沈叢奇,單英雷,歸一數(shù),程際云

(上海明華電力技術(shù)工程有限公司,上海 200437)

1 引言

隨著國內(nèi)電力裝備制造業(yè)的跨越式發(fā)展,“上大壓小”,節(jié)能減排,600 MW等級以上超臨界機組在電網(wǎng)中的比重正在較快上升,電網(wǎng)要求超臨界燃煤發(fā)電機組能調(diào)峰運行,其控制策略應(yīng)保證機組良好的負荷響應(yīng)性和經(jīng)濟穩(wěn)定運行。

直流鍋爐作為一個多輸入、多輸出的被控對象,由于是強制循環(huán)且受熱區(qū)段之間無固定界限,參數(shù)間存在大量的耦合現(xiàn)象。而超臨界參數(shù)的直流鍋爐因調(diào)峰范圍內(nèi)熱力特性變化較大,其動態(tài)特性所表現(xiàn)出的滯后、時變和非線性就更強;同時,由于超臨界鍋爐蓄能能力相對較小,發(fā)電負荷控制與鍋爐參數(shù)控制的矛盾就更為突出。

目前,由于超臨界機組仍沿用適用于汽包爐機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),故難以滿足超臨界機組的運行要求,沒能發(fā)揮出機組的變負荷性能。另外,數(shù)字化控制系統(tǒng)(DCS)雖應(yīng)用至今已有二十多年,但控制系統(tǒng)的智能化程度較低。為此,本文介紹一些適合超臨界機組的智能化協(xié)調(diào)控制策略,與目前的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)相比,有了較大的突破。

2 超臨界機組主要對象特性分析

燃煤發(fā)電是一個把燃煤的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的過程。超臨界機組燃燒系統(tǒng)與汽包爐基本相同,其能量轉(zhuǎn)換過程是一個延遲較大的高階慣性環(huán)節(jié)。對于直流爐,煤量變化時,如給水流量、調(diào)門開度不變,燃燒產(chǎn)生的熱量,慢慢轉(zhuǎn)換成蒸汽比焓同向變化,機組功率、汽溫、汽壓隨之同步變化。對于汽包爐,燃燒產(chǎn)生的熱量,慢慢轉(zhuǎn)換成鍋爐蒸發(fā)量的變化,調(diào)門開度不變時,機組功率、汽壓隨之同步變化。

超臨界機組與汽包爐機組的主要區(qū)別在于汽水系統(tǒng)。汽包爐給水只影響汽包水位,不會影響發(fā)電功率、汽壓和汽溫。而直流爐的鍋爐蒸發(fā)量隨給水量同步變化,所以給水會直接影響發(fā)電功率、汽壓和汽溫。調(diào)門開度變化通過改變蒸汽流量改變機組發(fā)電功率,由于直流爐的蒸汽流量與給水流量隨動變化,所以調(diào)門變負荷與給水變負荷的本質(zhì)相同,只是調(diào)門布置在汽機側(cè),能更快地改變機組發(fā)電功率。

當汽機調(diào)門變化時,由于機組蓄熱變化,機組負荷會有正向瞬時變化,主汽壓力反向慣性變化,但直流爐蓄熱低于汽包爐,尤其在超臨界工況下沒有潛化蓄熱,蓄熱量更小。超臨界機組的蓄熱主要來自受熱面的熱能。

超臨界機組汽機調(diào)門變化時,給水流量隨蒸汽流量快速變化,如果給水指令不變,給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)很快使給水流量和蒸汽流量恢復(fù)到原值,發(fā)電功率變化也快速恢復(fù),可見,超臨界機組采用調(diào)門變負荷方式好似曇花一現(xiàn),其變負荷容量遠遠低于汽包爐。

通過以上分析,可以得出以下兩式:

(1)汽包爐主要對象特性 可以認為是機組負荷N,主汽壓力P輸出對汽機調(diào)門TM,燃料量FD輸入的響應(yīng)特性,可以表示為:

式中:N——機組負荷;P——主汽壓力;W——給水量; TM——汽機調(diào)門開度;FD——燃料量。

(2)直流爐主要對象特性 該特性可以認為是機組負荷N,主汽壓力P和分離器出口比焓h輸出,對汽機調(diào)門TM,燃料量FD,給水量WD輸入的響應(yīng)特性為:

式中:h——分離器出口比焓;WD——給水量指令。

3 傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)如圖1所示,它是由汽包爐單元機組發(fā)展而來,主要有爐跟蹤機(BF),機跟蹤爐(TF)和協(xié)調(diào)(CC)三種控制方式。

圖1 常規(guī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)原理圖

圖1中,虛線上部為汽包的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)原理,BM是控制鍋爐燃燒的指令,TM是控制汽機調(diào)節(jié)汽門的指令,F(X)為煤水比函數(shù),W 2(S)為慣性環(huán)節(jié),PID為調(diào)節(jié)運算。(1)當K 1和K 4取1,K 2和K 3取0時,系統(tǒng)為BF方式,此時汽機調(diào)門調(diào)節(jié)機組功率,鍋爐燃燒率調(diào)節(jié)汽壓,這種方式變負荷性能好,有利于電網(wǎng)運行,但機組汽壓、汽溫變化較大,運行穩(wěn)定性差。

(2)當K1和K4取0,K2和K3取1時,系統(tǒng)為TF方式,此時汽機調(diào)門調(diào)節(jié)汽壓,鍋爐燃燒率調(diào)節(jié)機組功率,這種方式變負荷性能差,機組汽壓、汽溫變化較小,但運行穩(wěn)定性好,有利于電廠運行。

(3)目前系統(tǒng)一般采用CC控制方式,此時汽機調(diào)門和鍋爐燃燒率調(diào)節(jié)機組功率和汽壓的綜合偏差。K 1-K 4采用不同的設(shè)置,可以產(chǎn)生不同的協(xié)調(diào)效果。例如:K 1/K2數(shù)值大,說明汽機側(cè)重調(diào)節(jié)負荷;K 4/K 3數(shù)值大,說明鍋爐側(cè)重調(diào)節(jié)主汽壓力?？梢?TF和BF控制方式是兩種特殊情況。

不管采用哪種調(diào)節(jié)方式,都設(shè)計了功率指令到鍋爐指令(BM)的前饋,通過“PD”環(huán)節(jié)使鍋爐燃燒率準確、快速地隨功率指令變化。由于鍋爐蒸汽熱負荷對燃料量響應(yīng)較慢,在變負荷時鍋爐燃燒率應(yīng)有適當?shù)某{(diào),這是因為在加快機組變負荷速率的同時,增大鍋爐的蓄熱變化。圖1中K 5的作用是變負荷時加快調(diào)門的變化,提高機組功率的調(diào)節(jié)性能。

目前,超臨界機組在傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)上增加了圖1所示的給水控制部分,f(x)是煤水比函數(shù),f(t)是多階慣性環(huán)節(jié)。通過這兩個環(huán)節(jié),可以控制合適的靜態(tài)和動態(tài)煤水關(guān)系,減小變負荷時的汽溫變化。這種控制系統(tǒng)難以滿足超臨界機組的運行要求。

如果采用TF協(xié)調(diào)控制方式,機組能穩(wěn)定運行,汽壓汽溫變化也較小,但功率的調(diào)節(jié)性能很差,根本達不到電網(wǎng)運行的要求,所以許多電廠采用BF協(xié)調(diào)控制方式。由于給水在變負荷時有較大的延遲性,使得機組變負荷性能達不到電網(wǎng)的運行要求,加之汽壓變化較大,導(dǎo)致機組不能穩(wěn)定運行,甚至?xí)＜皺C組的安全。

4 智能化協(xié)調(diào)控制策略

機組變負荷時應(yīng)采用有利電網(wǎng)運行的控制策略,根據(jù)對超臨界機組的特性分析,汽機調(diào)門、給水量和給煤量(燃燒率)同時協(xié)同變化能發(fā)揮出最快的變負荷性能。汽機調(diào)門主調(diào)功率,給水快速變化,協(xié)助調(diào)門控制功率,給煤量(燃燒率)控制實現(xiàn)總能量的平衡,初期變負荷主要依靠汽機調(diào)門,中期變負荷主要依靠汽機調(diào)門和給水量,后期變負荷主要由給煤量和給水量來承擔。

機組穩(wěn)態(tài)時應(yīng)采用有利機組的控制策略,汽機調(diào)門側(cè)重調(diào)節(jié)汽壓,給水調(diào)節(jié)汽溫,給煤量(燃燒率)側(cè)重調(diào)節(jié)功率。直流爐智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 直流爐智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)原理圖

4.1 協(xié)調(diào)方式的智能化控制

通過以上分析可以得出:BF方式的變負荷性能最佳,TF方式則有利于機組運行。目前采用的協(xié)調(diào)方式,從控制策略上講,如果有利于機組運行,則電網(wǎng)不滿意;如果有利于電網(wǎng)運行,則機組運行不佳。

解決上述問題的方法是采用智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),通過“協(xié)調(diào)方式控制”功能判斷機組加負荷、減負荷、穩(wěn)定工況,并在變負荷工況時使控制系統(tǒng)切換到BF方式,此時汽機調(diào)門在保證機組安全運行的前提下控制功率,發(fā)揮機組最快的變負荷性能,及時滿足電網(wǎng)的AGC變負荷要求。完成變負荷后過渡到 TF或有利于機組的協(xié)調(diào)方式,汽機調(diào)門平滑地過渡為主調(diào)汽壓,使機組在穩(wěn)定工況下,處于最穩(wěn)定、最經(jīng)濟的運行方式。

4.2 直流爐智能化給水控制

通過對超臨界機組的運行特性分析,汽機調(diào)門變化只能滿足電網(wǎng)初期和較小幅度變負荷要求,只有給水隨調(diào)門同步變化,才能滿足較大幅度的持續(xù)變負荷要求。而給水對汽溫的響應(yīng)遠比燃料快,通過給水調(diào)節(jié)負荷,變負荷性能好,汽壓偏差小,但汽溫偏差較大。反之,給水調(diào)節(jié)汽溫,則汽溫變化較小,但變負荷性能差,汽壓偏差大?？梢?超臨界機組的給水控制負荷與汽溫是有矛盾的。目前,給水一般用于控制汽溫,造成變負荷性能差,汽壓控制偏差大。

如圖2所示,通過“協(xié)調(diào)方式控制”功能,使給水和減溫水控制系統(tǒng)在變負荷時,切換協(xié)助汽機調(diào)門控制功率,適當放棄汽溫的控制,使機組有較好的持續(xù)變負荷性能,完成變負荷后平滑過渡到控制汽溫,這樣,既提高了超臨界機組的負荷調(diào)節(jié)性能,也將汽溫的變化控制在合理的范圍內(nèi)。

4.3 智能化的變負荷策略

電網(wǎng)是一個要求發(fā)電和用電及時平衡的系統(tǒng),經(jīng)常會出現(xiàn)上下來回的變負荷要求。例如:在加負荷過程中突然會出現(xiàn)反向減負荷要求,由于功率指令有速率限制,在一段時間內(nèi)機組功率仍低于功率指令,而目前的控制系統(tǒng)仍會朝著加負荷的方向變化,造成負荷反向變化的延遲,同時也浪費能源。通過智能化的變負荷策略,可以隨功率指令同步反向減小汽機調(diào)門、鍋爐燃料和給水,使機組功率馬上從當前值開始下降,隨電網(wǎng)要求同步變化。

在頻繁的變負荷過程中,時常會出現(xiàn)加負荷時汽溫和汽壓偏高于其定值或減負荷時汽溫和汽壓偏低于其定值的情況。例如:加負荷過程中突然反向減負荷,此時汽溫和汽壓一般低于其定值,智能化的變負荷策略會加速關(guān)小汽機調(diào)門和降低給水量,使變負荷速率優(yōu)于電網(wǎng)要求,這樣做既有利于電網(wǎng),也有助于恢復(fù)機組的汽溫和汽壓。

4.4 智能化的超調(diào)控制策略

當汽機調(diào)門和給水快速跟隨功率指令變化,充分利用機組蓄熱,實現(xiàn)機組快速變負荷時,由于鍋爐熱負荷客觀上存在著較大的延遲,必須適當?shù)爻{(diào)煤量和給水,減小蒸汽壓力和溫度的變化。過大的超調(diào)造成負荷過調(diào),過小的超調(diào)達不到變負荷速率要求。超調(diào)不當,機組參數(shù)變化較大,會影響機組運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。而常規(guī)的協(xié)調(diào)控制采用固定的超調(diào),當機組工況變化時,控制性能會變差。

超調(diào)的總量應(yīng)是變負荷時機組蓄熱的變化量,對應(yīng)于一定量的燃煤量和適當?shù)慕o水,是超調(diào)幅度與超調(diào)持續(xù)時間形成的面積,如圖2所示的“鍋爐超調(diào)”模塊控制超調(diào)的觸發(fā)、停止和幅度。超調(diào)幅度根據(jù)機組負荷、變負荷幅度和速率預(yù)估,并根據(jù)機組的運行參數(shù)等來修正,使機組有較好的變負荷性能,完成變負荷任務(wù)后能量基本平衡,蒸汽壓力和溫度恢復(fù)到額定值。

給水超調(diào)的主要作用是加快機組的變負荷速度,及時平衡汽機對鍋爐蒸發(fā)量的要求,并根據(jù)汽壓的變化修正給水超調(diào)量,減小汽壓的變化幅度,最終使汽壓恢復(fù)。燃料量的超調(diào)主要是及時補充鍋爐的儲能變化,平衡機組的能量,并根據(jù)蒸汽溫度(或比焓)的變化修正燃料量的超調(diào),減小汽溫的變化,最終使汽溫恢復(fù)。

鍋爐熱負荷對煤量的響應(yīng)有較大的延遲,超調(diào)應(yīng)“早動早停”,超調(diào)在變負荷前期較大,并在蒸汽參數(shù)接近目標時就結(jié)束,利用熱慣性,使蒸汽壓力溫度恢復(fù)。

4.5 智能化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制策略

超臨界機組是1個多變量強耦合的復(fù)雜系統(tǒng),控制系統(tǒng)之間相互影響,機組較難穩(wěn)定運行。通過解耦,消除或減弱調(diào)節(jié)系統(tǒng)間的相互影響,機組才能穩(wěn)定運行。

如圖1所示,只要合適地設(shè)置K 3和K 4,CO1對E2的影響可以消除或減弱。如E3為分離器比焓偏差,調(diào)門變化時由于沒有熱交換變化,CO1對E3沒有影響。F2(t)和F 2(x)構(gòu)成輸出解耦功能,其作用是使給水按一定比例和動態(tài)過程隨煤量變化,在穩(wěn)態(tài)時保持蒸汽的比焓不變,則CO2對E3沒有影響。CO2可視作鍋爐指令,通過它控制鍋爐熱負荷,功率和汽壓隨CO2同步變化,只要正確設(shè)置K 1,K 2,E1不隨CO2變化,即實現(xiàn)了CO2對E1的解耦。CO3可作給水指令,給水變化相當于鍋爐蒸發(fā)量,功率和壓力在一段時間內(nèi)同步隨給水變化,故E1基本不隨CO3變化,但E2隨CO3顯著變化。

由PID1,PID2和PID 3構(gòu)成協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的3個主要調(diào)節(jié)系統(tǒng),其輸出(調(diào)節(jié)量)為CO1,CO2和CO3,其輸入(被調(diào)量)為E1,E2和E3。

通過對以上解耦策略的分析,可以將協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的對象特性用式(3)來表示,由此可見,上述解耦策略消除和減弱了大部分耦合環(huán)節(jié),可以消除由于系統(tǒng)耦合引起的協(xié)調(diào)控制不能達到穩(wěn)定的情況。

4.6 基于優(yōu)化運行的協(xié)調(diào)控制

全面的機組優(yōu)化調(diào)整是智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)良好投運的基礎(chǔ),制粉系統(tǒng)、燃燒器、一次風(fēng)、二次風(fēng)等鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整,確定最優(yōu)的磨煤機風(fēng)量定值、溫度定值,一次風(fēng)壓定值,確定最優(yōu)的燃燒器風(fēng)門控制函數(shù)、氧量函數(shù)、風(fēng)煤比函數(shù),達到最經(jīng)濟燃燒,合理的煙氣熱量分布,保證局部不過熱,消除或減小煙溫偏差,兩側(cè)過熱器的汽溫相近。汽水系統(tǒng)優(yōu)化,確定合理、經(jīng)濟的滑壓曲線,分離器溫度和各級溫度的目標定值函數(shù)。只有這樣,才能有效地保證控制系統(tǒng)能維持機組運行接近最佳工況。

從一個負荷點過渡到另一個負荷點的變負荷過渡中,煤量、風(fēng)量和水量快速按設(shè)定的函數(shù)關(guān)系隨負荷指令變化的前饋控制和智能化的超調(diào)作為粗調(diào),粗調(diào)使煤量、風(fēng)量和給水量快速地變化到正確的預(yù)定值,使機組負荷的變化基本到位。以PID為基礎(chǔ)反饋控制作為細調(diào),細調(diào)最終使負荷、主汽壓力、溫度穩(wěn)定于目標值。變負荷時,各調(diào)節(jié)量和相關(guān)參數(shù)的變化也能保證經(jīng)濟損失接近最小,以盡量減小變負荷成本。

5 應(yīng)用效果

本控制技術(shù)成功地在淮滬煤電田集電廠1號和2號機組、安徽淮南平圩第二發(fā)電有限責任公司3號和4號機組應(yīng)用,圖3與圖4分別為田集電廠1號機組大幅度加、減負荷時運行曲線示意圖。

圖3 大幅度加負荷運行曲線

圖4 大幅度減負荷運行曲線

如圖3所示,負荷從360 MW加至600 MW過程中,功率控制偏差最大為6 MW,分離器溫度最大偏差為7℃,主汽溫最大偏差為6℃,再熱汽溫最大偏差為5℃,壓力最大偏差為6 kg。

如圖4所示,負荷從520 MW降至360 MW過程中,功率控制偏差最大為5 MW,分離器溫度最大偏差為6.6℃,主汽溫最大偏差為6℃,再熱汽溫最大偏差為5℃,壓力最大偏差為8 kg。

圖3與圖4中壓力定值為目標壓力,實際壓力定值是目標壓力經(jīng)過三階慣性后的值,主汽壓與目標壓力最大偏差0.8 MPa,與實際壓力定值的偏差小于0.5 MPa。

從圖3與圖4可以看到,變負荷時汽機調(diào)門、煤量、給水量快速跟隨功率指令變化,煤水的超調(diào)準確,功率調(diào)節(jié)性能好,而且汽溫、汽壓變化控制在較小范圍內(nèi),調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定,不超也不欠。

6 結(jié)論

(1)變負荷時汽機調(diào)門在給水輔助下主調(diào)機組發(fā)電功率,發(fā)揮出機組最好的變負荷性能;穩(wěn)態(tài)時,應(yīng)用解耦技術(shù),汽機調(diào)門側(cè)重穩(wěn)壓,給水主調(diào)汽溫,使機組處于最佳穩(wěn)定運行狀態(tài)。這種智能化協(xié)調(diào)控制方式較好地實現(xiàn)了廠網(wǎng)協(xié)調(diào)。

(2)控制系統(tǒng)的風(fēng)煤水等靜態(tài)關(guān)系、汽壓和各汽溫的目標、燃燒系統(tǒng)應(yīng)基于機組優(yōu)化調(diào)整結(jié)果?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)體現(xiàn)最佳的運行技術(shù),維持機組接近最佳經(jīng)濟的運行狀態(tài)。

(3)風(fēng)煤水按正確的函數(shù)關(guān)系和智能化超調(diào)隨負荷指令變化的鍋爐側(cè)變負荷策略,準確、及時地實現(xiàn)了工質(zhì)和能量的平衡,較好地解決了大滯后、時變、非線性的鍋爐控制難點。