300MW循環(huán)流化床機(jī)組AGC控制功能優(yōu)化

300MW循環(huán)流化床機(jī)組AGC控制功能優(yōu)化施壯（安徽省電力科學(xué)研究院，安徽合肥230022）摘要：由于300MW循環(huán)流化床鍋爐燃燒慣性大、耦合強(qiáng)，在AGC控制方式下的機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)品質(zhì)常常難以滿足電網(wǎng)的控制要求。通過(guò)采用鍋爐主控前饋主動(dòng)調(diào)節(jié)、一次風(fēng)量錯(cuò)時(shí)超前調(diào)節(jié)、機(jī)爐動(dòng)態(tài)解耦等優(yōu)化措施，有效提高了廣東梅縣荷樹園電廠3號(hào)機(jī)組AGC協(xié)調(diào)控制能力，使機(jī)組負(fù)荷控制指標(biāo)完全滿足南方電網(wǎng)AGC功能的要求。關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床；協(xié)調(diào)控制；AGC；超前控制TheAGCControlFunctionOptimizationOf300MWCirculatingFluidizedBedUnitSHIZhuang(AnhuiElecrricPowerResearchInstitute,HefeiAbstract:Becausethe300MWcirculatingfluidizedbedboilerhasthecharacteristicsoflongtime-delay,multivariablecoupling,itmakesthecontrolqualityofunitloadundertheAGCmodecannotmeetthegoodpowercontrolrequirements.Aftertheoptimizationtechnologyisused,suchastheactiveregulationofvariousboilermaincontrolfeedforward,thestaggeredandleadregulationofprimaryairflow,andthedynamicdecouplingtechnologybetweenboilerandturbine,theAGCcoordinatedcontrolabilityofNO.3unitinGuangdongMeixianHeshuyuanPowerPlantareimproved,meanwhilemakesthecontrolfeaturesofunitloadmeettheAGCfunctionrequirementsofChinaSouthernPowerGrid.Keywords:CirculatingFluidizedBed,CoordinatedControlSystem,AGC,leadControl0引言廣東梅縣荷樹園電廠3號(hào)機(jī)組采用東方鍋爐（集團(tuán)）股份有限公司自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的首臺(tái)國(guó)產(chǎn)300MW等級(jí)的循環(huán)流化床鍋爐，該爐型采用了大寬深比的單體爐膛、單側(cè)不對(duì)稱布置的三個(gè)分離器設(shè)計(jì)。與普通鍋爐相比較，循環(huán)流化床鍋爐燃燒過(guò)程更加復(fù)雜，系統(tǒng)的滯后性大、耦合性強(qiáng)、非線性強(qiáng)，而且要求的控制目標(biāo)更加多樣，因此實(shí)現(xiàn)流化床機(jī)組AGC控制是控制領(lǐng)域公認(rèn)的疑難問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)300MW循環(huán)流化床鍋爐動(dòng)態(tài)特性的分析，利用鍋爐主控的動(dòng)態(tài)加速前饋、一次風(fēng)超前調(diào)節(jié)以克服流化床鍋爐的燃燒慣性，保證變負(fù)荷初期滑壓段主汽壓力快速跟隨和機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度，通過(guò)給煤量與一次風(fēng)量的錯(cuò)時(shí)調(diào)節(jié)，保證合理的一、二次風(fēng)量比，維持流化床鍋爐床溫長(zhǎng)期穩(wěn)定，確保了300MW流化床機(jī)組AGC控制下機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)品質(zhì)和機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，減少3號(hào)機(jī)組由于AGC指標(biāo)被考核帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，甚至可以爭(zhēng)取到一定的電網(wǎng)輔助服務(wù)補(bǔ)償。1300MW循環(huán)流化床鍋爐控制對(duì)象的特點(diǎn)（1）由于流化床鍋爐的燃料是通過(guò)給煤系統(tǒng)送入流化床上，需要經(jīng)過(guò)加熱、干燥、顆粒膨脹、熱解和揮發(fā)分燃燒，只有將床溫控制在適宜的范圍，才能實(shí)現(xiàn)上述一系列燃料熱解過(guò)程。床溫過(guò)低，燃料無(wú)法熱解，床溫過(guò)高，燃料可能先行燃燒。而流化床的面積較大，床溫測(cè)點(diǎn)一般為20～30個(gè)，分布在爐膛的不同部位，床溫是一個(gè)時(shí)變的分布參數(shù)，因此保證控制效果的均勻性是流化床床溫控制的難題。（2）流化床鍋爐的主要特征在于顆粒在離開爐膛出口后經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器和返料裝置不斷送回爐膛燃燒，煤粒完全燃盡需要約8～10min，比普通煤粉爐的煤粉燃燒過(guò)程長(zhǎng)很多，造成鍋爐燃燒過(guò)程滯后時(shí)間非常長(zhǎng)，再加上燃燒室內(nèi)的床料具有非常大的熱慣性和蓄熱能力，造成了給煤量變化后，床溫、主汽壓力需要很長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間。圖1為煤量擾動(dòng)下主汽壓力、床溫響應(yīng)曲線。從圖上可以看出：當(dāng)給煤量階躍增加時(shí)，主汽壓力需要經(jīng)過(guò)8分鐘左右純延時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間至少30分鐘，而床溫剛開始稍微下降，后來(lái)逐漸上升，但穩(wěn)定時(shí)間也至少需要20分鐘[1]。圖1給煤量擾動(dòng)下的主汽壓力、床溫響應(yīng)曲線圖（3）流化床鍋爐是一個(gè)多變量緊密耦合的被控對(duì)象[2]，其主要輸入-輸出變量之間的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系如表1所示，其中燃料量、一次風(fēng)量對(duì)主汽壓力、床溫間存在較強(qiáng)的耦合現(xiàn)象，但兩個(gè)耦合通道的動(dòng)態(tài)特性差異很大，且一次風(fēng)量對(duì)主汽壓力的影響有助于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，這種耦合對(duì)改善燃燒控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)是有利的。在床溫和主汽壓力的耦合問(wèn)題中，床溫是直觀反映整個(gè)燃燒供求關(guān)系的關(guān)鍵變量，而維持主汽壓力穩(wěn)定是鍋爐燃燒的主要目標(biāo)，這些必須在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的解耦設(shè)計(jì)中應(yīng)充分予以考慮，這將在下一節(jié)中具體介紹。表1CFB鍋爐各輸入-輸出變量間的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系輸出變量輸入變量主汽壓力床溫氧量床壓燃料量CSSM一次風(fēng)量SCS二次風(fēng)量SC注：C表示單輸入/輸出變量之間的關(guān)系；S表示強(qiáng)耦合；M表示次強(qiáng)耦合。2協(xié)調(diào)控制策略優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)2．1鍋爐主控指令的構(gòu)成為了克服循環(huán)流化床鍋爐固有燃燒慣性，設(shè)計(jì)了基于間接能量平衡方式的協(xié)調(diào)控制策略，其基本控制原則是以負(fù)荷對(duì)應(yīng)煤量，輔以主汽壓力修正。靜態(tài)過(guò)程中，主汽壓力偏差靠PID調(diào)節(jié)器；動(dòng)態(tài)過(guò)程中控制品質(zhì)主要依靠各種前饋控制，鍋爐主控組成示意圖如圖2所示，圖2鍋爐主控指令構(gòu)成示意圖（1）機(jī)組負(fù)荷指令對(duì)鍋爐燃料的靜態(tài)前饋當(dāng)機(jī)組變負(fù)荷時(shí)，首先通過(guò)靜態(tài)前饋是實(shí)現(xiàn)燃料的粗調(diào)，函數(shù)發(fā)生器1是對(duì)應(yīng)于機(jī)組負(fù)荷指令的燃料指令分段線性函數(shù)，這是維持機(jī)爐能量平衡的基準(zhǔn)燃料，并由熱值校正回路增加其準(zhǔn)確性。修正系數(shù)K一般設(shè)置在1.5～3之間，實(shí)現(xiàn)了變負(fù)荷初期、中期燃料調(diào)節(jié)的“加速”，以及變負(fù)荷結(jié)束前的及時(shí)“剎車”。（2）機(jī)組負(fù)荷指令對(duì)鍋爐燃料的動(dòng)態(tài)前饋這一部分是為了補(bǔ)償鍋爐給煤遲延和燃燒慣性的動(dòng)態(tài)預(yù)給煤分量，它主要靠超前環(huán)節(jié)1來(lái)實(shí)現(xiàn)。在變負(fù)荷初期及過(guò)程中，由機(jī)組指令動(dòng)態(tài)前饋實(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，使鍋爐燃料量略有回頭，避免了機(jī)組主汽壓力超調(diào)，使鍋爐燃燒快速地穩(wěn)定下來(lái)。（3）、壓力設(shè)定值對(duì)鍋爐燃料的動(dòng)態(tài)前饋目前國(guó)內(nèi)300循環(huán)流化床機(jī)組采用滑壓運(yùn)行方式，機(jī)組主汽壓力根據(jù)負(fù)荷按照預(yù)定的滑壓曲線控制，為了進(jìn)一步提高主汽壓調(diào)節(jié)品質(zhì)，設(shè)置了機(jī)前壓力設(shè)定值對(duì)鍋爐燃料的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償信號(hào)，通過(guò)超前環(huán)節(jié)2來(lái)實(shí)現(xiàn)，以保證機(jī)組在滑壓段能有更好的主汽壓力跟隨品質(zhì)。（4）、負(fù)荷偏差的“加速”回路由負(fù)荷指令設(shè)定值與實(shí)際負(fù)荷的差值信號(hào)經(jīng)函數(shù)發(fā)生器5而形成，這是一非線性比例調(diào)節(jié)器，在負(fù)荷指令設(shè)定值與實(shí)際負(fù)荷的差值信號(hào)較大時(shí)，說(shuō)明鍋爐跟不上汽機(jī)的變化，因此輸出一指令信號(hào)給鍋爐主控器，令其再額外地增加或減少一部分煤量，起“加速器”的作用。（5）、變參數(shù)控制技術(shù)300MW循環(huán)流化床機(jī)組是一種特性復(fù)雜多變的被控對(duì)象，隨著機(jī)組負(fù)荷的變化，機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)亦隨之大幅度變化，具有很強(qiáng)的非線性，因此鍋爐主控采用變參數(shù)PID控制策略，以保證在各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)上控制系統(tǒng)具有良好的效果。鍋爐主控指令的時(shí)域表指令模型可表達(dá)如式1所示。（1）式中：為機(jī)組負(fù)荷指令；為負(fù)荷指令與實(shí)際負(fù)荷的偏差；為負(fù)荷指令前饋的微分時(shí)間常數(shù)；為負(fù)荷與燃料量比值的分段線性函數(shù)；為壓力設(shè)定值前饋指令的微分時(shí)間常數(shù)；為機(jī)組滑壓函數(shù)；為負(fù)荷偏差的“加速”煤量函數(shù)。2．2一、二次風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖3為一次風(fēng)量、二次風(fēng)量指令的結(jié)構(gòu)示意圖，鍋爐主控指令或總?cè)剂狭糠謩e通過(guò)煤量-總風(fēng)量函數(shù)1、函數(shù)2后形成各自的總風(fēng)量指令，與30%最小風(fēng)量三者取大形成最終的總風(fēng)量指令，函數(shù)3、函數(shù)4決定了一、二次風(fēng)量配比關(guān)系。由于一次風(fēng)量比燃煤量對(duì)床溫的影響要快，增加三階慣性動(dòng)態(tài)校正環(huán)節(jié)作用是使時(shí)序上實(shí)現(xiàn)煤量與一次風(fēng)量的合理調(diào)度，確保風(fēng)煤動(dòng)態(tài)匹配，有利于鍋爐床溫的長(zhǎng)期穩(wěn)定。為了克服循環(huán)流化床鍋爐的燃燒慣性，加快機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度，在一次風(fēng)量指令回路中增加了鍋爐主控對(duì)一次風(fēng)量的動(dòng)態(tài)前饋，例如當(dāng)機(jī)組負(fù)荷指令增加時(shí)，一次風(fēng)量超前變化，原來(lái)位于床層中被灰包圍的碳顆粒被一次風(fēng)吹出，這些碳顆粒在過(guò)渡區(qū)和稀相區(qū)迅速燃燒釋放出熱量，傳熱系數(shù)迅速增加，尾部煙道對(duì)流受熱面吸熱量增加，再加上一次風(fēng)的增加使得密相區(qū)內(nèi)的氧氣濃度瞬間升高，燃燒速率快速增加，這些都會(huì)使鍋爐蓄熱快速釋放，避免升負(fù)荷初期的主汽壓力下降過(guò)多。在變負(fù)荷中后期隨著進(jìn)入爐內(nèi)燃料量能量的釋放，維持著機(jī)爐間最終的能量平衡，確保了整個(gè)變負(fù)荷過(guò)程中主汽壓力和機(jī)組負(fù)荷的跟隨品質(zhì)。圖3一、二次風(fēng)量指令構(gòu)成示意圖2．3機(jī)爐間動(dòng)態(tài)解耦環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)300MW循環(huán)流化床機(jī)組的負(fù)荷和壓力響應(yīng)之間存在緊密的耦合性，燃料量的變化對(duì)壓力和負(fù)荷的作用是一個(gè)多階慣性環(huán)節(jié)，調(diào)門變化對(duì)負(fù)荷的特性是一個(gè)暫態(tài)過(guò)程，對(duì)壓力的特性是一個(gè)慣性過(guò)程，而負(fù)荷和壓力的變化是燃料量和調(diào)門共同作用的結(jié)果，以上的機(jī)爐特性表現(xiàn)為機(jī)組變負(fù)荷初期，通過(guò)汽機(jī)調(diào)門的快速動(dòng)作能夠暫態(tài)響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷，但由于給煤系統(tǒng)的純延時(shí)和鍋爐燃燒慣性，主汽壓力快速反向變化，形成較大的壓力偏差，增加系統(tǒng)擾動(dòng)甚至引起調(diào)節(jié)系統(tǒng)振蕩。為了適應(yīng)循環(huán)流化床機(jī)組爐慢機(jī)快的工作特性，實(shí)現(xiàn)機(jī)爐間的主汽壓力與機(jī)組負(fù)荷的動(dòng)態(tài)解耦，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)做如下兩方面處理：一是機(jī)組負(fù)荷指令經(jīng)過(guò)三個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)后才進(jìn)入汽機(jī)主控調(diào)節(jié)器，等進(jìn)入爐內(nèi)的燃料開始反應(yīng)汽機(jī)調(diào)門才開始動(dòng)作，避免變負(fù)荷初始階段，汽機(jī)調(diào)門的快速響應(yīng)造成的壓力偏差。二是當(dāng)機(jī)組投入滑壓運(yùn)行方式時(shí)，滑壓控制段則根據(jù)三階慣性環(huán)節(jié)的主汽壓力響應(yīng)特性和不同工況預(yù)設(shè)的變壓過(guò)程時(shí)間，擬合壓力設(shè)定值的滑升曲線，同時(shí)將壓力提升的動(dòng)態(tài)熱量需求疊加在鍋爐前饋指令上，實(shí)現(xiàn)壓力提升動(dòng)態(tài)分量和過(guò)程偏差消除回路的解耦控制，并在時(shí)序上實(shí)現(xiàn)負(fù)荷與汽壓響應(yīng)的合理調(diào)度，通過(guò)將機(jī)、爐主控的偏差調(diào)節(jié)從動(dòng)態(tài)響應(yīng)中解耦出來(lái)，可保持PID調(diào)節(jié)特性在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)工況下的恒定。3實(shí)際應(yīng)用效果將以上控制策略應(yīng)用于廣東寶麗華荷樹園電廠3號(hào)機(jī)組，在機(jī)組大修停機(jī)時(shí)完成控制系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)和靜態(tài)仿真試驗(yàn)，實(shí)際的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制熱態(tài)調(diào)試僅用了5天時(shí)間（2010年6月24至6月29日）便取得了良好的控制效果，圖4、圖5分別是AGC變負(fù)荷過(guò)程中機(jī)組主要參數(shù)變化曲線，設(shè)定變負(fù)荷速率為4MW/MIN，機(jī)組負(fù)荷實(shí)際變化速率達(dá)到3.44MW/MIN，負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間小于35S，負(fù)荷動(dòng)態(tài)偏差控制在3MW以內(nèi)，主汽壓力動(dòng)態(tài)偏差控制在0.6MPa以內(nèi)，穩(wěn)態(tài)負(fù)荷偏差控制在1.5MW以內(nèi)，穩(wěn)態(tài)壓力偏差控制在0.35MPa以內(nèi)。圖4AGC連續(xù)升負(fù)荷工況下，機(jī)組主重要參數(shù)變化趨勢(shì)圖5AGC連續(xù)降負(fù)荷工況下，機(jī)組主重要參數(shù)變化趨勢(shì)4結(jié)語(yǔ)基于間接能量平衡和一次風(fēng)量超前調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)控制策略是一種主動(dòng)調(diào)節(jié)方式，為汽輪機(jī)提供超前的熱量支持，再加上機(jī)爐間動(dòng)態(tài)解耦技術(shù)進(jìn)一步確保了機(jī)爐協(xié)調(diào)動(dòng)作，將該協(xié)調(diào)控制策略成功應(yīng)用于廣東寶麗華荷樹園電廠3號(hào)機(jī)組，目前機(jī)組正常投入AGC運(yùn)行方式，機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)速率、響應(yīng)時(shí)間和精度均滿足《中國(guó)南方電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)運(yùn)行管理規(guī)定》要求。參考文獻(xiàn)：[1]郝勇生，沈?yàn)?，侯子良，?300MW循環(huán)流化床鍋爐負(fù)荷、床溫和床壓的動(dòng)態(tài)特性分析.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)[J].2009,38(7):83-97.HaoYong-sheng,ShenJiong,HouZi-liang,etal.Dynamiccharacteristicsanalysisonload,bedtemperatureandbedpressureof300MWcirculatingfluidizedbedboilers.JournalofChineseSocietyofPowerEngineering[J].2009,38(7):83-97.[2]趙偉杰，王勤輝，張文震，等.循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用.[M].北京：中國(guó)電力出版社.2008.ZhaoWei-jie,WangQin-hui,ZhangWen-zhen,etal.Thecontrolsystemdesignandapplicationofcirculatingfluidizedbedboilers.[M].Beijing：ChinaE