哈爾濱第三發(fā)電有限責(zé)任公司2臺(tái)國(guó)產(chǎn)600MW燃煤機(jī)組主設(shè)備有:HG-2008/18.2-YM2型單爐膛、單汽包、強(qiáng)制循環(huán)、懸吊式鍋爐，N600-16.7/537/537-I型亞臨界、中間再熱、單軸、四缸、四排汽冷凝式汽輪機(jī)，QFSN-600-2YH型三相隱極式同步交流發(fā)電機(jī)，分別由哈爾濱鍋爐廠、哈爾濱汽輪機(jī)廠和哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)。熱控系統(tǒng)中分散控制系統(tǒng)（DCS）采用美國(guó)Baily公司Infi一90系統(tǒng)，數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）采用上海新華公司DEH-ⅢA系統(tǒng)。2臺(tái)機(jī)組分別于1996年1月28日和1999年11月30日通過168h試運(yùn)后轉(zhuǎn)入商業(yè)運(yùn)行。投產(chǎn)后，通過對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題的分析與解決，使2臺(tái)600MW燃煤機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）得到了根本性的完善，全廠自動(dòng)化總體水平得到了很大提高。
　　
　　一、CCS主控系統(tǒng)簡(jiǎn)述
　　
　　CCS主控系統(tǒng)是將功率偏差（功率給定值—實(shí)發(fā)功率）和機(jī)前壓力偏差（機(jī)前壓力給定值一機(jī)前壓力）同
　　
　　時(shí)送到汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器和鍋爐調(diào)節(jié)器，在穩(wěn)定工況下實(shí)發(fā)功率等于功率給定值，機(jī)前壓力等于機(jī)前壓力給定值加負(fù)荷時(shí)，功率偏差為正值，通過汽機(jī)調(diào)節(jié)器開大調(diào)節(jié)閥，增加實(shí)發(fā)功率;通過鍋爐調(diào)節(jié)器使燃料量增加，增加蒸汽量，增加實(shí)發(fā)功率。當(dāng)調(diào)節(jié)閥開大時(shí)會(huì)立即引起機(jī)前壓力下降，盡管此時(shí)鍋爐已經(jīng)開始增加燃料量，但機(jī)前壓力對(duì)燃料的響應(yīng)有一定的慣性，這時(shí)機(jī)前壓力偏差也為正值，作用于鍋爐調(diào)節(jié)器繼續(xù)增加燃料量，作用于汽機(jī)調(diào)節(jié)器，力圖使機(jī)前壓力恢復(fù)到主壓力給定值，要求關(guān)小調(diào)節(jié)閥。協(xié)調(diào)控制結(jié)果會(huì)使調(diào)節(jié)閥開大到一定程度后停止，隨著燃料量的增加，機(jī)前壓力逐漸恢復(fù)，這時(shí)機(jī)組實(shí)發(fā)功率還沒有達(dá)到功率給定值，功率偏差為正值作用于汽機(jī)調(diào)節(jié)器使調(diào)節(jié)閥繼續(xù)開大，增加實(shí)發(fā)功率，直到實(shí)發(fā)功率與機(jī)前壓力都與其給定值相等，機(jī)組達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)[1]。
　　
　　由于單元機(jī)組容量的增大，簡(jiǎn)單的協(xié)調(diào)控制方式已不能滿足大機(jī)組的控制要求。隨著電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化水平的提高，對(duì)單元機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)能力、參與電網(wǎng)調(diào)頻能力提出了更高的要求，現(xiàn)在東北電網(wǎng)與華北電網(wǎng)及東北電網(wǎng)內(nèi)部，均實(shí)行區(qū)域聯(lián)絡(luò)線控制。自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）是電網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行聯(lián)絡(luò)線調(diào)整的有力手段，是保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的需要，為此單元制大機(jī)組AGC必須投入，調(diào)度指令經(jīng)電氣遠(yuǎn)動(dòng)裝置接入CCS主控系統(tǒng)。
　　
　　二、關(guān)鍵問題的分析與解決
　　
　　2.1固定的負(fù)荷變化率無(wú)法滿足電網(wǎng)對(duì)大機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)性能越來(lái)越高的要求
　　
　　從電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性考慮，一般應(yīng)由效率較高的大機(jī)組承擔(dān)基本負(fù)荷，而由效率較低的小機(jī)組調(diào)頻、調(diào)峰。但是，電力工業(yè)發(fā)展到今天，網(wǎng)上大機(jī)組比例越來(lái)越大，電網(wǎng)對(duì)大機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)性能及參與電網(wǎng)一次調(diào)頻能力提出了更高的要求。目前AGC的投入效果就是衡量大機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)性能及自動(dòng)化水平的一項(xiàng)指標(biāo)，在調(diào)度自動(dòng)控制狀態(tài)送給大機(jī)組的AGC指令有時(shí)波動(dòng)的頻率及幅度都很大。原設(shè)計(jì)CCS是由機(jī)組操作員設(shè)定的負(fù)荷變化率，控制功率給定值按升/降負(fù)荷變化率趨向負(fù)荷目標(biāo)值，負(fù)荷變化速率是固定不變的。采用這種控制方式機(jī)組無(wú)法滿足電網(wǎng)要求。為了解決這一問題，采用了自適應(yīng)控制手段，用負(fù)荷目標(biāo)值與功率給定值的差值為自變量，在0～6OMW差值之間取20個(gè)點(diǎn)為自變量做一條光滑的函數(shù)曲線，用這個(gè)函數(shù)值作為機(jī)組操作員設(shè)定的負(fù)荷變化率的修正系數(shù)，該系數(shù)為0.333～3，即可自適應(yīng)地將機(jī)組操作員設(shè)定負(fù)荷變化率從它的0.333倍連續(xù)地調(diào)到3倍，這樣在負(fù)荷目標(biāo)值與功率給定值的差值較大時(shí)，可將負(fù)荷變化率放大，讓功率給定值快速跟上負(fù)荷目標(biāo)值，快速加減負(fù)荷。在功率給定值接近負(fù)荷目標(biāo)值時(shí)，減小負(fù)荷變化率，使其緩慢地接近負(fù)荷目標(biāo)值。通過自動(dòng)調(diào)整負(fù)荷變化率，既可以保證在負(fù)荷變化初期快速響應(yīng)電網(wǎng)對(duì)負(fù)荷的要求，又可保證準(zhǔn)確達(dá)到目標(biāo)值，防止超調(diào)和波動(dòng)，取得了良好的控制效果。圖1為負(fù)荷變化率自適應(yīng)控制原理。　　
　　2.2啟動(dòng)制粉系統(tǒng)時(shí)鍋爐熱負(fù)荷純遲延過大，影響機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定性
　　
　　哈爾濱第三發(fā)電有限責(zé)任公司600MW機(jī)組設(shè)計(jì)了6套直吹式制粉系統(tǒng)，正常運(yùn)行5套，1套備用。啟動(dòng)1套制粉系統(tǒng)時(shí)，首先是先啟動(dòng)磨煤機(jī)，通熱一次風(fēng)暖磨，條件允許后啟動(dòng)給煤機(jī)直接帶初始煤量運(yùn)行，給煤率為17t/h。若在協(xié)調(diào)控制方式下，進(jìn)入鍋爐的總煤量相當(dāng)于突然增加一個(gè)17t/h的煤量階躍擾動(dòng)，這時(shí)其他投自動(dòng)的制粉系統(tǒng)要克服這一擾動(dòng)，平均減煤，使總煤量減去17t/h來(lái)達(dá)到平衡狀態(tài)，消除內(nèi)擾。然后，再按外回路功率定值的改變來(lái)調(diào)節(jié)。但剛啟動(dòng)的制粉系統(tǒng)，原煤要經(jīng)給煤機(jī)送到磨煤機(jī)，在磨煤機(jī)里磨成煤粉，滿足出粉條件后，煤粉才能被吹到爐膛燃燒。從啟動(dòng)給煤機(jī)到鍋爐熱負(fù)荷有變化，純遲延的時(shí)間有3～6min。但其他制粉系統(tǒng)已經(jīng)減少了17t/h的總煤量，致使鍋爐熱負(fù)荷迅速下降、機(jī)前壓力下降、負(fù)荷下跌，3～6min后才能開始恢復(fù)。嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成煤量超調(diào)，機(jī)前壓力與負(fù)荷波動(dòng)過大。
　　
　　為解決這一問題，實(shí)測(cè)出A、B、C、D、E、F各套制粉系統(tǒng)的純遲延時(shí)間分別為5、3.5、3、4、4、6min，經(jīng)計(jì)算分析得出了在啟動(dòng)制粉系統(tǒng)帶初始煤量（17t/h）時(shí)鍋爐熱負(fù)荷的響應(yīng)屬于純遲延、有自平衡能力的階躍響應(yīng)，設(shè)計(jì)了一套修正函數(shù)對(duì)初始煤量進(jìn)行線性處理，使問題得到了解決。即啟動(dòng)制粉系統(tǒng)帶初始煤量時(shí)，在純遲延時(shí)間內(nèi)，投自動(dòng)的制粉系統(tǒng)給煤率不變;在延遲時(shí)間過后，初始煤量對(duì)鍋爐熱負(fù)荷開始有影響，送入鍋爐的有效煤量按函數(shù)修正后的煤量計(jì)算。由于啟動(dòng)一套制粉系統(tǒng)對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的擾動(dòng)得到了有效的控制，基本消除機(jī)前壓力和負(fù)荷大幅度波動(dòng)。
　　
　　2.3發(fā)生快速減負(fù)荷時(shí)按給定速率甩負(fù)荷，容易破壞鍋爐燃燒的穩(wěn)定性
　　
　　哈爾濱第三發(fā)電有限責(zé)任公司600MW機(jī)組CCS設(shè)計(jì)了7項(xiàng)快速減負(fù)荷（RunBack）功能，即送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、給水泵、爐水泵、閉式水泵、給煤機(jī)等主要輔機(jī)故障跳閘后，為了防止機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)由于調(diào)節(jié)不及時(shí)而越限，或鍋爐燃燒不穩(wěn)而造成保護(hù)動(dòng)作、機(jī)組跳閘事故的發(fā)生，在CCS主控系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了1套R(shí)unBack功能。根據(jù)機(jī)、爐特性，設(shè)置了不同輔機(jī)故障跳閘后RunBack減負(fù)荷速率和zui終可標(biāo)值，同時(shí)聯(lián)鎖啟/停相應(yīng)的輔機(jī)及系統(tǒng)。按給定速率減負(fù)荷處理RunBack事故時(shí)，投自動(dòng)的制粉系統(tǒng)要平均減煤。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，制粉系統(tǒng)快速減負(fù)荷，對(duì)制粉系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和鍋爐的穩(wěn)定燃燒影響很大。機(jī)組試生產(chǎn)期間，試投RunBack做甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，曾因此發(fā)生過2次制粉系統(tǒng)跳閘。
　　
　　為解決以上問題，達(dá)到既快速減負(fù)荷，又能確保鍋爐穩(wěn)定燃燒，采用自上而下跳煤層，功率定值跟蹤實(shí)發(fā)功率的控制方式。當(dāng)發(fā)生RunBack時(shí)，如果運(yùn)行的制粉系統(tǒng)多于3套，先跳掉zui上層制粉系統(tǒng)，延時(shí)10s，再跳掉上數(shù)第二層制粉系統(tǒng)。以此方式，每隔10s從上而下跳掉一層制粉系統(tǒng)，zui后保留下三層制粉系統(tǒng)運(yùn)行。此時(shí)功率定值跟蹤實(shí)發(fā)功率的下降而下降，一直達(dá)到下限值400MW后，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)恢復(fù)正?？刂?。
　　
　　2.4側(cè)重機(jī)跟爐或爐跟機(jī)方式的CCS主控系統(tǒng)負(fù)荷適應(yīng)能力差或機(jī)前壓力波動(dòng)大
　　
　　單元機(jī)組控制目標(biāo)的本質(zhì)是保持能量轉(zhuǎn)換過程順利進(jìn)行，保證能量轉(zhuǎn)換過程各環(huán)節(jié)能量流的供需平衡，把單元機(jī)組簡(jiǎn)化為一個(gè)具有雙輸入雙輸出的被控對(duì)象[2]。機(jī)組的能量輸出（實(shí)發(fā)功率Ne）和機(jī)前壓力片為被控量，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開度構(gòu)和能量輸入（燃料量B）為控制量。原常規(guī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是以機(jī)跟爐或爐跟機(jī)方式為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。以爐跟機(jī)為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，將機(jī)前壓力偏差信號(hào)引入了汽機(jī)調(diào)節(jié)器，當(dāng)機(jī)前壓力的波動(dòng)超過非線性調(diào)節(jié)的死區(qū)時(shí)，機(jī)前壓力偏差直接作用于汽機(jī)調(diào)節(jié)閥，通過閥門控制機(jī)前壓力波動(dòng)，這種方式負(fù)荷適應(yīng)性好，但機(jī)前壓力波動(dòng)大。以機(jī)跟爐為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，將功率偏差信號(hào)上下限幅非線性處理后直接作用于汽機(jī)調(diào)節(jié)閥，這種控制方式機(jī)前壓力控制效果好，但負(fù)荷適應(yīng)性能差。要想提高負(fù)荷適應(yīng)能力，就得犧牲機(jī)前壓力的穩(wěn)定性。從能量流動(dòng)和轉(zhuǎn)換的角度深入研究鍋爐、汽機(jī)和電網(wǎng)負(fù)荷之間能量供需的內(nèi)在特性，從能量角度看，爐跟機(jī)方式代表了"按需分配"，以滿足能量需求為控制目標(biāo)，需要多少能量就提供多少能量。機(jī)跟爐方式代表了"按供分配"，以不超過能量供應(yīng)能力為控制目標(biāo)，能供多少能量就供多少能量。由于機(jī)爐能量轉(zhuǎn)換快慢程度不同，爐跟機(jī)方式主要矛盾是能量供應(yīng)不足表現(xiàn)為機(jī)前壓力波動(dòng)大。機(jī)跟爐方式主要矛盾是能量供應(yīng)緩慢，表現(xiàn)為負(fù)荷適應(yīng)能力差。基于以上分析，問題的關(guān)鍵是尋找一個(gè)能量供需的平衡點(diǎn)，以解決能量供需的矛盾。
　　
　　圖2為柔性控制策略原理，圖中KT1為引入汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器功率偏差信號(hào)通道增益，KT2為引入汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器機(jī)前壓力偏差信號(hào)通道增益，KB1為引入鍋爐調(diào)節(jié)器的功率偏差信號(hào)通道增益，KB2為引入鍋爐調(diào)節(jié)器的機(jī)前壓力偏差信號(hào)通道增益。經(jīng)分析:取KT1=KB2=0,KT2=KBl=1，則為機(jī)跟爐控制方式;取KT1=KB2=1，KT2=KBl=0，則為爐跟機(jī)控制方式。當(dāng)KT1和KB2、KT2和KB1在0-1之間取值，就決定了機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是爐跟機(jī)為主還是機(jī)跟爐為主。進(jìn)一步分析，取KT1=KB2=α、KT2=KB1=l-α,α=0時(shí)為機(jī)跟爐控制方式，α=1時(shí)為爐跟機(jī)控制方式。α在O-1之間取值，就決定了機(jī)組協(xié)調(diào)控制是爐跟機(jī)為主還是機(jī)跟爐為主?？梢?，一個(gè)簡(jiǎn)單的參數(shù)α就決定了機(jī)組的運(yùn)行特性。當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)能量供應(yīng)不足時(shí)，α值需要增大，爐跟機(jī)功能的比重加大，而機(jī)跟爐功能的比重減小，即增加了能量供應(yīng)為控制目標(biāo)的比重，緩解了能量供應(yīng)不足的矛盾;同理，當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)能量需求不足時(shí),α值需要減小，爐跟機(jī)功能的比重減小，機(jī)跟爐功能的比重增大，即增加了能量需求為控制目標(biāo)的比重，緩解了能量需求不足的矛盾。這里可稱α為能量供需協(xié)調(diào)度。調(diào)整α值，可使機(jī)組達(dá)到能量供需平衡點(diǎn)，既減小機(jī)前壓力波動(dòng)，又提高負(fù)荷適應(yīng)性能。這個(gè)點(diǎn)是柔性控制的*點(diǎn)。根據(jù)機(jī)組特性找到合適的α值，可取得*運(yùn)行效果。　　
　　基于以上分析，采用柔性控制理論完善了哈爾濱第三發(fā)電有限責(zé)任公司2臺(tái)600MW機(jī)組協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)。
　　
　　通過不斷調(diào)整，得到理想的柔性控制參數(shù)α值分別為0.76和0.8，采用柔性控制策略后，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)得到了很大的提高。
　　
　　三、結(jié)論
　　
　　2臺(tái)600MW機(jī)組解決了幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題后，DCS各套自動(dòng)控制系統(tǒng)都得到了不斷的完善，尤其是600MW機(jī)組中主要的自動(dòng)控制系統(tǒng)一CCS的主控系統(tǒng)，在基本控制方式、機(jī)跟爐控制方式、爐跟機(jī)控制方式實(shí)現(xiàn)側(cè)重于機(jī)跟爐或爐跟機(jī)的協(xié)調(diào)控制方式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)TGC以及定壓/滑壓方式自動(dòng)切換運(yùn)行和RunBack功能。提高了全廠自動(dòng)化水平，也為同類機(jī)組提供了參考，為更好地應(yīng)用自動(dòng)控制理論解決實(shí)際問題提供新的思路。