成新的平衡。
4．模型優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用實(shí)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(tái)600MW機(jī)組及溫州發(fā)電廠兩臺(tái)300MW機(jī)組上均得到了成功應(yīng)用，實(shí)施該方案的機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)時(shí)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(shí)際平均變負(fù)荷率達(dá)到了2%/min、3%/min以至5%/min試驗(yàn)的速率要求，機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)節(jié)品質(zhì)也均有所優(yōu)化，而且實(shí)現(xiàn)了機(jī)組全程滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)。AGC方式投入時(shí)，機(jī)組負(fù)荷的隨動(dòng)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(jī)組各項(xiàng)參數(shù)均調(diào)節(jié)穩(wěn)定。經(jīng)過一段時(shí)期的運(yùn)行實(shí)踐證明，該優(yōu)化控制技術(shù)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，使機(jī)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(jī)組的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)滑壓曲線及汽機(jī)調(diào)門自動(dòng)回位技術(shù)使機(jī)組在各種工況下的運(yùn)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(xiàng)技術(shù)對(duì)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(shí)踐中一定會(huì)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(dòng)力，針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)需求，筆者還將不斷地進(jìn)行探索和完善。
參考文獻(xiàn)：
[1] 王淼婺. 火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制對(duì)AGC的適應(yīng)性分析. 中國(guó)電力，1999，（6）
