百萬千瓦機組節能優化運行控制技術研究

戴 黎，鄭 偉，胡紹宇，姜新明，李建軍

（國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

專 論

百萬千瓦機組節能優化運行控制技術研究

戴 黎，鄭 偉，胡紹宇，姜新明，李建軍

（國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

針對大容量、高參數機組的運行特點，分析了影響其節能降耗效果的主要因素，設計了帶有預估加速前饋的機、爐協調控制系統，將鍋爐金屬壁溫控制與工質溫度控制有機結合起來，顯著提高了機組運行安全性及主要參數的調節品質，取得了良好節能效果。

協調控制；節能；調節品質

隨著國民經濟和科學技術高速發展以及國家節能減排力度不斷加大，大容量、高參數的超超臨界機組已經成為火電機組的發展方向，由于其動態特性多變，具有強耦合、非線性、時變性、大遲延等特點，而且生產工藝復雜，被控參數和執行機構多樣，在控制上具有較大難度，對自動化水平的要求很高，常規的控制技術遠遠不能令人滿意，應該進行更深入研究。

另外，在電網峰谷差日益增大的情況下，機組不得不頻繁參與電網調頻調峰，不但使工質各項參數變化過大，難以控制，而且造成金屬壁溫頻頻超限，影響機組運行的經濟性和安全性，讓機組的節能降耗效果大打折扣。

1 關鍵技術

大容量、高參數的超超臨界機組以經濟效益高、節能效果顯著得到大力發展，但其安全性、經濟性緊密依賴于高性能的自動控制系統，尤其是在參與調頻調峰時，這種依賴性更為迫切。

主蒸汽、再熱蒸汽溫度是機組運行的主要參數，盡可能維持蒸汽溫度在設計值恒定運行是保證機組安全、經濟運行的有效措施。主蒸汽溫度高于設計值過多會使過熱器管壁金屬強度下降，甚至燒壞過熱器管道，嚴重影響安全；主蒸汽溫度偏低會大大降低發電機組的能量轉換效率，降低機組經濟性，溫度過低還會使汽輪機尾部蒸汽濕度增大，甚至帶水，嚴重影響汽輪機的安全運行。由于超超臨界鍋爐給水變成過熱蒸汽是一次性完成的，其溫度控制由燃水比和噴水減溫共同完成。燃水比在超臨界機組汽溫調節中起著至關重要的作用，燃水比調整是保持汽溫的最終手段，但對過熱汽溫影響的遲延大；減溫噴水能較快地改變過熱汽溫，最終不能維持汽溫恒定，只有將提供穩態汽溫調整的燃水比與提供快速動態響應的減溫噴水協調起來，利用各自在汽溫調整上的優勢，才能達到最優的汽溫調節動態和靜態響應性能［1］。

在控制機組工質參數穩定的同時，如果能夠控制金屬壁溫在安全范圍內變化，則會在很大程度上避免非計劃停機。

2 控制系統設計

2.1 機爐協調控制

2.1.1 控制特性

大容量、高參數的超超臨界機組是多輸入、多輸出的被控對象。機組負荷是機組響應外界能量需求的主要輸出量，主汽壓力是維持機組內部汽輪機、鍋爐間能量平衡的主要輸出量，主汽溫度、煙氣含氧量、一次風壓力等其它變量是保證機組經濟性、安全性的主要輸出量。任何一種主要輸入量 （給水量、燃料量、送風量、汽輪機調門等）單獨擾動都會對各輸出量造成影響，任何一種輸出量的變化往往也會對其它輸出量產生影響，如主汽壓力變化對外特性將影響機組負荷，對內特性將影響鍋爐溫度。

2.1.2 設計方案

基于對協調控制系統特性的分析，為改善各變量間耦合的影響，適應機組調頻調峰要求，設計了帶有預估加速前饋的機、爐協調控制系統，協調控制系統如圖1所示。

圖1 協調控制系統

機組實際負荷指令作為前饋信號實現機爐間的基本能量平衡，同時通過比值控制實現給水量、燃料量、送風量等控制量間的基本匹配，保持機組在動態和穩態下的物料平衡關系。

預估加速前饋信號由目標負荷指令、實際指令、負荷變化率、主汽壓力定值和主汽壓力形成，通過建立負荷變化過程中鍋爐輸入指令的過調信號，對動態響應過程進行校正，加快鍋爐的響應速度，從而改善主汽壓力、溫度等變量的調節品質。預估加速前饋信號的機理：根據電網調度的AGC指令和機組接受的實際負荷指令變化趨勢及負荷變化率，預估鍋爐需要補充 （升負荷）或減少 （降負荷）的能量；同時根據主汽壓力定值、主汽壓力計算出機組的內存能量儲存，用內存能量儲存對預估鍋爐需要補充或減少的能量進行修正，并作為鍋爐側控制的前饋。

變權值控制對汽輪機主控的負荷偏差進行權值修正，從而根據鍋爐儲能確定汽輪機出力，實現鍋爐和汽輪機間的協調控制，避免壓力和溫度等主要參數的大幅波動。

2.2 燃水比控制

2.2.1 控制特性

燃水比控制是超超臨界機組控制的難點，同時也是關鍵點。燃水比穩定是主汽溫度穩定的基礎，燃水比的小幅度變化，會導致減溫水噴水量的大范圍變化和主汽溫度波動，不但影響機組效率，也影響設備使用壽命；如果燃水比失調，最終會造成主汽溫度失調，嚴重影響機組安全運行［2］。

現有的燃水比控制策略都是采用中間點溫度或焓值作為衡量燃水比的校正信號，通過PID算法修正燃料量或給水量的方式把微過熱區溫度控制在一定范圍內，達到控制燃水比目的。但是，受負荷變化、配風變化、火焰中心變化、受熱面沾污等因素影響，僅僅采用溫度或焓值并不能全面衡量燃料和給水的比值，而且單一的反饋控制也制約了調節品質。

2.2.2 設計方案

為了顯著提高燃水比調節品質，設計帶有水冷壁金屬溫度模糊前饋控制的燃水比控制系統，并采用以一級減溫器前蒸汽溫度、分離器出口蒸汽溫度、減溫噴水流量等多個信號衡量燃水比的復合控制方式［3］。

采用多個信號修正燃水比，可以更準確反映燃料量和給水量的動態變化，維持噴水量和給水量的均衡，減少減溫噴水的波動，更好地控制主汽溫度。

燃水比控制系統如圖2所示，主要由一級減溫器前蒸汽溫度校正、分離器出口過熱度控制、減溫水流量修正和水冷壁金屬溫度模糊前饋控制構成。

圖2 燃水比控制系統

由一級減溫器前蒸汽溫度作為校正信號，根據機組負荷確定一級減溫器前蒸汽溫度設定值，可以全面衡量噴水減溫前的工質吸收熱量與給水流量的比例。

分離器出口過熱度控制機理：根據分離器儲水箱壓力和分離器出口流體溫度設定的分離器出口溫度上限／下限偏差加到燃水比偏置，使機組工況發生改變時分離器出口過熱度快速回到允許范圍內，以便快速調整燃水比。

減溫水流量修正機理：在減溫水流量偏離設計值過多時，通過修正燃水比使減溫水流量逐漸回歸設計值，使燃水比調整與噴水減溫協調起來，實現燃水比控制與噴水減溫控制間的解耦作用。

2.2.3 水冷壁金屬溫度模糊控制

水冷壁金屬溫度模糊控制器以水冷壁金屬溫度信號最大值與水冷壁金屬溫度預設值的偏差、水冷壁金屬溫度變化為輸入變量的二維結構，其設計方法如下。

a. 根據控制要求，確定偏差e、水冷壁金屬溫度變化De和控制變量Du的基本論域及對應語言變量的論域和量化因子：

確定偏差e的基本論域：［－xe，xe］

選定偏差語言變量E的論域：

E＝ ｛－6， －5， －4， －3， －2， －1， 0， 1， 2，3， 4， 5， 6｝

則偏差e的量化因子：

同理，確定水冷壁金屬溫度變化De的基本論域： ［－xDe， xDe］

選定水冷壁金屬溫度變化語言變量EC的論域：

EC＝ ｛－6， －5， －4， －3， －2， －1， 0， 1， 2，3， 4， 5， 6｝

則水冷壁金屬溫度變化De的量化因子：

確定輸出變量D u的基本論域：［－yDu，yDu］

選定輸出語言變量UC的論域：

UC＝ ｛－7， －6， －5， －4， －3， －2， －1， 0，1， 2， 3， 4， 5， 6， 7｝

則輸出變量D u的量化因子：

b. 在滿足要求的情況下，從便于調試的角度出發，將各變量模糊子集均定義為PB（正大）、PM （正中）、PS（正小）、ZE（零）、NS（負小）、NM （負中）、NB （負大）。

c.確定各變量論域上用以描述各模糊子集的隸屬函數，根據實際情況，這里取正三角函數。

d. 總結運行人員在控制過程中的實際經驗，確定控制規則。

e. 根據L.A.Zaden的模糊推理算法和以上數據求出模糊控制表。

離線完成以上工作后，將模糊控制表存入DCS過程控制站中，根據實際情況，在線運行時還需微調模糊控制表。

模糊控制器在線工作過程如下：首先將采集到的偏差e、水冷壁金屬溫度變化De的實際值分別乘以各自的量化因子，求得E、EC，根據E和EC查模糊控制表，將得出的UC除以比例因子，求出控制變量Du，當1個控制周期結束，隨即進入下1個控制周期。

3 工程應用

國華綏中發電有限責任公司的2×1 000 MW火力發電機組是國內單機容量最大的超超臨界機組，分別于2010年2月、5月投產發電，由于受控制

圖3 AGC跟蹤曲線

圖4 動態運行曲線

思想、參與電網調頻調峰、煤種摻燒等因素影響，調節品質一直不好，動態響應慢，在升降負荷、啟停磨煤機、吹灰、煤種變化等過程中主汽壓力和主汽溫度波動大，經常發生超溫、超壓和甩汽溫，特別是頻繁發生鍋爐局部金屬壁溫超限，運行人員不得不降低參數運行或手動干預。上述問題不但限制機組的調頻調峰能力，而且嚴重影響機組的安全運行和節能降耗效果。因此，在完成控制邏輯設計、仿真測試后，對國華綏中發電有限責任公司的2×1 000 MW機組進行DCS邏輯組態，通過靜態、動態調試，獲得最佳控制效果，一次調頻和AGC等所有功能投入后，進行了穩態測試、負荷變動試驗以及AGC負荷跟隨試驗，各項試驗和實際運行表明，控制系統運行穩定、可靠，機組的調頻調峰能力和自動化水平顯著提高，避免了金屬壁溫越限現象，機組主要參數的調節品質明顯改善。運行曲線見圖3—4。

4 結束語

從大容量、高參數超超臨界機組運行特點、安全性、經濟性等主要因素出發，突破傳統控制思路，采用先進的控制方法實現機、爐協調控制，大大提高了機組整體響應速度。利用模糊控制的優點，將鍋爐金屬壁溫控制與工質溫度控制有機結合起來，提高了機組在參與調頻調峰時主要運行參數的調節品質，實現了金屬壁溫自動控制，避免了金屬壁溫超溫現象，消除了影響機組安全運行的隱患。

［1］ 康 松.汽輪機原理 ［M］.北京：中國電力出版社，2000：3－5.

［2］ 郝 欣，張 志，王 喆.滑壓運行汽包爐機組AGC控制策略研究 ［J］.東北電力技術，2012，33（10）：10－12.

［3］ 姚 遠，管慶相，吳 松.直吹式鍋爐機組協調控制系統優化 ［J］.東北電力技術， 2007， 28 （8）： 1－4.

Energy-Saving Optimization Operation Control Technology of 1 000 MW Unit

DAILi， ZHENGWei， HU Shaoyu， JIANG Xinming， LIJianjun

（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.， Ltd.， Shenyang， Liaoning 110006， China）

Aiming at the operation characteristics of large capacity and high parameter sets， it analyzes themain factors affecting the energy saving and consumption reduction.It designs amachine and furnaces coordination control system with predictor-forward feed forward and combines the boilermetalwall temperature control with the control of working fluid temperature.It significantly improves the safety of the unit operation，the regulation quality of themain parameters and it achieves good energy saving effect.

coordinated control； energy saving； regulating quality

TM732

A

1004－7913（2017）11－0001－03

戴 黎 （1956），男，碩士，教授級高級工程師，主要從事火電熱工自動化領域的技術研究、標準制定和專業管理工作。

2017－09－01）