百萬千瓦機組節(jié)能優(yōu)化運行控制技術(shù)研究

戴 黎，鄭 偉，胡紹宇，姜新明，李建軍

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

專 論

百萬千瓦機組節(jié)能優(yōu)化運行控制技術(shù)研究

戴 黎，鄭 偉，胡紹宇，姜新明，李建軍

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

針對大容量、高參數(shù)機組的運行特點，分析了影響其節(jié)能降耗效果的主要因素，設(shè)計了帶有預(yù)估加速前饋的機、爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，將鍋爐金屬壁溫控制與工質(zhì)溫度控制有機結(jié)合起來，顯著提高了機組運行安全性及主要參數(shù)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，取得了良好節(jié)能效果。

協(xié)調(diào)控制；節(jié)能；調(diào)節(jié)品質(zhì)

隨著國民經(jīng)濟和科學技術(shù)高速發(fā)展以及國家節(jié)能減排力度不斷加大，大容量、高參數(shù)的超超臨界機組已經(jīng)成為火電機組的發(fā)展方向，由于其動態(tài)特性多變，具有強耦合、非線性、時變性、大遲延等特點，而且生產(chǎn)工藝復(fù)雜，被控參數(shù)和執(zhí)行機構(gòu)多樣，在控制上具有較大難度，對自動化水平的要求很高，常規(guī)的控制技術(shù)遠遠不能令人滿意，應(yīng)該進行更深入研究。

另外，在電網(wǎng)峰谷差日益增大的情況下，機組不得不頻繁參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰，不但使工質(zhì)各項參數(shù)變化過大，難以控制，而且造成金屬壁溫頻頻超限，影響機組運行的經(jīng)濟性和安全性，讓機組的節(jié)能降耗效果大打折扣。

1 關(guān)鍵技術(shù)

大容量、高參數(shù)的超超臨界機組以經(jīng)濟效益高、節(jié)能效果顯著得到大力發(fā)展，但其安全性、經(jīng)濟性緊密依賴于高性能的自動控制系統(tǒng)，尤其是在參與調(diào)頻調(diào)峰時，這種依賴性更為迫切。

主蒸汽、再熱蒸汽溫度是機組運行的主要參數(shù)，盡可能維持蒸汽溫度在設(shè)計值恒定運行是保證機組安全、經(jīng)濟運行的有效措施。主蒸汽溫度高于設(shè)計值過多會使過熱器管壁金屬強度下降，甚至燒壞過熱器管道，嚴重影響安全；主蒸汽溫度偏低會大大降低發(fā)電機組的能量轉(zhuǎn)換效率，降低機組經(jīng)濟性，溫度過低還會使汽輪機尾部蒸汽濕度增大，甚至帶水，嚴重影響汽輪機的安全運行。由于超超臨界鍋爐給水變成過熱蒸汽是一次性完成的，其溫度控制由燃水比和噴水減溫共同完成。燃水比在超臨界機組汽溫調(diào)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用，燃水比調(diào)整是保持汽溫的最終手段，但對過熱汽溫影響的遲延大；減溫噴水能較快地改變過熱汽溫，最終不能維持汽溫恒定，只有將提供穩(wěn)態(tài)汽溫調(diào)整的燃水比與提供快速動態(tài)響應(yīng)的減溫噴水協(xié)調(diào)起來，利用各自在汽溫調(diào)整上的優(yōu)勢，才能達到最優(yōu)的汽溫調(diào)節(jié)動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)性能［1］。

在控制機組工質(zhì)參數(shù)穩(wěn)定的同時，如果能夠控制金屬壁溫在安全范圍內(nèi)變化，則會在很大程度上避免非計劃停機。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機爐協(xié)調(diào)控制

2.1.1 控制特性

大容量、高參數(shù)的超超臨界機組是多輸入、多輸出的被控對象。機組負荷是機組響應(yīng)外界能量需求的主要輸出量，主汽壓力是維持機組內(nèi)部汽輪機、鍋爐間能量平衡的主要輸出量，主汽溫度、煙氣含氧量、一次風壓力等其它變量是保證機組經(jīng)濟性、安全性的主要輸出量。任何一種主要輸入量 （給水量、燃料量、送風量、汽輪機調(diào)門等）單獨擾動都會對各輸出量造成影響，任何一種輸出量的變化往往也會對其它輸出量產(chǎn)生影響，如主汽壓力變化對外特性將影響機組負荷，對內(nèi)特性將影響鍋爐溫度。

2.1.2 設(shè)計方案

基于對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)特性的分析，為改善各變量間耦合的影響，適應(yīng)機組調(diào)頻調(diào)峰要求，設(shè)計了帶有預(yù)估加速前饋的機、爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

機組實際負荷指令作為前饋信號實現(xiàn)機爐間的基本能量平衡，同時通過比值控制實現(xiàn)給水量、燃料量、送風量等控制量間的基本匹配，保持機組在動態(tài)和穩(wěn)態(tài)下的物料平衡關(guān)系。

預(yù)估加速前饋信號由目標負荷指令、實際指令、負荷變化率、主汽壓力定值和主汽壓力形成，通過建立負荷變化過程中鍋爐輸入指令的過調(diào)信號，對動態(tài)響應(yīng)過程進行校正，加快鍋爐的響應(yīng)速度，從而改善主汽壓力、溫度等變量的調(diào)節(jié)品質(zhì)。預(yù)估加速前饋信號的機理：根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度的AGC指令和機組接受的實際負荷指令變化趨勢及負荷變化率，預(yù)估鍋爐需要補充 （升負荷）或減少 （降負荷）的能量；同時根據(jù)主汽壓力定值、主汽壓力計算出機組的內(nèi)存能量儲存，用內(nèi)存能量儲存對預(yù)估鍋爐需要補充或減少的能量進行修正，并作為鍋爐側(cè)控制的前饋。

變權(quán)值控制對汽輪機主控的負荷偏差進行權(quán)值修正，從而根據(jù)鍋爐儲能確定汽輪機出力，實現(xiàn)鍋爐和汽輪機間的協(xié)調(diào)控制，避免壓力和溫度等主要參數(shù)的大幅波動。

2.2 燃水比控制

2.2.1 控制特性

燃水比控制是超超臨界機組控制的難點，同時也是關(guān)鍵點。燃水比穩(wěn)定是主汽溫度穩(wěn)定的基礎(chǔ)，燃水比的小幅度變化，會導(dǎo)致減溫水噴水量的大范圍變化和主汽溫度波動，不但影響機組效率，也影響設(shè)備使用壽命；如果燃水比失調(diào)，最終會造成主汽溫度失調(diào)，嚴重影響機組安全運行［2］。

現(xiàn)有的燃水比控制策略都是采用中間點溫度或焓值作為衡量燃水比的校正信號，通過PID算法修正燃料量或給水量的方式把微過熱區(qū)溫度控制在一定范圍內(nèi)，達到控制燃水比目的。但是，受負荷變化、配風變化、火焰中心變化、受熱面沾污等因素影響，僅僅采用溫度或焓值并不能全面衡量燃料和給水的比值，而且單一的反饋控制也制約了調(diào)節(jié)品質(zhì)。

2.2.2 設(shè)計方案

為了顯著提高燃水比調(diào)節(jié)品質(zhì)，設(shè)計帶有水冷壁金屬溫度模糊前饋控制的燃水比控制系統(tǒng)，并采用以一級減溫器前蒸汽溫度、分離器出口蒸汽溫度、減溫噴水流量等多個信號衡量燃水比的復(fù)合控制方式［3］。

采用多個信號修正燃水比，可以更準確反映燃料量和給水量的動態(tài)變化，維持噴水量和給水量的均衡，減少減溫噴水的波動，更好地控制主汽溫度。

燃水比控制系統(tǒng)如圖2所示，主要由一級減溫器前蒸汽溫度校正、分離器出口過熱度控制、減溫水流量修正和水冷壁金屬溫度模糊前饋控制構(gòu)成。

圖2 燃水比控制系統(tǒng)

由一級減溫器前蒸汽溫度作為校正信號，根據(jù)機組負荷確定一級減溫器前蒸汽溫度設(shè)定值，可以全面衡量噴水減溫前的工質(zhì)吸收熱量與給水流量的比例。

分離器出口過熱度控制機理：根據(jù)分離器儲水箱壓力和分離器出口流體溫度設(shè)定的分離器出口溫度上限／下限偏差加到燃水比偏置，使機組工況發(fā)生改變時分離器出口過熱度快速回到允許范圍內(nèi)，以便快速調(diào)整燃水比。

減溫水流量修正機理：在減溫水流量偏離設(shè)計值過多時，通過修正燃水比使減溫水流量逐漸回歸設(shè)計值，使燃水比調(diào)整與噴水減溫協(xié)調(diào)起來，實現(xiàn)燃水比控制與噴水減溫控制間的解耦作用。

2.2.3 水冷壁金屬溫度模糊控制

水冷壁金屬溫度模糊控制器以水冷壁金屬溫度信號最大值與水冷壁金屬溫度預(yù)設(shè)值的偏差、水冷壁金屬溫度變化為輸入變量的二維結(jié)構(gòu)，其設(shè)計方法如下。

a. 根據(jù)控制要求，確定偏差e、水冷壁金屬溫度變化De和控制變量Du的基本論域及對應(yīng)語言變量的論域和量化因子：

確定偏差e的基本論域：［－xe，xe］

選定偏差語言變量E的論域：

E＝ ｛－6， －5， －4， －3， －2， －1， 0， 1， 2，3， 4， 5， 6｝

則偏差e的量化因子：

同理，確定水冷壁金屬溫度變化De的基本論域： ［－xDe， xDe］

選定水冷壁金屬溫度變化語言變量EC的論域：

EC＝ ｛－6， －5， －4， －3， －2， －1， 0， 1， 2，3， 4， 5， 6｝

則水冷壁金屬溫度變化De的量化因子：

確定輸出變量D u的基本論域：［－yDu，yDu］

選定輸出語言變量UC的論域：

UC＝ ｛－7， －6， －5， －4， －3， －2， －1， 0，1， 2， 3， 4， 5， 6， 7｝

則輸出變量D u的量化因子：

b. 在滿足要求的情況下，從便于調(diào)試的角度出發(fā)，將各變量模糊子集均定義為PB（正大）、PM （正中）、PS（正小）、ZE（零）、NS（負?。?、NM （負中）、NB （負大）。

c.確定各變量論域上用以描述各模糊子集的隸屬函數(shù)，根據(jù)實際情況，這里取正三角函數(shù)。

d. 總結(jié)運行人員在控制過程中的實際經(jīng)驗，確定控制規(guī)則。

e. 根據(jù)L.A.Zaden的模糊推理算法和以上數(shù)據(jù)求出模糊控制表。

離線完成以上工作后，將模糊控制表存入DCS過程控制站中，根據(jù)實際情況，在線運行時還需微調(diào)模糊控制表。

模糊控制器在線工作過程如下：首先將采集到的偏差e、水冷壁金屬溫度變化De的實際值分別乘以各自的量化因子，求得E、EC，根據(jù)E和EC查模糊控制表，將得出的UC除以比例因子，求出控制變量Du，當1個控制周期結(jié)束，隨即進入下1個控制周期。

3 工程應(yīng)用

國華綏中發(fā)電有限責任公司的2×1 000 MW火力發(fā)電機組是國內(nèi)單機容量最大的超超臨界機組，分別于2010年2月、5月投產(chǎn)發(fā)電，由于受控制

圖3 AGC跟蹤曲線

圖4 動態(tài)運行曲線

思想、參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰、煤種摻燒等因素影響，調(diào)節(jié)品質(zhì)一直不好，動態(tài)響應(yīng)慢，在升降負荷、啟停磨煤機、吹灰、煤種變化等過程中主汽壓力和主汽溫度波動大，經(jīng)常發(fā)生超溫、超壓和甩汽溫，特別是頻繁發(fā)生鍋爐局部金屬壁溫超限，運行人員不得不降低參數(shù)運行或手動干預(yù)。上述問題不但限制機組的調(diào)頻調(diào)峰能力，而且嚴重影響機組的安全運行和節(jié)能降耗效果。因此，在完成控制邏輯設(shè)計、仿真測試后，對國華綏中發(fā)電有限責任公司的2×1 000 MW機組進行DCS邏輯組態(tài)，通過靜態(tài)、動態(tài)調(diào)試，獲得最佳控制效果，一次調(diào)頻和AGC等所有功能投入后，進行了穩(wěn)態(tài)測試、負荷變動試驗以及AGC負荷跟隨試驗，各項試驗和實際運行表明，控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，機組的調(diào)頻調(diào)峰能力和自動化水平顯著提高，避免了金屬壁溫越限現(xiàn)象，機組主要參數(shù)的調(diào)節(jié)品質(zhì)明顯改善。運行曲線見圖3—4。

4 結(jié)束語

從大容量、高參數(shù)超超臨界機組運行特點、安全性、經(jīng)濟性等主要因素出發(fā)，突破傳統(tǒng)控制思路，采用先進的控制方法實現(xiàn)機、爐協(xié)調(diào)控制，大大提高了機組整體響應(yīng)速度。利用模糊控制的優(yōu)點，將鍋爐金屬壁溫控制與工質(zhì)溫度控制有機結(jié)合起來，提高了機組在參與調(diào)頻調(diào)峰時主要運行參數(shù)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，實現(xiàn)了金屬壁溫自動控制，避免了金屬壁溫超溫現(xiàn)象，消除了影響機組安全運行的隱患。

［1］ 康 松.汽輪機原理 ［M］.北京：中國電力出版社，2000：3－5.

［2］ 郝 欣，張 志，王 喆.滑壓運行汽包爐機組AGC控制策略研究 ［J］.東北電力技術(shù)，2012，33（10）：10－12.

［3］ 姚 遠，管慶相，吳 松.直吹式鍋爐機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化 ［J］.東北電力技術(shù)， 2007， 28 （8）： 1－4.

Energy-Saving Optimization Operation Control Technology of 1 000 MW Unit

DAILi， ZHENGWei， HU Shaoyu， JIANG Xinming， LIJianjun

（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.， Ltd.， Shenyang， Liaoning 110006， China）

Aiming at the operation characteristics of large capacity and high parameter sets， it analyzes themain factors affecting the energy saving and consumption reduction.It designs amachine and furnaces coordination control system with predictor-forward feed forward and combines the boilermetalwall temperature control with the control of working fluid temperature.It significantly improves the safety of the unit operation，the regulation quality of themain parameters and it achieves good energy saving effect.

coordinated control； energy saving； regulating quality

TM732

A

1004－7913（2017）11－0001－03

戴 黎 （1956），男，碩士，教授級高級工程師，主要從事火電熱工自動化領(lǐng)域的技術(shù)研究、標準制定和專業(yè)管理工作。

2017－09－01）