660MW高效超超臨界單列輔機機組協調控制系統優化

摘 要：內蒙古大唐托克托電廠五期新建工程2臺660MW機組鍋爐為高效超超臨界參數變壓運行直流爐，機組輔機為單列輔機配置。在機組運行過程中發現，協調控制系統存在一些問題。熱工專業從實際問題出發，對自動控制系統設定值、PID參數以及相應前饋參數對機組基于中間點溫度自動的協調控制系統進行了優化，取得了滿意的效果。

關鍵詞：中間點 自動 控制 優化 高效

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）11-0-02

一、機組概況

鍋爐為DG2057/29.3-Ⅱ2型高效超超臨界參數變壓運行直流爐，單爐膛、一次再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構；鍋爐采用緊身封閉、Π型布置鍋爐。機組一次風機、送風機、小汽輪機均為單列輔機配置。

二、概述

1.優化前存在問題

在機組運行過程中，由濕態轉干態運行以后，分離器入口過熱度偏低，在50%～100%負荷范圍運行工況下，與鍋爐廠家提供的設計參數相比，過熱度普遍偏低10℃以上，在50%負荷工況點時，機組實際過熱度只有8℃左右。尤其是機組處于低負荷運行工況時，面臨由于過熱度過低導致基于中間點溫度校正的給水自動控制系統無法投入自動、無法通過中間點溫度控制來修正機組動態運行過程中的煤水比。在機組變負荷過程中，由于煤水比失調引起主汽溫發生變化時，噴水減溫不能及時適應主蒸汽溫度調節的需要，主、再熱汽溫度波動較大，給機組的安全經濟運行帶來巨大的壓力。

機組在基建調試運行中，由于機組在中、高負荷段時一級減溫器前后溫度隨噴水量變化不大，將一級減溫控制策略從串級方式改為了單回路控制，從而控制過程較為緩慢，溫度波動較大。機組在運行過程中的水煤比調整不精細，減溫水效果不好。過熱器一級減溫水量低負荷時明顯偏大，高負荷時低于設計值。鍋爐兩側存在溫度偏差現象，鍋爐對象響應不及時（有時主汽溫已經發生明顯變化了，此時中間點溫度還沒有變化）。

自動控制系統中被控對象的設定值一般是按照鍋爐說明書的建議值進行給定。但是當機組負荷工況變化較大，被控對象參數發生變化，在機組運行的全負荷范圍內，按照鍋爐說明書給定的設定值很難取得滿意的控制效果。

2.優化的必要性

對機組運行數據分析，在自動控制運行中經常處于各種參數調節失衡狀態，這種運行工況對機組的經濟性將產生重要的影響。機組參數的變化嚴重影響著機組的經濟指標，使機組運行成本增加。同時參數波動也使機組的安全性能降低，若機組主汽溫波動過大，將導致鍋爐和汽輪機金屬管材及部件疲勞，還將引起汽輪機汽缸和轉子的脹差變化，甚至產生劇烈振動，危急機組的安全運行。過熱汽溫溫度過高，會使鍋爐受熱面及蒸汽管道金屬材料的蠕變速度加快，降低使用壽命。過熱汽溫過低，會降低機組的循環熱效率，一般汽溫每降低5-10℃，效率就會降低約1%，同時會使通過汽輪機最后幾級的蒸汽濕度增加，引起葉片磨損。

對于超超臨界直流鍋爐，給水控制系統的任務是既要參與負荷控制又要參與汽溫控制。當進入高負荷直流運行方式（干態）時，鍋爐給水控制系統的主要任務是在不同負荷階段保持合適的燃水比，以控制過熱器出口汽溫。一旦燃水比失調，對過熱器出口汽溫產生嚴重影響，導致過熱器出口汽溫波動劇烈，嚴重影響機組的安全運行。因此，機組運行過程中給水控制系統的目標就是要維持合適的燃水比，給水控制系統的設計的合理性及控制系統調節品質的好壞將直接影響整個機組的安全經濟運行。

三、優化方案

1.主、再熱汽溫采用smith控制

火電機組汽溫被控對象是具有大遲延、大慣性、非線性及時變性的復雜系統，在機組變負荷過程中，由于煤水比失調引起主汽溫發生變化時，噴水減溫不能及時適應主、再熱蒸汽溫度調節的需要，主、再熱蒸汽溫度波動較大。同時由于機組本身存在一些問題，比如機組在基建調試運行中，由于機組在中、高負荷段時一級減溫器前后溫度隨噴水量變化不大，將一級減溫控制策略從串級方式改為了單回路控制，從而控制過程較為緩慢，溫度波動較大。

針對遇到的問題，采用Smith預估控制的方法，Smith預估控制是用于時滯對象的有效控制方法，對被控對象的參數變化很敏感，為了提高控制系統的魯棒性，通過機組運行過程中的擾動試驗，獲取主、再熱汽溫對象模型參數，同時對常規Smith預估控制進行改進，以便更能適應被控對象的變化，改善系統的控制調節性能。

分別對過熱器一級減溫水單回路控制的PID控制器，過熱器二級減溫水串級控制的主、副PID控制器采用PID變參數控制方式，通過觀測計算機組負荷變動過程中的控制器調節效果，根據機組的當前負荷來動態調整PID控制器的最佳參數，從而達到最優的控制效果。

2.給水控制系統優化

對于超超臨界直流鍋爐，給水控制系統的任務是既要參與負荷控制又要參與汽溫控制。控制汽溫的主要手段是通過給水控制系統維持合適的燃水比，給水控制系統的設計的合理性及控制系統調節品質的好壞將直接影響整個機組的安全經濟運行。在優化過程中，主要是對機組給水流量指令設定值以及對中間點溫度自動控制修正給水指令回路進行了優化。

2.1給水流量設定值生成回路優化

直流鍋爐在運行過程中一項重要的任務就是保證機組在運行過程中具有合適的水煤比。在給水流量設定值優化過程中，采用水跟煤的運行方式，但是由于機組實際運行過程中，加水遠比加煤響應及時，因此在調節過程中，充分考慮機組運行時的自身變化規律，通過鍋爐主控指令、中間點溫度修正、給水前饋及多階慣性環節最終得出給水流量設定值。保證機組在燃水比適當、過熱汽溫基本不變的同時能夠快速響應負荷變化。多階慣性環節能夠保證快速的給水流量變化與慢速的燃燒過程相適應，保證負荷動態響應過程的匹配，使機組在動態變負荷過程中，煤水配比更加合理。

2.2中間點溫度自動控制修正給水指令回路優化

中間點溫度的調節在超超臨界機組的給水和過熱汽溫控制中起著重要的作用，但是由于燃水比變化時，過熱汽溫的響應延時很長，當采用中間點溫度控制策略時，中間點溫度設定值由鍋爐設計說明書獲得，由于機組自身原因，運行值普遍低于設計值，為了保證調節的有效性和及時性，在充分進行試驗摸清規律的基礎上，通過采用加偏置的方式來保證設定值符合當前運行工況下的最優設定值，從而保證在機組燃水比失調時能夠對給水流量指令進行實時校正，在控制中間點溫度的同時兼顧過熱氣溫的變化。

此外還根據不同負荷工況下中間點溫度變化對給水流量指令的修正作用量不同，采用變PID控制參數的方法，使不同負荷工況下，PID都能在最佳工況下參與調節。另外在中間點溫度修正給水回路中不但采用了變PID控制參數優化方法，同時也對控制邏輯進行了一定的完善。結合負荷變動試驗發現，在負荷變動試驗過程中給水給煤配比相對合適，主汽溫和過熱度相對合適，但是在負荷變動結束后的一段時間內通過試驗發現機組的主汽溫會有很大的波動，此時汽溫變化的漲幅和速度都比較劇烈，汽溫增長很快，運行人員調節手段有限，通過對運行曲線進行分析，對邏輯進行了適當的優化。主要原則就是在負荷變動過程中弱化通過中間點溫度控制給水的調節，當機組負荷變動結束時，恢復已有的回路控制參數，從而保證中間點溫度調節給水的有效性，從而保證機組運行過程中給水指令的精確，進而保證運行過程中合適的水煤比。

中間點修正給水自動控制策略

3.鍋爐主控、燃料量指令回路優化

直流鍋爐在負荷變動過程中有2種調節方式，一種為煤跟水方式，另外一種為水跟煤方式。煤跟水的方式運行過程中更有利于主蒸汽壓力的控制，水跟煤的方式運行過程中更有利于主蒸汽溫度的控制。托電五期采用的是水跟煤的運行方式，在調節過程中根據煤量來進行修正給水流量。因此需要保證機組運行過程中不同負荷工況下的燃料量指令的合理精確值。

在回路優化過程中，針對鍋爐主指令回路的鍋爐主控前饋分量引入主蒸汽壓力設定值微分環節，使機組能夠在接收到主蒸汽壓力設定值指令后能夠迅速動作，提高鍋爐主指令的變化速度，從而能夠更及時的滿足指令的變化需求。

在鍋爐總燃料量生成指令回路的燃料主控前饋回路中分別引入負荷指令與主蒸汽壓力控制偏差微分環節，使機組燃料量變化及時準確，能夠迅速適應負荷變化的需求，提高鍋爐自身的響應能力。

結論

針對五期機組面臨的問題，熱工專業從實際問題出發，在機組進行鍋爐燃燒調整試驗及機組升降負荷試驗過程中，抓住機組存在的主要矛盾和核心問題，逐步摸清機組不同工況下的運行參數變化規律以及機組運行參數數值，通過采用先進的控制算法，對自動控制系統設定值、PID參數以及相應前饋參數對機組基于中間點溫度的協調控制系統進行了優化，取得了滿意的效果，很大程度上減少了機組運行人員人工干預的頻率和幅度，保證了在投入自動的條件下系統自身的調節能力，提高了機組運行的安全性、經濟性。

參考文獻

[1]《自動控制理論》

[2]《火力發電廠模擬量控制系統驗收測試規程》

作者簡介：王三明，男，（1985-2）滿族，吉林松原人，工程師，本科，熱控技術員。