试论基于燃煤电厂集控运行和机组协调控制的研究

　　1 集控运行与机组协调控制
　　1.1 集控运行
　　燃煤电厂集控运行的核心在于集散控制系统(Dis⁃tributed Control System，DCS)，该系统的关键在于集中管理和分散控制。从系统构成来看，主要分为3个层级，上位综合管理层、中间集中操作监控层和下位现场分布式控制层。DCS系统的应用使得燃煤电厂的生产管理出现了新的模式，进一步推动了我国电力生产领域的自动化进程。
　　从图1可以看出，实现燃煤电厂集控运行与机组协调控制的关键就在于下位现场分布式控制层。分布式控制的功能就是针对分散的过程对象实现每个单元机组的协调控制，并通过网络通信连接集控中心实现集中的管理、操作和监控。每一个现场控制单元与整套DCS系统有着联系但相对独立，在上级设备通信终端或上级设备出现故障的情况下，依然能够独立控制单元内控制对象的正常运行，可靠性高。
　　1.2 机组协调控制
　　锅炉和汽轮机是燃煤电厂发电机组的重要组成部分，二者与发电机共同组成一个发电单元(生产整体)。而实现机组控制的关键是要解决机组功率的自动调节，即发电单元适应外界电网负荷的需要。这就涉及到锅炉与汽轮机的调节能力。锅炉和汽轮机在调节能力方面存在较大的差异。就电网来看，调节机组负荷需要快速的响应，而就机组运行来看，则需要在保证机组稳定、安全、可靠的前提下进行快速调节。但锅炉反应慢，热惯性大，汽轮机则反应快、惯性小。在快速调节负荷时，汽轮机调节阀进行快速调整会使机前压力产生较大波动，进而影响锅炉使其炉内压力不稳，影响机组的稳定性、安全性。集控运行及机组协调控制可以很好地解决快速负荷调节当中锅炉和汽轮机的矛盾。
　　而实现机组控制的关键是要解决机组功率的自动调节，即发电单元适应外界电网负荷的需要。这就涉及到锅炉与汽轮机的调节能力。锅炉和汽轮机在调节能力方面存在较大的差异。就电网来看，调节机组负荷需要快速的响应，而就机组运行来看，则需要在保证机组稳定、安全、可靠的前提下进行快速调节。但锅炉反应慢，热惯性大，汽轮机则反应快、惯性小。在快速调节负荷时，汽轮机调节阀进行快速调整会使机前压力产生较大波动，进而影响锅炉使其炉内压力不稳，影响机组的稳定性、安全性。集控运行及机组协调控制可以很好地解决快速负荷调节当中锅炉和汽轮机的矛盾。
　　CCS-BF方式，比较常用，锅炉和汽轮机的子系统同步参与，调节锅炉汽压、汽轮机功率，可加入电网调频也可加入AGC(自动发电量控制)。
　　CCS-TF方式，机炉各自的子系统同步参与，汽轮机子系统主调节汽压、锅炉子系统调节功率。不加入电网调频，调度所也无法直接调节机组负荷，只能由机组运行人员调节给定功率，输出功率跟随给定功率的变化而变化，直到保持等值。
　　机组协调控制系统的重要性。机组协调控制系统对于机组的安全、稳定、经济运行有着重要的作用，其重要性主要表现在以下几点。
　　其一，提高机组运行安全性。将锅炉和汽轮机看作一个生产整体，达到同步协调控制，可使操作准确，运行参数变化小，确保机组稳定运行。若汽轮机或锅炉局部发生异常掉线时，自动转入基础调节方式即TF或BF方式(汽轮机主控或锅炉主控)，防止故障扩大，十分便于工作人员检修排除故障。采用负荷变化率控制机组的负荷调节，避免出现过快的负荷变化而产生过高的热应力，确保机组使用寿命，监控保护功能相对较为完善。
　　其二，机组对负荷的响应速度提高，机组状态正常且允许的情况下，采用协调控制，能够极大地改善机组负荷响应能力，降低负荷跟踪延迟，实现快速的负荷跟踪。其三，机组效率提高。协调控制系统使燃料、水、风等随着机组的变化在较高效率下运转，高质量地调节质量，使机组组成部分的运行参数保持平衡，可起到节能的作用。
　　2 机组协调控制的应用
　　某电厂二期工程机组选型为SG3091/27.56-M54X型21 000MW直流塔式锅炉，配100%BMCR高旁、65%BM⁃CR低旁。21 000MW的N1000-26.25/600/600(TC4F)反动凝气式汽轮机。THDF125/67 发电机，配无刷励磁系统。其协调控制系统基于CCS-BF协调控制方式，机组负荷由汽轮机控制，汽压由锅炉主控，达到快速响应的需求。但在实际运行中基于CCS-BF的方式，与主汽压等相关的运行参数有较大波动，燃料、水、风的供给随锅炉主控的基本值运转，使主汽压产生变化，这代表了汽轮机和锅炉在能量上的不平衡。因此，还需要根据压力差对燃料、风、水的供给进行细微调整。该CCS系统主要功能如下。
　　2.1 负荷设定回路
　　根据RUNBACK计算和上下限限制，运行人员设定负荷指令，包括升降负荷速率定额、上下限定额及负荷指令增减闭锁等。经运算后将负荷指令发送至汽轮机、锅炉主控回路，加入AGC，自动接受电网调频指令。
　　2.2 汽压设定回路
　　根据负荷指令折算获得主汽压，运行人员手动偏置，经增减速率限制、惯性环节等计算，发送至汽轮机、锅炉等主控回路，目前提供滑压运行设定值，该值为负荷的函数(f x)。
　　2.3 汽轮机主控
　　机组负荷指令为汽轮机主控指令，锅炉的响应存在一定的延迟及蓄热补偿，需要对汽轮机的响应进行适当的延缓处理，防止汽压出现大幅波动。一般针对负荷指令，通过增加压力拉回、惯性等来进行修正。
　　2.4 锅炉主控
　　燃料、风、水装置接收锅炉主控指令，通过锅炉燃烧控制系统与负荷指令回路间的接口，接收修正后的压力指令或机组负荷指令进行调整。
　　2.5 辅机故障快速降负荷回路
　　在较高负荷状态下运行的机组，若发生辅机跳闸，系统将转入RUNBACK工况，调整燃料输送，降低负荷，转入机主控模式(TF模式)，使机组保持低负荷。该电厂的空气预热器、给水、引风机、送风机和磨煤机等都具备RUNBACK功能。
　　2.5.1 RUNBCAK激活。根据装置最大可能出力和锅炉指令反馈，实行小选运算，减去1%，求值。经限速后，与最大可能出力比较大小，如果限速后的输出值比最大可能出力大，则会激活RUNBACK动作。
　　2.5.2 RUNBACK复位。复位方式包括手动复位与自动复位。其中，手动复位条件为触发RUNBACK后，实际压力与汽压设定值的偏差1MPa时，工作人员进行手动复位;自动复位则需满足两点，一是炉膛内无火，二是负荷接近RUNBACK时计算负荷的最大值。
　　2.6 电网调频回路
　　汽轮机通过DEH(汽轮机数字电液控制系统)改变调节阀开度，响应电网频率差，发出指令信号，通过MCS(调制与编码策略)接受信号，改变燃料、风、水供给量，克服汽轮机调节阀变化产生的气压偏差。同时加入调频作用，解决符合要求动作反向与一次调频的问题，要注意DEH需要处于限压控制方式，方能投入到一次调频中。
　　2.7 热值修正回路
　　热值修正的基准信号为锅炉负荷与电负荷的偏差值，该回路主要作用于给煤机，当燃料(煤种)产生变化，给煤机接受热值修正发生的信号，调整转速改变燃料供给量，确保机组功率保持不变。该电厂5号炉还采用了压力PID来进行热值校正。
　　3 结语
　　随着经济的发展，对电能的需求越来越大，燃煤电厂的发电机组需要适应不断增强的运行负荷，这种情况下对控制管理系统提出了更加严格的要求。集控运行当中的核心DCS系统改变了燃煤电厂的生产管理模式，实现集中管理和分布式过程控制;CCS系统将锅炉、汽轮机看作一个生产整体，进行协调控制，使锅炉与汽轮机当中的能量传输保持平衡，响应电网负荷的变化，实现机组的安全稳定运行。基于此，可以将DCS系统与CCS系统结合起来，使CCS系统集成到DCS系统当中，基于DCS的分布式过程控制功能，统和锅炉与汽轮机，实现集中管理和协调控制，确保机组的安全、稳定、可靠运行，为我国的电力事业作出贡献。