隨著循環(huán)流化床(Circulating Fluidized Bed，CFB)技術(shù)的發(fā)展，大容量高參數(shù)循環(huán)流化床鍋爐成為節(jié)能降耗的主要技術(shù)之一。超臨界及循環(huán)流化床均為成熟技術(shù)，二者結(jié)合后的超臨界循環(huán)流化床鍋爐兼具了CFB燃燒技術(shù)和超臨界蒸汽循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，可以在得到較高的發(fā)電效率的同時(shí)，減少其污染物控制的投入成本。超臨界循環(huán)流化床鍋爐的控制對(duì)象主要具有如下控制特點(diǎn)：

1)熱慣性及遲滯性大、多變量強(qiáng)耦合，超臨界循環(huán)流化床參數(shù)關(guān)系示意圖如圖1所示，與常規(guī)亞臨界循環(huán)流化床鍋爐及普通直流煤粉鍋爐相比，具有更加復(fù)雜的控制特性;

2)沒(méi)有汽包作為緩沖單元，減小了蒸汽蓄熱能力，對(duì)其負(fù)荷響應(yīng)能力有較大影響，且在快速變負(fù)荷時(shí)容易引起主控參數(shù)的大幅波動(dòng);

3)循環(huán)流化床鍋爐的燃料適應(yīng)性廣，燃煤熱值經(jīng)常大幅 波動(dòng)，決定了鍋爐燃燒系統(tǒng)的時(shí)變性，對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性及機(jī)組變負(fù)荷能力提出了很大挑戰(zhàn)。

目前已投產(chǎn)的超臨界循環(huán)流化床機(jī)組較少，其協(xié)調(diào)控制策略尚無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，但是機(jī)組進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行意味著負(fù)荷變化必須穩(wěn)定的符合電網(wǎng)要求，且在負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程中應(yīng)保持主要參數(shù)的穩(wěn)定。因此，要加大超臨界循環(huán)流化床鍋爐推廣應(yīng)用的力度，就需要對(duì)其協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，解決控制策略設(shè)計(jì)及控制參數(shù)整定等問(wèn)題，提高機(jī)組的自動(dòng)控制水平。

本文介紹一種超臨界循環(huán)流化床機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計(jì)方法，主要從機(jī)組負(fù)荷指令生成、鍋爐主控前饋信號(hào)生成及鍋爐主控PID控制參數(shù)的自適應(yīng)性等諸多方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以克服鍋爐的煤質(zhì)波動(dòng)大、熱慣性及遲滯性大、多變量強(qiáng)耦合等問(wèn)題，并充分利用鍋爐蓄熱，提高機(jī)組的變負(fù)荷能力。該控制方法已成功應(yīng)用于華電朔州350MW超臨界循環(huán)流化床機(jī)組中。目前該機(jī)組已通過(guò)過(guò)山西電網(wǎng)的自動(dòng)發(fā)電控制(Automatic Generation Control，AGC)性能考核試驗(yàn)，并順利通過(guò)168h試運(yùn)行，正式投入商業(yè)運(yùn)行發(fā)電。AGC性能考核試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)組負(fù)荷動(dòng)態(tài)偏差小，調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快，主要參數(shù)調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)良。

1 機(jī)組簡(jiǎn)介

華電朔州一期2×350MW超臨界循環(huán)流化床機(jī)組是我國(guó)首批開(kāi)工建設(shè)的350MW級(jí)超臨界循環(huán)流化床直接空冷機(jī)組。鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐、循環(huán)流化床燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、全鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)，采用汽冷式旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離。煤方式為前后墻聯(lián)合給煤，前墻布置有6個(gè)給煤口，沿寬度方向均勻布置在前墻水冷壁下部;后墻布置有4個(gè)給煤口，給煤直接給到回料腿上。點(diǎn)火方式為床上床下油槍聯(lián)合啟動(dòng)點(diǎn)火，床上共布置6只(側(cè)墻2只，前墻4只)大功率的點(diǎn)火油槍，床下布置4只風(fēng)道點(diǎn)火燃燒器，在爐膛下方布置6臺(tái)滾筒冷渣器。汽輪機(jī)型號(hào)為CZK350/288-24.2/0.4/566/566型超臨界、一次中間再熱、直接空冷、單軸、雙缸雙排汽式汽輪機(jī)，啟動(dòng)方式為高中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)。發(fā)電機(jī)組為QFa-350-2型汽輪發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁方式為靜止可控硅勵(lì)磁，冷卻方式為：密閉循環(huán)式空氣冷卻(簡(jiǎn)稱空冷式)，即定子線圈為空外冷，轉(zhuǎn)子繞組為空內(nèi)冷，定子鐵芯及端部結(jié)構(gòu)件采用空氣表面冷卻，集電環(huán)采用空氣冷卻。熱工自動(dòng)化設(shè)備采用的是maxDNA分散控制系統(tǒng)。

2 協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計(jì)

華電朔州電廠350MW超臨界循環(huán)流化床機(jī)組實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)控制，并投入了AGC和一次調(diào)頻等控制功能。

該機(jī)組采用以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的間接能量平衡協(xié)調(diào)控制方式。機(jī)組負(fù)荷指令同時(shí)送至鍋爐側(cè)和汽輪機(jī)側(cè)控制系統(tǒng)，使輸入鍋爐能量與汽輪機(jī)的輸出能量相匹配，確保汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥在快速響應(yīng)負(fù)荷指令的同時(shí)快速地改變鍋爐負(fù)荷指令，將主蒸汽壓力維持在設(shè)定值范圍內(nèi)。根據(jù)機(jī)組運(yùn)行工況，主要設(shè)計(jì)有機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式(CCS)、鍋爐跟隨控制方式(BF)、汽機(jī)跟隨控制方式(TF)和機(jī)爐手動(dòng)控制方式(BASE)4種控制方式，機(jī)組正常運(yùn)行以CCS方式為主。

1)手動(dòng)方式。鍋爐主控、汽機(jī)主控均切手動(dòng)運(yùn)行，即由運(yùn)行人員手動(dòng)控制機(jī)組負(fù)荷及主汽壓力，包括調(diào)整燃料量和汽機(jī)調(diào)門開(kāi)度(如果DEH投入功率回路則設(shè)定DEH的功率定值)。

2)鍋爐跟隨。汽機(jī)主控切手動(dòng)運(yùn)行，控制負(fù)荷;鍋爐主控在自動(dòng)運(yùn)行，控制主汽壓力。此方式下機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度很快，但主汽壓力波動(dòng)較大。

3)汽機(jī)跟隨。鍋爐主控切手動(dòng)運(yùn)行，控制負(fù)荷;汽機(jī)主控在自動(dòng)運(yùn)行，控制主汽壓力。此方式下主汽壓力比較穩(wěn)定，但由于循環(huán)流化床鍋爐的熱慣性及遲滯性大，機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度較慢，很難達(dá)到AGC性能考核的要求。

4)協(xié)調(diào)方式。采用以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式，鍋爐主控在自動(dòng)運(yùn)行，調(diào)節(jié)主汽壓力;汽機(jī)主控在自動(dòng)運(yùn)行，調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷。在該方式下，能在快速響應(yīng)負(fù)荷指令的同時(shí)，保持主汽壓力的穩(wěn)定。

2.1 負(fù)荷指令生成回路

與常規(guī)機(jī)組相同，超臨界循環(huán)流化床機(jī)組在非CCS方式下，機(jī)組負(fù)荷指令跟蹤發(fā)電機(jī)實(shí)際功率。在CCS方式下，目標(biāo)負(fù)荷由負(fù)荷調(diào)度命令設(shè)定(AGC方式)或運(yùn)行人員在CRT手動(dòng)上設(shè)定(非AGC方式)，經(jīng)增/減閉鎖、速率限制及高/低限幅后形成機(jī)組負(fù)荷指令。

在變負(fù)荷時(shí)，將變負(fù)荷速率設(shè)為4.5MW/min(大于AGC考核要求的變動(dòng)速率，1%Pe，即3.5MW/min，其中Pe為額定負(fù)荷)，同時(shí)為了滿足AGC性能考核對(duì)調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間的要求，并充分利用鍋爐的蓄熱，在變負(fù)荷初始時(shí)8s內(nèi)，將變負(fù)荷速率設(shè)為30MW/Min。負(fù)荷指令生成回路示意圖見(jiàn)圖2。

2.2 壓力指令生成回路

對(duì)所有類型機(jī)組來(lái)說(shuō)，滑壓運(yùn)行的最大優(yōu)勢(shì)在于為機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行帶來(lái)了無(wú)比優(yōu)越的靈活性和安全性。然而，考慮到機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，則應(yīng)根據(jù)機(jī)組不同的負(fù)荷工況，合理的選擇定滑壓運(yùn)行方式。

為滿足節(jié)能與安全的要求，本機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)有定、滑壓兩種運(yùn)行方式，定、滑壓之間可實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換，運(yùn)行人員可以通過(guò)切換按鈕選擇定、滑壓運(yùn)行方式。

在滑壓方式下，壓力定值是負(fù)荷指令的函數(shù)，運(yùn)行人員可以通過(guò)設(shè)置滑壓偏置，對(duì)滑壓設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整;在定壓方式下，運(yùn)行人員可直接設(shè)置定壓設(shè)定值。壓力定值經(jīng)速率限制及三階慣性環(huán)節(jié)后形成實(shí)際壓力指令。壓力指令生成回路示意圖見(jiàn)圖3。

2.3 鍋爐主控

為確保超臨界循環(huán)流化床機(jī)組的能量平衡和物質(zhì)平衡，在調(diào)試過(guò)程中對(duì)鍋爐主控系統(tǒng)做了合理的優(yōu)化，形成了以并行前饋為主，變參數(shù)PID控制器反饋調(diào)節(jié)的糾偏及自平衡作用為輔的鍋爐主控控制方案。

2.3.1并行前饋控制策略

靜態(tài)前饋和動(dòng)態(tài)前饋組成了并行前饋控制回路的前饋信號(hào)，鍋爐主控的前饋主要包括：

1)負(fù)荷指令靜態(tài)前饋(FF1)。機(jī)組負(fù)荷指令通過(guò)函數(shù)模塊得出對(duì)應(yīng)燃料量作為鍋爐主控輸出的主要部分，這是維持機(jī)爐能量平衡的基準(zhǔn)燃料。循環(huán)流化床鍋爐的燃料適應(yīng)性比較強(qiáng)，燃煤熱值經(jīng)常大幅波動(dòng)，調(diào)試期間燃煤熱值為11723～20934kJ。為了適應(yīng)煤質(zhì)變化的要求，采用熱值校正回路增加其準(zhǔn)確性，即在該前饋上乘以一比例系數(shù)，該比例系數(shù)為當(dāng)前穩(wěn)態(tài)負(fù)荷下實(shí)際燃料量與實(shí)際負(fù)荷對(duì)應(yīng)的理論燃料量的比值;

2)負(fù)荷指令微分前饋(FF2)。在變負(fù)荷初期及其過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)鍋爐燃料量的超前調(diào)節(jié)，使鍋爐燃燒快速響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷需求;在變負(fù)荷結(jié)束后，鍋爐燃料量略有減少，從而避免機(jī)組主汽壓力超調(diào)，使鍋爐燃燒快速地穩(wěn)定下來(lái)。這樣可以提高主汽壓力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，加強(qiáng)燃燒，保證主汽壓力的平穩(wěn)和鍋爐蓄熱能力的恢復(fù);

3)主汽壓力設(shè)定值微分前饋(FF3)。作為壓力設(shè)定值對(duì)鍋爐燃燒的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償信號(hào)，加快主汽壓力設(shè)定值變化時(shí)的調(diào)整作用。該前饋在滑壓運(yùn)行時(shí)投入，以保證在滑壓階段能有更好的主汽壓力能更好的跟隨滑壓曲線的變化;

4)主汽壓力偏差微分前饋(FF4)。主汽壓力偏差反映了機(jī)爐能量平衡情況，當(dāng)主汽壓力偏差發(fā)生變化時(shí)，經(jīng)函數(shù)運(yùn)算回路計(jì)算出應(yīng)加入前饋的燃料量，對(duì)機(jī)爐能量不平衡工況提前進(jìn)行調(diào)節(jié)，快速抑制壓力偏差的變化趨勢(shì)，防止主汽壓力發(fā)生超調(diào);

5)目標(biāo)負(fù)荷與負(fù)荷指令偏差前饋(FF5)。作為負(fù)荷偏差的“加速”回路，在負(fù)荷變化時(shí)，預(yù)加入一定的燃料量，加強(qiáng)燃燒，以補(bǔ)償鍋爐所釋放的蓄熱，當(dāng)負(fù)荷指令達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷時(shí)，自動(dòng)取消該前饋?zhàn)饔?

6)DEB微分前饋(FF6)。在協(xié)調(diào)變負(fù)荷時(shí)，加入DEB(direct energy balance，直接能量平衡)微分前饋，該前饋是由調(diào)節(jié)級(jí)壓力 P1乘以主汽壓力設(shè)定值PTS)，經(jīng)微并除以實(shí)際主汽壓力表示汽機(jī)向鍋爐索求能量的需求信號(hào)分作用及高低限幅后得到的PT(P1×PTS/PT，，在動(dòng)態(tài)中加強(qiáng)燃燒指令，以加快鍋爐對(duì)汽機(jī)能量需求變化的響應(yīng)。

以上前饋的目的在于當(dāng)負(fù)荷指令與實(shí)際負(fù)荷之間產(chǎn)生的偏差造成汽機(jī)對(duì)鍋爐能量需求發(fā)生改變時(shí)，能提前改變?nèi)剂线M(jìn)入量，加強(qiáng)燃燒，有效克服超臨界CFB鍋爐的遲延性和大慣性，及時(shí)補(bǔ)充鍋爐釋放的蓄熱，提高機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速率，并保持主蒸汽參數(shù)的穩(wěn)定。

2.3.2變參數(shù)PID控制策略

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能，滿足變負(fù)荷時(shí)鍋爐響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程主要參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定、波動(dòng)小的要求，對(duì)鍋爐主控的比例增益與積分增益進(jìn)行優(yōu)化。

采用變參數(shù)PID控制策略，即根據(jù)不同負(fù)荷水平，由機(jī)組負(fù)荷指令通過(guò)函數(shù)模塊得出鍋爐主控PID控制器的比例增益和積分增益(積分時(shí)間的倒數(shù)，單位為min)，并由負(fù)荷變化率、主汽壓力偏差對(duì)比例增益和積分增益進(jìn)行一定修正。在變負(fù)荷過(guò)程中，比例積分作用基本上不參與調(diào)節(jié)，由前饋決定鍋爐主控輸出;在變負(fù)荷結(jié)束5min后，比例積分作用才參與調(diào)節(jié)，根據(jù)主汽壓力偏差，調(diào)節(jié)鍋爐主控輸出。鍋爐主控變參數(shù)生成回路示意圖見(jiàn)圖5。

鍋爐主控輸出為燃料量指令，鍋爐主控投自動(dòng)時(shí)，根據(jù)壓力偏差經(jīng)PID調(diào)節(jié)加前饋?zhàn)饔幂敵?鍋爐主控切手動(dòng)時(shí)，由運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定鍋爐主控輸出;當(dāng)燃料主控在手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，鍋爐主控輸出實(shí)際燃料量。

2.4 汽機(jī)主控

汽機(jī)主控指令的自動(dòng)輸入端有兩路信號(hào)進(jìn)行切換：

1)來(lái)自功率回路(CCS 方式);

2)壓力回路(TF方式)的控制指令。機(jī)組運(yùn)行在CCS方式時(shí)，汽機(jī)主控指令由功率指令與實(shí)際功率偏差經(jīng)PID控制器調(diào)節(jié)給出。進(jìn)入汽機(jī)主控的功率指令主要由以下三部分組成：

a.負(fù)荷指令及其微分作用分量。負(fù)荷指令加上負(fù)荷指令的微分經(jīng)兩階慣性環(huán)節(jié)輸出，慣性時(shí)間由負(fù)荷指令經(jīng)函數(shù)模塊輸出，并通過(guò)負(fù)荷變化率進(jìn)行修正。由于鍋爐側(cè)熱慣性大，而汽機(jī)調(diào)門動(dòng)作快速，導(dǎo)致變負(fù)荷時(shí)由于汽機(jī)調(diào)門的快速動(dòng)作，容易引起主汽壓力的較大波動(dòng)。為了適應(yīng)超臨界循環(huán)流化床機(jī)組爐慢機(jī)快的工作特性，在保證負(fù)荷響應(yīng)速度的前提下，加入此慣性環(huán)節(jié)，可以減小主汽壓力的波動(dòng);

b.一次調(diào)頻分量。當(dāng)頻率偏差超過(guò)調(diào)節(jié)死區(qū)后，汽機(jī)調(diào)門需要快速動(dòng)作以消除頻差，保證供電質(zhì)量，因此將該分量直接疊加到進(jìn)入汽機(jī)主控的功率指令上去;

c.主汽壓力拉回回路分量。主汽壓力偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)死區(qū)非線性環(huán)節(jié)反向加到汽機(jī)功率指令回路。如果偏差超出死區(qū)，輸出將起作用，限制汽機(jī)主控指令的變化，即限制利用鍋爐蓄熱，維持機(jī)前壓力的穩(wěn)定。主汽壓力偏差對(duì)汽機(jī)主控指令的限制作用，兼顧了壓力控制和功率控制，該作用雖然會(huì)在一定程度上限制機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速度，但可以緩解快速變負(fù)荷時(shí)主汽壓力的急劇變化。汽機(jī)主控功率指令生成回路示意圖見(jiàn)圖6。

為提高機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)能力，在汽機(jī)主控功率回路中引入機(jī)組負(fù)荷指令作為前饋信號(hào)。

機(jī)組運(yùn)行在TF方式時(shí)，汽機(jī)主控指令由實(shí)際主汽壓力和主汽壓力設(shè)定值的偏差經(jīng)PID控制器調(diào)節(jié)給出。

機(jī)組運(yùn)行在BF方式或BASE方式時(shí)，汽機(jī)主控指令不接受自動(dòng)控制信號(hào)，由運(yùn)行人員在汽機(jī)主控器上手動(dòng)設(shè)定，或者在DEH側(cè)控制機(jī)組負(fù)荷。

當(dāng)DEH系統(tǒng)處于非遠(yuǎn)控負(fù)荷控制方式時(shí)，汽機(jī)主控跟蹤DEH系統(tǒng)送來(lái)的汽機(jī)負(fù)荷參考信號(hào)。

3 實(shí)際應(yīng)用效果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)控制策略，華電朔州電廠機(jī)組順利投入CCS方式運(yùn)行，并于2015年11月28日10時(shí)45分至12時(shí)53分進(jìn)行了AGC性能考核試驗(yàn)，AGC負(fù)荷指令從200MW升到350MW，然后又從350MW降到175MW。

AGC性能考核試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，AGC性能考核試驗(yàn)曲線如圖 7 所示。

分析考核試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)曲線可知：

1)機(jī)組AGC的負(fù)荷調(diào)整范圍為175～350MW;2)AGC控制方式下出力升降速率最小為1.05%Pe(3.7MW)，大于1.0%Pe;

3)機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間最大為45s，小于1min;

4)機(jī)組負(fù)荷調(diào)整的靜態(tài)偏差最大為0.5%Pe(1.75MW)，小于1.0%Pe;

5)機(jī)組負(fù)荷調(diào)整的動(dòng)態(tài)偏差最大1.03%Pe(3.6MW)，小于2%Pe。

控制參數(shù)均滿足《華北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則(試行)》考核要求，且機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間、升降速率、動(dòng)/靜態(tài)偏差均超過(guò)了中調(diào)對(duì)AGC的考核指標(biāo)。

AGC性能考核期間，機(jī)組主蒸汽參數(shù)穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)偏差較小，未發(fā)生鍋爐超壓現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

1)為充分利用鍋爐蓄熱，設(shè)計(jì)了變負(fù)荷初期提高負(fù)荷變化速率的控制策略，以提高機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力;

2)考慮到燃煤熱值波動(dòng)較大，在鍋爐主控靜態(tài)前饋回路中引入熱值校正信號(hào)，從而提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，滿足電網(wǎng)AGC調(diào)度的需要;

3)直接將能量平衡法中的汽機(jī)能量需求信號(hào)引入鍋爐主控前饋回路，提高鍋爐對(duì)汽機(jī)需求能量的響應(yīng)速度;

4)采用變參數(shù)PID控制策略，滿足變負(fù)荷時(shí)鍋爐響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程主要參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定和波動(dòng)小的控制要求。

通過(guò)對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)把優(yōu)化控制方案應(yīng)用于350MW超臨界循環(huán)流化床機(jī)組中，不但使機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能正常投入運(yùn)行，而且在煤質(zhì)大幅波動(dòng)的情況下，也能取得較好的控制效果。在變負(fù)荷期間，機(jī)組負(fù)荷動(dòng)態(tài)偏差小，調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快，主要參數(shù)調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)良。該協(xié)調(diào)控制策略的成功應(yīng)用，可以為其他同類型機(jī)組的協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計(jì)提供有益的借鑒。

文獻(xiàn)信息

葛舉生. 350MW超臨界循環(huán)流化床機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 能源研究與利用,2016,(06):33-37.

原標(biāo)題:350MW超臨界循環(huán)流化床機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計(jì)與應(yīng)用