摘要：基于预测控制下的超超临界机组负荷灵活性调节系统采用智能控制及预测控制等先进的控制技术，结合机组的特点，提出 660MW 超临界机组深度调峰的智能预测控制策略，通过仿真试验和现场投运试验相结合，不断完善相关的控制方案。应用先进的智能控制手段确保机组深度调峰的智能预测协调控制系统长时间投入运行。与此同时，为了使机组更好的适应当下深度调峰需求，从设备改造和运行优化方面积极探索尝试，总结出了一套软硬件同步优化升级的成功案例。

关键词：深度调峰 预测协调控制 智能预测 汽轮机末叶喷涂 发电机定转子改造

1 机组简介

某电厂4*660MW 超超临界燃煤发电机组主机配置分别为： 哈尔滨锅炉厂有限责任公司生产制造，由三菱重工业株式会社提供技术支持的超超临界参数变压运行直流锅炉。锅炉型号：HG-2000/26.15-YM3。型式为 П 型布置、一次中间再热、单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构，燃用烟煤。锅炉为四墙切圆燃烧方式，采用改进型低NOx 主燃烧器和MACT 型低NOx 分级送风燃烧系统。汽轮机为哈尔滨汽轮机厂有限责任公司制造的超超临界、一次中间再热、单轴、三缸、四排汽、高中压合缸、反动凝汽式汽轮机，型号是 CCLN660-25/600/600，机组采用合作制造方式。发电机为哈尔滨电机厂制造的 QFSN-660-2 型三相交流隐极式同步汽轮发电机，采用水、氢、氢冷却方式，定子绕组为直接水冷，定、转子铁芯及转子绕组为氢气冷却。

2 深度调峰中存在的问题

2.1 控制系统

我厂 3 号机组 AGC 控制策略采用负荷指令前馈 +PID 反馈的调节方案，逻辑设计原理为：尽可能的将整个控制系统整定成开环调节的方式，反馈调节仅起小幅度的调节作用。这种方案对于煤种多变、机组控制及测量设备不精确、运行参数经常与设计参数存在较大偏差的机组，控制效果明显变差。

机组 AGC 控制问题主要包括：消除扰动能力差，易出现参数大幅波动及调节振荡情况，负荷升降速率低，煤种变化对控制系统影响大，正常 AGC 调节中燃料和给水等控制量波动大，机组运行经济性差。主要体现在：1、负荷控制：变负荷率虽然设定为 11MW/min ，但负荷跟踪性能较差，每月的AGC 精度考核、速率考核量很大。2、主汽压力控制：主汽压力波动明显，在负荷小幅变化时始终存在 0.5MPa 以上的压力偏差，在负荷大幅变化时压力偏差接近 0.8MPa 。3、主汽温度控制：控制性能较差，有时需要运行人员解除自动进行人工干预，存在大幅度的低温现象，最大温度偏差超过 20^∘C 。4、SCR 脱硝控制：脱硝自动调节效果很差，在机组负荷和入口 NOx 浓度变化不大的情况下 NOx 含量最大达 164mg/Nm3，最小为 19.5mg/Nm3，不但存在超标的风险，同时喷氨量过大也容易造成空预器堵塞，影响机组的安全运行。

2.2 运行控制

锅炉稳燃、引风机失速、小机汽源切换、受热面超温、凝汽器真空高、锅炉掉焦等也将是必须面临和需要解决的一系列问题。

2.3 汽轮机

2.3.1 汽轮机超低负荷运行主要风险分析

汽轮机在超低负荷工况运行时，最直观的表现为循环参数与设计值发生较大偏离，会造成汽轮机本体状态（运行参数、胀差、轴系、阀门、汽封等）及热力系统状态均与设计状态出现一定的差异性，给汽轮机经济稳定运行造成一定的影响。更为严重的影响在于由于超低负荷工况下汽轮机排汽容积流量较小，将直接导致末两级叶片的运行风险和寿命损耗增加，易引起末两级动叶片水蚀率增大、动应力增大，较高背压时还会因叶片鼓风出现排汽温度升高等问题，严重影响汽轮机运行安全性。

2.3.2 水蚀风险

叶片长时间在低负荷工况下运行，叶片根部的脱流和叶片顶部的涡流汽流中夹带的水滴随蒸汽倒流冲刷叶片，使叶片根、顶部水蚀严重。

2.3.3 鼓风问题

在较低负荷高背压运行工况下，低压叶片根部做负功，类似鼓风机运行，而且叶片越长，鼓风效应越大。鼓风效应引起排汽温度升高，材料强度等级下降、叶片频率发生变化、轴承温度超标等问题，对叶片安全性和机组振动不利。

1.3.4 动应力风险

机组低负荷高背压运行时，蒸汽流量下降，导致流场不稳定，使汽流从叶片表面脱落产生聚集现象，形成倒流涡流区，涡流引发不规律的汽流激振，使叶片出现动应力“突增现象”，根据理论计算，此时的动应力比设计工况要大约 5～10 倍，如果不对叶片动应力水平加以限制的话，会严重影响叶片的安全运行。

由于汽轮机在低负荷运行时并非低压缸零出力的极小排汽容积流量运行，末两级叶片运行环境比切缸状态更为恶劣，因此保证末两级叶片的安全性极其重要。

2.4 发电机

2.4.1 深度调峰对定子线圈的影响

在深度变负荷运行下，定子线圈与铁心本身材质不同，随机组负荷变化升降温速率也不尽相同，造成两者之间铜铁膨胀差也不一致，这一轴向上的变形，需要依靠线圈自身的形变或者线圈与铁心的相对滑移来消除。因此线圈在槽内随负荷反复与铁心发生相对滑移，易导致槽内线圈发生松动。定子绕组电流的变化也会引起相互间电磁力的改变，进而导致绕组振动变化，线圈槽楔松动，特别是在定子绕组端部支撑结构部位和线圈槽口处产生松动和磨损。

定子线圈由内部的铜线和外部包覆的绝缘材料组成，两种材料热膨胀系数差别很大。在负荷深调的变负荷循环方式运行，绝缘材料与铜导体之间都会形成很大的剪切应力，严重时将导致二者间的联接破坏。频繁的膨胀和收缩应力将使得铜导体表面的环氧云母绝缘发生分层或脱壳，除了会降低绝缘材料的热传导率外，还极易在铜导体与主绝缘之间的 空隙中发生局部放电，降低绝缘材料的性能。调峰时发电机铁心受周期性热应力和交变电磁场影响，可能发生振动超标。发电机定子铁心内有交变电磁场通过，产生交变电动力，会有基频振动和倍频振动，加上外部运行方式引起的谐振，容易导致铁心松动，铁心振动幅值加大。

2.4.2 深度调峰对转子的影响

负荷调节时，转子铜线（热源）与转轴（温度低）存在铜铁胀差，产生相对转轴的热胀冷缩。此外，转子绕组要承受高速旋转 的离心力、幅值变化较大的启、停应力以及膨胀收缩力的作用，会使转子铜线产生蠕变，使得转子铜线，特别是转子端部顶匝线圈的铜线容易因应力蠕变而发生变形。进而可能发展成匝间短路，严重时还会导致包间短路。绕组变形常伴随有槽绝缘磨损、匝间短路、绕组接地等。

对于绕组直接冷却的转子，当绕组变形量较大时，会引起绕组通风孔错位甚至堵塞，绕组局部严重过热。当这种过热引起转子质量严重不平衡时，还会使得转子振动加大。转子线圈绝缘老化：线圈的热胀和收缩造成铜线与绝缘之间的磨损。发电机转子若经常性盘车，会因为转轴扰度的变化导致线圈间、线圈与绝缘和槽楔间的磨损加剧。长期调峰运行还会加剧转子端部磨损产生铜粉。转子中严重的铜粉尘会产生电流通路而引起转子绕组匝间短路或接地故障。

频繁起停机、反复通过临界转速、并网等加大了对转轴的机械损耗，低周疲劳应力可能造成转子金属结构件上裂纹的产生和扩大。对于转子齿部、应力集中区域，护环和风扇柄等承受应力较大的部件，在正常离心应力上叠加低周应力，会加速材料的疲劳，缩短使用寿命。对于经常调峰运行的机组来说，机内氢气湿度不达标的风险更大，更容易造成一些承受应力较大的部件产生裂纹，影响发电机的安全稳定运行。

3 深读调峰应对措施

3.1 控制系统优化改造

基于预测控制下的超超临界机组负荷灵活性调节系统采用预测控制技术作为机组闭环控制的核心环节，在前馈+反馈的控制模式的基础上，应用解决大滞后对象控制问题的预测控制技术，取代原有的 PID 控制。

调节系统内部采用竞争型的神经网络学习算法来实时校正机组运行中与控制系统密切相关的各种特性参数（包括燃料热值、汽耗率、机组滑压曲线、中间点温度设定曲线、制粉系统惯性时间等），并根据这些特性参数实时计算 AGC 控制系统的前馈和反馈回路中的各项控制参数，使得整个系统始终处于在线学习的状态，控制性能不断向最优目标逼近。常规的前馈控制一经整定后，其前馈量是固定不变的。系统内智能前馈将根据机组的实际运行状况，及系统中各特性参数的变化趋势来决定所加的前馈量，确保在各种工况下均有最合适的前馈量。

采用智能预测算法，一方面根据机组当前 AGC 指令、实发功率、电网频率等参数实时预测“调度EMS 系统 AGC 指令”在未来时刻的变化趋势；另一方面根据机组的燃料量、风量、给水流量等参数实时预测表征锅炉做功能力的“锅炉热功率信号”在未来时刻的变化值，并依据这两者间的匹配程度来修正锅炉指令的变化量。

采用自适应 SMITH 控制技术、状态变量控制技术及相位补偿技术融于一体，对再热汽温被控对象的大滞后特性进行动态补偿，有效减小补偿后再热汽温广义被控对象的滞后和惯性，而后以广义预测控制器作为反馈调节器、以模糊智能控制作为控制系统的前馈，通过对多种大滞后控制策略的有效组合，成功地实现了以烟气挡板调节为主、事故喷水调节为辅的再热汽温自动控制，有效减少再热汽温的喷水流量。

选用西门子 PLC 为硬件平台，通过 modbus 通讯方式作为一个扩展 DPU 融入到 DCS 系统中。DCS 原有控制逻辑完全保留，仅增加少量切换逻辑，运行人员可以方便地在新旧系统间进行无扰切换，提高优化控制系统的调试效率和机组运行的安全性。

3.2 汽轮机应对措施

3.2.1 末级叶片表面抗水蚀喷涂处理

对本项目涉及的末级叶片进行抗水蚀喷涂处理，主要采用工艺方法：喷砂粗化处理+超音速火焰（HVOF）喷涂 558.074 抗水蚀涂层+后处理，抗水蚀涂层喷涂工序如下，涂层性能详见表1。

3.2.2 低压缸正反向温度监测

设置末两级叶片温度测点，分别用于监测末级、次末级叶片区域温度，连锁喷水系统投入逻辑确保叶片工作温度处于频率、应力安全区。

3.2.3 运行背压控制

为避免汽轮机运行过程中随调峰负荷降低带来末级叶片排汽容积流量进入末级叶片动应力激增区间的情况出现，需要对汽轮机深度调峰负荷区间运行背压进行较为严格的控制，后续提供低负荷运行背压限制曲线。

3.3 发电机应对措施

3.3.1 发电机定子线圈改造

改造后线圈采用立式焊接的水盒可实现钎焊焊缝 100% 可检、可探，从根源上杜绝泄漏。装配式柔性连接片结构，安全可靠，并适应上下层线圈两者升温或降温的速率不完全一致而形成的不均匀的热膨胀差。

3.3.2 发电机定子槽楔改造

提升槽内径向整体弹性和支撑性，可彻底解决深度调峰灵活性运行导致槽楔松动问题。

3.2.3 发电机转子调峰适应性改造

转子护环绝缘瓦的绝缘强度更高和滑移性更好。转子槽衬和楔下垫条滑移层材料升级，进一步提高端部整体滑移顺畅性。使用燃机机组的高性能、高可靠性粘接胶对端弧位匝间绝缘进行粘接，提高绝缘可靠性。端部挡风板采用高强度铝合金横向风区挡板，增强结构限位，提高可靠性，降低绝缘板磨损风险。

4 结语

随着机组工况和煤种的变化，火电机组被控对象的动态特性已变得越来越差，过程的滞后和惯性已变得越来越大，对象非线性和时变性的特征也越来越明显，尤其在当前电网对 AGC 性能指标的逐渐提高的背景下，常规的采用负荷指令前馈+PID 反馈的调节系统控制方案，已很难协调好控制系统快速性和稳定性之间的矛盾。

基于预测控制下的超超临界机组负荷灵活性调节系统应用融合预测控制、神经网络控制和自适应控制等技术，解决火电机组实际控制难题，提出了现代火电机组协调控制的先进解决方案，确保了大型火电机组的安全、稳定及高效运行，为应用先进的现代控制技术来解决火电机组疑难控制问题提供了一个有潜力的发展方向。

在对机组控制系统和运行调整优化的基础上，为了使机组主副设备更好的匹配深度调峰，适应机组工况短时间内急剧变化带来的冲击，机组硬件部分同样需要不断地改进和创新，使机组在恶劣的运行工况项也能够安全稳定的运行。

参考文献

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