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先进控制技术在1000MW超超临界机组上的应用

来源:个人技术集锦
江苏 电机 L样 第35卷第3期 5 Jiangsu Electrical Engineering 先进控制技术在1 000 MW超超临界机组上的应用 李长春 (大唐江苏发电有限公司,江苏南京210058) 摘 要:针对潮州电厂1000 MW超超临界机组存在变负荷速率低、主要控制参数波动大、主汽温易超温的问题,利用有机 融合预测控制技术、神经网络学习技术及自适应控制技术,提出了现代大型超超临界火电机纽自动发电控制(AGC)的先进 控制方法.并利用基于PLC的热-z-b2制应用平台(INFIT)实时优化控制系统将上述控制方案在现场成功实现。机组上的实 际应用表明.采用INFIT平台实现的先进控制技术明显提高了杌纽的负荷调节性能、杌纽运行稳定性和平均主、再热汽温, 提高了机组的整体运行安全性和经济性 关键词:超超临界机组;自动发电控制;预测控制:自适应控制 中图分类号:TM62l 文献标志码:A 文章编号:1009—0665(2016)03 0005—05 目前.国内火电机组的自动发电控制(AGC)策略 主要采用国外各大分散控制系统(DCS)厂商提供的组 态逻辑.采用负荷指令前馈+PID反馈的调节方案,其 核心思路在于:尽可能将整个控制系统整定成开环调 1基于先进控制技术的AGC协调控制方案 该厂2x1000 MW超超临界机组优化前的AGC 协调控制策略均只采用负荷指令前馈+PID反馈的调 节方案.锅炉明显跟不上汽机的能量变化,导致:(1) 机组变负荷率低.难以面对日益提高的电网AGC考核 节的方式.反馈调节仅起小幅度的调节作用l1-2] 这种 方案要求前馈控制回路的参数必须整定得非常精确. 对于煤种稳定、机组设备稳定、机组运行方式成熟的国 外机组.这种方案比较有效.因此一直以来都采用国外 DCS厂商的推荐方案 但是对于煤种多变、机组控制 及测量设备不精确、运行参数经常与设计参数存在较 大偏差的国内机组.则控制效果会明显变差 大唐国际潮州电厂2x1000 MW超超临界机组投 要求:(2)机组主汽压力等重要参数的波动较大.明显 影响机组安全性及长期运行寿命:f3)过热度设置不 合理,造成长期低参数运行。明显影响机组效率 优化控制技术的核心思路在于:采用预测控制技 术对锅炉的负荷指令进行优化控制.加快锅炉的热负 荷响应速度,从而提高机组的负荷升、降速率;对于超 超临界机组.通过新的燃水比调整方法.协调修正燃料 量和给水流量.有效抑制分离器温度变化.并尽可能减 小对机组负荷的影响:通过智能的神经网络学习技术. 不断动态调整控制系统的特性参数和部分机组设定参 产一段时间以来.由于DCS协调控制方案的先天设计 不足以及机组面临的燃煤品质多变、运行工况多变、执 行机构设备可靠性差等多种恶劣运行环境.造成目前 的自动控制性能较差.机组只能以5~10 MW/min的 速率投入AGC运行.主汽压力始终处于0.5~1.0 MPa 的振荡过程.过热度的调节振荡也比较明显 同时由于 燃水比控制不合理.汽温控制系统性能较低.主汽温度 控制极易出现明显超温或者长时间低于设定值l0。C 以上运行的情况.机组运行的安全性和经济性明显受 到影响。 文中首先在锅炉主控回路中采用预测控制技术来 数.使得在机组运行环境发生改变的情况下.控制系统 性能基本保持不变,并使机组始终运行在最合理、经济 的工况点。 1.1基于预测控制技术的锅炉主控控制策略 基于预测控制技术的锅炉主控控制策略如图1所 示 在控制结构上.新方案保留了常规锅炉主控方案中 的“前馈”+“反馈”的控制模式.但是在反馈回路中.采 用了广义预测控制器(GPC)代替常规的PID控制器. 为了说明GPC预测控制器的计算原理.假定主汽压力 定值、主汽压力以及锅炉负荷指令的变化曲线如图2 所示。 提前调整锅炉的负荷指令.加快锅炉的热负荷响应速 度:同时针对超超临界机组.采用了新的燃水比控制方 法.在汽水分离器温度发生偏移时通过解耦策略同时 改变燃料量和给水流量来匹配燃水比率:最后通过智 能的神经网络学习技术.不断动态调整控制系统的特 性参数和部分机组设定参数.一方面使控制系统性能 始终保持最佳.另一方面也使机组运行工况不断向最 经济状态逼近 收稿日期:2015—12—07:修回日期:2016—01—29 图2中,k为当前时刻, 一1, 一2, 一3,…为以前各 个采样时刻:k+l,k+2,k+3。…为未来各个采样时刻 在k时刻(即当前时刻).GPC首先根据主汽压力被控 过程的动态数学模型及主汽压力、锅炉负荷指令的历 史数据(如图2中的曲线1和曲线2数据)。并假定在 当前时刻锅炉负荷指令保持不变的情况下(如图2中 国家自然科学基金项目1 51576043 6 的未来各个时刻的控制偏差相关的分量.预测控制作 用主要由这部分分量决定; {.}为计算函数,它是控 制作用中与未来各个时刻的预测误差相关的分量 {·}, {·}, {·}可根据被控过程的动态数学模型推 导获得。 1.2新型超超临界机组燃水比调整控制策略 锅炉的燃水比是根据分离器温度的偏差进行调整 的,常规的调整方法有调整给煤量或给水流量2种方 法。调整给煤量方法的缺点是给煤量对分离器温度的 影响较慢,通过调整给煤量来控制分离器温度的效果 修改量 燃料量指令 给水流量指令 凡D ‰ 图1基于预测控制技术的锅炉主控控制策略 以前时刻 未来时刻 锅炉苎 一 图2假定的主汽压力、定值与锅炉 负荷指令的变化曲线 曲线4).预测出主汽压力在未来一段时间内的变化 (如同中曲线3)。则预测控制器的输出为: “(k)=“( 一1)+ FI{e(k),e(k一1),…,e(k-rn)}+ {e(k+1),e(k+2),…,e( 十n)}+ {△e( +1),Ae(k+2),…,Ae(k+n)} (1) 式中:e(k),e( 一1),…,e( 一m)分别为当前及以前各 个采样时刻的控制偏差;e(k+1),e(k+2),…,e(k+n) 分别为预测的未来各个时刻的控制偏差;△e( +1),Ae (k+2),…,Ae(k+n)为未来各个时刻的预测误差;M (k),M( 一1)分别为当前及前一个采样时刻的控制作 用,本例中即为锅炉的负荷指令;F。{·)为计算甬数,它 是控制作用中与当前及以前各个采样时刻控制偏差相 关的分量; {·}为计算函数,它是控制作用中与预测 相对较差:优点是给煤量对主汽压力和负荷的影响也 慢,有利于主汽压力和机组负荷的稳定 而调整给水流 量的方法.给水流量对分离器温度的影响较快.因此调 整给水流量有利于控制分离器的温度,但是对机组负 荷及主汽压力的影响¥Hx,t较大 综合这2种方法的优 点 文中提出了同时调整给煤量和给水流量的协调解 耦控制策略,整个控制方案分为2个部分.首先计算燃 水比控制分配系数A ,A 是一个数值在0~1之问的 系数,A 表示给水侧的校正强度,1一A 则表示燃料侧 的校正强度。燃水比控制分配系数A…的计算回路如图 3所示 分离器温度定值 TSP set 微分模块 燃水比控制分配糸数 A 图3燃水比控制分配系数的计算回路 从图中不难看出.燃水比控制分配系数的确定遵 循如下原则: (1)当分离器温度偏差不大时,说明燃水比失配 并不严重.此时单纯校正燃料侧燃料量来调节燃水比, 减小对协调控制系统的扰动 (2)当分离器温度偏差大于某一阀值时,即中问 点温度控制偏差(△ )>中间点温度控制偏差的计算阀 值(DW)时.给水侧校正同路开始投入,弥补燃料侧调 李长春:先进控制技术在1000 MW超超临界机组上的应用 7 节响应慢的缺点.控制汽温偏差在合理范围内。 (3) 当AT ̄DW+ 1 时,(2)实时拟合机组功率一燃料量的函数关系,从 A 而保证锅炉指令一燃料指令的前馈/反馈通道的静态 增益始终与实际工况保持一致: 始终为1.燃水比校正作用完全由给水侧完成,其中: LED(△ )为中间点温度变化率;K 为给水校正系数。 (4)在考虑中间点温度偏差的同时,还参考偏差 (3)通过每次典型升、降负荷时燃料量变化后的 实际负荷、主汽压力变化情况,实时计算制粉系统惯性 模型的参数。并以此为依据调整机组主汽压力的预测 模型和GPC预测控制器参数.使控制系统的对象滞后 模型与锅炉实际滞后特性保持一致: 通过上述技术的应用.整个控制系统将始终处于 在线学习的状态.控制性能不断向最优目标逼近。 1.3.2机组工况的自适应调整 的变化趋势:若温度差和温度差变化率的乘积LED (AT)×△ 为正,说明温度差有逐步扩大的趋势,则给 水侧校正回路提前投入,相应增加A 。 (5)若温度差和温度差变化率的乘积LED(AT)× △ 为负.说明温度差有逐步收敛的趋势,相应减少 A…削弱给水侧校正强度,防止过调。 燃水比控制分配系数计算后.燃料量指令和给水 流量指令修改量的控制方案如图4所示。 TSP set TSP set 正量给水流量指令修正量 △ AFw 图4燃料量指令和给水流量指令修改量的控制方案 考虑到分离器温度的变化过程也是一个大滞后的 被控过程.为了提高分离器温度的控制性能,控制方案 的反馈回路中.均采用了广义预测控制器GPC 1.3基于神经网络学习的控制参数和运行工况的自适 应调整 对于大型超超临界火电机组这样复杂的控制对 象.更由于国内电厂煤种多变、执行设备质量差的运行 特点.整个AGC协调被控对象的模型存在非常明显 的时变性和非线性特征 在控制策略设计中.若只采用 单一静态模型.必然无法面对电厂复杂的实际运行环 境.控制系统长期投用的性能无法得到保证。为此,文 中采用智能神经网络学习技术 ].不断动态调整控制 系统的特性参数和部分机组设定参数.一方面使控制 系统性能始终保持最佳.另一方面也使机组运行工况 不断向最经济状态逼近 1_3.1控制系统模型及控制参数的自适应机制 采用如下方法校正机组被控模型中的重要参数: (1)实时拟合机组真空一汽耗率的函数关系,从 而保证锅炉指令一给水指令的前馈/反馈通道的静态 增益始终与实际工况保持一致: 超超临界机组中间点温度(通常是汽水分离器出 口温度)的设定值是决定机组运行状况的重要参数,在 原DCS协调设计中.该设定值仅是分离器压力的静态 函数,在机组煤质、磨组合、工况改变时,该函数必然将 偏离实际运行工况.从而导致机组不能运行在最经济 的工况点上 为解决上述问题.文中设计了中间点温度设定值 的智能动态校正策略.主要规律如下: 首先根据机组运行的历史数据.通过滚动优化拟 合出基本的“分离器压力、磨煤机组合、燃料热值一过 热度”的多元函数关系: 在机组日常运行中.按照如下规律(优先级从上至 下递减).动态调整过热度设定值.尽可能使机组运行 在最合理、经济性最高的模式下: (1)调整过热度,使机组主汽温能达到设定值; (2)调整过热度,使机组再热汽温能达到设定值, 同时再热减温水量尽量为零: f3)调整过热度.使机组的过热减温水量随负荷 点的不同维持在合理数值 通过上述技术的应用.可使机组自动调整工况.始 终运行在最合理、经济的模式下。 2优化控制系统的实施方式 工程选用基于PLC的热工控制应用平台(INFIT) 优化控制系统作为优化控制策略现场实施的软硬件平 台 INFIT控制系统采用MODBUS通信方式与DCS 系统交换数据.从而以类似扩展DPU的方式接入到 DCS中.完成实际的优化控制功能 2.1优化系统的软件和硬件平台 硬件方面:INFIT实时优化控制系统选用Siemens S7系列PLC为硬件平台.系统采用“双冗余电源+CPU 模块+modbus通信模块”的硬件配置… 软件方面:在 Siemens Step7编程环境中采用SCL、STL语言开发了 所有的高级算法模块.并通过面向对象的封装技术。建 立了类似一般DCS系统的组态函数库(但功能更为强 8 大),之后可通过函数调用以类似DCS组态的方式完 成具体机组负荷性能优化工程的建立 2.2采用独立硬件平台的优点 INFIT系统采用这种独立于DCS系统的硬件平 台,具有如下优点: (1)DCS只能实现常规的PID控制.控制性能有 明显的局限性.而1NFIT优化装置可实现任何先进的 控制算法.是应用现代控制技术来解决火电机组疑难 控制问题的必备平台: (2)采用INFIT后.整个优化控制系统的调试过 程十分简单.不需要在DCS中反复在线下载控制组 态.调试过程中机组的安全性大大提高.完全避免了 由于下载不当而导致机组跳机事故的发生: (3)INFIT是作为一个扩充的分散处理单元融人 到整个DCS系统中.运行人员的操作方式保持不变: (4)采用INFIT后.无需改变原有DCS中的控制 策略.运行人员可方便地在原有控制方案和新的优化 控制方案之间无扰动地切换.增加了系统的灵活性和 安全性 3现场应用效果 文中所设计的控制方案均已通过1NFIT实时优化 平台成功实施于潮州电厂3号和4号机组 图5和图 6分别是机组以20 MW/min速率进行变负荷试验的 运行曲线。变负荷中的各项控制指标列于表l。 422 6 .℃ 1] 1 —二二 400 00 8 0()8.O(1 400.00 400.00 H)(1I)})()。 =; 图5 20 MW/min变负荷运行曲线1 S S P=605℃ 603.1℃ 603.3℃ 602.9℃ 603.9℃ 605.5℃ 850MW 、\ .、 一\一一 750 MW、 、 、L,k一 605MW - … 【)【J_O0 500 00 490 00 490 O0 510.O0 …【}《j。 图6 20 MW/min变负荷运行曲线2 结合图4、5以及表1的数据可以看出,应用新型 控制策略后.机组变负荷率由原先的10 MW/min提高 至20 MW/min.并且在变负荷过程中控制性能非常优 秀.特别是主汽温度在各种变负荷下最大波动仅为 l~2℃.各项指标均远优于国家行业标准 表1 12 MW/min速率降负荷试验数据 图7、8是投用文中提出的新型INFIT协调控制系 统停用F磨煤机的同时启动A磨煤机的运行曲线.切 磨_丁况是正常运行巾比大幅度变负荷扰动强度更大的 工况 从图7、8可以看出,在整个切磨过程中机组运行 非常平稳.主汽压力最大仅波动0.4 MPa.主汽温度最 大仅波动3~4℃.过热度最大仅波动5℃.整体控制 性能同样非常优秀 25 42MPa 25.0MPa 一一 —— — —— ——,—'’———一 一一…~ 一~一一、~、41 8.7℃ 垒2 .6℃  rf “400【)O 8.f)() 8()()400 0O 400.0O I()()(J()() . 图7切换磨煤机运行曲线1 ¨¨I¨。l J()0 0O ll0(J 0()()2【】0()620 00 640.O0 64(}【JlJ。-u -606.4℃SP=605℃ 606.8℃603·0l℃ —LL L J 500.0()500(j0 490(J0 490.00 5 l0.00 5 l 0(1(} 图8切换磨煤机运行曲线2 4结束语 该大型火电机组AGC优化控制策略依靠1NFIT 实时优化控制平台.成功实现锅炉主控回路预测控制 技术、燃水比控制中的新型解耦技术、控制模型参数和 机组工况自适应调整等多种先进控制技术。使机组协 调控制系统性能得到提高 在潮州电厂3号和4号机 组上实际应用中表明.在1NFIT新型优化系统控制下 机组运行稳定、各项考核指标均居于全省前列.为厂里 带来了明显的经济效益 且 于1NFIT系统独立性和 与DCS的完美融合性.其具有非常好的推广前景。 李长春:先进控制技术在1000Mw超超临界机组上的应用 9 参考文献: [1]姚峻.高磊.陈维和,等.900 MW超临界机组协调控制及 AGC策略的研究与应用[J].中国电力,2005,38(8):62 65. [2]徐建中.陈益飞.1NFIT系统在超超临界发电机组汽温和协调 控制中的应用[J].江苏电机工程,2015,34(3):72 74. 算法[J].中国科学:F辑,2009,39(7):694—703. [4]张志勇.陈钢.邱文超.基于现代控制技术的AGC实时优化 控制系统及其应用[J].华东电力,2011,39(1):153—156. 作者简介: 李长春(1980),男,江苏盐城人,工程师,从事设备管理工作。 [3]吴波.吴科.吕剑虹.一种补偿递归模糊神经网络及其学习 Application of Advanced Control Technology in the 1000 MW Ultra—supercritical Unit LI Changchun (Datang Jiangsu Power Generation Co.Ltd.,Nangjing 210058,China) Abstract:With the problems of low speed of changing load,high fluctuation of main control parameters and the over—heat of main steam temperature of the 1 000 MW ultra supercritical unit in Chaozhou power plant.this paper proposed an advanced control method of automatic generation control(AGC),which can be applied in the field with the 1NFIT real—time optimization system.The performance indicated that the advanced control technology can signiicantlfy improve load regulation ability,the operation stability of the unit and the average steam temperature of superheat and reheat,thus global safety and economy ofthe unit were improved. Key words:ultra-supercritical unit;automatic generation control;model predictive control;self-adaptation control (上接第4页) Research on the Network Topology of Regional Protection Control System YANGGui,PENGAn,LILi (Nanjing Nari—Relays Electric Co.Ltd.,Nanjing 2 1 1 1 02,China) Abstract:In order to meet the peer·to—peer communication demand of distributed services of regional protection and control system and to realize the peer-to—peer communication mechanism of protection and control service between substations,the network topology for realizing peer—to—peer communication based on Multi·Service Transfer Platform is studied.At the same time,the network topology for peer—to—peer communication based on packet transport network (PTN)equipment is investigated.Also,the network topology for peer—to—peer communication based on high—availability seamless redundancy (HSR)ring network technology is studied.At last,the comparisons beweetn various network schemes are presented,which provides a beneficial guidance for the construction ofregional protection and control system. Key words:regional protection control system;peer—to-peer communication;high—availability seamless redundancy(HSR); Multi—Sevirce Transfer Platform(MSTP);packet transport network(PTN) 中电联发布((2016年一季度全国电力供需形势分析预测报告》 一季度.全社会用电量同比增长3-2%,增速同比提高2.4个百分点、比上年四季度提高3.7个百分点,用电形势有 所好转 第三产业和城乡居民生活用电量快速增长.分别拉动全社会用电量增长1.5和1.6个百分点,所占全社会用 电比重同比分别提高1.0和1.1个百分点:第二产业同比增长0.2%,其中四大高耗能行业用电量同比下降5.8%、比重 降低2.7个百分点.合计下拉全社会用电量增速1.8个百分点.仍是第二产业及其丁业用电量低速增长的最主要原 因.反映出国家结构调整和转型升级效果继续显现,拉动用电增长的主要动力从传统高耗能产业向服务业和生活用 电转换.电力消费结构在不断调整 一季度新增发电装机容量为历年同期最多,3月底全VI径发电装机容量达到1520 GW左右、供应能力充足,非化石能源发电量延续快速增长,火电发电量持续负增长、设备利用小时继续下降。全国电 力供需总体宽松、部分地区过剩。 展望后三季度.预计上半年全社会用电量同比增长2%左右.全年电力消费增速高于2015年 全年新增装机超过 100 GW.预计年底发电装机容量将达到1630 GW左有,其中非化石能源发电装机比重进一步提高至36%左右:全国 电力供应能力总体富余、部分地区过剩 全年火电设备利用小时降至4000 h左右,加之燃煤发电上网电价下调、部分 省份电力用户直接交易降价幅度较大.煤电企业生产效益被进一步压缩.发展面临更大的挑战 (摘编自中电联网站1 

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