600MW亞臨界機組再熱汽溫控制優化

張祺

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院自動化系，上海 200240）

600MW亞臨界機組再熱汽溫控制優化

張祺

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院自動化系，上海 200240）

某電廠600MW亞臨界燃煤機組，鍋爐的汽溫控制分為過熱汽溫控制和再熱汽溫控制。其再熱汽溫控制，主要采用減溫水控制配合擺動燃燒器的調節方式進行調節。減溫水噴水點布置在再熱器進口管道上，減溫水來自給泵的中間抽頭，經隔絕門后分為兩路，分別控制兩側的再熱汽溫。擺動燃燒器，通過調節爐膛內燃燒火焰的位置，以達到控制汽溫的目的。實際運行中，再熱汽溫自動控制存在控制不穩定的情況，影響了鍋爐運行的經濟性和穩定性。本文對其原因進行分析，并提出采用總能量平衡的優化控制策略，對原控制系統進行改進，取得了較好的控制效果。

再熱汽溫 串級控制 總能量平衡

1 再熱汽溫原控制方式

機組再熱器減溫控制的原設計方式主要采用減溫水配合擺動燃燒器的調節方式，機組的主蒸汽壓力和負荷作為前饋調節，再熱器出口汽溫作為被調量，爐膛分為兩側且分別控制。

實際運行中，發現燃燒器擺動控制再熱汽溫并非呈現線性變化，且經常擺動燃燒器易導致四個角的燃燒器擺動范圍和同步性能產生偏差以及損壞燃燒器執行機構。因此，燃燒器擺動控制汽溫并未投入自動運行。

機組的再熱蒸汽壓力和負荷的前饋調節，由于使用中產生的擾動較大，也并未投入使用。

因此，再熱減溫水原控制策略采用傳統的以減溫器出口汽溫作為導前信號的串級控制方法。此控制方法的最大優點為控制對象直接，控制邏輯簡單明了。但再熱減溫器不同于過熱減溫器的布置，其位于再熱器的進口，而控制對象是再熱器出口溫度，因此存在以下幾個問題：

（1）再熱汽溫調節控制對象是再熱器出口溫度，存在一定的延時和慣性，如無合適的輔助控制，易造成再熱汽溫控制不穩定。（2）當機組穩態運行時，再熱汽溫產生波動，此控制方式能夠有效的控制再熱汽溫。但當機組運行工況產生波動時，由于其并未考慮其他因素（如負荷與壓力變化），易造成減溫水汽溫與流量隨壓力波動，形成調節振蕩。而當負荷與壓力變化較大時，其振蕩不易收斂，造成系統不穩定。這也是常規串級控制系統的特性：對于內擾（被調量的變化擾動）能夠很好的進行調節，而對于外擾（壓力、負荷變化等）調節的作用有限。（3）再熱減溫水流量隨機組負荷和壓力的頻繁波動，影響再熱汽進入汽輪機中低壓缸的蒸汽流量，造成機組的熱經濟性降低。（4）減溫水流量頻繁波動后進入再熱蒸汽管道，造成再熱蒸汽溫度變化過大，當這些蒸汽流入再熱器后，導致再熱器管壁產生氧化皮，長時間流量大幅度波動，易造成氧化皮脫落堵塞蒸汽管道，因此這對鍋爐的安全運行是一個隱患。以上問題的存在，對于機組的安全運行和經濟運行都有一定的影響?；诖?，機組需進一步優化再熱汽溫的控制策略。

圖1 再熱氣溫變化情況（負荷穩定）

2 再熱汽溫優化控制

2.1 優化控制改進設想

原控制方案是一個常規的單回路控制系統加上導前汽溫的串級控制系統。由于再熱減溫控制系統是一個大慣性的控制系統，單回路控制系統是不易獲得好的控制品質的。原因在于對于大慣性系統，調節器需快速和及時動作才能使系統具有好的控制品質，但另一方面，維持大慣性控制系統的穩定又必須把調節器整定得很慢（比例和積分時間均需放大），可見這兩方面明顯是一對矛盾。加上了導前汽溫的串級控制系統，對控制品質是有改善作用的，但其只對引起被調量變化的內擾有提前調節作用，而對于外擾（如汽壓、煙氣流量變化等）并未起到提前的調節作用，即對于外擾，串級控制系統依然是滯后調節，仍會造成系統調節的緩慢和不穩定。

由于串級控制系統具有抗內擾性強的優點，且具有一定的自適應能力，因此，在控制方案的改進過程中，仍將繼續沿用串級控制系統。對于其抗外擾較差的特點，考慮將具有遲延時間的控制對象進行更換，用具有抗干擾性的參數進行代替。此外，選擇合適的導前信號，也將有利于改善系統調節的速度和穩定。

2.2 優化方案的制定

再熱汽溫變化主要是由于蒸汽流量變化與煙氣流量變化的不平衡引起的，特別是在機組負荷快速變化的情況下，由于爐膛吸（放）熱有一定的延遲，導致蒸汽流量的變化滯后于煙氣流量的變化，從而引起了汽溫的波動。在這汽溫的波動過程中，再熱蒸汽的比焓是沒有變化的。

根據以上分析，又由于原串級控制系統的缺陷，因此決定采用蒸汽的比焓代替原再熱器出口汽溫作為減溫水的控制對象，這樣能有效地減少汽溫與鍋爐負荷控制互相影響的問題，有利于機組的穩定控制。通過這一改進，將可以基本消除鍋爐負荷變化與再熱汽溫之間的相互影響，增強了汽溫控制的穩定性，克服了原控制系統快速和穩定不可兼得的問題。

此外，在控制系統中加入前饋信號，通過機組多次性能試驗計算得出鍋爐總能量平衡所對應的減溫水量，作為鍋爐再熱減溫控制的前饋。原因如下：機組在增加負荷時，爐膛內燃煤量增加，爐內熱負荷增加，此時爐膛內的煙氣熱量先上升，汽溫受此影響將上升，由于需要燃燒時間，鍋爐的蒸發量有一定的延遲才會上升，因此在汽溫剛上升時并不需要噴入減溫水，因為當鍋爐蒸發量與煙氣流量平衡后，汽溫自然會下降。如在汽溫剛上升時就噴入減溫水，勢必對汽溫控制系統構成擾動，造成蒸發量與煙氣流量的熱能不平衡，形成波動。反之在降低負荷時，也是如此。此前饋信號的加入，使汽溫控制系統根據燃煤量和蒸汽流量的變化情況，提前對減溫水量進行控制，減小外擾對控制系統的擾動。

根據以上的控制方案對原控制方式進行修改：將原串級控制系統中PID的設定值SP改為目標溫度設定值與其對應的再熱蒸汽壓力值結合所計算出的焓值。PID的實際值PV改為此時所對應的再熱蒸汽的實際焓值與焓值設定值經過一組滯后校正環節計算后得出的修正值。前饋環節是通過鍋爐總能量平衡計算得出的減溫水量修正值。以上這些要素構成了新的控制邏輯來控制再熱汽溫。

2.3 優化效果

經過優化后的再熱汽溫控制系統投運一段時間以來，控制效果明顯優于原系統。

當機組負荷穩定時，再熱汽溫控制穩定，變化幅度基本能控制在小于3℃的范圍內，如圖1所示。

當機組負荷變化較大時（±10MW），再熱汽溫能維持在10℃以內變化，且能快速地恢復穩定，如圖2所示。

當機組負荷振蕩時，其依然可以快速恢復且不會發生反復振蕩。

3 結語

再熱汽溫控制不穩定是許多燃煤機組普遍存在的問題，本文對其原因進行了分析，用鍋爐總能量平衡對減溫水進行預測作為PID的前饋，并將蒸汽比焓作為調節依據，對原再熱汽溫的串級控制系統進行了優化。通過優化后的系統，能滿足系統快速響應的要求且能使系統較之以前更穩定，解決了原系統需經常退出自動控制進行手動干預和控制的問題，從而提高了機組的運行效率。

圖2 再熱氣溫變化情況（負荷變化10MW時）