基于熱耗最優(yōu)的汽輪機冷端耦合滑壓優(yōu)化控制

羅聯(lián)鋒，熊天洪，華兆軍

（云南華電鎮(zhèn)雄發(fā)電有限公司，云南 昭通 657204）

0 引言

通過火力發(fā)電廠汽機島系統(tǒng)運行優(yōu)化提高機組經(jīng)濟性一直是電廠十分關(guān)注的問題。目前，國內(nèi)許多電廠在對汽機島設(shè)備性能的在線監(jiān)測、汽機運行熱耗，尤其是冷端設(shè)備性能、故障診斷、性能優(yōu)化等方面還缺乏有效手段，往往只能通過汽輪機的各監(jiān)視段壓力與溫度、凝汽器端差、冷卻塔逼近度等指標來評價設(shè)備的性能狀況，這對汽機島設(shè)備性能的在線監(jiān)測與系統(tǒng)性能運行優(yōu)化而言是遠遠不夠的[1]。

發(fā)電廠汽機島的主要設(shè)備包括主汽輪機、小汽輪機、加熱器、凝汽器、冷卻塔、循環(huán)水泵和凝結(jié)水泵等，汽機島的運行效率對整個電廠的熱效率和經(jīng)濟效益影響巨大，例如作為發(fā)電廠熱力循環(huán)終參數(shù)的凝汽器背壓變化1kPa，便可以極大影響整個機組循環(huán)效率（影響機組煤耗超過2.5g/kW·h）。而作為重要初參數(shù)的主蒸汽壓力，其設(shè)定值通常是根據(jù)制造廠提供的在設(shè)計工況下定-滑-定曲線來確定[2,3]。首先，不常規(guī)滑壓曲線的獲取方法值得商榷；其次在機組偏離設(shè)計工況的情況下，主蒸汽壓力和凝汽器背壓的選擇通常不是最佳，這會大大降低機組運行的熱效率，增加汽機運行熱耗水平。通過對云南華電鎮(zhèn)雄電廠基于熱耗最優(yōu)的汽輪機全冷端系統(tǒng)閉環(huán)優(yōu)化控制的應(yīng)用分析，以汽機島主、輔設(shè)備（汽輪機、凝汽器、冷卻塔、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵及給水泵）為對象，重點研究對象的在線性能監(jiān)測及其運行能效狀態(tài)；以對象的相互耦合作用（冷端系統(tǒng)的設(shè)備耦合及冷熱端的系統(tǒng)耦合）為目標，擺脫傳統(tǒng)參數(shù)定值優(yōu)化中優(yōu)化分析結(jié)果與實時控制脫節(jié)的局限性，將在線實時優(yōu)化結(jié)果傳送至機組實時控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)對機組循泵優(yōu)化運行和主蒸汽壓力的連續(xù)調(diào)節(jié)，提高汽輪機的熱經(jīng)濟性，對火電機組節(jié)能降耗具有重要的意義，值得同類型電廠推廣和借鑒。

1 汽輪機實時運行熱耗最優(yōu)的運行優(yōu)化原理

1.1 冷熱端耦合作用下的實時滑壓運行優(yōu)化

機組發(fā)電機量不變的條件下，滑壓運行以降低熱端參數(shù)為手段，在減小節(jié)流損失、降低給水泵上水功耗的同時，也因單位質(zhì)量蒸汽做功能力的降低而增加進入凝汽器的排汽量；同時，冷端背壓的變化，也使保持調(diào)門開度條件下，為維持不變的發(fā)電功率而必須使主汽壓力發(fā)生相應(yīng)改變。即機組熱端與冷端在滑壓運行時有強耦合作用，但目前機組的滑壓優(yōu)化運行技術(shù)均不考慮這一耦合效應(yīng)。冷熱端耦合作用下的實時滑壓運行優(yōu)化在不改變汽輪機調(diào)門重疊度（不影響AGC）的條件下，以設(shè)計滑壓曲線為基礎(chǔ)，根據(jù)氣象條件和機組其他運行參數(shù)，實時優(yōu)化調(diào)整熱力循環(huán)初參數(shù)和終參數(shù)，對其進行冷熱端耦合作用下的實時修正，使機組滑壓運行經(jīng)濟性達到實時最佳。

1.2 全冷端實時運行優(yōu)化

目前冷端優(yōu)化技術(shù)大都不考慮凝汽器與冷卻塔的耦合效應(yīng)，這實際上是把冷端系統(tǒng)作為開式系統(tǒng)來處理。這種處理方式會使在相同循環(huán)水量變化情況下，閉式系統(tǒng)與開式系統(tǒng)會產(chǎn)生2℃～3℃的凝汽器進水溫度偏差，這相當于有0.5 kPa ～1 kPa 以上的背壓偏差。全冷端系統(tǒng)性能監(jiān)測與優(yōu)化模塊嚴格考慮凝汽器與冷卻塔的耦合效應(yīng)，計算實時條件下的最佳經(jīng)濟背壓；同時，在循環(huán)水量不能連續(xù)調(diào)整（循環(huán)水泵沒有變頻）的情況下，將循環(huán)水系統(tǒng)可能的運行狀態(tài)進行性能優(yōu)化度排序（鎮(zhèn)雄電廠循環(huán)水系統(tǒng)#3 環(huán)泵經(jīng)雙速改造，可實現(xiàn)循環(huán)水量調(diào)節(jié)，同時調(diào)整運行方式，可實現(xiàn)一機雙塔運行），給出優(yōu)化循環(huán)水泵運行方式。同時，可以對行冷端因機組調(diào)峰運行與晝夜溫差耦合（白天高溫高負荷、夜間低溫低負荷）引起的背壓變化時進行精細化組極短同期優(yōu)化，這會大大增加機組冷端優(yōu)化運行的經(jīng)濟性[4]。

2 冷端系統(tǒng)閉環(huán)優(yōu)化性能計算數(shù)學模型

2.1 循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化模型

火電廠的循環(huán)水系統(tǒng)是一個龐大的動力系統(tǒng)，其供水量一般是汽輪機排汽量的50 ～70 倍，同時它消耗的電能約占總發(fā)電量的1%～1.5%，占到全部廠用電的30%。因此，改善循環(huán)水系統(tǒng)的運行方式，對于節(jié)約廠用電，提高冷端性能從而提高電廠運行經(jīng)濟性具有重要意義。鎮(zhèn)雄電廠機組循環(huán)水量的調(diào)節(jié)由循環(huán)水泵的運行臺數(shù)和泵的高低速切換來進行。

由凝汽器的變工況特性曲線可知，在其他熱力參數(shù)不變的條件下，循環(huán)水流量增加，凝汽器壓力下降，汽輪機功率增加，熱耗減少[5]；但另一方面，增加循環(huán)水流量，循環(huán)水泵耗功增加，廠用電增加。即只有當由于背壓降低所增加的汽輪機電功率ΔNt 與循環(huán)水泵多消耗的功率ΔNc 之間差值ΔN 最大時的循環(huán)水量才是最佳循環(huán)水量。根據(jù)與凝汽器的壓力PC 相對應(yīng)的飽和溫度ts 的計算公式（ts=tw1+Δt+δt）可知，在循環(huán)水量改變以后，只要分別確定了循環(huán)水入口水溫tw1，循環(huán)水溫升Δt，凝汽器端差δt 的值，就可以確定凝汽器壓力的變化。

1）循環(huán)水量變化后，循環(huán)水入口水溫的確定

當循環(huán)水量由D 變化為Dchg 后，通過冷卻塔變工況計算，可計算出冷卻塔在新的循環(huán)水量下的出塔水溫度，即為循環(huán)水入口水溫tw1。

2）循環(huán)水量變化后，凝汽器壓力的確定

循環(huán)水流量變化后，凝汽器的循環(huán)水流量和循環(huán)水入口溫度發(fā)生變化，使用變化后的循環(huán)水流量和循環(huán)水入口溫度對凝汽器進行變工況計算（假設(shè)凝汽器清潔系數(shù)不變），可求出變化后的凝汽器壓力[2,3]。

3）凝汽器壓力的修正計算

由于凝汽器壓力變化，導致真空泵抽吸量發(fā)生變化，進而導致抽氣管道空氣濃度發(fā)生變化，再進而導致凝汽器清潔系數(shù)變化。用變化后的壓力進行真空泵及凝汽器傳熱性能變工況計算，求出變化后的清潔系數(shù)。再用變化后的清潔系數(shù)進行凝汽器變工況計算，反復(fù)計算，直到凝汽器壓力穩(wěn)定，即為最后的凝汽器壓力Pchg[6]。

4）循環(huán)水量改變以后，汽輪機微增出力ΔNt 的計算

通過機組微增出力試驗得出機組在不同負荷下微增出力與背壓的關(guān)系：

圖1 全冷端優(yōu)化頁面Fig.1 Full cold end optimization page

式（1）中：N 為機組負荷（MW）。

計算過程中，使用機組的設(shè)計背壓修正曲線經(jīng)排汽容積修正后的曲線進行微增出力的計算。使用的背壓修正曲線如下：

5）循環(huán)水量改變以后，循環(huán)水泵耗功增量ΔNc 的計算

式（2）中：Wchg 為變化后的循環(huán)水泵功率；Wx 為變工況前的循環(huán)水泵功率。

6） 最佳循環(huán)水運行方式的確定

以循環(huán)水優(yōu)化試驗的循泵耗功數(shù)據(jù)和循環(huán)水流量數(shù)據(jù)為基準，在當前機組循泵的運行方式下，與同類型的其他循泵運行方式按以上介紹進行優(yōu)化計算，求出循泵運行方式變化后的循環(huán)水流量、循環(huán)水入口水溫、凝汽器壓力、煤耗變化、利潤變化[7,8]。與當前方式進行比較，煤耗最低、利潤最大的運行方式即為目前情況下的最佳循泵運行方式[9]。

2.2 最優(yōu)滑壓壓力計算數(shù)學模型

該部分主要用于尋找當前環(huán)境參數(shù)、機組功率和背壓情況下的最佳主蒸汽壓力設(shè)定值。在DCS 中的滑壓曲線一般是機組功率的函數(shù)，即所謂的定-滑-定曲線，主蒸汽壓力設(shè)定值P0 僅為機組功率N 的函數(shù)，而在本系統(tǒng)中，最優(yōu)的主蒸汽壓力設(shè)定值為功率和背壓的函數(shù)，即P0=f（N，Pc）。

首先需取定一個試驗背壓Pc0，在此背壓下在不同的負荷點（一般取3 個）做試驗獲得最佳的主蒸汽壓力設(shè)定值并擬合成優(yōu)化的滑壓曲線，可繪制一張橫軸為機組功率N，縱軸為主蒸汽壓力設(shè)定值P0 的曲線圖。在當前實際負荷N 和實際背壓Pc 下，計算由于背壓Pc 變化（即與試驗時背壓Pc 不同）而引起的微增功率值ΔNPc：

其中，N 為當前機組實發(fā)功率；Pc 為機組當前實際背壓；Pc0 為試驗時（基線）取的背壓。因此，考慮背壓變化而取的折算機組功率NPc 可由式（4）計算得到：

圖2 所示為機組實時動態(tài)滑壓優(yōu)化頁面，采用圖示方法對比常規(guī)滑壓值產(chǎn)生的原理和實時動態(tài)滑壓優(yōu)化的原理，即主汽壓力是機組負荷和背壓的函數(shù)，為多組滑壓曲線，需要通過實時動態(tài)計算得到，下方顯示常規(guī)滑壓定值和實時動態(tài)最優(yōu)滑壓值的計算結(jié)果，該最優(yōu)值與實際值的差值將送往DCS，可實現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖2 實時動態(tài)滑壓優(yōu)化頁面Fig.2 Real-time dynamic sliding optimization page

3 實時閉環(huán)優(yōu)化控制系統(tǒng)優(yōu)化實施

云南華電鎮(zhèn)雄電廠#1、2 機組汽輪機冷端優(yōu)化系統(tǒng)采取DCS 外接優(yōu)化控制站的方式，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)設(shè)計B/S 架構(gòu)（瀏覽器/服務(wù)器），由數(shù)據(jù)接口軟件、運行優(yōu)化應(yīng)用軟件、實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫和WEB前臺展示程序組成，數(shù)據(jù)接口軟件部署在DCS 系統(tǒng)OPC 站上，通過第三網(wǎng)卡及防火墻接入優(yōu)化服務(wù)器；運行優(yōu)化應(yīng)用軟件、實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫部署在優(yōu)化服務(wù)器上，Web 前端展示軟件部署在專用的監(jiān)視計算上。系統(tǒng)后臺采用統(tǒng)一的通用實時數(shù)據(jù)庫保存性能優(yōu)化計算所需的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)、優(yōu)化計算的結(jié)果等數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)儲到歷史數(shù)據(jù)庫中，方便用戶查閱。數(shù)據(jù)來源于DCS 系統(tǒng)，通過IE，Chrome等瀏覽器即可登錄到系統(tǒng)，顯示系統(tǒng)的運行熱耗，設(shè)備性能狀態(tài)和優(yōu)化結(jié)果數(shù)據(jù)等，且具有歷史數(shù)據(jù)存儲、查詢等功能。

實時動態(tài)最優(yōu)滑壓值與機組DCS 實時控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞，通過外接可編程控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，通過可編程控制器將優(yōu)化運行結(jié)果的調(diào)節(jié)參數(shù)系統(tǒng)輸出到DCS 控制系統(tǒng)中。

4 效果評估

圖3 冷端系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.3 Cold end system architecture

經(jīng)過性能試驗：在420MW 負荷下，動態(tài)滑壓工況二類修正后熱耗率為8042.50kJ/(kW·h)，比機組采用CCS 設(shè)定值工況二類修正后熱耗率8085.01kJ/(kW·h)低42.51kJ/(kW·h)；動態(tài)滑壓工況機組二類修正后供電煤耗為334.68g/(kW·h)，比機組采用CCS 設(shè)計值工況二類修正后供電煤耗336.45g/(kW·h)低1.77g/(kW·h)。370MW 負荷下，動態(tài)滑壓工況二類修正后熱耗率為8100.97kJ/(kW·h)，比機組采用CCS 設(shè)定值工況二類修正后熱耗率8141.52kJ/(kW·h)低40.55kJ/(kW·h)；動態(tài)滑壓工況機組二類修正后供電煤耗為334.90g/(kW·h)，比機組采用CCS 設(shè)計值工況二類修正后供電煤耗336.58g/(kW·h)低1.68g/(kW·h)[10]。在一定程度上降低了電廠的發(fā)電成本，同時節(jié)約了電廠用水資源。

5 結(jié)束語

為了提高火電機組的運行經(jīng)濟性，實現(xiàn)對汽輪機冷端系統(tǒng)的實時閉環(huán)優(yōu)化控制，在分析汽輪機冷端系統(tǒng)運行機理的基礎(chǔ)上，通過對熱耗最優(yōu)的汽輪機冷端系統(tǒng)計算模型的推導和分析，給出了火電機組冷端系統(tǒng)最佳滑壓曲線控制運行方案。通過汽輪機冷端系統(tǒng)最優(yōu)熱耗的主蒸汽壓力連續(xù)調(diào)節(jié)，可以有效地改善機組的經(jīng)濟效益。