[摘要] 本文針對大型火電機組在AGC調節中負荷響應慢、存在較大純遲延的現狀，提出了基于智能判斷和解耦控制的指令模型優化控制方案，并結合該方案在電廠中成功應用的實例，闡述了減小負荷響應遲延，實現全過程滑壓經濟運行的控制原理。
[關鍵詞] 大型機組 AGC 快速響應 指令模型優化
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
隨著大型火力發電技術的發展和成熟，以及國家對火電機組經濟性要求的不斷提高，大容量、高參數的發電機組已逐漸成為電力生產的主流設備。發電自動控制系統AGC在各電廠的廣泛應用，對發電廠運行與調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，機組負荷響應遲緩等特點，卻限制了AGC系統的整體調節速度，影響了電網的電能質量，成為了發、供電系統間的一個瓶頸，隨著小容量及水電機組在發電系統中所占份額的逐漸減小，這一矛盾將日見突出，為電力系統自動調度帶來較大困難。此外，目前國內大多數電廠在AGC方式下僅能采用定壓方式運行，既限制了AGC指令的可調范圍，又降低了機組運行的經濟性，隨著AGC運行方式的普及及電廠節能與經濟運行要求的提高，這也已成為發電廠控制領域急需解決的一個問題。
經過在浙江省北侖港電廠600MW機組及溫州發電廠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識的基礎上，結合AGC方式的特殊控制要求，提出了指令模型優化控制方案，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，實現了對負荷與汽壓的優化控制，并最終達到負荷快速響應與過零，汽壓全程受控，機組滑壓調節、經濟運行的控制目標。
1. 模型優化方案的提出與指令建模
1.1 常規協調方式下的系統調節特性
采用直吹式制粉系統的大容量火電機組，從改變煤量到蒸汽流量發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，從蒸汽流量發生變化到該變化量積累到足以使主汽壓力發生有效變化還將需要更長的時間。因此，在常規的協調控制方式下，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。
常規協調控制方式下各主要參數的調節過程將如圖1所示。由于調門動作④的影響，使主汽壓力②的對象特性變得復雜，常規的PID調節功能無法正常實現。而汽壓對象本身又是一個大遲延環節，調節過程中與設定值⑥的偏差較大，對于AGC方式下負荷指令頻繁變化的復雜工況適應性較差。此外，該方式最主要的弊端還在于其負荷與汽壓的響應是同步的，汽壓與負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，產生大延時，而在接近目標負荷時，又相互激勵，造成較大超調。在這種方式下，系統整定困難，調節品質差，不能滿足AGC方式下的滑壓控制要求。
1.2 指令模型優化控制方案的設計思想
新方案的提出是基于以下事實，筆者在現場的試驗中發現，當燃料量發生一個足夠量的近似階躍的快速變化時，汽壓的響應時間會大大縮短，這一點在進行RUNBACK試驗時可以明顯地感覺到。原因是當燃料量的瞬時變化達到一定量時，爐內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變為蒸汽量的變化，加快了汽壓的響應速度。但為了減少燃料量快速改變對風煙系統造成的沖擊，在該指令超前量后應設置速率限制。進一步的研究發現，該快速變化量的大小與升負荷速率（即調門動作快慢）線性相關，而與負荷變化量也存在一定的函數關系，這使方案在多變工況下的實際應用成為可能。由于汽壓響應的加快，在負荷指令變化初期，調門可迅速動作改變負荷（見圖2 /④），若爐內燃料能持續保持一定的超前量，汽壓將不會產生很大的負向偏離，通過合理建立鍋爐主控的指令前饋模型可實現指令變化初期的負荷快速響應。
負荷的持續變化需不斷地改變調門，故汽壓難以很快產生正向的變化，若仍采用常規控制中的汽壓設定值曲線，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荷與調節汽壓的兩項功能分量進行解耦處理的思想。以升負荷為例，如圖2所示，一方面利用鍋爐主控指令的前饋模型③，根據負荷指令需求快速準確地提供熱量支持，另一方面根據協調工況下主汽壓的響應特性，擬合出其近似曲線作為主汽壓的設定值模型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，從時間上解決了負荷①與主汽壓②響應對熱量的需求矛盾，并有效抑制超調，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調與互補關系。
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分量組成，圖2中虛線部分為基本量，由各負荷點對應的經BTU修正后的準確燃料量構成，虛線以上部分為快速響應的動態分量ΔB，是負荷目標值與實際負荷設定值之差ΔN的函數，該函數如圖3所示，圖中橫坐標正向為負荷設定值偏差的絕對值 |ΔN| ，負向為時間軸t ，a、b分別代表10%MCR和3%MCR點，t0是通過邏輯判斷產生的負荷過零時間點，t1則需根據主汽壓響應情況現場整定，鍋爐指令動態分量ΔB的幅值一般整定在±3%至±6%之間，對應不同的變負荷率再乘以相應的系數。
鍋爐能量持續足量的響應將通過以上模型得以保障，但要使實際負荷的平均變化速率接近負荷指令的變化率（即指令3%/min變化時實際負荷變化率不小于2.4%/min），則在負荷變化的中間段必須維持實際負荷與指令幾乎同速變化，此時單憑汽機主控的PID調節作用將無法滿足汽機調門的動作需求，必須借助于一定的指令前饋作用。在升負荷過程中使汽機調門在指令前饋作用下持續開啟，鍋爐產生的熱量將迅速轉換為主蒸汽流量并快速提升負荷。前饋量的大小則根據定壓段調門動作幅度與負荷變化量的對應關系整定。
在增減負荷過程中，由于受調門動作的干擾，鍋爐主汽壓力的對象特性發生了較大改變。經試驗分析發現，此時的主汽壓對象是一個帶死區的高階對象，且死區大小受負荷變化率、負荷變化幅度及機組運行工況等諸多因素影響，無法準確估算。為滿足主汽壓解耦控制的要求，必須確定主蒸汽壓力的設定值模型，筆者以二階慣性環節對高階對象予以近似，再輔以汽壓起始死區的智能邏輯判斷，構造出了足夠精度的主汽壓設定值模型，并在實際應用中取得了預期的效果。
3．控制方案的實現技巧
3.1 鍋爐指令動態分量的邏輯實現
負荷設定值偏差由機組負荷目標值減去實際負荷設定值產生，機組負荷目標值的改變是階躍的，而實際負荷設定值則受機組變負荷速率的限制，是一個緩變量。當機組接受AGC負荷指令增減負荷時，負荷設定值偏差將產生一個階躍的響應，并隨實際負荷設定值的勻速變化而勻速減小，經函數關系轉換后，最終產生鍋爐燃料量指令動態分量的前饋模型。燃料量的階躍變化限速率應低于機組的RB速率，并在保證機組各項參數調節品質滿足要求的前提下整定。
圖3中虛線部分是針對負荷指令小幅改變時，系統調節周期短，參數易超調而特殊設計的，同時也避免了AGC連續調節過程中出現不連續的前饋指令。該設計通過一套邏輯記憶回路構成增減方向的自適應浮動門檻值，實現并充分考慮了各記憶點在工況發生瞬間改變及指令連續遞變或反轉時的及時復歸與重置功能。
時間點t0是機組負荷指令變化后的實際負荷過零點，該點是通過判斷目標負荷與負荷設定值、負荷設定值與實際負荷值兩組偏差是否同時同向過零產生的。該功能可保證機組負荷在外擾或參數偏離工況下能及時修正和過零。負荷過零后，鍋爐指令通過慣性衰減，平衡爐內能量供需，抑制汽壓超調，在調門的配合下使機組快速穩定于目標負荷點。
3.2 滑壓段調門回位設計縮短機組穩定時間
機組運行在滑壓段和定壓段對汽機調門的動作要求有所不同，定壓運行時調門開度與機組負荷存在線性的對應關系，根據該對應關系即可確定汽機主控的前饋曲線；但對于滑壓運行，各負荷點的對應調門開度基本不變，必須重新整定該段的函數關系，以提供適當的前饋作用。筆者采用了比定壓段斜率略小的對應實際負荷設定值的線性函數作為機組滑壓段的前饋曲線，保證了負荷的快速持續響應。但是，若調門開度偏離滑壓運行的設計開度后不能及時回位，就會造成機組經濟性的下降而失去了機組滑壓運行的意義。以升負荷為例，當機組負荷達到目標值后，隨著主汽壓的提升負荷將進一步超調，此時利用汽機主控前饋信號的回位設計，一方面可有效抑制負荷的超調，提高控制精度，另一方面將調整鍋爐蓄熱狀態，在鍋爐指令動態超前量逐漸消退的同時維持主汽壓力跟隨汽壓設定值模型緩慢上升。在變負荷過程結束，負荷汽壓達到目標值時，汽機調門將回歸到設計的經濟平衡點。該設計利用前饋模型的巧妙處理加快了鍋爐蓄熱狀態的恢復，縮短了機組的穩定時間，使機組盡快進入經濟運行狀態。
設計思想的邏輯實現如圖4框圖所示，其中函數F1(x)代表全過程汽機調門開度與機組負荷的實際對應關系，函數F2(x)則是負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。當負荷設定值發生改變時，參數設置模塊“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，汽機主控即以設計的前饋模型開始動作；當機組負荷到達目標值后，積分強度切換為參數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至F1(x)所設置的經濟工作點，機組恢復經濟運行。
3.3 汽壓定值模型死區的智能判斷
汽壓定值模型的死區設置采用邏輯回路智能判斷確定，避免負荷變化前機組初始狀態對主汽壓響應的影響。根據汽機廠提供的機組滑壓曲線設定機組汽壓目標定值曲線，當機組在滑壓段變負荷時，汽壓設定值將保持原位，待邏輯回路判斷出實際主汽壓力已產生與負荷變化同向的響應后（如圖2所示），再以二階慣性遲延速率逐漸接近負荷設定值所對應的汽壓目標定值，完成主蒸汽壓力的解耦控制與準確調節。
3.4 基于系統魯棒性考慮的設計細節
1) 汽壓定值變化的自適應性
負荷變化過程中，因煤質突變、投撤油槍或切換磨煤機等非正常原因導致汽壓偏離時，汽壓設定值將自動進行調整，以配合實際汽壓的偶然變化，消除異常擾動對系統穩定造成的負面影響。當負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AGC指令在某一區域內上下頻繁動作時，可使主汽壓基本保持恒定，這對于惡劣工況下充分發揮鍋爐蓄能，維持機組各項參數穩定有著明顯的實用價值。
2) 經濟工作點的自適應修正
協調控制方式下，負荷控制回路是快速回路，而汽壓控制回路響應則慢許多。在運行過程中，機組由于各種偶發因素可能導致負荷與汽壓偏離設定值，此時，汽機主控的調節作用將使機組負荷短時間恢復，但由于鍋爐汽壓響應的滯后，調門的動作將使主汽壓發生背離，機組偏離經濟工作點，若僅利用鍋爐與汽機主控的常規調節作用，使機組重新回復至正常工作點將需要數個周期的來回調節，甚至可能引起系統穩定性下降以至參數振蕩。利用PID模塊的閉鎖功能，可對工作點進行自適應調整，縮短機組穩定時間，提高系統魯棒性。
試驗中發現，PID閉鎖功能不僅具有閉鎖能力，還有反向調節能力，在主汽壓發生較大偏離時，對機爐的PID控制器作單方向閉鎖，閉鎖不利方向——負荷調節分量，釋放有利方向——汽壓調節分量，PID控制器將根據不同的偏差量做出不同強度的有利汽壓調節方向的助推式調整，一方面通過調門動作使汽壓較快回歸，另一方面對鍋爐指令做出微調，使其更快到達新的工作點，機爐在經濟工作點附近達成新的平衡。
4．模型優化技術的應用實效與前景
模型優化控制方案在浙江北侖港電廠二期三臺600MW機組及溫州發電廠兩臺300MW機組上均得到了成功應用，實施該方案的機組負荷響應時間由常規控制方式下的1~2分鐘提高到了20~40秒，全過程實際平均變負荷率達到了2%/min、3%/min以至5%/min試驗的速率要求，機組各項參數的調節品質也均有所優化，而且實現了機組全程滑壓運行的經濟性目標。AGC方式投入時，機組負荷的隨動性很好，能完全跟隨AGC指令的變化，主蒸汽壓力平穩受控，機組各項參數均調節穩定。經過一段時期的運行實踐證明，該優化控制技術達到了預期的設計目標，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利用機組的設計經濟滑壓曲線及汽機調門自動回位技術使機組在各種工況下的運行經濟性得到了保障，這將為電廠帶來直接的經濟效益，加之該項技術對電能品質及電網調度方面做出的貢獻，在今后的推廣實踐中一定會有廣闊的前景。
5．結束語
AGC技術還將不斷發展，新規則的提出和新問題的暴露都將是控制技術改進與更新的動力，針對不同的現場需求，筆者還將不斷地進行探索和完善。
參考文獻：
[1] 王淼婺. 火電機組協調控制對AGC的適應性分析. 中國電力，1999，（6）
