超临界直流锅炉一次调频的优化控制策略研究

　　引 言

　　一次调频是指电网的频率一旦偏离额定值时，电网中发电机组的控制系统可根据电网频率变化方向自动地增减机组有功功率，抑制电网频率的变化，使电网频率维持在额定值的自动控制过程。即当电网频率降低时，一次调频功能要求机组利用其蓄热快速增加发电功率;反之，当电网频率升高时，则要求机组快速减功率。超临界机组常常由协调控制系统和汽轮机数字电液控制系统共同完成一次调频功能，这样既可保证一次调频的速度，又可保证机组参与一次调频的持续性[ 7 ]。

　　1 直流锅炉实现一次调频功能存在的问题

　　火电机组的一次调频功能是通过调节汽机高压调门，利用机组蓄热来快速响应电网频率变化。频率高时，关调门，提高主汽压力，增加机组蓄热;频率低时，开调门，降低主汽压力，释放机组蓄热。相对汽包锅炉而言，直流锅炉的蓄热能力很小，因此，超临界直流锅炉如何利用蓄热快速参与电网一次调频一直以来都是一个技术难题。

　　超临界直流锅炉的协调控制系统的负荷指令运算回路和亚临界机组基本相同，但主控系统锅炉侧控制策略与汽包炉差异较大[ 6 ]。对直流锅炉而言，当机组的负荷指令变化时，通常先改变锅炉的给水量和给煤量，待机前压力变化后再改变汽机的负荷指令，以达到改变机组的实发功率的目的。即采用以“汽机跟随( T F )”为基础的协调控制方式，采用这种运行方式，机组的负荷响应速度慢，调峰能力较差，不能满足电网调频的要求。若需使直流锅炉参加一次调频，就应充分利用其蓄热，协调好锅炉负荷指令与汽机负荷指令。但是，利用直流锅炉蓄热，必然会导致机前压力的波动，减少压力波动的办法是：一方面要适度利用蓄热;另一方面必须加快煤量及给水量的调节。因此，对于采用直吹式制粉系统的直流锅炉，由于锅炉的惯性和纯滞后较大，在负荷调节时，不仅需加快磨煤机一次风的流量调节，以吹出磨煤机中的少量存煤粉，加快锅炉的动态响应速度;而且，还需采用先进的内模控制技术来补偿锅炉的大惯性，协调好锅炉快速性与稳定性之间的矛盾。只有这样，才能协调好锅炉和汽轮机间的能量平衡，确保一次调频的投入[1]。

　　2 原控制方案不足及改进策略

　　汽机跟随(T F )方式的协调控制系统的控制策略如图1所示。

　　该方案以汽机调压，锅炉调功为主要特征。当机组升、降负荷时，先改变锅炉的给水量和给煤量，待锅炉的蒸汽流量发生变化后，再调整汽机调门的开度，改变机组的实发功率。这种方案的特点是机前压力的变化较小，但由于没有利用锅炉的蓄热，导致机组的负荷响应速度较慢。要使直流锅炉机组的负荷响应速度能满足一次调频的要求，就必须对T F 方式的协调控制系统进行优化调整，主要的优化调整在如下几个方面：①即使直流锅炉的蓄热能力较差，但利用直流锅炉的部分蓄热，是加快直流锅炉机组负荷响应速度的一个重要途径。②对基于T F 方式的协调控制系统，负荷的响应速度在很大程度上取决于锅炉侧的响应情况，锅炉的大滞后、大惯性是锅炉本身的特性，这是控制系统无法改变的。因此，加快锅炉侧响应速度的方法是：当机组负荷指令改变时，加快锅炉给水量和给煤量的动作速度，以弥补锅炉的惯性和滞后。但对大滞后的对象，若采用一般的P I D 控制方案，当给水量和给煤量动作速度加快时，会造成控制系统的不稳定，甚至会造成给水量和给煤量信号的反复振荡。为解决锅炉侧燃烧快速性与稳定性之间的矛盾 ，需采用先进的控制策略和控制方案。通过内模补偿控制策略以补偿锅炉的惯性，使补偿后的锅炉等效对象具有较好的动态特性，使等效对象具有较小的惯性和滞后。只有这样，才能在加快锅炉给水量和给煤量的动作速度时，仍能保证机组的稳定性，才能使机组在使用一定蓄能的前提下，仍保持机前压力相对稳定，满足安全、经济运行的要求[ 1 ]。改进后协调控制系统的方案如图2 所示。