改善火电机组AGC调节品质的技术手段及试验研究.pdf

第 4 6卷第 6 期 2 0 1 5年 1 1月 锅 炉 技术 B0I LER TECHN0L0GY Vo 1 ． 4 6，NO ． 6 NO V ．，2 0 1 5 改善火 电机组 AG C调 节 品质 的技术手段及试验研究 李 志明 ，王文兰 ，满文成 ，康 潇 内蒙古工业大学电力学 院，内蒙古 呼和浩特 0 1 0 0 8 0 摘要 针对火 电机组负荷 响应 速度慢 、 长期承 担负荷 变化调 节 的因素 ， 提 出改善机 组 AG C调节 品质的技 术手段 。分别提高 汽轮机调门响应负荷指令速度 、 增 强煤量 和一 次风量 的前馈作用 、 采 用定压 一滑压 联合调 节方式和正确使用 风煤交叉限制的 4种新型调 节手段 。通过 A GC跟 随试 验及 曲线分析 ， 证 明此改善 方法是 可行 的。 关键词 A GC；火电机组 ；改善 ；负荷 响应 速度 ；试验 中图分类号 TK2 2 7 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 4 7 6 3 2 0 1 5 0 6 0 0 1 3 0 4 0 前 言 随着 电网规模 的不断扩 大和 自动化水 平 的 不断提 高 ， 具备 自动发 电控 制 AGC Au t o ma t i c Ge n e r a t i o n C o n t r o 1 功 能 的机 组 在 电网 中的 比重 越来越大 ， 自动 发 电控 制技 术 已成 为 现代 电 网 运行 中不可 缺少 的手段 ， 在 维持 电力 系统频 率 合 格 稳定 、 控 制 网 际 电 量 交 换 按 计 划 运 行 以 及 电网经济调度运行等方面发挥 了重要的作用 。 电网调度要求 火 电机组 的 出力能快 速 随负 荷指令的变化 ， 即负荷响应 的延 迟小 、 负荷变化 速度快 、 负荷 变化 范 围大。但 火 电机 组具 有 高 温 、 高压 、 控制参数多等特性 ， 负荷的变化将 同时 影响锅炉 、 汽轮机 、 发 电机 的运行状况 和运行参 数 。 目前 ， 多点 机 组 AG C 调 节有 以 下 3个 主要 问题 1 火电机组 由于其固有的特点 ， 负荷 响应 速 度远 远 跟不 上 电负 荷 的变化 ， 无 法 满 足 电 网对 快速负荷调度的要求 ； 2 火电机组对负荷调度指令 的反应时间及 调节速度 无 法与水 电和燃气 轮机 机组 相 比， 因 此 ， 在电网中对短期负荷变化起调节作用的仍 然 是水电和燃气轮机机组 ， 而火 电机组则承担长期 负 荷变 化 的调 节 ； 3 电 网调度 与发 电厂 在 AGC调节 指 标 的 要 求上 存在 着较 大 的差 距 。 针对以上存在的实 际问题 ， 本文提出了改善 火 电机组 AG C调 节 品质 的 技术 手 段 ， 同时 进 行 了实验研究 ， 对机组 的可控性和协调控制 系统进 行改 进 和 完 善 ， 提 高 了火 电 机 组 的 自动 化 控 制 水平 。 1 改善火 电机组 AG C调节品质的技术手段 单元制机组的负荷控制一般 由协调控制 系 统来完成 ， 协调控制系统通过改变锅炉燃烧率和 汽轮机调 门开度来 调节 机组 负荷和 主汽 压力。 协调控制系统在保证机组安全的前提下 ， 尽快 响 应调度的负荷变化要求 ， 并保持 主汽压力在允许 的 范 围内 。主汽压 力 反 映 了发 电 机 、 锅 炉之 间 的 能量平衡 ， 它是单元制机组安全 、 稳定 的一个重 要标 志 。 由于单元 制 机 组 锅 炉 发 热 量 的 改 变 有 较 大 的延 迟 和惯 性 ， 根 据 对 汽 轮 机 、 锅 炉 负 荷 响 应 特 性试验结果的综合分析 ， 认为提高机组负荷 响应 速率 的关键在于锅炉负荷响应速率的提高 ， 而缩 短 负荷 响应 滞 后 时 间 的关 键 在 于 通 过 调 门 的动 态过开 ， 合理利用过路的蓄热。在主汽压力 的允 许范围内， 通过汽轮机调 门的适 当动作 ， 可利用 机组 的蓄热 能 力 缩 短 机组 在 负 荷 调 整 初 期 的 响 应时间。同时， 适 当超 调送入过路 的燃烧 量 ， 及 时恢复机组 的蓄热 ， 稳定主汽压力 ， 使锅炉蒸发 量与机组负荷保持一致 。 收 稿 日期 2 0 1 40 90 6 基金项 目 内蒙古 自治 区自然科学基金 2 0 1 1 MS 0 7 2 1 } 内蒙古工业大学重点科 学研究项 目 Z D 2 0 1 3 2 0 作者简介 李志明 1 9 9 0一 ， 男 ， 硕士生 ， 主要从事 电厂新技术 的研究应用 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 锅炉技术 第 4 6 卷 1 ． 1汽轮机 调 门迅 速 响应 负荷 指 令 ， 充 分 利 用锅 炉 的 蓄热 能力 这种方法要求协调控制 系统在接到 AG C负 荷指 令调 节后 ， 汽 轮机 调 门 不加 任 何 延 迟 地 迅速 打开 ， 并放 宽 限制 汽轮 机 调 门动 作 的压 力 波 动允 许值 。通过实验对 比， 这种方法能有效地将负荷 响应 纯延迟 时 间 r 缩 短 1 ． 0 ～1 ． 5 mi n 。 负荷指令 机前压力 图 1 改善的协调 控制策略 量 本文采用图 1所示 的协调控制策略 ， 这是一 个 以锅 炉跟 随 B F 为 基 础 的协 调 控 制 系 统 。为 协调汽轮机、 锅炉 间对 负荷 的不同响应 时间， 控 制 系统 采 取 了 加 快 锅 炉 调 节 和 延 缓 汽 轮 机 调 节 的措施 在锅炉侧增加负荷指令的比例微分 P D 前馈信号 ； 在汽轮机侧增加 负荷指令的延迟环节 P T ； 当主蒸 汽压 力偏 差过 大 时 ， 非 线性 环 节 的 作用将限制汽轮机调门的负荷调节动作 。 由于 P T n这 一 环 节 的存 在 ， 推 迟 了汽 轮 机 调 门动作 ， 为锅炉争 取了储备能量 的时间 ， 保证 了负荷变化后 续能 量 的供 给 ， 有利 于能量 的供 求平衡 ， 控制稳 定 ， 参数 调节 品质 良好 。但是 ， 该 系 统 在参 与 A GC调 节 时 ， 便 显 现 出 它 对 负 荷 响应的迟 钝。从 有关 调 试 报 告 显示 的资 料 来 看 ， 这些 机组在 参与 AG C 自动控 制 时， 负 荷 响 应 的纯 延 迟 时 间竞 长 达 3 mi n以 上 。 因此 ， P Tn 存在 的必要性受 到了质疑。由于汽轮机调 门延 迟打开 ， 未利用锅炉蓄热进行负荷调节 ， 使负荷 响应 的纯延 迟 时间增加 ， 这在 操作 员设定 负荷 指令 时影响不大 ， 但当接受 A DS指令进行 AG C 自动控 制 时 ， 中 心 调 度 控 制 器 不 能 及 时 收 到 负 荷变化 的反馈信 号 ， 将 对负荷 调节 产生不 利 的 影 响 。 因此， 对于图 1 所示 的改善后的协调控制策 略 ， 应 适 当调 整 P T n环 节 中的 时 间 常 数 和 阶 次 ， 以缩短纯延迟时间和减少参数波动。某 3 0 0 MW 机组 ， 调试 中根 据锅炉 控制 对象 特性试 验 确定 P Tn为 4阶环节 ， 考 虑到 利 用 锅 炉 的蓄 热 能力 来 满足负荷初始变化 的需求 ， 将 P Tn降为二 阶环 节 ； 同时， 适 当放宽 限制汽轮机调 门动作 的压力 波动允许值 ， 取得 了较好的调节效果 。 利用锅炉的蓄热能力 ， 暂时牺牲主汽压力参 数 的稳 定 ， 只是 为 了满 足 负荷 指 令 变 化 初 始 瞬 间 的需求 。但应注意加强对汽温调门限制措施 ， 避 免 由于 调 门动 作 过 快 而 引起 参 数 大 幅 波 动 和 调 节 过程 的延 长 。 1 ． 2增 强煤 量 和一 次风量 的前馈信 号 利 用负荷 指令 的前馈 信号 ， 迅 速改 变给 煤 量 ， 使锅炉 的燃烧量 发生变化 ， 以适 应负荷 变化 需 要 。但采 用直 吹 式制 粉 系 统 的机 组 ， 由于 制 粉 过程需要一段时间， 负荷指令前馈信号仅作用 于 给煤量 ， 只能提 高实际负荷 的变 化速率 ， 不可能 有效地 缩 短负荷 响应纯延 迟 时 间 。 如果将负荷指 令前馈信 号同时作用 于一次 风量 ， 由于利用 了运行 中磨煤机内的蓄粉来快速 响应负荷指令的需要 ， 免去 了制粉过程所耗 费的 时间， 则相当于中储式制粉系统机组 的负荷 响应 特性 ， 可以有 效地缩短负荷 响应 纯延迟 时间 ， 如 图 2 所示 。试验证 明， 适 当的调整前馈信号强度 可使负荷响应纯延迟时间 r 缩短 1 mi n左右 ， 对 于综合利用煤 量前馈和一次风量前馈 可获得较 为理 想 的效果 。 1 一设定升负荷曲线； 2 一 未加前馈 的负荷 响应 曲线； 3 一 加煤 量前 馈的负荷响应曲线 ； 4 一 加一次风 、 煤量 前馈负荷响应曲线 图 2 增加前馈 的负荷响应 曲线 煤 量 和 一 次 风 量 的动 态 前 馈 回路 如 图 3所 示 。①为一次风量的动态前馈 回路 ， 适 当地整定 微分作用时间和强度 ， 可 以增强负荷调节 的初始 过程 。② 为煤 量动 态过 调 回路 ， 由于 P T1的延 时 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 李志明 ， 等 改善火 电机组 AG C调节 品质 的技术手段及试验研究 1 5 作用， 当负荷变化 时， 回路② 动态过调 回路将对 磨煤机的动态蓄粉进行补偿。 一 次风量 磨煤机负荷指令 一 次风量控制 图 3 煤量 和一次风量的动态前馈 1 ． 3采用定压一 滑压联合调节方式提高负荷响应 速 度 滑压运行方式在低负荷下具有较好 的经济 性 ， 并使 汽 轮机 各部 件承 受较 低 的热应 力 。因 此 ， 单元机组 在调峰运行 时， 有必要 改变传统 的 定压运行方式 ， 寻求滑压运行的优化方式 。但滑 压运行 时， 由于主汽压力 变化较大 ， 对锅炉 的 内 部 过 程将 产生 复 杂 的影 响 ， 因此 机 组 滑 压 调 峰 运 行的能力主要受锅炉运 行安全性 的限制。运行 实践表明， 定压运行时机组 的变负荷速率主要受 汽轮机热 应力 的限制 ， 而 滑压 运行 时关 键在 锅 炉 ， 要考虑的问题 主要是厚壁部件 的低周疲劳损 耗 和过热 器 的温 度工 况 。 综合考虑机组节能 、 负荷 响应 和安全稳定运 行等方面因素， 通常采用联合滑压方式 ， 即定压一 滑压一 定压 方式。根据机 组容量 的不 同， 一 般在 3 O ～ 4 0 额定 负荷 以下 时采 用定 压 方式 ， 在 3 0 ％～8 O 左右的范围内采用 滑压方式 ， 8 O 额 定负荷以上有采用定压方式 。 滑压升 降负荷 时 ， 锅炉 蓄热 的变化 对 负荷 响应速度 有 负面影 响 ， 而定 压方 式时 锅炉 蓄热 基本不变 ， 负荷 响应 速度 较快 。为 了提 高滑 压 方 式 下机 组 的 负 荷 响 应 速 度 ， 可 采 用 以 下 控 制 方案 变负荷时先 保持定压运行 ， 使机组 能获得 定压时的变 负荷速 度 ， 等机组 完成 变 负荷后 再 回到变压 运行 方式 ， 这 样既 能满 足快 速变 负荷 的要 求 ， 又 能 在 稳 态 时 实 现 机 组 的 滑 压 运 行 要 求 。 1 ． 4 正确 使 用风 煤 交叉 限制 3 0 0 Mw 及以上机组燃烧控制采用燃烧／ 空 气 交叉 限制 风 煤 交 叉 限 制 ， 是 火 力 发 电 厂 热 工控制系统设计技术规定 推荐 的设计方法 。因 此 ， 在现有 的多种汽轮机 、 锅炉协调控制 系统方 案 中 ， 在 锅 炉 主控 的执 行 级 一 燃 料 与 送 风 控 制 系 统之间， 一般都按过量空气 原则引入交叉 限幅， 以实现加负荷时先加风后加燃料 ， 减负荷时先减 燃料后 见 风 。 但是 ， 交叉限制可能对前面讨论的增强煤量 和一次风量前馈作 用的技 术实施造成影 响。加 负荷 时 ， 由 于必 须 先 加 风 后 加 燃 料 ， 煤 量 动 态 过 调可能被一次风量 的变化所抑 制； 减负荷 时， 由 于必须先减燃料后减风 ， 一次风量 的动态前馈可 能被 煤量 的变 化所 抑制 。 因此 ， 对 于 直 吹 式 燃 煤 机 组 控 制 系统 ， 有 人 建议取消交叉限制 ， 因为直吹式 系统燃料量 控制 延迟 大 ， 过 量 空 气 系 数 一 般 也 取 得 较 大 ， 变 负 荷 时 ， 风煤同时控制 ， 一般不会出现欠风。 在进行平行调节 与交叉 限制中， 要求在 C C S 系统设 计 时 ， 要 既保 留 风 煤 交 叉 限 制 ， 又 能 让 调 节回路在接到负荷变化指令 的同时开始动作 ， 适 当地进行平行 调节 。这样既保证燃烧控 制 的安 全 ， 又让锅 炉控 制 系统能 获得 较快 的响应 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 锅炉技术 第 4 6卷 2 A G C负荷跟 随试验 AGC负 荷 跟 随 试 验 是 指 协 调 控 制 系 统 模 拟 AGC控 制 方 式 下 的 负 荷 跟 随 性 。 由调 度 中 心 或 协 调 控 制 系 统 负 荷 给 定 回路 发 出 负 荷 变 化指令 ， 在一定 的负荷 变化范 围 内以确定 的负 荷 变 化 速 率 进 行 双 向变 动 试 验 。 AGC负荷 跟随性 试验 是协 调控 制 系统 的 主 要 性 能 测 试 试 验 之 一 ， 它 考 核 协 调 控 制 系 统 的 负 荷 响 应 能 力 和 适 应 负 荷 连 续 变 化 的 能 力 。 图 4是某 3 0 0 Mw 直 吹式 机组 AGC负 荷跟 随性 试 验 的 情 况 ， 按 火 力 发 电 厂模 拟 量 控 制 系 统验收测试规程 的要求 ， 在不 同的负荷段进行 2 次试验 。负荷指令在 协调控制 系统 负荷给定 回 路模拟 ， 以斜坡增减方式发出。 图 4 AG C负荷跟 随试验 实验前负荷 2 6 0 Mw ， 机组投入协调控制方 式， 炉膛压力 、 汽包水位 、 主汽温度 、 再 热汽温 等 调节 系统 均 投 入 自动 。在 机 组 运 行 工 况 稳 定 的 情况下， 操作员将负荷变化速率设置为 4 ． 5 MW／ rai n 1 ． 5 P ／ rai n ， 将 负 荷 设 定 值 由 2 6 0 MW 改为 2 9 0 MW 负荷 变化 量 为 3 0 Mw ， A p一1 0 P ， 进 行 升 负 荷 变 动 试 验 。 当 负 荷 设 定 值 由 2 9 0 Mw改为 2 6 0 Mw， 进 行 降负荷 变动 试验 。 第一 项试 验 之后 ， 稳 定 了 1 0 mi n ， 以 同样 方 法 在 不 同的负 荷 段 进 行 了 第 二 次 试 验 。负 荷 变 化 速 率 同样设 置 为 4 ． 5 MW／ mi n ， 操 作 员 将 负 荷 设 定 值改 为 2 3 0 Mw 负 荷 变 化 量 为 3 O Mw ， A p一 1 O P ， 进行降负荷变动试 验。当负荷斜坡指 令 到达 目标 之后 ， 稳定 2 mi n ， 再 进 行 反方 向 的变 动试验 ， 负荷设定值 由 2 3 0 Mw 改为 2 9 0 Mw ， 进行升负荷变动试验 。 AGC负荷跟随试验中， 机组负荷响应纯延迟 时间为 4 0 4 5 S 。2次连续的负荷变动试验 ， 机组 的实际负荷速率均大于 1 ． 0 P ／ mi n。最大负荷 偏差发生在 AGC负荷开始反方 向变动 1 ． 5 mi n 左右 ， 大约 为 8 Mw ， 3 P 左 右 。 第一次 AGC负荷跟 随试 验 ， 负荷在 2 6 0 ～ 2 9 0 Mw 变 动 ， 主 汽 压 力 在 定 压 段 变 化 ； 第 二 次 AGC负 荷 跟 随 试 验 ， 负 荷 在 2 6 0 ～ 2 3 0 MW 变 动 ， 主汽 压力 在滑 压 段 变 化 。 由 图 5曲线 可 以 看 出 ， 在滑 压 段 变 化 时 ， 主 汽 温 和 再 热 汽 温 变 化 较 大 ， 但均在测试指标许可 范 围以内， 其他各 主要 运动参数变化也都满足 火力发 电厂模拟量控制 系统验 收测 试规 程 的指标 要 求 。 3 结 语 电网调 度一般 要 求 火 电机 组 参 与 AGC的 速 度 越 快 越 好 ， 范 围 越 大 越 好 。火 电 机 组 在 参 与 A GC调 节 的过程 中， 不 断对 机组 的 可控 性 和协 调 控制系统进行改进完善 ， 这对于提高火 电机组 的 自动化控制水平起到了积极的推动作用。通过本 文所述的改善方法 ， 火 电机组可以改善机组 的调 节性 能 。同 时 ， 通 过 3 0 0 MW 直 吹 式 机 组 AGC 负荷 跟随试 验可 以看 出 ， 此 改善方 法是 可行 的 。 下 转 第 3 7页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 刘福国 ， 等 超临界压力直 流锅 炉炉膛受热面工质温度分布计算 3 7 W a t er a n d St e a m Te mp e r a t ur e Ca l c ul a t i o n i n E v a p o r a t i n g Su r f a c e i n Su p e r c r i t i c a l P r e s s u r e On c e t h r o u gh B oi l er LI U Fu gu o， CUI Fu x i n g S t a t e Gr i d S h a n Do n g El e c t r i c P o we r Re s e a r c h I n s t i t u t e ，J i n a n 2 5 0 0 0 2 ，Ch i n a Ab s t r a ct W a t e r a nd s t e a m t e m p e r a t ur e i n e va po r a t i n g s u r f a c e i s t he f o u nda t i o n o f m e nt a l t e mp e r a t u r e c a l c u l a t i o n i n s u p e r c r i t i c a l p r e s s u r e o n c e t h r o u g h b o i l e r ．Me t h o d s f o r c a l c u l a t i n g wa t e r a nd s t e a m t e m p e r a t u r e i n e va po r a t i ng s ur f a c e a r e pr e s e n t e d a c c o r di ng t o i t ’ S wo r ki n g pa r a m e t e r s ． As s u m p t i o n o f uni f o r m pr e s s u r e d r op a l on g t he f ur na c e he i gh t i s e x t e n de d f o r t he r a pi d c a l c u l a t i o n o f p r e s s ur e d i s t r i but i o n，wa t e r a nd s t e a m t e m p e r a t u r e d e v i a t i o n c a us e d b y t h i s a s s u mp t i o n a r e 1 e s s t h a n 1℃ ，t h i s k i n d o f me t h o d t o d e t e r mi n e t h e wa t e r a n d s t e a m t e m pe r a t ur e i S p a r t i c u l a r l y s ui t a bl e f o r f ur na c e wa l l m e n t a 1 t e mp e r a t ur e c a l c u l a t i on o f O n l i ne mo n i t o r i n g i n t h e s u p e r c r i t i c a l p r e s s u r e o n c e - t h r o u g h b o i l e r ． K e y wo r d s s u p e r c r i t i c a l p r e s s u r e ； o n c e t h r o u g h b o i l e r ； wa t e r a n d s t e a m t e mp e r a t u r e ； he a t f l Uxe s i n f u r n a c a 上接 第 1 6页 参考文献 E 1 3林文孚 ， 胡燕．单元机组 自动控制技术[ M] ．北京 中国 电力 出版社 ， 2 0 0 8 ． Te ch n ol o g y M e a n s a n d I- z ]朱 北恒．火 电厂热 T 自动化系 统试验[ M] ．北 京 中国电力 出版社 ， 2 0 0 6 ． E xp e r i me nt al St u d y on Qu al i t y o f I mp r ov e d Th e r ma l P o wer Un i t Ad j u s t me n t AGC LI Zhi mi n g， W ANG W e n l a n， M AN W e n - c he n g， KANG Xi a o El e c t r i c Po we r Co l l e g e ，I n n e r Mo n g o l i a Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ，Ho h h o t 0 1 0 0 8 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Fo r t h e r ma l p o we r u n i t l o a d s l o w r e s p o n s e a n d l o n g - t e r m b e a r t h e l o a d a d j u s t me n t f a c t or s，t e c hni c a l m e a ns o f AGC r e g ul a t i on q ua l i t y i m p r ov e m e nt u ni t a r e pr o po s e d．I nc r e a s e t u r b i n e r e s p o n s e t o t h e l o a d s p e e d 、e n h a n c e d c o a l a n d f e e d f o r wa r d e f f e c t o f p r i ma r y a i r f l o w、 u s i n g p r e s s u r e s l i d i n g j o i n t r e g u l a t i o n a n d p r o p e r u s e o f f o u r n e w r e g u l a t i o n me a n s o f a i r a n d c o a l c r o s s i n g r e s t r i c t i o ns ． Ac c o r d i ng t O t he AGC f ol l o wi n g t e s t a nd c ur v e a na l y s i s，i t p r ov e s t h a t t hi s i mpr o v e m e nt i s po s s i bl e ． K e y wo r d s AGC；t h e r ma l p o we r u n i t s ； i mp r o v e me n t ；l o a d s p e e d o f r e s p o n s e ；t e s t 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m