INFIT系统在火电控制系统中的应用与对比

邹音卡，许亚军，常 青，陈建伟，吴 新，吴 争

（江苏省苏州望亭发电厂，江苏苏州 215155）

0 引言

随着电力系统 AGC（Automatic Generation Control，机组自动发电控制）水平的不断提升，不同区间的电力交换日渐复杂化。为保证电网的安全运行，提升供电质量，国家对机组的调频调峰操作提出了严格统一的速度、范围要求，对各发电机组的AGC运行控制提出了新的评价标准。2009年，华为电网首先发布《华北区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》和《华北区域发电厂并网运行管理实施细则》，以下简称“两个细则”。

电力系统的体系结构日渐变化，新能源发电促进了绿色社会的建设，也对电力系统的稳定性提出了新的要求。以太阳能、潮汐能、风能为例，其发电机组工作周期的间断性，导致电网系统发电功率的频繁变更与调整。面对这种情况，缺少较为成熟稳定的调控方案。目前，自动发电控制系统控制着不同种类发电机组之间负载的变更调节，如何进一步提升调节控制能力，降低系统内功率扰动问题有待深入的讨论与研究分析。

1 发电机组实时优化控制系统

1.1 研究意义

电力系统网络复杂度的不断提升，AGC出现的一些问题，导致电厂电能质量下降。复杂的用电情况要求AGC频繁地对机组下达发电功率变换指令，当负荷变更情况超出机组的受控范围时，CCS（Coordination Control System，机组协调控制系统）将失去有效的调控能力，对火电机组甚至整个电力系统造成重大安全隐患。因此，研究火电机组功率与电网频率的交互特性、AGC控制策略对于保障机组和电网的安全稳定运行具有重要意义。

火力发电机组全面实施“两个细则”规定措施的同时，会产生一定的考核波动。在现代电力系统中，将AGC性能指标和机组自身的CCS进行有机融合，对火电机组采用INFIT（英菲迪系统）实时优化控制系统，引入预测控制、模糊控制、神经网络控制等先进的控制思想和控制策略，以AGC指令为控制指令，以协调控制系统为基础，使CCS在满足AGC控制指令的基础上保证机组的稳定运行，从而提高机组的AGC性能指标，使机组具有较高的响应速度和精度，进一步完善系统内频率调节的应用效果，提高机组的运行效率、负荷跟踪速率以及安全稳定性。

1.2 国内外研究现状

国内的电力系统自动化控制起步较晚，AGC技术的推进坚持技贸相结合的原则，通过引进国际先进的电力能量控制平台及应用软件，促进国内区域电力系统的自动化水平，以达到国际先进控制水平。目前，国外已经基本实现了电网有功功率和调频的自动控制。

CCS的稳定运行是AGC有效实施的必要保障，根据AGC的控制思想，CCS控制器需要满足2个控制要求：提升机组的功率响应速率和保证机组的稳定运行[8-10]。不断复杂化的电力系统要求将AGC控制与CCS控制有效结合，兼顾系统的响应速度和稳定性，使电力系统更好的服务经济发展。

1.3 INFIT系统研究现状

INFIT控制系统由南京英纳维特自动化科技有限公司研发设计，针对发电机组中传统PID（Proportion Integral Derivative Regulating，比例积分调节）和前馈控制存在的负荷响应速率慢、机组参数波动幅度大、对不同煤种工况适应能力差的问题，引入预测控制、神经网络控制、自适应控制、模糊控制等先进控制算法来达到优化控制。

INFIT控制系统的设计结构和思路最早由吕剑虹提出，并进行了大量的理论研究和实验测试，已成功应用于近百台发电机组的控制系统，取得了较好的控制效果。INFIT系统得到了国内各大电力系统、电厂的认可，大量的科研仿真实验和应用实践证明了其可靠的运行效果和较佳的控制效果。

1.4 主要研究内容

INFIT系统在望亭发电厂3/4号机组中的应用。望亭电厂3号、4号机组的信息，在自动发电控制系统中存在的问题，以及引入INFIT系统后想要达到的效果，INFIT系统在机组的应用方法和流程。通过3号机组未优化和4号机组优化后、4号机组优化前后监控界面图对比，说明INFIT系统良好的控制优化效果。

2 望亭发电厂3/4号机组

望亭电厂初期工程竣工于1956年，位于江苏苏州，主要负责华东地区的电力输送和调频，几经扩建、改造，装机容量从最初的8.8万kW发展到274万kW。

望亭电厂3号机组于2009年竣工生产，4号机组于2010年竣工生产，锅炉额定容量2024 t，属于超超临界直流锅炉，定—滑—定运行模式，单炉膛四角切向燃烧，一次中间加热。锅炉的型号SG-2024/26.15/605-M621。汽轮机功率660 MW，为超超临界、一次中间再热、单轴、4缸4排汽、双背压、8级回热抽汽、反动凝汽式汽轮机（型号N660-25/600/600），机前主汽压力额定值25 MPa，额定温度值600℃，再热蒸汽温度额定值600℃，末级叶片高914.4 mm。该机组额定发电功率可达660 MW，保证热耗 7391 kJ/k·Wh；TMCR（Turbine Maximum Continuous Rating,汽轮机最大连续功率）694.7 MW，VWO（Vavle Whole Open Rating，汽轮机阀门全开工况）717.7 MW。

660 MW机组汽轮机由1个单流筒型高压缸、1个双流型中压缸和2个双流型低压缸组成。汽轮机本体轴封包括高压缸两端、中压缸和低压缸两端汽封。汽轮机轴系由多个轴承支承。机组共有4根转子，5个轴承座，即高压缸前轴承座、高—中压缸轴承座、中—低压缸轴承座、低—低压缸轴承座、低压缸后轴承座，为汽轮机组提供支撑。轮机组盘车装置采用由顶轴油驱动的液压马达，同时提供手动盘车装置。盘车装置配备超速离合器。在汽机转速降至零时，既能自动啮合进行盘车，也能手动盘车。盘车装置预留DCS远方监视和控制接口。

3 INFIT系统在3/4号机组的应用

3.1 预期目标

随着机组运行时间的增加，受到煤种变化、设备精度等因素的影响，3/4号自动发电控制系统出现负荷升降速率低、负荷调节精度差；消除扰动能力差，汽压、汽温等参数大幅波动及振荡；煤种变化对控制系统影响大；正常AGC调节中，燃料、给水等控制量波动大；再热烟气挡板难以投入自动，机组运行经济性差等问题。为此，引入INFIT实时优化系统，预期目标：

（1）获得更高的AGC响应速率和调节精度。对于不同的机组，INFIT系统的引入会带来不同的增益效果，常规情况下机组的AGC负荷调整速率可达到2.0%/min，功率的控制精度可以达到0.3%。

（2）降低锅炉侧主蒸汽压力和温度的波动幅度。稳态工况：±（0.1～0.2）MPa/±2 ℃，变负荷工况：±（0.4～0.5）MPa/±6 ℃。避免参数浮动、波形难收敛情形的发生。

（3）解决机组发电效率对于煤钟质量的高依赖性。主要针对两大滞后系统：煤种热值、制粉系统，引入神经网络算法进行优化控制，实现系统全局参数的自适应调整，提高机组对不同煤钟的适应能力。

（4）针对供煤量、给水量、供风量等参数的波动情况，利用智能控制算法进行优化控制，使其扰动范围减少到60%，提高机组的硬件设施使用寿命，增强机组的运行安全稳定性。

（5）更高的运行效率。利用先进算法控制再热烟气挡板，提高系统能量的利用率，从而提升机组的发电效率和经济性。

3.2 安装方式

INFIT控制系统，通过标准通讯接口从机组DCS系统获取所需运行参数的设定值、测量值、控制指令的实时数据，在INFIT控制系统完成优化控制计算，得出即时的优化控制指令，再通过通讯接口回送给DCS系统，由DCS系统完成对现场设备的控制，达到改善机组运行的控制品质、提高机组AGC考核指标、有效改善机组在加减负荷、煤种变化、检修周期设备变化等扰动下的运行稳定性，实现优化控制的目的。

利用INFIT控制系统（含INFIT CCS控制方式、INFIT SH控制方式）取代4号机组原有DCS中的AGC控制系统、过热汽温控制系统，实现4号机组的AGC控制、协调控制、一次调频、主汽温度控制等功能。进一步提升火电机组的AGC控制效果，提升机组的运行安全稳定性，增强机组的自动化控制水平。

3.3 操作步骤

3.3.1 INFIT CCS机组AGC英菲迪控制方式

机组在AGC控制方式工况稳定时，值班员在主控画面上检查INFIT CCS投入条件满足(机组不在变负荷状态、机组主蒸汽压力设定未变化、主蒸汽压力设定/实际值偏差＜0.4 MPa，INFIT指令跟踪正常)后投入INFIT CCS，即将机组协调控制系统控制权交至INFIT系统控制；在该方式下退出INFIT CCS时，机组控制方式将直接退至TF。

在INFIT CCS控制方式下，根据需要进行AGC的投、退工作，并设置合理的变负荷速率。

INFIT CCS进行正常系统控制时，DCS（Distributed Control System，分布式控制系统）将以下控制权交给INFIT系统。

（1）燃料量指令：完全由INFIT控制系统计算得出。

（2）给水流量指令：完全由INFIT控制系统计算得出。

（3）汽机负荷指令偏置：在汽机负荷指令基础上增加±50 MW的优化偏置。

（4）一次风压设定值：针对已有的DCS控制模式，对其系统参数的设定值增加±1.0 kPa的优化误差值。

（5）中间点温度设定值：INFIT系统参与到中间点温度值的优化处理，将处理后的优化参数值输送给DCS系统，与中间温度点接口保持兼容性。

（6）主汽压力设定值：优化过程不影响机组的静态滑压曲线，即负荷和压力设定之间的逻辑关系保持原样，INFIT系统只对锅炉侧的主蒸汽压力给定值进行动态优化改善。

（7）总风量设定值：在原DCS系统设定值基础上增加±5%的优化偏置。

3.3.2 INFIT SH（英菲迪系统下锅炉主蒸汽减温水调整门控制）锅炉主汽温英菲迪控制方式

机组工况稳定时，值班员在汽水系统画面上投入INFIT SH时，投入自动的锅炉主蒸汽减温水调整门控制权交至INFIT系统控制；在汽水系统画面上退出“INFIT SH”时，锅炉主蒸汽温度的控制权退由机组DCS或值班员手动控制。

INFIT SH工作时，AGC系统将以下变量的控制权交出：

（1）Ⅰ级减温A调整门开度指令。

（2）Ⅰ级减温B调整门开度指令。

（3）Ⅱ级减温A调整门开度指令。

（4）Ⅱ级减温B调整门开度指令。

（5）Ⅲ级减温A调整门开度指令。

（6）Ⅲ级减温B调整门开度指令。

3.3.3 发生下列情况将自动退出INFIT系统控制方式

（1）INFIT系统由DCS获取的过程参数出现异常时，INFIT系统立即将控制指令保持，并将控制权交还给机组DCS系统。

（2）INFIT系统发生CPU死机、通信故障、系统掉电等故障情况时，INFIT系统立刻停机并交还其所有的控制权给原DCS系统，维持控制指令的波动幅度，保证控制指令的平稳交接。

（3）DCS系统发生主要自动回路切手动、RunBack（锅炉快速减负荷）等异常工况时，INFIT系统立即退出工作，机组平稳过渡到原DCS控制的运行方式。

（4）机组有关设备自动退出，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ级减温水自动均退出时，自动退出INFIT SH汽温控制方式。

机组控制方式退至CCS以下时，自动退出INFIT CCS控制方式。

在机组正常运行情况下，应投入INFIT控制系统（机组控制方式为INFIT CCS），且投入AGC负荷控制，并按要求设置AGC负荷变化速率。同时还应投入INFIT SH控制系统，以协助INFIT CCS控制方式更快响应AGC负荷指令变化。

在INFIT控制系统投入阶段，值班员应加强对系统、参数的监视，发现异常及时退至原机组DCS控制方式进行控制、调整，并将有关异常情况向锅炉运行专业、生产技术部进行汇报，以便联系厂家对其进行优化完善。

3.3.4 INFIT投入运行期间注意事项

（1）各磨煤机运行工况，防止出现磨煤机堵塞、出口温度不正常升高等异常情况。

（2）各段汽温的变化趋势，防止主蒸汽/再热蒸汽温度、受热面管壁温度超限。

（3）主蒸汽压力变化情况，防止压力超限。

（4）脱硝进口氮氧化物变化趋势，控制好出口氮氧化物浓度不超标（最终控制目标是烟囱入口的氮氧化物浓度≯50 mg/m3）。

（5）各一次风机运行工况，防止出现抢风异常。

（6）一旦INFIT控制方式退出，值班员应立即检查各制粉系统运行工况、各减温水调整门开度情况以及主蒸汽压力情况，发现异常及时处理。

4 INFIT系统的控制与优化效果

望亭发电厂3/4号机组是2台设备、参数相同的机组，工作特性基本一致。其中4号机组于2016年安装INFIT系统，3号机组未安装INFIT系统。将3号机组未安装INFIT系统时和4号机组安装投入INFIT系统后进行对比。

（1）未引入INFIT的原控制系统中，响应电网AGC控制下，3号火力发电机组的中间点温度受机组变功率的影响如图1所示。

（2）引入INFIT的原控制系统中，响应电网AGC控制下，4号火力发电机组的中间点温度受机组变功率的影响如图2所示。

从图1和图2可以看出，引入INFIT优化系统前，3号机中间点温度最大偏差7.9℃，负荷最大偏差7 MW；引入INFIT优化系统后，4号机中间点温度最大偏差5.9℃，负荷最大偏差1 MW。

（3）3号，4号火力发电机组主汽温度压力跟随机组负荷变化的响应情况如图3、图4所示。

从图3和图4可以看出，优化前3号机主汽压力最大偏差0.5 MP，主蒸汽温度上下波动幅度5.4℃，优化后4号机主汽压力最大偏差0.2 MPa，主蒸汽温度上下波动幅度4.1℃。

（4）3号，4号火力发电机组燃料输送量随机组负荷变化的响应情况如图5、图6所示。

图1 3号机组系统优化前中间点温度及负荷变化

图2 4号机组系统优化后中间点温度及负荷变化

图3 3号机组系统优化前主汽温度压力及负荷变化

从图5和图6可以看出，为响应机组负荷变化控制，燃料输送量发生了较大的波动，引入INFIT后燃料输送量得到了优化。综合上述情况可以得出，在传统的DCS控制下，为响应自动发电控制系统的变负荷控制，机组的温度、压力及燃料输送量均出现较大的波动，影响了机组的稳定运行，同时负荷变化响应速度并不理想。引入INFIT实时优化控制系统后，4号火电机组的优化效果对比如图7所示。

图4 4号机组系统优化后主汽温度压力及负荷变化

图5 3号机组系统优化前燃料输送量及负荷变化

图6 4号机组系统优化后燃料输送量及负荷变化

图7a为未加入INFIT系统的控制效果图，图7b为加入INFIT系统后的优化效果图。从上至下分别是实际负荷与负荷指令偏差、中间点温度实际值与指令偏差、主汽压力实际值与设定值偏差。可以明显看出，INFIT系统的引入,提升了机组的运行稳定性，在响应机组负荷变化的同时，主汽温度压力波动较小，机组的负荷响应速度明显上升，机组有效功率的调节精度也得到明显提高。

图7 4号机组INFIT系统优化效果对比

5 总结

受多方面因素的影响，火力发电机组可以被看作是一个复杂多变的多输入多输出受控系统，系统内部一个变量的变化往往会导致巨大的连锁反应，使得诸多变量跟随其变化。随着经济的不断发展，对电力系统负荷响应要求越来越高，传统的机组系统控制方式难以应对庞大的非线性、大惯性、时变性复杂系统。机组控制算法的陈旧将直接导致机组的安全稳定性及经济效益受到影响，因此，对大型火电机组引入先进的优化控制算法具有至关重要的意义。

针对超超临界火力发电机控制系统存在的问题，引入INFIT实时控制系统并对其进行应用与对比。实践表明，INFIT系统是一款专门针对现代火力发电机组系统负荷升降率低、升降精度低、系统波动加大、煤种适应性不理想等问题而设计的优化控制系统。它融合了目前国际上较为先进的控制算法，达到了较为理想的火电机组控制效果，系统可靠性高、实用性强、对煤种多变的适应性较好、能够较好的响应AGC控制、对于不同设备的通用性强且成本较低，具有很高的综合性价比。