直接能量平衡控制策略在超临界机组中的应用_刘超.pdf

直接能量平衡控制策略在超临界机组中的应用刘 超1,吴立桥2,柳春晖1,李 明1,司瑞才3(1.国能双辽发电有限公司,吉林 四平 1 3 6 4 0 0;2.国网景县供电公司,河北 衡水 0 5 3 5 0 0;3.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院,长春 1 3 0 0 2 1)摘 要:为更好地满足电网对负荷响应速度的要求,弥补间接能量平衡协调控制的弊端,对直接能量平衡控制策略进行分析,结合超临界机组特点,对直接能量平衡策略进行重构。以某超临界机组协调控制系统为例,将重构后的直接能量平衡信号,小幅度应用于协调控制系统锅炉主控前馈中。重构后的直接能量平衡信号的应用,提高了控制系统在稳态、动态时的调节品质,有效解决了主蒸汽压力波动大、负荷指令闭锁增减、协调控制频繁退出、自动发电控制(a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l,AG C)指标不合格的问题。关键词:协调控制系统;直接能量平衡;锅炉主控;前馈中图分类号:T K 3 2 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 9-5 3 0 6(2 0 2 3)0 1-0 0 0 7-0 3S t u d yo nC o o r i d i n a t i o nC o n t r o l o fS o l a rP h o t o t h e r m a lP o w e rG e n e r a t i o nC o n s i d e r i n gM i x e dE n e r g yS t o r a g eL I UC h a o1,WUL i q i a o2,L I UC h u n h u i1,L IM i n g1,S IR u i c a i3(1.N a t i o n a lE n e r g yG r o u pS h u a n g l i a oP o w e rG e n e r a t i o nC o m p a n yL i m i t d,S i p i n g1 3 6 4 0 0,C h i n a;2.S t a t eG r i dJ i n gC o u n t yE l e c t r i cP o w e rS u p p l yC o m p a n y,H e n g s h u i 0 5 3 5 0 0,C h i n a;3.S t a t eG r i dJ i l i nE l e c t r i cP o w e rC o m p a n yL i m i t e dE l e c t r i cP o w e rR e s e a r c hI n s t i t u t e,C h a n g c h u n1 3 0 0 2 1,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h es t a b i l i t yo fm a i ns t e a mc o n t r o la n dt h er a p i dc h a n g eo f l o a d,t h ed i r e c te n e r g yb a l a n c ec o n t r o l s t r a t e g y i sa n a l y z e d,a n dc o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f s u p e r c r i t i c a lu n i t s,t h ed i r e c te n e r g yb a l a n c es t r a t e g y i s r e c o n s t r u c t e d.T a k i n gt h ec o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e mo fas u p e r c r i t i c a lu n i ta sa ne x a m p l e,t h er e c o n s t r u c t e dd i r e c te n e r g yb a l a n c es i g n a l i sa p p l i e dt ot h eb o i l e rm a i nc o n t r o lf e e d f o r w a r do ft h ec o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e mi nas m a l ls c a l e.T h ea p p l i c a t i o no f t h er e c o n s t r u c t e dd i r e c te n e r g yb a l a n c es i g n a l i m p r o v e st h er e g u l a t i o nq u a l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e mi ns t e a d ya n dd y n a m i cs t a t e,a n de f f e c t i v e l ys o l v e st h ep r o b l e m so fl a r g ef l u c t u a t i o no fm a i ns t e a m p r e s s u r e,i n c r e a s ea n dd e c r e a s eo fl o a dc o mm a n d l o c k i n g,f r e q u e n t e x i to f c o o r d i n a t e dc o n t r o l,a n du n q u a l i f i e da u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l(A G C)i n d i c a t o r s.K e yw o r d s:c o o r d i n a t e dc o n t r o l s y s t e m;d i r e c t e n e r g yb a l a n c e;b o i l e rm a i nc o n t r o l;f e e d f o r w a r d收稿日期:2 0 2 2-0 8-3 0作者简介:刘 超(1 9 8 6),男,工程师,主要从事火电厂热工检修工作。0 引言随着新型电力系统建设进程推进,新能源装机占比逐渐上升,面对高比例新能源发电的强不确定性,电网对火电机组自动发电控制(a u t o m a t i cg e n-e r a t i o nc o n t r o l,AG C)、一次调频等调节性能要求越来越高,从而对火电机组的协调控制系统提出更高的要求。传统超临界火电机组采用间接能量平衡(i n d i r e c t e n e r g yb a l a n c e,I E B)协调控制系统,由于机炉调节特性有很大的差别,I E B协调控制系统一般通过对锅炉燃烧控制增加前馈的方法来加快锅炉燃烧系统的调节。然而机组在提高负荷响应速度满足电网要求时,需要锅炉主蒸汽压力的稳定配合。I E B协调控制系统所采用的前馈,主要包括功率对应前馈和机前压力对应前馈。由于锅炉是一个大惯性环节,在压力的控制上,需要更多的手段来配合汽轮机侧及时的能量需求,直接能量平衡是一个非常合适的辅助手段,它将负荷与主蒸汽压力解耦的同时,作用于锅炉,超前地提供汽轮机侧所需的能量,可以有效解决主蒸汽控制稳定性和负荷快速变动的矛盾。1 直接能量平衡控制策略协调控制系统控制策略的关键是解决负荷响应的及时性和主蒸 汽压力的稳 定 性 这 一 对 基 本 矛7第5 1卷 第1期(总第2 8 4期)2 0 2 3年2月 J i l i nE l e c t r i cP o w e r吉 林 电 力 V o l.5 1 N o.1(S e r.N o.2 8 4)F e b.2 0 2 3DOI:10.16109/ki.jldl.2023.01.005盾1,基于以上需求,L e e d&N o r t h r u p公司首次提出直接能量平衡(d i r e c te n e r g yb a l a n c e,D E B)的协调控制方法。系统以能量平衡信号为前馈,以热量信号为反馈,能够及时反映汽轮机侧能量需求的变换和锅炉释放热量的变化,根据二者的偏差e调节燃料量2。D E B控制策略公式如下:e=PsP1PTP1+CdPddt(1)式中:P1为汽轮机调节级压力;Ps为主蒸汽压力;PT为主蒸汽压力设定值;Pd为汽包压力;C为蓄热系数;PsP1/PT为汽轮机的能量需求信号EB D;P1+CdPd/dt为锅炉吸热量QHR。直接能量平衡的核心是蒸汽流量的平衡,汽轮机侧能量需求EB D中,P1为调节级压力,由于调节级压力在机组4 0%1 0 0%额定负荷范围内与主蒸汽流量及汽轮机负荷基本保持良好的线性关系3,所以P1可代表进入汽轮机的蒸汽流量,同时引入Ps/PT,解决P1单变量正向的叠加作用,最终形成目标蒸汽流量信号,动态及稳态都能正确地反映汽轮机对锅炉的能量需求;并且该能量需求不受锅炉内扰(煤质变化、风量变化等)的影响。锅炉热量变化QHR中Pd的变化可代表锅炉储热的变化,可用微分信号代替,动态及稳态都能代表锅炉侧供给的热量。D E B控制方式把内在联系非常紧密的汽轮机能量需求和锅炉热量在概念上进行了清晰的区分,在实施上又非常巧妙地找到了测量两个量的具体方法,两者之间没有相互干扰影响,实现了负荷和主蒸汽压力之间解耦4,面对燃料变化、供热抽汽等突出问题时,能使整个系统快速地达到平衡。2 D E B在超临界机组协调中的应用2.1 某电厂协调控制系统锅炉主控优化前结构及存在问题某电厂1号机组锅炉采用哈尔滨锅炉厂有限责任公司生产的超临界、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、半露天布置、全钢构架的型直流炉。汽轮机为哈尔滨汽轮机厂超临界、单轴、三缸两排汽、一次中间再热、湿冷抽汽凝汽式汽轮机。机组自动控制方式采用锅炉跟随为基础的协调控制系统(c o o r d i n a t i o nc o n t r o l s y s t e m,C C S),汽轮机主控制器(以下简称汽机主控)控制机组负荷,锅炉主控制器(以下简称锅炉主控)控制主蒸汽压力的稳定。锅炉主控控制变量为主蒸汽压力,主蒸汽压力设定值由负荷指令对应的滑压曲线生成,控制策略采用前馈型P I D控制,积分系数在负荷稳态、动态时分别取不同的定值。锅炉主控逻辑见图1。图1 优化前锅炉主控逻辑随着电网对AG C、一次调频性能要求逐渐提高,快速变负荷需求加大,电厂对经济节能运行的重视度提高,掺煤烧、煤质差问题突出,全球8 5%电厂的煤质均发生了较大的变化,新建电厂的设计和校核煤量偏差基本都大于1 5%。上述控制策略未能根据实际运行工况来进行调整匹配的,因而火力发电机组正常运行后,经常会出现机前压力响应效果时好时差的实际问题,经常会造成主蒸汽压力控制偏差大,进而压力闭锁,退出AG C,尤其是机组负荷变动较大时,往往出现锅炉主控控制效果差的现象。2.2 D E B控制策略的重构与应用某电厂针对上述现象,利用目前的D E B控制策略,对该策略进行了重构,使其适用与直流锅炉的模型,并应用于锅炉主控前馈,小幅度地参与锅炉主控的调节。新增锅炉主控逻辑见图2。图2 新增锅炉主控前馈逻辑8第5 1卷第1期(总第2 8 4期)吉 林 电 力 2 0 2 3年2月在汽轮机能量需求侧,仍须考虑功率需求动态变化时,锅炉供给侧相应的能量变化;在蒸汽流量变动时,锅炉的蓄热能力同样会变动。所以再增加所需蒸汽流量的微分信号,代表由于主蒸汽流量的变化在单位时间内锅炉所需补充的蓄热,变负荷时实动态补偿公式见式(2)。EB D=PsP1PT+KPsP1PTdPsP1PTdt(2)式中:K为调节系数。热量变化QHR针对于直流炉来说,分离器出口压力变化可代表锅炉储热的变化,所以,将锅炉侧热量变化QHR中汽包压力变型为分离器出口压力。QHR计算公式如下:QHR=P1+CdPddt(3)在直流炉中仍可使用该控制方法,但由于直流炉的蓄热能力较小,在直流炉控制中,直接能量平衡控制可作为辅助前馈,合理控制系数C的大小,克服锅炉内扰,小幅度地影响锅炉主控,发挥D E B快速维持动静态能量平衡的优点。所以可将EB D和QHR的差值e作为锅炉主控的小幅度辅助前馈,计算公式如下:e=PsP1PT+KPsP1PTdPsP1PTdt-P1+CdPddt(4)3 D E B控制信号辅助前馈应用效果某电厂机组协调控制在优化之前,升降负荷时,频繁出现主蒸汽压力偏差大,闭锁增减负荷,造成机组C C S模式退出,AG C指标严重不合格。本质原因是机组负荷变动时,负荷与主蒸汽压力配合失调。根据辅助前馈型D E B控制策略对C C S进行优化后,应用于直流锅炉的控制中,在变负荷的过程中,主蒸汽压力的最大动态偏差为0.6 3 MP a,主蒸汽压力与负荷控制达到平衡。在经典的D E B控制上,增加“机组功率”的工程微分环节(一阶惯性环节与纯微分环节),微分系数与惯性系数均取3 0,同时,将系数C设定为0.1 5,变负荷时,机组负荷指令增加初期,能量需求信号大于锅炉侧提供能量信号5,新增的锅炉主控前馈信号直接作用于锅炉主控指令,提前协调增加燃料量、风量及给水量,对锅炉主控有一个适度的超调,当负荷逐渐增加至AG C指令时,能量需求信号小于锅炉侧提供的能量信号,进而减少锅炉主控新增前馈,及时稳定负荷。在平衡负荷与主蒸汽压力之间取得较好的平衡。优化后效果见图3。图3 优化后协调变负荷曲线统计优化改造前一个月内主蒸汽压力闭锁增减的情况,共9 6次,均造成负荷闭锁增减;将上述优化控制策略应用于锅炉主控前馈后,同等情况下,主蒸汽压闭锁0次,未造成负荷闭锁,AG C指标明显优于改造之前。4 结论通过对直接能量平衡控制策略的重构,将其应用于某电厂超临界机组C C S锅炉主控前馈中,实现了该策略从汽包炉到直流炉的普遍应用,对其系数进行整定后,小幅度地作用于锅炉主控,该重构保留了D E B控制的核心内容,利用其优势,并新增功率变化时对蓄热的动态微分信号,通过系数,调整此改造对锅炉主控的影响程度,达到平衡。现场应用表明,该应用解决了因主蒸汽压力偏差大导致负荷频繁闭锁增减造成AG C指标不合格的问题,提升了AG C性能指标,对同类型项目有很好的借鉴作用。参考文献:1 袁生明,贺喜明,许伟强.直接能量平衡控制策略的分析及改进应用J.湖北电力,2 0 1 8,4 2(6):2 2-2 6.2 郭涛,马呈霞,张世才,等.3 0 0 MW火电机组直接能量平衡的应用实例J.电站系统工程,2 0 1 3,2 9(6):1 5-1 7.3 胡铁群.直接能量平衡协调控制系统在6 0 0 MW机组的应用J.电力科学与工程,2 0 1 3,2 9(4):7 4-7 8.4 赵大伟,王雁军,周建玉.改进型直接能量平衡控制策略在机组变工况下的应用J.华北电力技术,2 0 1 5(1 2):4 8-5 2.5 王杰,张长茂,周怀斌,等.3 0 0MW机组协调控制系统与A G C功能优化J.冶金动力,2 0 1 5,1 9 0(1 2):6 1-6 3.(编辑 李茹艳)9刘 超,等:直接能量平衡控制策略在超临界机组中的应用