超(超)臨界火電機組全程給水智能控制研究

劉文豐，王伯春，尋新

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙410007)

持續推進節能減排仍是電力行業的工作重點，目前，火電機組的啟停過程操作復雜、故障幾率高、油耗高、污染物排放濃度大;湖南省內各火電廠絕大部分機組的制粉系統采用直吹式雙進雙出磨煤機系統，運行人員對燃料把握不準很容易對給水控制出現誤操作，導致鍋爐管壁超溫，進而縮短設備壽命，甚至威脅到機組主設備安全。

超(超)臨界火電機組全程給水智能控制研究即是針對這種現狀，根據運行人員經驗及運行規程，致力于將手動的控制流程人工智能化，重點對火電機組雙進雙出鋼球磨直吹式制粉系統燃料控制與超(超)臨界機組給水調節系統的匹配關系進行研究，并結合運行人員操作習慣和機組實際運行特點，最終實現全程給水智能控制。項目的實施將大幅度降低運行人員勞動強度，減少人為誤操作風險，滿足機組節能優化運行的要求，滿足火電機組調峰的負荷范圍要求，對發電企業的安全、穩定、經濟運行具有重大意義。

1 全程給水智能控制流程及研究關鍵

全程給水智能控制系統包括機組從鍋爐上水、點火啟動、升溫升壓、開始帶負荷階段、由低負荷逐漸升至滿負荷、或由高負荷降到低負荷運行，以及鍋爐滅火后冷卻降溫降壓等全過程給水調節均能自動智能實現。

直流鍋爐全程給水控制包括給水調節回路、鍋爐啟動系統控制回路和給水泵順控回路。給水調節回路完成給水流量的調節，在低負荷時，維持水冷壁具有流速穩定的最小給水流量，保持鍋爐啟動流量和啟動壓力;在高負荷時維持一定的水煤比，修正中間點溫度。鍋爐啟動系統控制回路完成鍋爐啟動過程中的開放式沖洗、循環沖洗、熱態沖洗、分離器水位控制等。給水泵控制回路完成各個泵組的啟動/停止以及汽動給水泵、電動給水泵的并泵/退泵等順序控制。全程給水系統的組成如圖1 所示。

圖1 全程給水系統組成

全程給水智能控制研究的關鍵在于將運行人員模糊的人工判斷思維過程進行提煉，使其具體、準確;并將全程給水自動控制策略與雙進雙出鋼球磨直吹式燃料控制特性進行有機結合。研究的難點在于人工智能的實現，以及找到合適的切入點進行控制、調節，從而在保證安全的前提下盡可能快地完成全程給水自動控制的過程。

2 項目研究的創新點

2.1 給水控制自適應燃料主控方式的切換

在基于雙進雙出磨煤機系統的全程給水智能控制實現過程中，為了達到節能優化運行的目的，電廠傾向于在機組運行穩定時，采用一次風機動葉(或一次風變頻器指令)調節為主控的方式，調整進入爐膛的動態總燃料量，同時將各雙進雙出磨煤機制粉系統的容量風門維持在一個較大的開度，減少容量風門的節流損失，從而降低一次風機運行的平均電流;在機組燃燒不穩定或局部工況惡化的情況下，因容量風門的燃料調節具有響應快、精度較高的優點，又需要將鍋爐燃料調節由一次風方式快速切換為容量風門主控方式。

由此出現一個新的研究方向，即如何實現一次風燃料主控與容量風燃料主控的平穩無擾切換，從而達到全程給水智能自適應調節的目的。由于雙進雙出磨煤機系統具有適應煤種變化大、一次風風量(小風量)測量線性度差等特性，這直接導致進入爐膛的動態燃料量無法精確測量計算得出，進一步會影響到鍋爐主參數的調節品質。為了實現2 種燃料主控方式的在線無擾切換，要求將容量門的調節參數(容量風量或風門開度)與一次風調節參數(一次風母管壓力或磨煤機入口一次風壓)耦合成燃料主控的一個綜合被調對象，在實現燃料方式的切換過程中，給水前饋指令(燃水比前饋)智能跟蹤燃料主控的綜合被調量，再通過合理整定自動調節參數等，最終實現給水智能自適應調節。

2.2 給水控制智能匹配磨煤機啟/停操作

雙進雙出直吹式磨煤機系統的啟、停操作，對超(超)臨界機組的燃燒、給水調節擾動非常大，其根本原因還是與動態燃料量的不可精確測量性質有關，給煤機給煤量只能用于在線調節磨煤機料位控制，但不能真實反映入爐煤量;加上一次風負荷風量的測量不準確性，一般用容量風門模糊調節動態燃料量。

而在磨煤機系統的啟、停操作過程中，從磨煤機送至爐膛的燃料量就極難把握，這直接影響到給水過熱度修正和主汽溫度的調節品質。通過總結實際運行經驗和現場大量試驗數據分析，采用磨煤機料位的函數關系以及啟、停磨煤的判定程序來對參數燃料量限速處理后，再送至給水前饋系統進行平穩處理;另外，采用過熱度偏差去燃料控制系統拉回環節，進行一級智能控制，過熱度偏差至燃料拉回函數曲線如圖2 所示;采用過熱度變化速率及偏差過大去給水控制回路快速動作給水流量環節，進行二級智能控制，從而達到穩定過熱度、避免主汽溫超溫的目的，運行效果良好。

圖2 過熱度偏差至燃料拉回函數

2.3 用于給水前饋的燃料仿真模型

基于雙進雙出磨煤機系統的動態燃料特性，設計采用容量風門開度反饋和磨煤機入口一次風壓力耦合計算出動態仿真燃料量，用于線性實現在變燃料(變負荷)工況下給水主控自適應優化調節，以及AGC 方式下的給水對功率跟隨與非協調方式下的給水對燃料跟隨的智能無擾切換。其中，容量風門開度反饋去仿真燃料計算模型函數曲線如圖3所示。

圖3 容量風門開度去燃料計算曲線

基于動態總燃料仿真計算模型的設計實現，成功解決了鍋爐主控總燃料量去給水主控前饋的線性調節問題，顯著緩解了由啟/停磨煤機、AGC 頻繁變負荷引起的過熱度大幅擾動問題，使給水主控智能適應動態燃料的變化。

2.4 用于給水加速的熱負荷突變預測環節

通過用AGC 指令變化幅度和變負荷速率積算算法，線性表征機組變負荷所需沖擊燃料量，用于在機組變負荷初期實現主汽壓力和給水控制的迅速適應熱負荷能量需求;另外，在機組變負荷的末端，將沖擊燃料量進行減速率回調，實現過熱度修正環節的平穩過渡。該熱負荷突變預測算法的設計實現，成功解決了以前協調變負荷初期的燃料加速模塊帶來的給水主控回路的大幅度沖擊問題。

另外，作為給水主控過熱度修正回路的一種后備保護手段，設計了過熱度偏差噴水回路計算模型，過熱度偏差至噴水計算系數的關系曲線如圖4所示。

圖4 過熱度偏差至噴水模型計算關系曲線

熱負荷突變預測智能控制的技術創新實現，解決了超(超)臨界機組入爐動態燃料劇變引起的中間點溫度陡變問題。在磨煤機啟/停過程中，有效管控了因運行人員隨機操作帶來的鍋爐主汽溫度超高溫(或低溫)風險，但在實際運用該預測模型算中，須注意噴水回調過程中的速率限制，以避免給水主控回路的振蕩。

2.5 燃料主控回調死區在線消除技術

基于預估調節的AGC 方式下，雙進雙出制粉系統(動態校正后)燃料加速控制策略以及給水隨動控制技術研究，對燃料主控大慣性方式下回調死區在線消除技術攻關。重點解決穩態方式下(燃料突變回路未動作)一次風燃料主控回調死區問題，主要指的是一次風機主調燃料過程中，因動葉調節死區導致的燃料回調耽誤的空行程時間。

鍋爐燃料主控回調死區智能在線消除技術的應用，有效減少了因燃料調節引起給水主控慣性時間，提高了過熱度及主汽壓力的調節品質。但在實際運用中，應謹慎整定調節參數，特別是對慣性時間常數的整定，否則容易引起燃料主控環節發散，甚至因燃料調節振蕩帶來鍋爐滅火風險。

3 現場實施情況

本項目在某廠2 ×660 MW 機組DCS 上組態及應用實施，根據2 臺機組的實際運行情況，有針對性的對部分燃燒預判參數和策略進行了深入研究和分析。在本項目應用的1 號機組DCS 上，采用基于溫控策略的給水智能控制系統，通過實際AGC負荷擾動和磨煤機啟/停操作試驗，對歷史數據分析，檢驗全程給水智能控制系統現場應用效果。

該廠1 號機組給水智能控制系統改造完成后，于2014年10月23日16:50 開始，進行AGC 多次變負荷及啟(停)磨煤機考核試驗，AGC 隨動過程曲線如圖5 所示。由圖5 分析，16:50:48，機組進行第1 次變負荷試驗，AGC 指令由494.3 MW 增負荷至518.5 MW，變負荷幅度24.8 MW，16:54:28，實際負荷達到目標值，試驗中關鍵點數據記錄表1 所示。17:08:45，該機組進行第2 次變負荷試驗，AGC 指令由518.5 MW 增負荷至546.5 MW，變負荷幅度28.0 MW，17:13:20，實際負荷達到目標值。之后，在17:15:28 制粉系統完成了1 臺磨煤機的啟動操作，各主要調節參數調節品質指標如表1 所示。

圖5 基于溫控策略給水智能控制的AGC 變負荷曲線

表1 試驗品質指標

在整個AGC 負荷跟隨考核試驗過程中，機組處于全程滑壓方式，且經過了連續多次AGC 變負荷及啟磨機等操作。由上述AGC 考核試驗數據分析可知，機組主汽壓力、主汽溫度、功率等主調參數調節效果均達到優良指標。經優化整定后的給水主控智能調節系統，能很好地適應磨煤機啟動以及AGC 變負荷擾動。

4 結束語

本項目利用實驗室的機組智能啟停仿真平臺，成功實現超(超)臨界火電機組全程給水智能控制系統的仿真應用;依托協助單位，在電廠2 ×660 MW 機組上成功進行基于雙進雙出磨煤機直吹式制粉系統的全程給水智能控制系統的現場實施?？蒲谐晒某晒媒鉀Q了長期困擾協助電廠的鍋爐頻繁超溫、超壓的安全隱患，顯著降低了運行人員的勞動強度，驗證了本項目各相關技術的可靠性、實用性。

本課題研究成果將與其它成果一起，實現整臺機組的智能化控制，最終達到提高整臺機組啟停和運行過程安全性、縮短機組啟停和變負荷時間的目的，使機組采用最優、最經濟的啟停參數運行，對從整體上提高火電機組安全經濟性能、自動控制水平和管理水平、擴大機組調峰的安全范圍、減少污染物排放、降低勞動強度、創建本質安全型和本質經濟型發電企業、促進“低碳經濟”和“兩型社會”建設有著重要的意義。

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