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 1、 方案背景與目標(biāo)

青島發(fā)電有限公司#2機(jī)組為額定功率320MW帶中間儲(chǔ)倉(cāng)制粉系統(tǒng)的火電機(jī)組。汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)美國(guó)西屋公司技術(shù)制造，原型號(hào)為N300-16.7/538/538型亞臨界、中間再熱式、高中壓合缸、雙缸雙排汽、單軸、冷凝式汽輪機(jī)，#2機(jī)組于2013年進(jìn)行了雙轉(zhuǎn)子互換高背壓抽汽供熱汽輪機(jī)改造，改造后型號(hào)為C(B)300-16.7/0.79/0.054/538/538，汽輪機(jī)具有八級(jí)非調(diào)整回?zé)岢槠渲?5%BMCR容量高、低壓兩級(jí)串聯(lián)啟動(dòng)旁路系統(tǒng)。機(jī)組分散控制系統(tǒng)（DCS）采用艾默生公司的Ovation系統(tǒng)。

2、 方案詳細(xì)介紹

青島發(fā)電有限公司與艾默生公司依托Ovation控制系統(tǒng)平臺(tái)，聯(lián)合開(kāi)展了320MW帶中間儲(chǔ)倉(cāng)制粉系統(tǒng)燃煤發(fā)電機(jī)組自動(dòng)優(yōu)化控制的技術(shù)開(kāi)發(fā)和工程實(shí)踐。

?   URO負(fù)荷響應(yīng)優(yōu)化整體解決方案

URO運(yùn)用Ovation控制系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制和過(guò)程模型改進(jìn)負(fù)荷響應(yīng)速率。其基本原理是運(yùn)用基于模型預(yù)測(cè)的多變量控制方式，采用前饋功能模型化、控制參數(shù)模糊化的作用，協(xié)調(diào)鍋爐和汽機(jī)動(dòng)態(tài)特性，以提高負(fù)荷響應(yīng)速度。它具有更快的響應(yīng)時(shí)間和更小的超調(diào)量，同時(shí)兼顧機(jī)組穩(wěn)定性。URO是對(duì)原策略的一種有益補(bǔ)充, 其控制原理如圖1所示。

圖1  URO控制原理圖

?   采用了基于模糊邏輯的多模型動(dòng)態(tài)建模方法

URO提出了應(yīng)用模糊邏輯進(jìn)行多模型動(dòng)態(tài)建模的控制策略。該策略的基本思想如下：在機(jī)組運(yùn)行的典型工況點(diǎn)（如60%，80%負(fù)荷）使用線(xiàn)性模型來(lái)設(shè)計(jì)局部控制器，使得機(jī)組負(fù)荷在該工況點(diǎn)附近小范圍變化時(shí)仍能滿(mǎn)足控制品質(zhì)的要求。完成局部控制器設(shè)計(jì)后，采用控制邏輯算法將這些局部控制器集成為一個(gè)能夠適應(yīng)機(jī)組大范圍變工況特性的全局的控制器。值得說(shuō)明的是，實(shí)際控制器的輸出等于這兩個(gè)工況點(diǎn)局部控制器的加權(quán)輸出，加權(quán)輸出算法是采用模糊隸屬度函數(shù)實(shí)現(xiàn)局部控制器的集成。這些權(quán)重的確定依賴(lài)于機(jī)組運(yùn)行的當(dāng)前工況點(diǎn)和采用的模糊隸屬度函數(shù)和相應(yīng)的模糊規(guī)則, 如圖2所示。

圖2  模糊邏輯的建模原理圖

這些模糊集合可以實(shí)現(xiàn)幾個(gè)工況點(diǎn)線(xiàn)性局部控制器在這些工況點(diǎn)之間大范圍變化時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)模型平滑地合成。該控制策略既考慮了在兩個(gè)典型工況點(diǎn)（如60%，80%負(fù)荷）的模型的精確性，又滿(mǎn)足了在這些工況點(diǎn)之間區(qū)域大范圍變化時(shí)模型的有效性。

對(duì)各個(gè)典型工況下進(jìn)行階躍試驗(yàn)，通過(guò)輸入、輸出曲線(xiàn)在幾負(fù)荷區(qū)域內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程建模。通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果獲取在典型工況下的系統(tǒng)模型，建立固定局部模型集。然后，用模糊邏輯（FUZZIFIER Algorithm）實(shí)現(xiàn)模型之間的切換（如圖3所示），以應(yīng)對(duì)負(fù)荷在大范圍變化過(guò)程的非線(xiàn)性特性。

圖3  通過(guò)模糊邏輯（FUZZIFIER Algorithm）實(shí)現(xiàn)多模型切換原理圖

?   采用基于外因輸入自回歸 (ARX) 的模型的主蒸汽壓力預(yù)測(cè)

華電青島發(fā)電有限公司#2機(jī)組URO方案采用以DEB為基礎(chǔ)，基于ARX模型的主蒸汽壓力預(yù)測(cè)，以修正主蒸汽壓力設(shè)定值；使用的模型都是由ARX算法實(shí)現(xiàn)的。分別通過(guò)燃料量階躍試驗(yàn)、負(fù)荷階躍試驗(yàn)建立主蒸汽壓力響應(yīng)特性，利用ARX算法構(gòu)建主蒸汽壓力的預(yù)測(cè)模型。

圖4  R模式下，升負(fù)荷過(guò)程中運(yùn)行曲線(xiàn)

圖5  R模式下，降負(fù)荷過(guò)程中運(yùn)行曲線(xiàn)

3、 代表性及推廣價(jià)值

高背壓熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可回收汽輪機(jī)排汽余熱，擴(kuò)大機(jī)組的供熱能力，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，是一次能源高效的能量轉(zhuǎn)換和利用方式，在我國(guó)北方地區(qū)清潔取暖方面發(fā)揮了十分重要的作用。針對(duì)高背壓供熱機(jī)組背壓式運(yùn)行，電熱負(fù)荷相互關(guān)聯(lián)，調(diào)峰能力受限的特點(diǎn)，提出了創(chuàng)造性的優(yōu)化控制解決方案，完成了華電青島發(fā)電有限公司#2帶中間儲(chǔ)倉(cāng)制粉系統(tǒng)燃煤機(jī)組AGC控制優(yōu)化調(diào)試改造。

華電青島發(fā)電有限公司#2機(jī)組使用URO & STO優(yōu)化后，系統(tǒng)均表現(xiàn)出良好的控制效果，不但大幅提高了機(jī)組的響應(yīng)速率和負(fù)荷控制精度，而且整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定，各個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行更平穩(wěn)，參數(shù)更優(yōu)良。不但提高了控制品質(zhì)，還為電廠業(yè)主帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

項(xiàng)目成果

?   經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)的優(yōu)化調(diào)試和變負(fù)荷過(guò)程的檢驗(yàn)，STO汽溫控制可以滿(mǎn)足在全負(fù)荷段、全程投入自動(dòng)化運(yùn)行。

?   鍋爐出口NOX控制可以滿(mǎn)足在全負(fù)荷段、全程投入自動(dòng)化運(yùn)行。

?   機(jī)組在快速連續(xù)變負(fù)荷時(shí)的機(jī)組性能夠滿(mǎn)足9.9MW/min的變負(fù)荷速率，汽溫、汽壓等各項(xiàng)參數(shù)均保持穩(wěn)定。

“320MW帶中間儲(chǔ)倉(cāng)制粉系統(tǒng)燃煤發(fā)電機(jī)組優(yōu)化系統(tǒng)”針對(duì)高背壓熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組自動(dòng)控制的技術(shù)難點(diǎn)，采取的基于URO高級(jí)算法的多模型動(dòng)態(tài)建模、以及基于外因輸入自回歸 (ARX) 的模型的主蒸汽壓力預(yù)測(cè)的創(chuàng)新技術(shù)，顯著提高了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組AGC響應(yīng)能力，響應(yīng)速率和響應(yīng)精度均滿(mǎn)足網(wǎng)調(diào)考核要求。整體技術(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，為推動(dòng)我國(guó)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組靈活性改造做出了重要貢獻(xiàn)和示范性作用。