300 MW 亚临界机组协调控制系统建模与仿真

崔 锐， 孙 锐

（北京源深节能技术有限责任公司，北京 100142）

0 引言

电力行业是国民经济发展的基础行业，随着我国经济的快速发展，带动了电力行业突飞猛进的发展。随着电网容量的不断增大，电网对供电质量的要求也越来越高，电厂不仅要根据电网负荷需求指令和电网的频率偏差参加电网调峰、调频，同时又要保证机组本身安全稳定地运行，这主要是通过电网的自动发电控制AGC（Autometic Generation Control） 和一次调频控制来实现。机组AGC 功能的正常投入是以机组协调控制系统具有良好控制品质为基础的。AGC 功能的Kp 指标越大电网的调度就越频繁，当Kp 指标排名靠后时电网就会进行相应的考核，因此如何优化机组的Kp值就成为电厂关注的重点。本文根据机理建模和数据拟合的方法，以山西某电厂300 MW 亚临界机组为研究对象，并结合直接能量平衡原理，利用MATLAB/Simulink 平台搭建了仿真模型，通过实际数据验证，仿真模型的输出与机组实际运行数据能够很好地吻合，模型的精度比较高。最后又通过仿真模型进行分散控制系统DCS（distributed control system） 组态，机组优化后主汽压力、汽包水位能够满足动态运行指标，且AGC 功能的Kp 指标省内名列前茅。

1 机组控制系统建模

传统的300～600 MW 直吹式制粉系统汽包锅炉单元机组模型可以简化为一双入双出的模型，模型输入为锅炉燃料量和汽机调门开度，输出为机组负荷和主汽压力。汽包水位在正常范围运行时，具有调节工质能量失配的能力，维持主汽温在合理的范围之内。机组在参与调频或者煤质发生波动时，主汽压力和汽包水位会发生波动，使系统的各项控制指标变差。为了解决这一问题，就需要把机组负荷—主汽压力—汽包水位当作一个整体进行研究。

1.1 系统模型

参考文献 [1]描述的负荷—主汽压力—汽包水位简化的非线性模型如下

式中，rm为进入磨煤机的实际煤量，kg/s；μB为锅炉燃料量，kg/s；τ 为纯迟延，s；Tf为制粉系统惯性时间，s；rB为锅炉燃烧率，kg/s；Cb为锅炉蓄热系数，MJ/MPa；pd为汽包压力，MPa；μw为给水流量，kg/s；γT为主蒸汽流量，kg/s；Tt为汽轮机惯性时间，s；Ne为机组负荷，MW；pt为主蒸汽压力，MPa；Md为汽包容积系数，kg/m；ld为汽包水位，m；μT为汽轮机调门开度，%；

以山西某电厂300 MW 亚临界机组为研究对象，根据机组设计数据和扰动试验数据，得到最终的模型如下

1.2 直接能量平衡

从能量平衡的观点出发，将协调控制系统分为直接能量平衡DEB（direct energy balance）和间接能量平衡系统IEB（indirect energy balance）两大类。通过构造能量平衡信号，并以此直接控制能量输入的系统，称为直接能量平衡系统。DEB 是指锅炉的热量释放应该与机组的能力需求相平衡[2-3]。因此，DEB 控制系统将能量平衡信号和热量信号直接引入锅炉燃料调节器。

2 机组控制系统仿真建模

2.1 模型建立

利用MATLAB/Simulink 平台，搭建了基于直接能量平衡控制系统的单元机组协调控制系统模型[6-7]，锅炉主控方面采用比例—积分—微分PID（proportion integration differentiation） 控制器，汽机主控采用比例—积分PI（proportion integration）控制器，主汽压力采用滑压运行的方式，汽包水位控制采用串级三冲量控制。

基于直属能量平衡控制系统的仿真模型，为了更好地平衡汽机能量需求和锅炉热量信号，对调节级压力进行了修正。在汽机主控中，还设计有压力拉回功能，防止AGC 指令变化时为了快速响应负荷而引起主汽压力大幅波动，既能响应负荷的变化，又兼顾主汽压的稳定。从机组SIS 中导出数据，导入到仿真模型中，模型的输出和实际的运行数据一致，能够很好地用来研究机组的动态特性。模型输入数据为AGC 指令，水位设定值为-55 mm，仿真时间设置为86 400 s，仿真模型输出的负荷、主汽压力、水位与实际运行中的对比如图1～图3 所示。

从对比图中可以看出，仿真模型在趋势上能够很好地复现机组负荷、主汽压力，但是模型输出的水位与实际水位还存在一定的偏差，其原因主要是由于实际水位存在“虚假水位”，而且过热器、再热器的喷水减温也会对其造成一定的影响。

2.2 DCS 组态

图1 模型输出的负荷与实际负荷对比

图2 模型输出的主蒸汽压力与实际主蒸汽压力对比

图3 模型输出的汽包水位与实际水位对比

根据仿真模型，对山西某电厂机组协调控制系统进行了优化，将原来的直接指令平衡控制系统更改为直接能量平衡系统。优化后，实际主汽压力、水位运行曲线如图4～图5 所示。从图4 可以看出，机组运行时主汽压力能够与设定值很好地吻合，且偏差较小，满足动态指标在±0.6 MPa以内。从图5 可以看出，机组设定值为-55 mm，实际运行水位有所波动，但波动的范围在动态指标±50 mm 以内。

机组的Kp 值由调度给出，优化后平均值达到了4.0 以上，在山西省内机组排名中名列前茅。

3 结论

图4 实际主汽压力运行曲线

图5 实际水位运行曲线

根据机组简化非线性模型，利用MATLAB/Simulink 平台搭建的300 MW 亚临界汽包锅炉仿真模型，能够很好地模拟机组运行状态，可以用来指导机组协调控制参数的优化。根据仿真模型进行的DCS 组态优化，其主汽压力、水位动态指标均满足标准要求，Kp 值也有很大的提高，带来较大的利润收入。该模型可以进一步推广到600 MW 亚临界机组，通过机理建模和实际数据分析，建立符合实际的仿真模型用来指导机组控制系统的参数优化，具有很大的推广价值。