基于實際工況的主蒸汽壓力設定值速率限制策略

胡雄輝，毛發龍，王印松

(1.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007;2.中國能源建設集團公司湖南省電力勘測設計院，湖南長沙410007;3.華北電力大學，河北保定071000)

在火力發電機組的自動控制系統中，鍋爐/汽輪機的協調控制系統是其中最主要的控制系統之一。在鍋爐/汽輪機協調控制系統的實施方案中，又可以分為以汽輪機跟隨為基礎的協調控制方式(CCTF)和以鍋爐跟隨為基礎的協調控制方式(CCBF)〔1〕。在CCBF中，通過調整入爐燃料量來保證主蒸汽壓力跟隨其設定值;通過調整主蒸汽調節閥的開度來保證汽輪發電機的輸出功率跟隨其設定值。

主蒸汽壓力是反映鍋爐和汽輪機之間能量供需關系的一個重要物理量〔2〕，主蒸汽壓力穩定，則機組燃燒、汽溫、給水的調節難度較小，各參數也容易進入穩定狀態，主蒸汽壓力穩定性較差，則容易引起燃燒不穩定、超溫、超壓等情況發生〔3〕，影響機組安全、穩定和經濟運行。如何保持主汽壓力穩定，保持主蒸汽壓力按照機組負荷要求及時、平穩變化是火電廠熱工自動控制的重要研究課題〔4〕。

在CCBF方式下，主蒸汽壓力的調節主要依靠調整鍋爐燃燒來實現〔5〕。主蒸汽壓力低于其設定值，則相應增加入爐燃料量;反之，減少入爐燃料，以保證主蒸汽壓力在設定值附近運行。主蒸汽壓力與設定值之間的壓力偏差越大，需要增加或減少的燃料量就越多。所以在調節過程中壓力偏差越小，燃料量變化越小，鍋爐燃燒越穩定，主蒸汽溫調節、給水調節以及送、引風調節也就越平穩;壓力偏差越大，燃料量變化越大，在燃燒調節不好的情況下，容易出現主蒸汽壓力反向超調情況，造成主蒸汽壓力反復波動，汽溫、給水以及送、引風等自動調節也容易出現反復擺動的情況。調整鍋爐燃燒是控制主蒸汽壓力穩定、保持壓力偏差較小的重要手段，同樣，保持壓力偏差較小也是穩定鍋爐燃燒的重要手段〔6〕。

1 傳統的主蒸汽壓力設定值調整方法

調整主汽壓力設定值的目的是在當前負荷下，保證汽輪機主蒸汽調節閥的開度處于一個比較經濟的工作區域〔7〕，并且使調節閥門的開度有一定的調整范圍;同時也要確保在機組正常運行中，主蒸汽壓力與其設定值的偏差不會太大，防止協調控制系統因為壓力偏差大而退出自動控制方式〔8〕。但是，傳統的協調控制方案中的壓力速率限制策略存在一定缺陷，可能會因為壓力設定值的不合理，造成壓力偏差越來越大，降低主汽壓力調節品質，進而退出自動控制方式。

1.1 主蒸汽壓力設定值的計算

主蒸汽壓力設定值的調整分為手動方式和自動方式2種〔9〕，即定壓運行方式和滑壓運行方式。在定壓運行方式下，主蒸汽壓力設定由運行人員根據機組負荷和實際運行情況在“定壓壓力設定站”進行手動設定，經過限速以后形成主蒸汽壓力設定值，分別送到鍋爐燃燒控制系統和汽輪機控制系統。在滑壓運行方式下，利用機組負荷指令，經設定的滑壓曲線函數進行運算，產生滑壓壓力設定值，經過限速模塊運算以后，形成限速以后的主蒸汽壓力設定值，分別送到鍋爐燃燒控制系統和汽輪機控制系統〔10〕。在滑壓運行方式下，運行人員可以通過“滑壓偏置設置站”，對滑壓曲線產生的壓力設定值進行修正，使實際的主蒸汽壓力設定值符合機組運行的要求。

1.2 通過調整設定值的方式加快燃燒調節

機組正常運行情況下，主蒸汽壓力會在其設定值附近波動。當主蒸汽壓力與設定值存在偏差時，燃燒調節系統自動調節，使主蒸汽壓力自動回歸到設定值附近。實際操作中，當主蒸汽壓力高于設定值，出現較大偏差時，有的運行人員習慣將壓力設定值降低，通過進一步擴大壓力偏差的方式，加快燃燒調節。相反，當主蒸汽壓力低于設定值，出現較大偏差時，增加壓力設定值。實際上，這種操作方式不利于主蒸汽壓力的穩定，反而由于壓力偏差過大，造成燃料量出現過調、主蒸汽壓力超調，產生壓力振蕩〔12〕。

同樣，在出現燃燒擾動或者負荷變化時，主蒸汽壓力容易出現快速變化，為了防止主蒸汽壓力進一步變化，運行人員往往將主蒸汽壓力設定值往壓力變化的反方向調整，希望通過擴大壓力偏差的方式來加快燃燒調節，以達到主蒸汽壓力穩定的目的。實際上，通過改變壓力設定值擴大壓力偏差的方式，調節效果不明顯，反而容易因為壓力偏差過大，造成協調控制系統退出自動控制方式。

1.3 滑壓運行中壓力設定值持續單向變化

機組滑壓運行時，主蒸汽壓力設定值將根據機組負荷和滑壓曲線綜合計算得出，當負荷變化幅度較大時，壓力設定值會出現持續的單向變化。機組在實際運行中，特別是大幅度變負荷時，常有啟、停磨煤機 (或給粉機)等操作，燃料容易出現短時間的欠缺或富余，主蒸汽壓力不能完全按照滑壓曲線運行，如果壓力設定值一味的按照滑壓曲線變化，可能造成壓力偏差過大而退出自動協調控制。

2 基于火電機組實際工況的主蒸汽壓力設定值限速方法

燃料量的變化對主蒸汽壓力影響的動態特性是一個帶延時的慣性環節〔13〕。由于鍋爐制粉系統及煤粉管道布置不同，對應的延時時間和慣性也不一樣。根據物理系統的結構特點很容易看出:對于中儲式制粉系統，主蒸汽壓力動態特性的延時時間和慣性時間常數最小;對于直吹式雙進雙出鋼球磨煤機系統，主蒸汽壓力動態特性的延時時間和慣性時間常數次之;對于中速磨煤機制粉系統，主蒸汽壓力動態特性的延時時間和慣性時間常數最大。在機組正常運行中，由于存在燃燒擾動、負荷變化等情況，主蒸汽壓力經常出現波動。主蒸汽壓力一旦發生波動，就說明鍋爐、汽輪機的能量供需的動態平衡已被打破。對于燃料調節系統來說，一方面要防止主蒸汽壓力偏差進一步拉大;另一方面要防止主蒸汽壓力回調時的反向超調，造成壓力回歸穩態的時間延長。

在燃燒控制系統的動態過程中，合理地調整壓力設定值，會改進主蒸汽壓力的動態品質，改善調節效果。經過反復實踐摸索，文中提出了一種通過限制主蒸汽壓力設定值的變化速率，以改進壓力設定值產生條件的計算方法。改進后的壓力設定值計算SAMA圖如圖2所示。在鍋爐/汽輪機協調控制方式下，對主蒸汽壓力設定值的上升速率和下降速率分別進行了邏輯限制;產生最終壓力設定值上升速率限制值和下降速率限制值，通過DCS系統中參數自適應調整功能塊對圖1的“壓力設定限速”功能塊進行調整。

圖1 基于火電機組實際工況的主蒸汽壓力設定值速率限制

2.1 壓力升速率限制

當限速以后的壓力設定值比實際主汽壓力高0.3 MPa(可根據需要對定值進行調整)，或實際壓力下降速率達到0.2 MPa/min時，將壓力升速率切換為0，也就是說以上2種情況任意一種出現，禁止實際壓力設定值往上升，但是系統產生的“未限速壓力設定值”予以保留，只是根據機組實際運行情況，暫時不增加壓力設定值，一旦限制條件消失，限速后的壓力設定值仍然按照設定速率向未限速壓力設定值變化。

2.2 壓力降速率限制

當限速以后的壓力設定值比實際主汽壓力低0.3 MPa(可根據需要對定值進行調整)，或實際壓力上升速率達到0.2 MPa/min時，將壓力下降速率切換為零，也就是說以上2種情況任意一種出現，則禁止實際壓力設定值往下降，但是系統產生的未限速壓力設定值予以保留，只是根據機組實際運行情況，暫時不降低壓力設定值，一旦限制條件消失，限速后的壓力設定值仍然按照設定速率向未限速壓力設定值變化。

采用這種壓力設定值變化速率限制方法，對機組滑壓運行方式下的主蒸汽壓力穩定比較有利。在滑壓運行方式下，當大幅度增加或減少負荷時，壓力設定值按照滑壓曲線變化，當工況不滿足時，短時禁止壓力設定值變化;當條件恢復以后，壓力設定值繼續往滑壓曲線靠攏。這種方法能夠減輕運行人員的操作壓力，降低勞動強度。運行人員需要修改主蒸汽壓力設定值時，可以將壓力設定值一次性設置到位，不必考慮壓力偏差過大問題;限制邏輯能夠自動將主蒸汽壓力設定值平緩引向目標值，同時能夠在一定程度上防止對壓力設定值的誤操作。

3 結論

基于火電機組實際工況的主汽壓力設定值速率限制策略已經在大唐華銀金竹山火力發電分公司3號機組 (600 MW超臨界機組)、深能源媽灣發電有限公司5號機組 (300 MW亞臨界)、大唐湘潭發電有限責任公司2號機組 (300 MW亞臨界)等機組成功應用，運行時間已經超過1年，經實際應用證明該策略適應機組各種的運行工況要求。并具有以下優點:

1)防止壓力設定值設置不當造成壓力偏差過大而使爐膛燃燒波動，有利于改善主蒸汽壓力調節品質，提高爐膛燃燒的穩定性;

2)降低了運行人員調整主蒸汽壓力設定值的難度，在一定程度上防止了誤操作;

3)有利于提高滑壓運行的投入率。在滑壓運行情況下，減少運行人員對壓力設定值的干預。

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