周忠偉，王利濤，懷玉明，劉月正，邱敬國(guó)，李華東

（1.陜西德源府谷能源有限公司，陜西榆林719407；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250002）

空冷機(jī)組背壓變化對(duì)系統(tǒng)參數(shù)及協(xié)調(diào)控制影響

周忠偉1，王利濤1，懷玉明1，劉月正1，邱敬國(guó)1，李華東2

（1.陜西德源府谷能源有限公司，陜西榆林719407；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250002）

隨著空冷技術(shù)在發(fā)電機(jī)組的廣泛應(yīng)用，其控制系統(tǒng)的研究越來(lái)越重要。以直接空冷為研究對(duì)象，重點(diǎn)闡述空冷背壓的控制，尤其背壓變化時(shí)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)以及協(xié)調(diào)控制所造成的影響。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行機(jī)組的背壓控制特點(diǎn)，從背壓影響因素出發(fā)，逐一分析其控制難點(diǎn)，探討相應(yīng)控制策略。表明可以通過(guò)各因素分析，制定措施，最終消除背壓變化對(duì)系統(tǒng)的影響。

空冷機(jī)組；背壓控制；協(xié)調(diào)控制

0 引言

隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展和節(jié)約水資源的考慮，我國(guó)600～1000 MW空冷火力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)中所占的比例愈來(lái)愈大，機(jī)組控制系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠成為機(jī)組應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？绽錂C(jī)組的特點(diǎn)是真空系統(tǒng)容積非常龐大，背壓普遍比濕冷機(jī)組高約10～20 kPa。空冷機(jī)組的背壓由于受環(huán)境因素，如環(huán)境溫度、風(fēng)速和風(fēng)向、灰塵等影響，非常難于控制。尤其在夏季，背壓會(huì)因環(huán)境溫度及風(fēng)向、風(fēng)速的變化而變得不穩(wěn)定，成為制約直接空冷機(jī)組正常帶滿負(fù)荷運(yùn)行的重要因素。在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)自動(dòng)方式下，背壓的變化會(huì)造成主汽壓力、負(fù)荷、汽溫及氧量等較大波動(dòng)。需要找到參數(shù)影響規(guī)律，才能做好直接空冷機(jī)組系統(tǒng)控制。

1 外界環(huán)境對(duì)背壓變化影響

直接空冷機(jī)組的背壓控制主要是依靠變頻器調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化調(diào)整背壓。轉(zhuǎn)速增加會(huì)使背壓降低，反之亦然。需要限制背壓差變化率以避免背壓控制器輸出過(guò)快變化。

以某電廠亞臨界600 MW直接空冷機(jī)組為例，機(jī)組共配備7排8列共56臺(tái)風(fēng)機(jī)控制背壓，分A、B兩側(cè)。根據(jù)不同工況不斷地改變運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)的數(shù)量，通過(guò)14個(gè)步序調(diào)整背壓。

由于風(fēng)機(jī)設(shè)備及控制影響因素較多，會(huì)直接對(duì)背壓參數(shù)影響，導(dǎo)致背壓變化，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

1）環(huán)境溫度。散熱效率直接影響風(fēng)機(jī)效率與背壓值，環(huán)境溫度越高，散熱效率相對(duì)差，背壓容易惡化。溫度過(guò)低會(huì)影響設(shè)備安全，要通過(guò)防凍保護(hù)措施，保證設(shè)備可靠穩(wěn)定。溫度控制一般分夏季工況與冬季工況，設(shè)置以環(huán)境溫度30℃和3℃為界，30℃以上為夏季工況，環(huán)境溫度3℃以下為冬季工況。冬季工況背壓控制9～16 kPa，夏季工況時(shí)，背壓控制25～40 kPa。環(huán)境溫度在一定時(shí)間內(nèi)的過(guò)快變化也會(huì)造成背壓波動(dòng)，如晝夜溫差大的區(qū)域或時(shí)段在一天之內(nèi)的變化會(huì)造成背壓不穩(wěn)定，從而對(duì)系統(tǒng)造成影響。在夏季工況時(shí)，背壓在35 kPa以上，會(huì)造成整個(gè)控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，運(yùn)行人員必須密切關(guān)注，有時(shí)不得不采取降負(fù)荷方式保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2）風(fēng)向。直接作用在風(fēng)機(jī)的風(fēng)會(huì)嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)效率，從而影響背壓。凡是在風(fēng)機(jī)周?chē)a(chǎn)生對(duì)流的橫向風(fēng)或爐后風(fēng)，都會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生影響，更為嚴(yán)重的是熱風(fēng)回流造成背壓急劇升高。

3）風(fēng)速。風(fēng)速大小會(huì)直接影響風(fēng)機(jī)效率，并造成背壓不穩(wěn)定。風(fēng)速在4 m/s以下時(shí)影響較小，但大于此值，影響較明顯。

4）粉塵?；覊m、煤粉造成散熱設(shè)備的臟污會(huì)影響散熱器散熱效果，從而影響背壓，尤其在春季風(fēng)沙天氣或揚(yáng)塵大的區(qū)域，對(duì)背壓的影響較明顯。

5）空冷散熱器設(shè)備質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響散熱效果，散熱效果差直接影響背壓。

2 背壓變化對(duì)系統(tǒng)效率和蒸汽參數(shù)影響

外界環(huán)境對(duì)背壓的影響是難以控制的，而背壓變化對(duì)系統(tǒng)供電煤耗及主蒸汽參數(shù)影響較大，從而影響系統(tǒng)的效率與運(yùn)行穩(wěn)定。

1）對(duì)效率影響。根據(jù)初步估算空冷機(jī)組背壓每變化1 kPa約影響供電煤耗率1.52 g/kWh［1］。

2）對(duì)蒸汽參數(shù)影響。背壓變化會(huì)對(duì)蒸汽流量、主汽壓力等參數(shù)造成影響。

以600 MW亞臨界空冷機(jī)組為例，額定負(fù)荷600 MW，最大連續(xù)蒸發(fā)量（BMCR）為2 070 t／h，額定蒸發(fā)量（THA）為1 852.7 t/h。在500 MW、550 MW、600 MW 3種不同負(fù)荷下蒸汽流量隨背壓的變化如表1所示。

表1 不同負(fù)荷蒸汽流量隨背壓的變化

通過(guò)表1可以看出，在高于額定背壓的狀態(tài)下，背壓的變化與功率、流量曲線并非直線［2］。背壓變化時(shí)，蒸汽流量隨之變化，機(jī)組背壓升高，蒸汽流量在不同負(fù)荷下呈現(xiàn)不均勻變化，其影響較為明顯。

需要注意的是，夏季工況高溫天氣時(shí)，在所有風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，背壓難以穩(wěn)定的情況下，加上其他因素的耦合影響，會(huì)造成蒸汽流量大幅變化。

3 背壓變化對(duì)協(xié)調(diào)控制及機(jī)組安全影響

空冷機(jī)組背壓變化對(duì)機(jī)組自動(dòng)控制，特別是對(duì)協(xié)調(diào)控制的子系統(tǒng)控制影響非常大。協(xié)調(diào)控制投入情況下，機(jī)爐參數(shù)互相影響。背壓變化會(huì)對(duì)蒸汽流量產(chǎn)生較大影響，而蒸汽流量變化勢(shì)必引起主汽壓力波動(dòng)。主汽壓力變化，對(duì)于煤量、調(diào)速汽門(mén)直接產(chǎn)生影響，從而影響風(fēng)、煤、水各子系統(tǒng)的穩(wěn)定。主要包括以下幾個(gè)方面。

1）背壓變化影響到協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)品質(zhì)。對(duì)于亞臨界機(jī)組、蓄熱量相對(duì)較小的超臨界和超超臨界機(jī)組來(lái)說(shuō)，背壓變化會(huì)直接影響到蒸汽流量變化，從而引起主汽壓力變化。

2）背壓變化對(duì)送風(fēng)控制不利。常規(guī)的控制方案是風(fēng)量設(shè)定取自負(fù)荷的函數(shù)。但在負(fù)荷不變背壓變化時(shí)，會(huì)引起煤量變化，而風(fēng)量不變，送風(fēng)調(diào)整就出現(xiàn)滯后問(wèn)題。

另外，背壓對(duì)空冷機(jī)組安全也會(huì)造成直接影響。

背壓瞬時(shí)的大幅度變化直接影響機(jī)組安全。背壓影響機(jī)組的理想焓降、機(jī)組效率和帶負(fù)荷能力。背壓參數(shù)過(guò)于頻繁的變化，嚴(yán)重影響機(jī)組安全［3］。直接空冷機(jī)組由于空冷島的運(yùn)行效率與環(huán)境溫度密切相關(guān)，在夏天晝夜溫差大時(shí)，機(jī)組背壓可由10 kPa變化至40 kPa，背壓的瞬間劇烈變化會(huì)造成機(jī)組參數(shù)劇烈波動(dòng)，甚至引起機(jī)組跳閘［4］。以上舉例的空冷機(jī)組曾因風(fēng)速較大，造成背壓不穩(wěn)定（風(fēng)速達(dá)到10 m/s以上），最終引起機(jī)組跳閘。

4 控制策略

根據(jù)背壓影響因素及對(duì)系統(tǒng)影響的分析，對(duì)于背壓的精確控制，在環(huán)境溫度變化時(shí)是可行的，但在環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向劇烈變化時(shí)，不可能實(shí)現(xiàn)。針對(duì)空冷機(jī)組控制的難點(diǎn)，提出了解決方法。

4.1 保證最小背壓

為最大限度保證機(jī)組安全，必須保證背壓一定的限度值。以在難以排除外界因素干擾背壓控制的情況下，維持機(jī)組的最低控制低限。同時(shí)可提高發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，降低供電煤耗。

控制系統(tǒng)將保持背壓設(shè)定點(diǎn)在一定的范圍內(nèi)，最小背壓設(shè)定點(diǎn)可手動(dòng)（由操作員）選擇或經(jīng)一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)算法則自動(dòng)選擇。

最小背壓設(shè)定值算法，不同的設(shè)備及使用條件會(huì)有個(gè)別差異，以下是某600 MW亞臨界機(jī)組采用德國(guó)SPX空冷設(shè)備的廠家提供的最小背壓設(shè)定算法公式

式中：X為系數(shù)，一般取值0.4～1.2；Y為最小背壓設(shè)定值，范圍為-10.026 24～27.978 24 kPa。

由于設(shè)備及使用環(huán)境條件不同，具體設(shè)定范圍及算法要根據(jù)具體機(jī)組情況或調(diào)整經(jīng)驗(yàn)確定。

以600 MW亞臨界機(jī)組為例，在系統(tǒng)達(dá)到阻塞背壓工況（一般為5.5～6 kPa）時(shí)，蒸汽流量達(dá)到阻塞狀態(tài)工況參數(shù)，按T-MCR工況考慮［5］。為了確保真空系統(tǒng)有效地移走空氣，背壓最低限則設(shè)置比阻塞背壓高出6～8 kPa，即大于阻塞背壓6～8 kPa。夏季高溫時(shí)段，需將設(shè)定最小背壓值要比實(shí)際值低3～5 kPa，即小于實(shí)際值3～5 kPa。

4.2 空冷系統(tǒng)散熱器定期清洗

為防止空冷系統(tǒng)散熱器被粉塵污染，采用定期清洗的方式，可有效降低因粉塵污染造成對(duì)散熱效果的影響。

4.3 在協(xié)調(diào)控制中增加背壓補(bǔ)償

鑒于背壓對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)各參數(shù)的影響，在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中加入背壓的控制邏輯，在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中減少背壓變化對(duì)主汽壓力的影響，從而保證協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定并提高系統(tǒng)抗干擾能力。

1）由于蒸汽流量與背壓是相互影響的參數(shù)，且對(duì)協(xié)調(diào)控制影響較大，如果補(bǔ)償不當(dāng)會(huì)造成較大誤差，必須采用合適的補(bǔ)償方式，將誤差消除或降低［6］。在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中采用公式進(jìn)行蒸汽流量補(bǔ)償

式中：K為補(bǔ)償系數(shù)；Q為實(shí)際背壓所對(duì)應(yīng)的機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)的蒸汽流量，為背壓的函數(shù)；Qe為額定背壓所對(duì)應(yīng)的機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)的蒸汽流量，Qe為定值，Q和Qe的確定以汽輪機(jī)廠家的熱力計(jì)算書(shū)或性能試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)值為準(zhǔn)。

2）實(shí)現(xiàn)背壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)。在滿足變頻調(diào)節(jié)速率限制的前提下，盡量提高背壓的控制速度，將背壓控制在一定范圍之內(nèi)。

3）消除背壓控制對(duì)送風(fēng)控制不利影響。常規(guī)的控制方案是風(fēng)量設(shè)定取負(fù)荷的函數(shù)。在負(fù)荷不變背壓變化時(shí)，只有煤量的變化而風(fēng)量不變。只有氧量變化時(shí)，送風(fēng)指令才改變。為此，我們將風(fēng)量的設(shè)定改為DEB指令的函數(shù)。

4）邏輯實(shí)現(xiàn)。根據(jù)以上情況，在原協(xié)調(diào)控制邏輯中進(jìn)行以下模塊完善，主要有以下內(nèi)容：設(shè)置鍋爐主控PID1，其設(shè)定值是壓力設(shè)定，被調(diào)量是主汽壓力；設(shè)置鍋爐主控前饋1為壓力偏差的微分；設(shè)置鍋爐主控前饋2為負(fù)荷設(shè)定的微分；設(shè)置鍋爐主控前饋3為負(fù)荷設(shè)定；將負(fù)荷設(shè)定用公式K＝Q／Qe進(jìn)行背壓修正，以克服背壓變化對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的影響；設(shè)置煤質(zhì)校正回路PID3，其設(shè)定值為當(dāng)前負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的蒸汽流量經(jīng)公式K=Q／Qe修正后的值，其被調(diào)量為實(shí)際燃料量乘以PID3的輸出值；設(shè)置燃料主控PID2，其設(shè)定值為鍋爐主控PID1的輸出，其被調(diào)量為實(shí)際燃料量乘以PID3的輸出值；將送風(fēng)自動(dòng)的設(shè)定值設(shè)為DEB指令的函數(shù)乘以氧量校正的輸出。

完善后的系統(tǒng)控制圖如圖1所示。

圖1 完善后控制邏輯圖

4.4 消除背壓劇變的影響

背壓的瞬間劇烈變化會(huì)造成機(jī)組參數(shù)劇烈波動(dòng)，甚至引起機(jī)組跳閘。通過(guò)增加一級(jí)報(bào)警、空冷RB邏輯防范大風(fēng)天氣空冷背壓波動(dòng)造成機(jī)組跳閘。背壓變化一般設(shè)置55 kPa報(bào)警，65 kPa機(jī)組跳閘。根據(jù)此情況，改為45 kPa報(bào)警，設(shè)計(jì)55 kPa空冷RB，65 kPa跳機(jī)值不變?？绽銻B雖然不是常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)此也未見(jiàn)有關(guān)規(guī)定，但對(duì)于防止機(jī)組機(jī)組跳閘是非常有用的。

5 結(jié)語(yǔ)

就直接空冷機(jī)組的背壓參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)其他參數(shù)及協(xié)調(diào)控制影響展開(kāi)分析，證明背壓變化對(duì)機(jī)組負(fù)荷、蒸汽流量等系統(tǒng)參數(shù)及協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生直接影響，說(shuō)明在運(yùn)行機(jī)組中系統(tǒng)任何參數(shù)都不是孤立獨(dú)島，而是互相牽涉影響的。需通過(guò)現(xiàn)象，找出主要因素，制定出相應(yīng)的控制策略。根據(jù)背壓影響作用的一般規(guī)律分析，制定了最小背壓控制策略，在協(xié)調(diào)控制中增加背壓補(bǔ)償，增加一級(jí)報(bào)警、空冷RB邏輯等一系列措施，通過(guò)方案實(shí)施，解決了空冷機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的難題。

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式中：ω（FCd）為干基灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；其余字母意義同式（1）。

表10 干基灰分、干基揮發(fā)分、干基固定碳對(duì)干基高位發(fā)熱量逐步回歸分析結(jié)果（Vd＞15.60%,N=107）

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)2009—2012年期間山東省內(nèi)燃煤電廠1 898個(gè)煤質(zhì)樣本進(jìn)行工業(yè)分析，統(tǒng)計(jì)水分、灰分、揮發(fā)分及固定碳等指標(biāo)的分布情況，通過(guò)相關(guān)性分析以及采用回歸分析方法進(jìn)行理論研究，得出了灰分、揮發(fā)分、固定碳與發(fā)熱量的計(jì)算規(guī)律，從而發(fā)現(xiàn)了可以采用工業(yè)分析來(lái)預(yù)測(cè)煤質(zhì)發(fā)熱量的方法。采用煤質(zhì)工業(yè)分析方法來(lái)預(yù)測(cè)發(fā)熱量具有簡(jiǎn)單、可行，試驗(yàn)條件要求相對(duì)較低的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)與熱量計(jì)測(cè)定方法的相互驗(yàn)證。為煤質(zhì)監(jiān)督與檢測(cè)提供了一種簡(jiǎn)單、快捷的驗(yàn)證方法，對(duì)于指導(dǎo)燃煤電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的參考價(jià)值。

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收稿日期：2014-01-13

作者簡(jiǎn)介：

李莉（1977—），女，工程師，從事火力發(fā)電廠水質(zhì)、煤質(zhì)分析工作。

Effects of ACC Back Pressure on the System Parameters and Coordination Control

With the wide application of ACC in power units，the research on the control system becomes more and more important.This paper focuses on the control of air cooling back pressure，especially when the pressure changes，the effects on the system parameter and coordinated control.According to the actual control characteristics and influence factors of back pressure，difficulty and corresponding cortrol strategy are analyzed.The influence of the change of back pressure on the system can be eliminated by analyzing the influencing factors and making measures.

ACC unit；back pressure control；coordination control

TM621.3

：B

：1007-9904（2014）03-0074-04

2013-10-29

周忠偉（1973—），男，高級(jí)工程師，從事電廠熱工管理工作。