330MW機(jī)組控制系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳彥橋，張芬芳

(國電科學(xué)技術(shù)研究院北京電力技術(shù)分院，北京市 100081)

0 引言

解決能源矛盾的可行方法之一就是“節(jié)能降耗”，提高化石能源利用效率。目前，我國約有70%的發(fā)電量是由燃煤電廠提供的，到2020年，這一比例仍將維持在65%左右［1］，因此對現(xiàn)有火電機(jī)組節(jié)能優(yōu)化顯得尤為必要。

機(jī)組節(jié)能改造不僅涉及到工藝流程和設(shè)備優(yōu)化，控制優(yōu)化也是必不可少的部分［2］。控制優(yōu)化就是利用優(yōu)化控制策略對復(fù)雜多變的生產(chǎn)過程進(jìn)行及時的控制，以達(dá)到提高機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性的目的。文獻(xiàn)［3］針對排灰和爐渣中可燃物含量高、排煙溫度偏高的問題，提出了典型負(fù)荷下鍋爐的優(yōu)化運(yùn)行方式，使其對氧量、一次風(fēng)壓、二次配風(fēng)方式以及投磨煤機(jī)方式等因素進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。超超臨界火電機(jī)組大都采用滑壓運(yùn)行，為了提高超超臨界機(jī)組在汽機(jī)調(diào)門節(jié)流很小甚至調(diào)門全開、無鍋爐蓄熱可利用工況下機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力，文獻(xiàn)［4］設(shè)計(jì)了1套全新的基于凝結(jié)水節(jié)流調(diào)節(jié)負(fù)荷的節(jié)能型機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，有效利用了機(jī)組凝結(jié)水和回?zé)嵯到y(tǒng)中的蓄能，并與鍋爐燃燒率控制相配合，降低了供電煤耗。文獻(xiàn)［5］對3個典型除塵系統(tǒng)的通風(fēng)風(fēng)機(jī)做了詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理，分析了除塵系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能的情況。對于運(yùn)行時偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)不大的系統(tǒng)，需要對風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整;對于偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)較大的系統(tǒng)，需要對其風(fēng)機(jī)進(jìn)行更換。經(jīng)過這些改造，減少了除塵系統(tǒng)對資源的浪費(fèi)。文獻(xiàn)［6］對中儲式制粉系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能優(yōu)化控制，根據(jù)磨煤機(jī)料位控制給煤量，根據(jù)出口溫度和系統(tǒng)風(fēng)壓調(diào)整熱風(fēng)門、再循環(huán)風(fēng)門或冷風(fēng)門。在各控制回路之間引入?yún)f(xié)調(diào)控制，從而使制粉系統(tǒng)始終控制在最佳運(yùn)行狀態(tài)。文獻(xiàn)［7］根據(jù)電廠運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，分析了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)產(chǎn)生問題的原因，修改了邏輯組態(tài)中閥門的流量特性曲線，并提出了分段負(fù)荷定壓的方案，每年減少節(jié)流損失數(shù)百萬元。

本文對駐馬店熱電有限公司330MW單元機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、送風(fēng)控制系統(tǒng)、一次風(fēng)控制系統(tǒng)、加熱器疏水系統(tǒng)等進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到提高機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性的目的。

1 機(jī)組現(xiàn)狀和問題

國電駐馬店熱電有限公司共有2臺330MW亞臨界機(jī)組，單機(jī)配備5臺雙入雙出鋼球磨煤機(jī)，分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)采用EDPF NT+控制系統(tǒng)。2臺機(jī)組自投產(chǎn)以來，控制品質(zhì)較差，主要問題如下:

(1)機(jī)組原控制邏輯存在較大缺陷，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)常常退出運(yùn)行。有時，1天之內(nèi)退出好幾次，嚴(yán)重影響了機(jī)組的運(yùn)行安全和自動控制品質(zhì)。

(2)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)負(fù)荷跟蹤品質(zhì)較差，主蒸汽壓力波動大。

(3)送風(fēng)控制系統(tǒng)無法投自動。

(4)原高、低壓加熱器(下稱高加、低加)疏水控制系統(tǒng)存在邏輯缺陷，本級高加(低加)水位高，沒有檢測下一級高加(低加)水位是否有裕量，就打開本級緊急疏水門，不僅損失了疏水蘊(yùn)含的熱量，還造成了凝汽器內(nèi)過多的冷源損失、增加了凝結(jié)水泵出力［8］。

2 控制系統(tǒng)優(yōu)化方案

2.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化

2.1.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)退出邏輯缺陷

通過對機(jī)組運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)和協(xié)調(diào)控制邏輯的分析，確定燃料主控切手動是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)退出的原因，而引起燃料主控切手動的原因有2點(diǎn):燃料偏差大是主因，總?cè)剂狭科焚|(zhì)壞是次因。機(jī)組運(yùn)行狀況的實(shí)時曲線如圖1所示。

圖1 機(jī)組運(yùn)行歷史曲線Fig.1 Units'operation curves

由圖1可知，“燃料偏差報警”最早發(fā)生，進(jìn)而觸發(fā)了燃料主控退到手動狀態(tài)，其控制邏輯如圖2所示。

從圖2可看出，燃料主控切手動的主要原因來自于“燃料偏差報警”和“總?cè)剂狭科焚|(zhì)壞”這2條邏輯。

圖2 燃料主控切手動邏輯Fig.2 Logic principle of main fuel control changed to manual

進(jìn)一步分析歷史趨勢發(fā)現(xiàn)，鍋爐主控輸出在容量風(fēng)指令≥100%時，由于積分作用其輸出指令還在增加，從而造成總?cè)剂狭亢湾仩t主控輸出指令(總?cè)剂狭恐噶?之間的燃料偏差大。因此，對鍋爐主控增加了“容量風(fēng)指令≥85%，閉縮增”的邏輯，從而消除了燃料偏差大造成協(xié)調(diào)控制退出的隱患。同時，將“總?cè)剂狭科焚|(zhì)壞”信號延時5 s，若該信號為真，燃料主控才跳到手動。

經(jīng)過更改上述邏輯，1、2號機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)不再發(fā)生燃料主控切手動的現(xiàn)象，有效提高了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的可用性。

2.1.2 負(fù)荷跟蹤品質(zhì)優(yōu)化

原控制邏輯中，一次風(fēng)變頻器主要控制一次風(fēng)壓。新增邏輯主要包含:(1)在根據(jù)負(fù)荷定值折算一次風(fēng)壓定值的基礎(chǔ)上，增加根據(jù)負(fù)荷定值計(jì)算的動態(tài)微分前饋，加快負(fù)荷定值動態(tài)變化時一次風(fēng)壓的變化;(2)將主蒸汽壓力偏差引入一次風(fēng)壓力定值計(jì)算中，讓一次風(fēng)機(jī)變頻器對主蒸汽壓力偏差進(jìn)行粗調(diào)。同時，將設(shè)定值部分主蒸汽壓力的死區(qū)設(shè)定為0.15，避免了主蒸汽壓力小幅波動對一次風(fēng)變頻控制的影響。一次風(fēng)變頻風(fēng)壓定值控制邏輯如圖3所示。圖3中原負(fù)荷定值信號與其經(jīng)過濾波的信號求差值構(gòu)成了一次風(fēng)壓的動態(tài)微分前饋信號，主蒸汽壓力偏差的死區(qū)在分段函數(shù)發(fā)生器f1(x)中設(shè)定。

圖3 一次風(fēng)壓定值設(shè)計(jì)邏輯Fig.3 Design logic of fixed value of primary air pressure

針對機(jī)組負(fù)荷跟蹤品質(zhì)低的問題，增加了負(fù)荷定值到容量風(fēng)控制器的動態(tài)前饋，主要包括比例和微分控制器，容量風(fēng)的快速響應(yīng)使得爐側(cè)的燃料量供給能夠及時滿足負(fù)荷的需要。鍋爐主控前饋控制邏輯修改如圖4所示，原負(fù)荷控制指令信號與其濾波信號的差值構(gòu)成了微分控制器，比例控制可以由分段函數(shù)發(fā)生器f2(x)實(shí)現(xiàn)。

圖4 鍋爐主控前饋控制邏輯Fig.4 Feedforward control logic of boiler main control

負(fù)荷上升的時候，如果汽輪機(jī)側(cè)主汽門開得過快，會導(dǎo)致機(jī)前壓力下降過快，造成汽包水位波動過于劇烈。設(shè)置壓力拉回回路，適當(dāng)控制壓力變化的速度，以維持負(fù)荷變動時工況的穩(wěn)定性是必要的。將原主蒸汽壓力設(shè)定值與實(shí)際值的偏差，反映到主蒸汽調(diào)節(jié)門的函數(shù)輸出值( －2，－2，－1，0，1，0，2，2)修正為( －2，－2，－0.6，0，0.6，0，2，2)，減小了主蒸汽壓力的波動幅度。

將原負(fù)荷控制函數(shù)輸出值( －50，－50，0，0，50，50)修改成( －50，－50，－1，0，1，0，50，50)，使負(fù)荷控制函數(shù)具有死區(qū)，減少主蒸汽調(diào)門的抖動，延長了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壽命。

2.2 送風(fēng)系統(tǒng)投自動

經(jīng)檢查，送風(fēng)系統(tǒng)無法投自動的主要原因是鍋爐主控經(jīng)折算函數(shù)后的總風(fēng)量和測量的總風(fēng)量不一致。進(jìn)行了如下修改:

(1)使用負(fù)荷指令代替鍋爐主控輸出，通過對折算函數(shù)進(jìn)行修正，使折算函數(shù)輸出保持基本穩(wěn)定。

(2)對總風(fēng)量測點(diǎn)進(jìn)行校正，發(fā)現(xiàn)風(fēng)量測點(diǎn)的變送器設(shè)置量程與DCS軟件組態(tài)模塊量程不一致，對此進(jìn)行了修改。

(3)對送風(fēng)控制器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。送風(fēng)比例積分微分 (proportion integration differentiation，PID)控制器積分參數(shù)由200修正為100;比例增益由0.026修正為0.025，積分時間常數(shù)由560修正為400;送風(fēng)自動時兩側(cè)動葉左側(cè)最小開度由30修正為10，右側(cè)最小開度由30修正為15。

修改后，氧量修正函數(shù)的輸出保持在0.8～1.2。由于運(yùn)行人員反映A送風(fēng)機(jī)送風(fēng)擋板的零點(diǎn)沒有校準(zhǔn)，在低負(fù)荷手動時擋板開度甚至出現(xiàn)7%左右的數(shù)值，因此重新設(shè)定了A送風(fēng)機(jī)送風(fēng)擋板手操器自動時的下限值，把下限值30修正為5。送風(fēng)指令的邏輯如圖5所示，負(fù)荷指令的折算函數(shù)由f3(x)實(shí)現(xiàn)。

圖5 送風(fēng)指令生成邏輯Fig.5 Command generation logic of air supply

2.3 疏水系統(tǒng)優(yōu)化

對疏水系統(tǒng)邏輯作了如下修改:本級高加或低加水位高，先檢測下一級高加或低加水位是否有調(diào)節(jié)裕量，若有調(diào)節(jié)裕量，先將向下一級的排水門強(qiáng)制開到最大;之后數(shù)s，若本級高加或低加水位仍高，再打開本級緊急疏水門。修改后，高、低加的緊急疏水門動作次數(shù)顯著減少，減少了熱量損失。以7號低壓加熱器為例進(jìn)行說明。圖6是7號低加正常疏水閥手操部分的邏輯圖，即當(dāng)7號低加水位高二值或高三值且8號低加水位不高時，強(qiáng)開7號低加向下一級正常疏水的閥門至100%;圖7是7號低加緊急疏水閥手操部分的邏輯圖，即當(dāng)7號低加水位高二值或高三值5 s后仍在報警，則強(qiáng)開7號低加緊急疏水閥至100%，若報警信號消失且7號低加正常疏水閥門開度大于90%時，則強(qiáng)關(guān)7號低加緊急疏水閥。

3 結(jié)論

國電駐馬店熱電有限公司機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)頻繁退出且負(fù)荷響應(yīng)性能差，送風(fēng)系統(tǒng)不能投自動，疏水系統(tǒng)邏輯有缺陷。經(jīng)過對控制邏輯進(jìn)行修改和優(yōu)化，目前1、2號機(jī)組自動投入率在95%以上，自動發(fā)電量控制實(shí)際負(fù)荷變化速率在6 MW以上，主蒸汽壓力偏差在0.7 MPa以下，與機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)密切相關(guān)的送風(fēng)、再熱減溫水系統(tǒng)均投入自動且運(yùn)行良好，緊急疏水門開啟次數(shù)大大減少，有效提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

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