背压机组协调控制策略分析

王飞  冯寅起  彭飞

摘要:本文介绍了背压机组的控制方式及其协调控制策略。根据不同的运行方式和需求，背压机组可以采用按电负荷或按热负荷进行工作。对于按电负荷工作的背压机组，其供热量取决于电负荷的要求，可以采用AGC指令进行负荷调节。对于按热负荷工作的背压机组，可以采用以供热量为目标的热负荷控制策略。实际运行中，需要综合考虑电负荷和热负荷的特性，并结合运行环境进行灵活调整，以实现机组的自动控制，减轻运行人员的工作负担，并提高机组运行的稳定性。

关键词：背压机组、协调控制策略、AGC指令、热负荷控制策略。

    前言

燃机热电联产是一种高效的能源利用方式，它通过发电和供热两种方式实现了燃料最大限度利用。现有的燃气-蒸汽联合循环机组采用先进的燃烧技术和废气处理系统，使得二氧化碳、氮氧化物和颗粒物等方面的排放相比传统的燃煤发电都大幅减少。在供热负荷稳定，供热量大的地区，采用背压式汽轮机的燃气-蒸汽联合循环机组（以下简称背压机组）供热可以更加充分利用蒸汽余热，提高能源的利用效率。

一、背压机组的控制方式介绍

背压机组通常有两种运行方式，一种是按电负荷进行工作，另一种是按热负荷进行工作。根据不同的运行方式，对机组的协调控制要求也不尽相同。

按电负荷工作的背压机组通常与其它热源共同向热用户供热。热用户所需要的蒸汽除了由背压机组提供外，还有其他汽源。如：抽凝式供热机组、低压锅炉或锅炉高压蒸汽经减温减压器等方案。背压机组供给热用户的蒸汽量取决于电负荷的要求，供汽量的变化由其他汽源加以补偿。此种工况一般适用于热网用汽量高于单台背压机组的最大供热量。在协调控制逻辑中，背压机组可采用接受省调AGC指令接带负荷。

大多数情况下，背压机组是按热负荷特性进行工作的。这时通过汽轮机的蒸汽量随热负荷变化而变化，机组功率由热负荷决定。电网负荷平衡需要由并列运行的其他机组来承担。

二、背压机组的电负荷控制策略

某热电联产项目燃气轮机采用安萨尔多AE64.3A型重型燃机。余热锅炉采用杭州锅炉股份有限公司生产的双压、无补燃、卧式、自然循环余热锅炉。汽轮机采用上海汽轮机厂制造的单缸、单轴、反动式、背压式汽轮机，型号：LB11-6.2/1.4/562.5。机组额定供热压力1.4MPa(a)，额定供热温度340℃，额定供热量120t/h。

调试期间，机组采用了电负荷协调控制策略，如图一、图二。为了满足背压机组最大负荷时蒸汽排放，在热网支管网设置了对空排放点。电负荷控制时，负荷指令只作用于燃机侧。省调AGC指令经过限幅和速率限制后，引入一次调频负荷分量，在扣除汽轮机实际功率后形成燃机负荷指令。此控制方式下，汽轮机调门根据预设的滑压曲线调节主汽压力。

图一：主汽调门控制逻辑图（调主汽压）    图二：燃机负荷控制逻辑（AGC控制）

三、背压机组的热负荷控制策略

机组正式投产后，此项目的热网用热需求量约为60～100t/h。采用AGC负荷控制时，背压机组供热量无法与热网用量相匹配。运行人员通常解除AGC负荷自动控制，手动设定机组负荷指令，以此满足热网需求。此种运行方式一方面增加了运行人员的工作负担，另一方面热网管道也存在压力波动大的问题。在现有的供热量下，背压机组采用了电负荷控制已不能满足运行要求，需要按热负荷特性进行工作，据此设计出了以供热量为目标的热负荷控制策略。

图三、图四为此项目以供热量为目标的控制逻辑图。机组运行中，供热压力变化代表了供热量平衡关系。汽机主控调节供热压力，根据供热压力设定值与实际值的偏差，经PID运算形成汽机调门开度指令，快速响应热网对供热量的需求。主汽压力变化代表了机组能量平衡关系。汽机调门动作，主汽压力随之变化，此时由燃机主控调节主汽压力，形成燃机负荷指令。为了提高机组的响应速度和稳定性，采用供热流量作为燃机负荷的前馈指令，用于补偿系统惯性和滞后。考虑环境因素影响，在逻辑设计中考虑了不同季节的燃机出力，可由运行人员进行切换。此控制逻辑可以满足机组运行自动控制，减轻运行人员工作负担，同时提高机组运行的稳定性。控制逻辑图如下：

图三：主汽调门控制逻辑图（调供热压力）      图四：燃机负荷控制逻辑（供热量控制）

调节回路中最重要的部分是汽轮机供热量经F（X）函数变换后生成的燃机负荷指令，用于燃机负荷前馈控制。它代表不同供热流量下对燃机负荷的要求。供热量—负荷函数F（X）初期可以采用主机厂提供的热平图进行计算。根据不同负荷下对应的供热流量，拟合出供热流量—负荷曲线。随着机组老化，此曲线可以根据实际数据予以修正。因燃机负荷随环境温度不同变化较大，逻辑中分别设定了春秋季工况、夏季工况和冬季工况的F（X）函数，由运行人员根据实际环境温度进行切换，F（X）设定值见下表。

表一：供热流量-燃机负荷函数关系表

春秋季工况F1(X)		夏季工况F2(X)		冬季工况F3(X)
供热量(t/h)	燃机负荷(MW)	供热量(t/h)	燃机负荷(MW)	供热量(t/h)	燃机负荷(MW)
10.00	23.20	10.00	20.60	10.00	24.40
20.00	23.20	20.00	20.60	20.00	24.40
30.00	23.20	30.00	20.60	30.00	24.40
40.00	23.20	40.00	20.60	40.00	24.40
50.00	23.20	50.00	20.60	50.00	24.40
60.00	23.20	60.00	20.60	60.00	24.40
66.17	23.20	64.80	20.60	65.71	24.40
85.44	39.10	83.69	34.80	86.14	41.10
103.50	58.90	100.90	52.40	104.45	61.80
123.35	78.60	119.51	70.00	124.27	82.50

四、结语

总的来说，在背压机组的控制方面，根据不同的运行方式和需求，可以采用不同的控制策略。

对于按电负荷工作的背压机组，通常与其他热源共同向热用户供热，其供热量取决于电负荷的要求。在协调控制中，背压机组可以接受省调AGC指令进行负荷调节。

对于按热负荷工作的背压机组，通过汽轮机的蒸汽量随热负荷变化而变化，机组功率由热负荷决定。在此种情况下，可以采用以供热量为目标的热负荷控制策略。

背压机组的两种协调控制策略需要综合考虑电负荷和热负荷的特性，并结合运行环境进行灵活调整。这样可以实现机组的自动控制，减轻运行人员的工作负担，并提高机组运行的稳定性。

参考文献：

[1]靳允立，於国良.燃气-蒸汽联合循环机组控制策略分析[J].热力发电，2015(06):25-30

[2]王天.燃气-蒸汽联合循环机组的先进控制策略研究[D].华北电力大学（北京），2018