660MW超临界机组协调控制方法

李浩 周丹

浙江浙能兰溪发电有限责任公司  浙江金华兰溪 321100

摘要：针对660MW超临界机组的传统PID控制方法中，在工况或外界参数改变的情况下无法调整自身参数，导致实际控制结果中超调量较大，对此设计一种基于DEB的660MW超临界机组协调控制方法。分别建立660MW超临界锅炉与汽轮机数学模型描述锅炉内部和汽轮机的复杂工作状态，引入直接能量平衡协调控制方法，利用压力的比值描述汽轮机阀门的开度，利用能量和热量作为反馈信号实现锅炉响应能力的提高。仿真实验结果表明，设计的协调控制方法在电功率脉冲响应超调量控制中，峰值与传统方法相比大约减少了1/4，调节时间也有所缩短，验证了设计方法的有效性。

关键词：直接能量平衡；协调控制；660MW超临界；

中图分类号:TK229.6文献标识码:A

0引言

我国在电力生产所消耗的能源类型多种多样，例如风力、水力和光伏等，但是目前主要还是以化石能源为主，其受到外界环境干扰较小，更加稳定。660MW超临界锅炉-汽轮发电机组是供电过程中的主力机组，主要是由于660MW超临界机组的运行成本更低，对于电力企业来说，可以从中获得更高的企业效益，并以此来提高自身在市场中的竞争力^[1]。660MW超临界机组在实际的发电应用中也存在一些问题，主要是锅炉对于发电过程中汽轮机的惯性较大，因此对于产生的负荷响应迟钝，导致其中存在很大的滞后性，这使得660MW超临界锅炉与汽轮机之间产生很大的矛盾，在运行的过程中机组参数产生漂移。因此在应用660MW超临界机组的发电过程中，需要对其进行协调控制将锅炉与汽轮机解耦分开控制^[2]。传统使用的控制方法都是PID控制器，这种控制方法在工况或参数改变的情况下，无法对自身的参数进行调整，因此在实际的控制结果中超调量较大。因此本文设计一种660MW超临界机组协调控制方法。

1 660MW超临界机组协调控制方法研究

1.1 建立660MW超临界锅炉与汽轮机数学模型

锅炉发电的动力装置在一般情况下是由一系列的设备构成的，这些设备中都涉及一些能量转化过程中的复杂变化，因此在对其进行协调控制研究的过程中，需要借助数学模型进行研究。对于660MW超临界锅炉来说，数学模型更加复杂，且相应的关联较多，能够描述出锅炉内部的复杂的工作状态^[3]。在一般情况下，锅炉的内部会同时存在几种形状不同的理化反应过程，且它们之间存在着相互的交叉影响。一般的锅炉内部的参数非线性分布特点明显，因此在建立数学模型的过程中需要建立分区集总。在660MW超临界锅炉的建模过程中，需要考虑区中的关联机构，并将锅炉进行划分。本文以某公司生产的660MW直流锅炉为例进行分析，将锅炉整体划分为若干个压力节点，各个节点可以描述锅炉运行的内部过程，主要包括由不饱和的水转变成过热蒸汽的内部蒸发节点、蒸发节点至主蒸汽管路节点以及从汽轮机的高压缸出口向中低压缸进出口的再热器节点每个节点的压力都可以用公式进行表示：

（1）

上式中， 表示节点压力， 表示时间常数， 表示额定工况下的输入增益， 表示额定工况下的输出增益， 表示额定工况下的输入电能， 表示额定工况下的输出电能， 表示各个节点所进入的流体的焓值， 表示传入节点的总热量。

对于汽轮机来说，建立相关的数学模型可以减少设备的热损失，增加经济收益。对于超临界汽轮机来说，在工作过程中的额定转速为3000r/min，在工作过程中的额定主蒸汽的压力在24.2Mpa，相应的温度可以达到566摄氏度，功率范围在600-684.52MW之间[4]。对于汽轮机来说，其中自带的数字电液调节系统可以与液压系统进行适配。在汽轮机的数学模型中，主要对其蒸汽容积进行研究，在一般情况下，汽轮机的蒸汽容积运动方程需要结合蒸汽在不同位置上的具体情况进行修正。汽轮机的蒸汽需要在两个阀门之间进行运动[5]。假设做功的蒸汽从第一个阀门进入到一个固定容积的容器中，又经过第二个阀门流出，此时容器中的气体压力设置为 ，在进入到第一个阀门之前，蒸汽的压力设置为 ，在从第二个阀门流出之后，蒸汽的压力设置为 ，那么根据对蒸汽容积计算公式的方法和对气体连续流动性的方程特征，可以求解到流入容器和进行流出容器中的蒸汽质量与进行流出容器时的汽轮机内部特性之间的相互关系用下列方程式：

（2）

上式中， 表示流入容器的蒸汽量， 表示流出容器的蒸汽量，上式中， 表示容器内部的气体体积， 表示容器内部的气体密度。除了容器内部的喷嘴室和联通管之外，汽轮机的其他位置还留有一定的体积来存放蒸汽。根据以上的汽轮机实际情况可以推断，在管道性能良好且应用过程中各项参数都在允许范围内，汽轮机的做功可以视为无机械损耗，在以上公式的基础上，可以提高不同压力之间功率调整准确性，因此在改进汽轮机功率模型时，需要在理想的出力变化规律下完成研究。

1.2 基于DEB的直接能量平衡协调控制

在660MW超临界机组的协调控制中，本文利用DEB协调控制方案来代替传统的PID控制方案。这种直接能量平衡协调方法，实际上就是一个机组的解耦过程。当某660MW超临界机组在工作过程中由于外界条件发生变化而出现锅炉侧的扰动时，锅炉内的汽压和输出功率与原始的额定值都会出现一定偏差。在汽轮机所产生的一级压力与机前压力之间做除法，得到的比值能够描述汽轮机阀门的开度，用这种方法对开度进行描述可以得到更快的响应，针对传统控制方法中的阀门位置死区和非线性影响也有较好的抑制效果，对于主汽压力的调节来说，能够校正功率的回路，对于汽轮机侧来说可以开放控制，保证机组快速的负荷响应性。在DEB控制中，主要利用的是串级控制系统，系统由控制反馈的内回路和功率校正的外回路组成，汽轮机侧能够实现功率输出的单独控制。DEB控制的锅炉侧中，汽轮机在发送出去的能量平衡需求信号可以经过动态校正，转换为描述锅炉负荷的指令信号，对于燃料的进送量和进风量进行控制。在此过程中，将热量信号作为燃料控制的反馈信号，与锅炉的控制功率指令信号相平衡，对于能量输入来说能够减小偏差。在锅炉燃料的调节过程中，可以求出燃料的偏差信号，利用静态工况的调节器积分，将入口偏差消除掉。在整体的动态控制过程中，为了防止电功率脉冲响应的标幺值产生过大的超调，利用汽压微分信号来稳定整体过程。至此完成基于DEB的直接能量平衡660MW超临界机组协调控制方法的设计与研究。

2 实验

为了验证本文设计的660MW超临界机组协调控制方法具有一定的有效性，需要设计实验进行证明。在Matlab仿真环境下，将本文方法与传统PID控制方法共同进行对比，首先设置计算模型的初始参数并进行控制，在平台中调用仿真模块并完成数据的提取，此时辨识模型的参数，并计算控制系统中的参数，最后观察两方法的仿真结果。在本文实验中选择的锅炉-汽轮机组模型为某电厂的660MW超临界直流锅炉机组模型。在实验过程中设置仿真时间为2400s，在仿真的开始过程中，在输出电功率的端口人为加入一个正向的脉冲扰动，其幅值为0.5，宽度为15s，观察Ne的标幺值，待其稳定之后，加入参数相同的反向脉冲扰动，观察并记录Ne的标幺值，最后对两种协调控制方法的电功率脉冲响应结果进行对比。得到的两种协调控制方法在仿真实验中的结果如下表所示：

表1 660MW超临界机组功率脉冲响应结果对比

从上表的仿真结果可以看出，本文设计的协调控制方法中，关于电功率的脉冲响应超调量与传统方法相比，峰值大约减少了1/4，在受到扰动后的调节时间也有所缩短，能够尽快恢复0值，说明本文设计的协调控制方法稳定性更好，能够满足660MW超临界机组的控制要求。

3结束语

对于发电厂来说，在660MW超临界机组的发电过程中拥有一套良好的协调控制方法不仅能够使直流锅炉稳定安全运行，更能够减少能源的浪费，提高发电企业的效益，节省成本，更多的创造价值。但是传统的PID控制由于其自身特性在实际应用中的缺陷，无法保证锅炉-汽轮机在协调过程中的稳定性，因此本文设计一种基于DEB的660MW超临界机组协调控制方法，并利用仿真实验来证明本文方法的有效性。虽然文章在研究过程中取得了一定成果，但是由于时间限制还有很多工作没有完成，在今后工作中要深入研究本文方法对于机组焓值脉冲响应以及机组主汽压力脉冲响应的效果，使本文方法在实际的应用中具有一定的参考价值。

参考文献

[1] 卢承斌,陈华桂,王骏,等.660MW超超临界汽轮机中压缸排汽温度高的原因分析和探讨[J].汽轮机技术,2019,61(03):227-229+232.

[2] 王渡,黄嘉,万明元,等.660MW超超临界机组0号高压加热器改造对机组经济性的影响研究[J].锅炉技术,2020,51(05):66-72.

[3] 姚坤,吴哲,李学富,等.超临界660MW机组高调阀部件松动的故障表征及解决策略[J].汽轮机技术,2020,62(01):35-37+26.

[4] 王渡,万明元,赵思维,等.超超临界660MW机组0号高压加热器最佳抽汽压力仿真计算[J].热力发电,2019,48(08):87-93.

[5] 张学星,蔡文河,张新,等.超超临界机组汽轮机X39CrMo17-1不锈钢阀杆断裂失效分析[J].金属热处理,2019,44(03):231-237.