1 集控運(yùn)行與機(jī)組協(xié)調(diào)控制
1.1 集控運(yùn)行
燃煤電廠集控運(yùn)行的核心在于集散控制系統(tǒng)(Dis?tributed Control System，DCS)，該系統(tǒng)的關(guān)鍵在于集中管理和分散控制。從系統(tǒng)構(gòu)成來(lái)看，主要分為3個(gè)層級(jí)，上位綜合管理層、中間集中操作監(jiān)控層和下位現(xiàn)場(chǎng)分布式控制層。DCS系統(tǒng)的應(yīng)用使得燃煤電廠的生產(chǎn)管理出現(xiàn)了新的模式，進(jìn)一步推動(dòng)了我國(guó)電力生產(chǎn)領(lǐng)域的自動(dòng)化進(jìn)程。
從圖1可以看出，實(shí)現(xiàn)燃煤電廠集控運(yùn)行與機(jī)組協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵就在于下位現(xiàn)場(chǎng)分布式控制層。分布式控制的功能就是針對(duì)分散的過(guò)程對(duì)象實(shí)現(xiàn)每個(gè)單元機(jī)組的協(xié)調(diào)控制，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信連接集控中心實(shí)現(xiàn)集中的管理、操作和監(jiān)控。每一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元與整套DCS系統(tǒng)有著聯(lián)系但相對(duì)獨(dú)立，在上級(jí)設(shè)備通信終端或上級(jí)設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下，依然能夠獨(dú)立控制單元內(nèi)控制對(duì)象的正常運(yùn)行，可靠性高。
1.2 機(jī)組協(xié)調(diào)控制
鍋爐和汽輪機(jī)是燃煤電廠發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，二者與發(fā)電機(jī)共同組成一個(gè)發(fā)電單元(生產(chǎn)整體)。而實(shí)現(xiàn)機(jī)組控制的關(guān)鍵是要解決機(jī)組功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，即發(fā)電單元適應(yīng)外界電網(wǎng)負(fù)荷的需要。這就涉及到鍋爐與汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)能力。鍋爐和汽輪機(jī)在調(diào)節(jié)能力方面存在較大的差異。就電網(wǎng)來(lái)看，調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷需要快速的響應(yīng)，而就機(jī)組運(yùn)行來(lái)看，則需要在保證機(jī)組穩(wěn)定、安全、可靠的前提下進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。但鍋爐反應(yīng)慢，熱慣性大，汽輪機(jī)則反應(yīng)快、慣性小。在快速調(diào)節(jié)負(fù)荷時(shí)，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行快速調(diào)整會(huì)使機(jī)前壓力產(chǎn)生較大波動(dòng)，進(jìn)而影響鍋爐使其爐內(nèi)壓力不穩(wěn)，影響機(jī)組的穩(wěn)定性、安全性。集控運(yùn)行及機(jī)組協(xié)調(diào)控制可以很好地解決快速負(fù)荷調(diào)節(jié)當(dāng)中鍋爐和汽輪機(jī)的矛盾。
而實(shí)現(xiàn)機(jī)組控制的關(guān)鍵是要解決機(jī)組功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，即發(fā)電單元適應(yīng)外界電網(wǎng)負(fù)荷的需要。這就涉及到鍋爐與汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)能力。鍋爐和汽輪機(jī)在調(diào)節(jié)能力方面存在較大的差異。就電網(wǎng)來(lái)看，調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷需要快速的響應(yīng)，而就機(jī)組運(yùn)行來(lái)看，則需要在保證機(jī)組穩(wěn)定、安全、可靠的前提下進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。但鍋爐反應(yīng)慢，熱慣性大，汽輪機(jī)則反應(yīng)快、慣性小。在快速調(diào)節(jié)負(fù)荷時(shí)，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行快速調(diào)整會(huì)使機(jī)前壓力產(chǎn)生較大波動(dòng)，進(jìn)而影響鍋爐使其爐內(nèi)壓力不穩(wěn)，影響機(jī)組的穩(wěn)定性、安全性。集控運(yùn)行及機(jī)組協(xié)調(diào)控制可以很好地解決快速負(fù)荷調(diào)節(jié)當(dāng)中鍋爐和汽輪機(jī)的矛盾。
CCS-BF方式，比較常用，鍋爐和汽輪機(jī)的子系統(tǒng)同步參與，調(diào)節(jié)鍋爐汽壓、汽輪機(jī)功率，可加入電網(wǎng)調(diào)頻也可加入AGC(自動(dòng)發(fā)電量控制)。
CCS-TF方式，機(jī)爐各自的子系統(tǒng)同步參與，汽輪機(jī)子系統(tǒng)主調(diào)節(jié)汽壓、鍋爐子系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率。不加入電網(wǎng)調(diào)頻，調(diào)度所也無(wú)法直接調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷，只能由機(jī)組運(yùn)行人員調(diào)節(jié)給定功率，輸出功率跟隨給定功率的變化而變化，直到保持等值。
機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的重要性。機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)于機(jī)組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要的作用，其重要性主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。
其一，提高機(jī)組運(yùn)行安全性。將鍋爐和汽輪機(jī)看作一個(gè)生產(chǎn)整體，達(dá)到同步協(xié)調(diào)控制，可使操作準(zhǔn)確，運(yùn)行參數(shù)變化小，確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。若汽輪機(jī)或鍋爐局部發(fā)生異常掉線時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入基礎(chǔ)調(diào)節(jié)方式即TF或BF方式(汽輪機(jī)主控或鍋爐主控)，防止故障擴(kuò)大，十分便于工作人員檢修排除故障。采用負(fù)荷變化率控制機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)，避免出現(xiàn)過(guò)快的負(fù)荷變化而產(chǎn)生過(guò)高的熱應(yīng)力，確保機(jī)組使用壽命，監(jiān)控保護(hù)功能相對(duì)較為完善。
其二，機(jī)組對(duì)負(fù)荷的響應(yīng)速度提高，機(jī)組狀態(tài)正常且允許的情況下，采用協(xié)調(diào)控制，能夠極大地改善機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力，降低負(fù)荷跟蹤延遲，實(shí)現(xiàn)快速的負(fù)荷跟蹤。其三，機(jī)組效率提高。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)使燃料、水、風(fēng)等隨著機(jī)組的變化在較高效率下運(yùn)轉(zhuǎn)，高質(zhì)量地調(diào)節(jié)質(zhì)量，使機(jī)組組成部分的運(yùn)行參數(shù)保持平衡，可起到節(jié)能的作用。
2 機(jī)組協(xié)調(diào)控制的應(yīng)用
某電廠二期工程機(jī)組選型為SG3091/27.56-M54X型2´1 000MW直流塔式鍋爐，配100%BMCR高旁、65%BM?CR低旁。2´1 000MW的N1000-26.25/600/600(TC4F)反動(dòng)凝氣式汽輪機(jī)。THDF125/67 發(fā)電機(jī)，配無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)。其協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基于CCS-BF協(xié)調(diào)控制方式，機(jī)組負(fù)荷由汽輪機(jī)控制，汽壓由鍋爐主控，達(dá)到快速響應(yīng)的需求。但在實(shí)際運(yùn)行中基于CCS-BF的方式，與主汽壓等相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)有較大波動(dòng)，燃料、水、風(fēng)的供給隨鍋爐主控的基本值運(yùn)轉(zhuǎn)，使主汽壓產(chǎn)生變化，這代表了汽輪機(jī)和鍋爐在能量上的不平衡。因此，還需要根據(jù)壓力差對(duì)燃料、風(fēng)、水的供給進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。該CCS系統(tǒng)主要功能如下。
2.1 負(fù)荷設(shè)定回路
根據(jù)RUNBACK計(jì)算和上下限限制，運(yùn)行人員設(shè)定負(fù)荷指令，包括升降負(fù)荷速率定額、上下限定額及負(fù)荷指令增減閉鎖等。經(jīng)運(yùn)算后將負(fù)荷指令發(fā)送至汽輪機(jī)、鍋爐主控回路，加入AGC，自動(dòng)接受電網(wǎng)調(diào)頻指令。
2.2 汽壓設(shè)定回路
根據(jù)負(fù)荷指令折算獲得主汽壓，運(yùn)行人員手動(dòng)偏置，經(jīng)增減速率限制、慣性環(huán)節(jié)等計(jì)算，發(fā)送至汽輪機(jī)、鍋爐等主控回路，目前提供滑壓運(yùn)行設(shè)定值，該值為負(fù)荷的函數(shù)(f x)。
2.3 汽輪機(jī)主控
機(jī)組負(fù)荷指令為汽輪機(jī)主控指令，鍋爐的響應(yīng)存在一定的延遲及蓄熱補(bǔ)償，需要對(duì)汽輪機(jī)的響應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难泳徧幚�，防止汽壓出現(xiàn)大幅波動(dòng)。一般針對(duì)負(fù)荷指令，通過(guò)增加壓力拉回、慣性等來(lái)進(jìn)行修正。
2.4 鍋爐主控
燃料、風(fēng)、水裝置接收鍋爐主控指令，通過(guò)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)與負(fù)荷指令回路間的接口，接收修正后的壓力指令或機(jī)組負(fù)荷指令進(jìn)行調(diào)整。
2.5 輔機(jī)故障快速降負(fù)荷回路
在較高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組，若發(fā)生輔機(jī)跳閘，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)入RUNBACK工況，調(diào)整燃料輸送，降低負(fù)荷，轉(zhuǎn)入機(jī)主控模式(TF模式)，使機(jī)組保持低負(fù)荷。該電廠的空氣預(yù)熱器、給水、引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)和磨煤機(jī)等都具備RUNBACK功能。
2.5.1 RUNBCAK激活。根據(jù)裝置最大可能出力和鍋爐指令反饋，實(shí)行小選運(yùn)算，減去1%，求值。經(jīng)限速后，與最大可能出力比較大小，如果限速后的輸出值比最大可能出力大，則會(huì)激活RUNBACK動(dòng)作。
2.5.2 RUNBACK復(fù)位。復(fù)位方式包括手動(dòng)復(fù)位與自動(dòng)復(fù)位。其中，手動(dòng)復(fù)位條件為觸發(fā)RUNBACK后，實(shí)際壓力與汽壓設(shè)定值的偏差<1MPa時(shí)，工作人員進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位;自動(dòng)復(fù)位則需滿(mǎn)足兩點(diǎn)，一是爐膛內(nèi)無(wú)火，二是負(fù)荷接近RUNBACK時(shí)計(jì)算負(fù)荷的最大值。
2.6 電網(wǎng)調(diào)頻回路
汽輪機(jī)通過(guò)DEH(汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng))改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，響應(yīng)電網(wǎng)頻率差，發(fā)出指令信號(hào)，通過(guò)MCS(調(diào)制與編碼策略)接受信號(hào)，改變?nèi)剂稀�風(fēng)、水供給量，克服汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥變化產(chǎn)生的氣壓偏差。同時(shí)加入調(diào)頻作用，解決符合要求動(dòng)作反向與一次調(diào)頻的問(wèn)題，要注意DEH需要處于限壓控制方式，方能投入到一次調(diào)頻中。
2.7 熱值修正回路
熱值修正的基準(zhǔn)信號(hào)為鍋爐負(fù)荷與電負(fù)荷的偏差值，該回路主要作用于給煤機(jī)，當(dāng)燃料(煤種)產(chǎn)生變化，給煤機(jī)接受熱值修正發(fā)生的信號(hào)，調(diào)整轉(zhuǎn)速改變?nèi)剂瞎┙o量，確保機(jī)組功率保持不變。該電廠5號(hào)爐還采用了壓力PID來(lái)進(jìn)行熱值校正。
3 結(jié)語(yǔ)
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)電能的需求越來(lái)越大，燃煤電廠的發(fā)電機(jī)組需要適應(yīng)不斷增強(qiáng)的運(yùn)行負(fù)荷，這種情況下對(duì)控制管理系統(tǒng)提出了更加嚴(yán)格的要求。集控運(yùn)行當(dāng)中的核心——DCS系統(tǒng)改變了燃煤電廠的生產(chǎn)管理模式，實(shí)現(xiàn)集中管理和分布式過(guò)程控制;CCS系統(tǒng)將鍋爐、汽輪機(jī)看作一個(gè)生產(chǎn)整體，進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使鍋爐與汽輪機(jī)當(dāng)中的能量傳輸保持平衡，響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的變化，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行�；�于此，可以將DCS系統(tǒng)與CCS系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，使CCS系統(tǒng)集成到DCS系統(tǒng)當(dāng)中，基于DCS的分布式過(guò)程控制功能，統(tǒng)和鍋爐與汽輪機(jī)，實(shí)現(xiàn)集中管理和協(xié)調(diào)控制，確保機(jī)組的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，為我國(guó)的電力事業(yè)作出貢獻(xiàn)。