超临界发电机组协调控制系统研究.pdf

2024 年第 2 期21中国高新科技ENERGY&POWER|能源电力超临界发电机组协调控制系统研究邓继军国家能源集团宝庆发电有限公司，湖南 邵阳 422000摘要：文章对超临界发电机组协调控制系统进行研究，分析了超临界发电机组的工作特点，并重点阐述了超临界发电机组的协调控制方式。结合协调控制系统运行期间存在的问题，针对性提出相应的优化改进措施，旨在稳步改善超临界发电机组协调控制效果，为发电机组营造更为安全、稳定的运行环境。关键词：超临界；发电机组；协调控制系统；改进措施文献标识码：A中图分类号：TM621文章编号：2096-4137（2024）02-21-03DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2024.02.03Research on supercritical electric generator coordinated control systemDENG JijunGuodian Hunan Baoqing Coal Power Co.,Ltd.,Shaoyang 422000,ChinaAbstract:This article studies the coordinated control system of supercritical power generation units,analyzes the working characteristics of supercritical power generation units,and focuses on the coordinated control methods of supercritical power generation units.Based on the problems that exist during the operation of the coordinated control system,targeted optimization and improvement measures are proposed,aiming to steadily improve the coordinated control effect of supercritical power generation units and create a safer and more stable operating environment for power generation units.Keywords:supercritical;electric generator;coordinated control system;improvement measures在现代火电厂项目中，超临界发电机组逐渐取代了常规蒸汽动力发电机组，有效改善了节能效果，降低了发电成本，并对保护生态环境有重要作用，是绿色火电厂建设的重要举措。但超临界发电机组结构复杂、动态特性较大，传统 PID控制效果并不理想，机组运行面临风险隐患。在这一背景下，需建立高效的超临界发电机组协调控制系统，最大限度发挥机组作用，保证电厂正常运营和生产。1超临界发电机组工作特点1.1蓄热能力小超临界发电机组取消了汽包、启停速度、汽水容积的限制，无疑会削弱锅炉蓄热能力，变负荷速度加快，可以在短时间内完成负荷调节、机组启动、停机等控制动作。同时，由于蓄热量有限，气压对负荷变化的反应速度和灵敏度增加，也会造成机组变负荷能力薄弱的后果，随之引发难以保持气压稳定状态等一系列连锁问题。1.2非线性特征相比于传统发电机组，超临界发电机组工质压力变化幅度大，其工质物性变化大，汽水比热比容、热焓、温度压力等运行参数保持非线性关系，传热特性和流动特性同样保持非线性关系。例如，在超临界发电机组运行期间，如果运行负荷出现改变，被控对象相关特性也会产生改变，变化内容包括时间常数、增益等。1.3耦合特性超临界发电机组在设计方案中取消了汽包部件，解除了蒸汽管路、给水泵、水管路等部件间的耦合关系，导致直流锅炉和汽机、给水泵与汽水间的关联程度发生明显改变，最终造成锅炉运行参数、汽机与锅炉之间呈现耦合特性的深远影响。2超临界发电机组的协调控制方式2.1锅炉跟随控制锅炉跟随控制方式是以机组负荷静态前馈、机组负荷与压力动态前馈、主汽压力调节器修正作为输出参数。超临界发电机组运行期间，如果 N0机组负荷指令增大，Wal（s）汽机主控下达增加调阀开度的控制命令，通过改变进汽量来调节 Pr主蒸汽压力，使得 P0主蒸汽压力给定值和主蒸汽压力形成偏差。随后，由 Wa2（s）锅炉主控制器下达多项控制指令，流入燃料量、给风量及给水量变化等，提升主蒸汽压力，直至主蒸汽压力与 NE机组负荷重新恢复为平衡状态后，即可实现协调控制目标，锅炉跟随控制原理如图 1 所示。图1锅炉跟随控制原理 2024 年第 2 期22中国高新科技能源电力|ENERGY&POWER根据实际控制情况来看，锅炉跟随控制方式强调通过展开汽机调节阀动作来确保超临界发电机组在短时间内切换至给定负荷。但由于调门开度阶跃输入值较大，导致主汽压在明显变化的同时，锅炉侧出现滞后现象，有可能出现燃料量供给不足的问题，无法稳定维持能量供需平衡状态，严重时还会出现跳机等运行故障，总体协调控制表现较差。2.2汽机跟随控制汽机跟随控制是结合锅炉控制机组负荷、汽机控制主汽压力作为控制原理。在超临界发电机组运行期间，持续监测机组运行负荷，若实时负荷临近或是超过规定值，由锅炉主控制器下达提升燃料量、风量及给水量的控制命令，驱使锅炉向外释放蓄存热量，使得主蒸汽压力值持续提高，汽机主控处于不平衡状态。随后，再由汽机主控下达调节汽机调阀开度的控制命令，当提高阀门开度时，进汽量明显提高，主蒸汽压力值随之降低，直到机组负荷、主汽压力二者重新恢复为稳定的平衡状态为止，结束协调控制过程。根据实际控制情况来看，汽机跟随控制方式具有主蒸汽压力值变化幅度较小、确保发电机组安全平稳运行的优势，但由于锅炉蓄热量未得到完全利用，导致超临界发电机组的控制速度较为缓慢，适用于协调控制要求宽泛，以保障发电安全为首要目标的火电厂项目。2.3燃料控制燃料控制也称为燃烧控制方式，以锅炉主控静态前端、负荷压力动态前馈及总燃料量 PID 调节器修正值作为主控输出内容，通过准确描述超临界发电机组对燃料量实际需求来下达锅炉主控命令，通过调整燃料给进量来控制运行负荷，始终保持超临界发电机组最佳运行工况。燃料控制系统以满足锅炉蒸汽负荷需求、维持主汽压力稳定性作为控制内容，具有调节对象众多的特征，以锅炉燃料期间的多输入、多输出变量参数作为调节对象，各项调节参数保持相互影响关系，明显增加了发电机组协调控制难度系数。同时，为改善发电机组燃料控制效果，需重点考虑系统选型、洁净燃烧两项问题。（1）系统选型。收集相关资料信息，综合分析锅炉类型、超临界发电机组运行方式、现场环境与工艺条件等多项因素，结合实际情况选择搭建中储式燃烧调节控制系统，或是搭建直吹式燃烧调节控制系统。（2）洁净燃烧。早期使用的燃料品质较差，对锅炉与超临界发电机组的运行效果及控制效果造成一定影响，也违背了节能减排和绿色生产理念。因此，需使用新型洁净煤料取代原有燃料来提高燃煤质量，改善发电机组协调控制效果。2.4给水控制给水控制系统以锅炉主控指令、煤水比主控输出、给水设定偏置、过热度偏置作为主要组成部分。其中，锅炉主控指令是把函数与惯性延迟当作静态前馈，调节发电机组给水量；煤水比主控输出是根据中间点温度来调节给水量，把全部分离器出口温度最高值作为中间点温度，始终保持主蒸汽具备足够过热度；给水设定偏置与过热度偏置均以确保超临界发电机组在异常工况时具备人工干预条件为控制目标。根据实际控制情况来看，给水控制系统以水煤比控制为核心，在主蒸汽压力方面的控制效果略差于其他协调控制系统，但可以取得十分显著的主蒸汽温度控制效果。正常情况下，工作人员搭建直流锅炉给水调节控制系统，同步调节给水量和燃烧率，重点维持主蒸汽温度恒定状态。如果发电机组运行负荷出现明显变化，则下达锅炉主控指令，根据中间点温度来反映煤水比在汽水过渡区出口部位的微过热汽温情况，按照实时测量数据来动态调节给水量和燃料率二者比例。2.5总风量控制总风量控制系统以一次风量、送风量作为控制对象，由传感器实时采集超临界发电机组运行数据，对负荷指令信号与总燃料量信号进行处理后形成总风量控制指令，进而改变一次风机和送风机运行工况，始终保持超临界发电机组在任何工况时的风量超过给煤量。其中，一次风量控制部分以机组负荷超过 80%额定值、锅炉主控与汽机主控保持自动运行状态、手动投入控制功能作为一次风机协调快速减负荷触发条件，启动控制程序后，以滑压控制作为压力控制形式，把未跳闸一次风机迅速开启至最大开度，关闭减温水阀门后延时调节汽温，同步减少给煤量与下降总风量，直至发电机组运行负荷恢复至安全范围后，将一次风机快速减负荷功能复位。而对于送风量控制部分，以保持炉膛平衡通风状态为目标，以机组负荷超过 80%额定值、处于协调控制状态或是快速减负荷功能手动投入作为触发条件，联锁跳闸同侧引风机，减温水调节门关闭一段时间后延迟自动调节汽温，按照预先设定负荷变化率和曲线来减少给煤量与总风量，最终在运行负荷到达目标负荷后，复位送风机快速减负荷功能。3超临界发电机组协调控制系统问题与改进措施3.1控制回路优化已投运的超临界发电机组协调控制系统运行期间，受交流采样、磨煤机启停、主蒸汽压力调节等因素影响，导致升降负荷率不合格，实际控制效果远未达到预期要求。其中，2024 年第 2 期23中国高新科技ENERGY&POWER|能源电力交流采样是由多套采集设备持续采集现场监测信号，再把信号发送给控制系统参与调节，由于各套采集设备的数据格式、型号种类有所不同，对调节精度与调节率造成明显影响。磨煤机启停期间对机组负荷调节效果造成干扰，以燃料量调节为例，设备启停期间会延迟燃料量变化情况。而从主蒸汽压力调节角度来看，多数控制系统采取外回路调节负荷、内回路调节主汽压的工作形式，执行升降负荷指令期间，使得主蒸汽压力形成偏差，系统下达反方向调节指令来消除压力偏差，但会改变升降负荷幅度与速率。对此，需要对系统控制回路进行优化改造，具体采取数据同源、优化协调指令逻辑、优化调节器入口偏差 3 项 措施。（1）数据同源。将原有多套采样系统进行合并处理，统一传感器规格型号和信息采集算法，以有功功率信号作为信号源，采集现场监测信号后转换为数字信号，再按照 4 20mA 电流形式发送给系统后台。（2）优化协调指令逻辑。考虑到超临界发电机组构造较为特殊，定压运行模式下主蒸汽压力调节范围有限，需在协调负荷指令内增添主蒸汽压力变化限值逻辑与设置压力高限，以预防主蒸汽压力恶化为目标。如果实际压力超过和低于限制，分别禁止负荷指令继续下降和禁止负荷指令继续上升，全新协调指令优化逻辑原理如图 2 所示。图2全新协调指令优化逻辑原理（3）优化调节器入口偏差。为降低主蒸汽压力波动幅度，在汽机主控入口处设置预测控制逻辑，根据现场测量数据来预估协调负荷指令执行期间主蒸汽压力变化值，如果预估变化值大于允许限值，则闭锁协调控制指令。3.2一次调频回路优化在绝大多数配备超临界发电机组的火电厂，普遍对一次调频操作有严格要求，但根据发电机组实际运行情况看，该环节存在明显不足，动作响应达不到要求。这一问题的根源在于，测速齿盘严重磨损导致汽轮机转速测量产生误差、部分装置不同源、高调门流量特性曲线非线性、动作不规范导致效果有偏差，反方向调节指令还会影响一次调频指标。对此，需对一次调频回路进行优化改造，具体采取前馈指令优化、主蒸汽压力拉回补偿两项措施。（1）前馈指令优化。采取分时段、变参数的全新控制方式，根据已掌握信息，分析设备运行状况和特定要求，在各项参数值间确定平衡点，如果转速超过死区，发出一次调频动作信号，反映阀位动作量，调频动作持续一段时间，通过各处负荷段变参数来自适应前馈控制，动态调整综合阀位增量。（2）主蒸汽压力拉回补偿。采取反向补偿方式，采取相应动作，动作展开后绘制负荷-压力变化曲线，把函数叠加至主蒸汽压力设定值，实施反向补偿，从而彻底消除动作后压力偏差，避免降低设备的负荷调节表现。4结语综上所述，为显著改善超临界发电机组运行工况，切实满足现代火电厂项目生产需求，需认真分析协调控制系统，深入了解各项协调控制方法，结合项目情况选择恰当的控制形式，制定科学合理的超临界发电机组协调控制方案，并围绕实际控制问题落实控制回路优化、一次调频回路优化等改进措施，提高发电机组运行效率，为国民经济发展提供稳定的电力能源。作者简介：邓继军（1974-），男，湖北荆门人，国家能源集团宝庆发电有限公司工程师，研究方向：火电厂自动控制技术等。参考文献1 武萍.超临界发电机组协调控制系统的研究 D.呼和浩特：内蒙古大学，2018.2 王军山.670MW 超临界机组协调控制系统浅析 J.中小企业管理与科技（下旬刊），2014（8）：193-194.3骆阳.880MW超临界机组协调控制系统改进设计D.秦皇岛：燕山大学，2020.4 钟治琨.超超临界机组协调控制方法研究及模型分析 J.中国设备工程，2020（14）：111-112.5 李艳青.超临界机组协调控制策略的优化探究 J.科技与企业，2013（20）：368-369.（责任编辑：葛佳）