基于高背压改造后的汽轮机综合控制策略研究与应用
国能中卫热电有限公司
一、项目案例基本信息
二、项目案例详细内容
1.项目案例简介
根据中卫市中心城区“十三五”房屋建筑增长量及“十四五”期间住房发展 规划等，至2025年，集中供热入网面积预期达1900万平米。为提高电厂供热能力，增加集中供热面积，降低供热煤耗，中卫热电厂于2022年对#1机组实施高 背压改造。
高背压改造后，机组背压与报警线之间的安全裕度变小，更易出现背压超限， 须加以预防；其次改造后机组热力特性改变，原DCS 机炉协调控制逻辑及参数、 汽轮机蒸汽控制方式(DEH 阀门管理高调控制、主蒸汽压力控制策略)无法满 足运行经济、稳定性要求；最后高背压运行导致做功特性改变，机组在实现相同 电功率变化时，需更大主蒸汽流量变化，这恶化了机组AGC 、 一次调频的跟踪 调节性能，增加了锅炉调节负担，加剧主蒸压和主汽温等热力参数波动。
本课题围绕中卫热电公司350MW 超临界空冷机组高背压改造后的大协调控 制策略等问题开展研究，分析机组改造后的真实特性，结合机组冬、夏差异性制 定运行控制策略并优化DCS 协调控制逻辑、参数，具体包括：背压模糊控制保 护、基于滑压修正的一次调频优化、基于精准前馈的AGC 优化以及基于主蒸汽 流量的配汽滑压优化等，从而达到机组的稳定、高效运行，具有重大示范意义。
2.主要创新点概述
1)基于高背压改造后运行条件下的高背压保护逻辑设计。
2)基于高背压改造下变工况修正的一次调频优化。
3)基于高背压改造下的AGC 相关优化。
4)基于高背压改造下的机组配汽滑压特性优化
3.技术实现路径及方法
1)基于背压安全裕度的背压保护模糊控制
基于背压安全裕度对背压进行模糊控制保护的目的是为了防止因外界环境 温度改变、调峰运行、供热变工况等情况而出现背压超限，进而保障机组在高背 压改造后的安全运行。该控制系统通过定义背压安全裕度来构建偏差量，以高调 门作为执行机构，通过改变进汽量使得被控对象背压可以始终处于安全运行范围，如图1所示。
图1技术路线
具体包括：
背压安全裕度。将机组运行负荷下所对应的背压保护曲线中报警线上的报警 背压与机组运行背压的差值定义为背压安全裕度，用公式表示如下：
Rs=PA-PB
式中，Rs 为安全裕度，P 和PB分别为背压保护曲线中报警线上的报警背压与机 组运行背压。如图2所示：1)当背压保护安全裕度大于等于0,则机组背压运 行在绝对安全区域；2)若背压保护裕度小于0,则机组背压运行在临界安全区 或停机线之外的危险区域，汽轮机调节系统给出调节负荷的指令使机组运行到安 全区域。
图2背压保护安全裕度的定义示意图
背压保护模糊控制规则。当安全裕度小于0时，调节系统须给出调节指令使 #1机组运行到安全区域，加/减负荷量是一个待确定量。本项目采用模糊控制方 法来确定加减负荷量，控制规则如下：
1)R₅≥0时，#1机组处于安全区，此时#1机组按照负荷控制指令正常运行。
2)R₅<0时，#1机组须优先考虑背压保护控制，进行如下调节：
a.根据经验先下达#1机组负荷减小的指令：
此时，若安全裕度随时间的变化率大于时，说明安全裕度随时间的变化速率为正，即#1机组运行正逐渐接近安全区域，应继续下达#1机组 减小负荷的指令。
反之，若安全裕度随时间的变化率小于 时，说明安全裕度随时间变化越来越远离安全区，此时应将减负荷指令改成增负荷指令。
b.当安全裕度恢复至大于等于零区间时，说明#1机组已经恢复至安全区或者 临界安全区，此时#1机组按照负荷控制指令正常运行，不需进行背压保护控制。
据此设置模糊规则为：
式中，N 表示负荷，t 为时间，表示加减负荷的斜率， R 表示背压保护裕度。如图3所示，当汽轮机运行在停机线和报警线之间时，若是在临界安全点 2的左下侧，则要加负荷到临界安全点处；若是在临界安全点1的右上侧，则要 减负荷到临界安全点1。
图3基于安全裕度的背压保护模糊控制策略示意图
2)高背压条件下基于滑压曲线修正的一次调频优化
为了保证机组在150MW 以下区间内的一次调频合格率，对机组在全负荷段 内进行一次调频改造。修改实际负荷和一次调频到阀位指令的逻辑参数，使得在 频率修正指令在DCS 侧能直接作用于综合阀位指令，进而提高机组一次调频速率。
图4滑压调频修正逻辑修改示意图
针对深调工况低主汽压的运行特点，引入变工况滑压调频修正，如图4所示。 使调频修正指令在深调工况下对综合阀位指令的作用增强；同时加快低负荷工况 汽机主控调节速率。优化后的逻辑参数如表1所示。
高背压条件下基于精准前馈的AGC优化
火电机组典型控制逻辑如图3所示，当负荷指令变化时，发电机发电量与实 际负荷指令存在偏差，汽机主控通过调整汽机调门调整进入汽机的蒸汽量，从而 调节汽机做功量，进而控制发电机的发电量与负荷指令相符合。在这个过程中， 图中1点和2点产生偏差后，需要通过汽机主控调节调门开度信号3,进而调节4点的蒸汽量，调门开度变化后，5点的压力会发生变化，与设定压力存在差 异后通过PID 调整进入锅炉的煤量，进而调整锅炉中的热量来调整压力。该过 程中，通过锅炉主控调节锅炉压力的速度较慢，为了提高锅炉的响应速度，负荷 指令的前馈具有超前调节的作用，当负荷指令发生变化后，快速根据负荷调节锅炉煤量，从而提高锅炉侧的响应速度。同时，锅炉主控PID根据压力的偏差情 况进行给煤量的精细调节，进一步使得锅炉压力跟随设定的主汽压力。
在机组进行高背压供热改造后，机组的运行特性与改造前发生变化。为了提高改造后机组控制系统参数的适应程度，提高机组的AGC 跟踪速率，需要进行机组AGC 参数的精准前馈改造。
图5火电机组的控制典型逻辑图
机组AGC 精准前馈改造方案的典型改造内容如下：
锅炉主控静态前馈改造内容如图6所示，模块位置如图7所示。进行机组高 背压供热改造后，锅炉的静态前馈与实际运行过程中总煤量指令的总体走势偏离。 根据实际数据对该静态前馈进行修改的前馈函数如图中紫色折线所示。
图6锅炉主控静态前馈改造示意图
图7锅炉主控静态前馈函数位置图
锅炉总风量的静态前馈改造内容如图8所示，模块位置如图9所示。改造前 的总风量静态前馈函数与实际数据的走势偏离，抑制了变负荷过程中风量的动态 调节速度。对该静态前馈函数进行修改后的结果如图中紫色折线所示，修改后的总风量静态前馈函数符合实际总风量随锅炉指令的变化趋势。
图8锅炉总风量静态前馈改造示意图
图9锅炉指令-总风量静态前馈位置
对总煤量指令-主给水流量运行关系曲线及静态前馈数据进行分析发现，PID 和手操器的输出上限为200,输出下限为-200。其中输出下限-200不能完全满足 调节范围需要，将输出下限从-200改为-220,如图10所示，模块位置如图11所示。
图10给水控制PID 上下限改造
图11过热度控制-给水逻辑图
高背压条件下基于主汽流量修正的配汽滑压优化
配汽参数方面：
目前，国家能源集团宁夏中卫热电公司#1机组的调门开启顺序为 #1+#2→#4→#3的开启规律，因机组高背压改造后机组特性变以及机组检修后长 时间未进行阀门规律曲线进行过优化，导致阀门计算流量与实际流量存在偏差， 进而导致部分负荷曲线阀门流量特性曲线线性度较差，影响机组的运行调节稳定性，所以，进行了流量特性曲线优化试验。
根据历史数据的理论分析和现场调门特性试验的论证，设计了机组新的调门 开启规律曲线，通过本次优化提高高背压改造后机组安全性、调节稳定性，有利 于AGC、 一次调频考核动作。
根据 DEH 程序的流程，阀门综合流量经过4个顺序阀函数块后输出顺序阀 配汽规律的阀门开度。因此，本项目的配汽优化改造是通过对DEH 程序中阀门 管理页的顺序阀函数的修改来实现的。具体修改参数如表4、表5所示：
图12中卫热电厂#1机组配汽规律曲线优化前后对比图
如图12所示，机组优化前后的阀门规律曲线的设计区别较大，主要原因为当年优化后的阀门规律曲线已不适用于高背压改造后的特性状态，需重新设计整定。
滑压参数方面：
中卫热电1号机原为空冷机组冬、夏季背压变化较大，后经高背压改造后机组背压进一步偏离原本设计参数，另外，本机组工业抽汽、采暖抽汽供热结构较 为复杂。考虑以上背压、抽汽变化对负荷出力影响较大，原以负荷为自变量的滑压运行曲线存在一定缺陷，负荷与压力的滑压关系未考虑背压及抽汽变化对负荷 出力的影响，当背压或抽汽变化影响机组的负荷做功时，负荷对应的压力曲线将偏离最佳经济点，因此目前的滑压曲线已经不能满足经济性滑压的需求。为了提高机组的滑压运行经济性，需研究出1号机组最优滑压运行曲线的直接影响因素，设计符合机组自身特性的滑压运行曲线。
基于理论计算模型，通过试验数据对机组主蒸汽压力和相应的试验热耗值进行曲线拟合，确定每一个主蒸汽流量下的最优滑压值，并设计出最优的滑压运行曲线。为更好的结合厂内需求及操作习惯，对1号机组设计两条滑压运行曲线。
方案一：以负荷为自变量的最优滑压运行曲线，本曲线经试验数据计算后为理论最优化滑压运行曲线，与原曲线对比可以看到200MW工况以上压力有所提高，有利于机组高负荷运行经济性，如图13所示。
方案二：以主蒸汽流量为自变量的滑压曲线，本条曲线主要考虑高背压改造后背压变化对机组带负荷能力的影响，进而影响机组滑压曲线经济性的偏离。由图可以看到滑压曲线在808.5 T/H多增设了一个拐点，原因为机组实际运行过程中，此区间压力偏高，因此，与厂内现场人员交流此区间压力放缓，以便于更好 的适用于机组运行应用，如图14所示。
负荷与主汽压力的滑压运行曲线
图13 以负荷为自变量的优化滑压曲线设计规律
主蒸汽流量与主汽压力的滑压运行曲线
表7新滑压曲线函数块参数(流量与主蒸汽压力)
图14 以主蒸汽流量为自变量的优化滑压曲线设计规律
4.应用情况及可推广前景简述
机组高背压运行条件下高背压保护改造效果
为验证保护策略可行性，本项目设置了仿真试验，仿真条件为：当背压超过 42KPa 时立即调节高调阀以改变排汽量，实现背压保护控制。从仿真结果可以看 出，调节效果较为理想，如图15、如图16所示。
图15背压控制仿真结果
图16排汽量控制仿真结果
对实际运行数据(2023年2月)进行分析，如图17、图18所示，机组在运 行时背压始终处于报警线以下，暂未出现背压超限情况。
图17 实际运行中功率
图18实际运行中功率-背压散点图
基于滑压曲线修正的一次调频优化改造效果
火电机组的一次频率控制是指当电力系统的频率偏离预设的死区频率范围 时，发电机组的转速控制系统自动做出调整，通过改变机组的有功功率输出，使 频率恢复到死区范围内。
改造后，#1机组的一次调频动作情况如图19所示。通过对比考核结果和改 造前的基准性能数据，统计了系统在稳态和动态性能方面的提升幅度。改造前后 一次调频考核结果如表8所示，可以看出，2023年6月份机组一次调频合格率 为57%,不满足考核指标。改造后，同年9月份机组一次调频合格率为73%, 整体提升16%。证明了调频逻辑和参数调整对火电机组主控制系统性能的显著改善效果。
图19 改造后#1机组一次调频动作过程
基于精准前馈的AGC 优化改造效果
如图20所示展示了优化后的效果。可以发现，实发功率与AGC 指令几乎 重合，说明目前的控制策略已经能够非常快速和准确地响应AGC 指令，进而满 足电网的调度需求。主汽压力与设定值曲线趋势基本一致，其偏差基本保持在±2 的范围内，说明修改后的控制逻辑精度较高，稳定性较好。其余温度参数的波动 范围大幅度缩小，也验证了所提出的优化策略的有效性。
图20改造后#1机AGC控制效果
经计算，本次改造前后的性能指标对比如表9所示，1的提高意味着机组 调节速率接近标准速率，2的提高说明机组对AGC 指令的响应时间更快，3 的提高表明机组的实际输出与AGC 指令之间的偏差小，K 值整体比改造前更高， 从量化的角度证明了优化方案的可靠性。
基于主蒸汽流量修正的配汽滑压优化改造效果
通过配汽及优化改造效果
安全性方面：
A.解决了原流量特性曲线的线性偏差问题，优化后，流量曲线线性度得到 明显改善，计算流量与实际流量吻合度较好，如图21、图22所示。消除了机组 在变负荷过程中由于流量特性曲线线性度较差引起的负荷大幅摆动现象，降低调门磨损，减小了波动范围，大大加强了机组运行安全性；
B.优化后，机组的单/顺序阀切换性能良好，切换过程中较为平稳，基本实 现了无扰切换，提升了机组运行稳定性；
图2 1#1机组优化改造前的流量特性曲线
图2 2#1机组优化改造后的流量特性曲线
经济性方面：
1)根据滑压经济计算对比，得到优化后机组在滑压负荷点区间的热耗率综 合下降了30.8KJ/KW.h, 折合降低发电煤耗1.232 g/kwh, 按照机组降低发电煤耗 1.2g/KW.h, 年利用5000小时计算，机组年节煤量约1*1.2g/KWh*250MW*5000
小时=1500吨标煤，每吨标煤按800元计算，折合人民币约为120万元；
2)通过机组整机协调控制逻辑优化，由原机组考核数十万元经优化考核综 合汇算变为整体处于盈利状态，满足了电网《两个细则》考核要求。
推广前景
国内高背压供热及通流改造机组较多，但现阶段对高背压改造后的安全高效
运行方面研究较少，目前节能减排依然是电厂重点方向。随着电力体制改革，面 对国家日益严格的节能减排要求，火力发电企业越来越关注发电机组的节能减耗 和发电成本的降低，并且风电光伏等新能源电力的并网发电，对“两个细则”较 为严格，这对机组的运行及控制方式等提出了更高的要求，原出厂设计的控制策 略已经无法满足机组调峰运行经济性、安全性及调节稳定性的需求，因此研究更 加经济的运行方式对机组节能降耗及安全高效经济性具有较大的市场前景。
5、经济效益及社会效益情况 直接经济效益：
1)根据滑压经济计算对比，得到优化后机组在滑压负荷点区间的热耗率综 合下降了30.8KJ/KW.h, 折合降低发电煤耗1.232 g/kwh, 按照机组降低发电煤耗 1.2g/KW.h, 年利用5000 小时计算，机组年节煤量约1*1.2g/KWh*250MW*5000
小时=1500吨标煤，每吨标煤按800元计算，折合人民币约为120万元；
2)通过对比考核结果和改造前的基准性能数据，统计了系统在稳态和动态 性能方面的提升幅度。2023年6月份#1机组一次调频合格率为57%,不满足考 核指标。改造后，同年9月份#1机组一次调频合格率为73%,整体提升16%。
间接经济效益：
1)稳定性高---机组整体动作平稳，各主要参数波动均处于正常范围之内。
2)通过阀门配汽优化，消除了机组在变负荷过程中由于流量特性曲线线性 度较差引起的负荷大幅摆动现象，降低调门磨损，减小了波动范围，减少了机组 检修次数；
社会效益：
本项目成果验收后，拟在集团内电厂机组中推广项目成果，无论是新建机组 或是在役机组改造，都能够实现更高水平运行优化、控制优化、节能优化等，全 面推进集团公司智能发电建设。进一步，在集团外燃煤机组推动成果应用，拓展 集团内外、国内外市场，提升集团市场份额和竞争力。
6.项目案例获专利及奖励情况：
专利《考虑变工沉修正的火电机组一次调频参数优化方法》
论文《基于前馈控制优化和PID 变参数改造的热电 AGC 优化控制研究》、 《基于负荷区间分析的火电机组一次调频优化研究》。
京公网安备 11011502004515号 
