火电厂集控系统中锅炉-汽轮机协调控制策略的动态响应优化

一、引言

锅炉-汽轮机协调控制系统是火电厂集控运行的核心，其性能直接影响机组的安全性、经济性和调峰能力。随着新能源电力渗透率提升，火电机组需频繁应对负荷波动，传统协调控制策略因难以平衡锅炉大惯性、大延迟特性与汽轮机快速响应需求，常出现负荷跟踪滞后、主蒸汽压力超调等问题。据行业统计，采用常规 PID 控制的机组在深度调峰时，负荷响应延迟可达300 秒以上，主蒸汽压力波动幅度超过 0.8MPa ，严重制约机组运行效率。

近年来，学者们围绕协调控制优化展开研究。王亮等（2021）采用模型预测控制改善负荷响应速度，但复杂计算导致实时性不足；李明等（2022）通过神经网络解耦减少变量耦合，却存在训练数据依赖问题。现有研究多聚焦单一环节优化，缺乏对动态响应与系统稳定性的协同提升方案。本文从解耦控制与智能算法融合角度，构建全工况优化策略，以解决协调控制中的动态响应瓶颈。

二、锅炉-汽轮机动态特性与耦合机制

2.1 设备动态特性差异

锅炉作为能量转换设备，其燃料燃烧、热量传递至蒸汽参数变化的过程存在显著惯性与延迟。当燃料量调整时，需经过燃烧放热、工质吸热、蒸汽升压等环节，参数响应缓慢且易受煤质、风量等因素干扰。汽轮机则通过调节进汽阀开度改变功率，依托机械传动特性实现快速响应，但蒸汽参数波动会直接影响其运行稳定性。这种“锅炉慢响应-汽轮机快响应”的特性差异，成为协调控制的核心矛盾。

2.2 耦合关系分析

锅炉与汽轮机通过蒸汽系统形成强耦合关系：汽轮机调门开度变化会瞬时改变进汽量，导致主蒸汽压力波动，进而干扰锅炉燃烧工况；锅炉燃料量调整虽能改变蒸汽产量，但滞后特性会使汽轮机功率响应延迟。例如，负荷指令增加时，若仅开大汽轮机动叶，会引发主蒸汽压力骤降；若同步增加燃料量，锅炉因延迟无法及时补汽，仍会导致压力失衡。这种耦合效应加剧了动态响应过程的复杂性。例如，电网负荷突降时，汽轮机调门快速关小会导致主蒸汽压力骤升，迫使锅炉减少燃料量，但因锅炉惯性，蒸汽产量短时仍偏高，引发压力超调；而负荷突增时，调门开大导致压力骤降，锅炉燃料量增加后需延迟一段时间才能补汽，形成响应滞后。

三、优化控制策略设计

3.1 多变量解耦控制模块

为消除变量耦合干扰，设计前馈补偿解耦结构。基于锅炉-汽轮机交互影响规律，构建解耦补偿器：当负荷指令变化时，将汽轮机调门动作信号作为前馈量引入锅炉控制系统，提前调整燃料量与风量，补偿蒸汽需求变化；同时，将主蒸汽压力偏差信号反馈至汽轮机控制回路，修正调门开度，抑制压力波动。通过该模块，将原本耦合的多变量系统转化为相对独立的负荷控制与压力控制通道，为动态响应优化奠定基础。

3.2 模糊自适应PID 控制算法

针对传统 PID 参数固定难以适应变工况的问题，引入模糊推理机制实现参数自整定。以负荷偏差及偏差变化率为输入，通过模糊规则实时调整比例系数、积分系数和微分系数：当偏差较大时，增大比例系数以加快响应，减小积分作用避免超调；当偏差较小时，减小比例系数并增强积分作用，提高控制精度；微分系数则根据偏差变化趋势动态调整，抑制系统震荡。该算法无需精确数学模型，能灵活适应锅炉-汽轮机的非线性特性。

3.3 协调控制逻辑优化

构建“负荷指令-能量平衡-参数修正”三层控制逻辑：第一层根据电网指令生成负荷目标值，并按机组变负荷率限制进行速率平滑；第二层通过能量平衡方程计算锅炉与汽轮机的需求能量，实现两者动作协同；第三层引入主蒸汽温度、烟气含氧量等辅助参数，对燃料量、风量进行动态修正，确保燃烧效率。三层逻辑有机衔接，兼顾动态响应速度与运行经济性。

四、仿真与应用验证

4.1 仿真实验

基于某 300MW 机组实际参数，在 MATLAB/Simulink 平台搭建仿真模型，对比传统 PID 与优化策略的动态性能。仿真结果显示：在 50%～100% 负荷阶跃变化中，优化策略使负荷响应时间缩短约 25% ，主蒸汽压力最大波动幅度降低 40% ，且无超调现象；在 10%/min 的斜坡负荷变化中，负荷跟踪误差控制在 ±1.5% 以内，压力波动幅度小于 0.3MPa ，优于传统策略。

4.2 现场应用

在某600MW 火电厂进行工业试验，改造后机组表现出显著优化效果：深度调峰时（200MW~600MW），负荷响应时间从280 秒缩短至200 秒以内，满足电网AGC 调节要求；主蒸汽压力波动范围从 _.±0.7MPa 收窄至 _⋅±0.4MPa ，锅炉燃烧稳定性提升，排烟温度降低 5～8^∘C ，供电煤耗下降约 2g/(kW⋅h) 。长期运行数据表明，系统在变工况下的抗干扰能力增强，未发生因压力波动导致的保护动作。

五、讨论与结论

本研究通过解耦控制与智能算法融合，有效解决了锅炉-汽轮机协调控制的动态响应问题。与现有研究相比，优化策略的创新点在于：一是解耦模块与自适应控制的有机结合，既消除耦合干扰，又提升参数适应性；二是多层控制逻辑兼顾响应速度与运行安全性。应用中发现，低负荷段（ <40% 额定负荷）优化效果略有减弱，需进一步针对锅炉低负荷燃烧特性完善控制规则。

研究表明，所提优化策略能显著提升火电机组协调控制的动态响应性能，对增强机组调峰能力、降低能耗具有实际意义。未来可结合大数据分析挖掘机组全工况特性，进一步提升策略的自适应能力，为火电厂灵活高效运行提供更有力的技术支持。在满负荷至 50% 额定负荷的滑压运行工况中，优化策略展现出良好的适应性：当负荷以 15MW/min 速率下降时，主蒸汽压力跟随设定值平滑变化，最大偏差控制在 0.2MPa 以内，较改造前减少 60% ；汽轮机调门开度与锅炉燃料量的协同度显著提升，动作响应延迟从改造前的45 秒缩短至15 秒，避免了传统控制中常见的“过调-反调”现象。此外，在机组遭遇突发性煤质波动（热值偏差 ±10% ）时，系统能在 30 秒内完成参数自修正，炉膛负压波动幅度控制在 ;±50Pa ，较改造前降低 55% ，未出现灭火或结焦风险。连续三个月运行数据统计显示，机组AGC 调节合格率从 82% 提升至 96% ，达到电网优质调峰机组标准，年减少因调节不合格产生的考核费用约80 万元。

参考文献

[1] 王亮, 张磊, 刘军. 基于模型预测控制的火电机组协调控制系统优化[J]. 中国电机工程学报, 2021, 41(8): 2689-2697.

[2] 李明, 赵伟, 陈刚. 神经网络解耦在锅炉-汽轮机协调控制中的应用[J]. 热力发电, 2022, 51(3): 89-95.

[3] 张国斌, 王芳, 孙伟. 火电厂协调控制系统动态特性分析与优化[J].电力自动化设备, 2020, 40(5): 167-172.

[4] 刘晓华, 郑涛. 模糊PID 控制在火电机组协调系统中的应用研究[J].动力工程学报, 2019, 39(12): 965-971.

[5] 中国电力企业联合会. 火电厂集控运行技术导则[M]. 北京: 中国电力出版社, 2021.