超臨界機組熱工自動控制特點及優化調整

國能錦界能源有限責任公司 郝宏偉

雖然我國的發電形式開始向多元化方向發展，尤其是在可再生能源發電方面有了很大進展，水能、風能以及太陽能發電等裝機容量不斷上升，但目前電力供應仍以火力發電為主。在火力發電廠運行中，既要保證發電量又要盡可能減少對煤炭資源的使用，尤其是在當前煤炭資源區域性緊缺的情況下，更要采取有效措施，提高對煤炭資源的利用率，減少資源浪費。

電廠超臨界機組的熱工自動化控制主要是利用自動化技術來實現對運行設備數據的監控，確保設備運行參數在正常的范圍內，提高電廠設備的運行可靠性。超臨界機組的熱工自動控制具有參數高、輸出變量多等特點，而且隨著裝機容量的不斷增大，控制對象間的耦合性也越來越強，如果再依靠人工手動調節難以達到預期效果，必須要從整體的控制系統入手完善、優化其控制性能。加強對其參數的優化調整，讓機組的運行更加穩定，同時降低生產成本，提高熱電廠的電力能源供應[1]。

在電廠實際運行中，超臨界機組的熱工控制具有參數非線性耦合嚴重、動態特性隨負荷變化而波動大、水燃比調節難兼顧快速性和準確性的特征，導致其熱工自動控制難度較大。從調整水燃比靜態關系、優化熱值補償回路以及優化水燃比回路方面給出了調整策略，讓機組的運行可靠性大大提高，降低了燃料的損耗，而且經濟效益也有了明顯提升。

1 火電廠熱工自動化控制分析

在電廠的火電機組中，熱工自動化控制主要包括自動的檢測、控制、報警和保護等。

自動檢測。在電廠機組運行中投入的熱工設備很多，這些設備都有其穩定的運行參數，一旦參數超出正常范圍，就需調整機組負荷或優化設備參數。自動檢測就是對機組運行中的設備參數進行檢測，通過參數的檢測來更好了解設備的運行情況。如，在鍋爐汽輪機內會有很多的測量儀表來對運行參數進行記錄，進而更好的對水溫、液位等進行靈活調整，讓機組運行的經濟性更高，可靠性更好。

自動控制。也被稱為是順序控制，通過一些自動控制裝置來實現對機組設備的控制，讓設備的運行參數滿足機組的運行負荷，讓其運行更穩定、經濟性更高。自動控制是按照嚴格的控制順序來實現對機組設備的控制，在機組的啟動、停運及故障處理中都會用到順序控制，其是根據機組的運行狀況及運行要求來對設備進行控制的。自動控制系統不僅具有聯鎖保護功能，還有一定的邏輯判斷功能，某個控制操作完成后需進行確認，然后進行下一步操作。

自動報警。隨著火電廠的裝機容量越來越大，熱力系統的組成也越來越復雜，自動控制的難度也在提高。自動報警功能，是當設備在運行過程中運行參數超出系統設定值、系統就會自動報警，主要用在熱工系統的液位檢測、溫度測量等方面。相關的運行人員就會根據系統的報警提示及時采取有效措施，確保設備運行平穩，防止造成更大的事故；自動保護。是當機組的設備運行出現異常、或熱工參數超出正常范圍時，系統為防止發生更大事故會自動的執行聯縮執令，停止設備運行，保護設備[2]。

2 超臨界機組的熱工控制特點分析

2.1 參數之間的非線性耦合

由于參數之間的非線性耦合，一般的控制系統來進行控制的話，效果難以達到預期。以直流鍋爐的協調控制對象為例，燃料量、給水量以及汽輪機的閥門開度為輸入量，輸出量主要是機前壓力、機組的負荷以及分離器出口溫度。這些參數量之間的耦合關系如下。

當輸入端的燃料量增大時，輸出端機組的負荷、機前的壓力及分離器出口溫度都會增大、升高；而輸入端的汽輪機閥門開度增大時，輸出端的機組負荷增大但機前壓力會降低，分離器的出口溫度也會降低；如輸入前的給水流量增大時，輸出端的機組負荷以及機前壓力都會增加，但分離器出口的溫度反而會降低。正是由于參數間這種很強的非線性耦合，導致控制起來比較困難。當改變輸入參數時，輸出參數的變化與之成正比或反比關系，且輸出端的三個參數變化有的與輸入端參數變化成正比、有的成反比，這就更加大了控制的難度，因此在實際運行中，單靠調整一個參數難以達到優化目的[3]。

2.2 動態特性隨負荷變化而波動很大

超臨界機組的動態特性參數波動很大，主要取決于機組的運行負荷，隨著機組負荷的變化，動態特性參數的波動范圍很大。如，水燃比調節的溫度對象，如果機組的負荷發生了變化，雖然變化幅度不大、在50～80%范圍內，但增益變化可達到6倍左右，時間常數的變化也在3～4倍左右。此外，超臨界機組的運行方式一般為變壓運行，這樣設計的目的是為了在更大的負荷范圍內讓機組的效率更高。但這樣的運行方式也會讓超臨界機組在亞臨界的壓力范圍內運行，亞臨界和超臨界的工質物性之間的差異是很大的，就會導致超臨界機組的非線性特性更強，參數調整起來會更加困難。

2.3 水燃比調節難兼顧快速性和準確性

超臨界機組的熱工控制難點主要是在鍋爐的水燃比調節方面。通常情況下，出口蒸汽溫度可以在一定程度上來對水燃比的變化進行反饋，但是在實際運行中，出口的蒸汽溫度顯示會有一定的延遲，這就使得如果把蒸汽溫度作為反饋量的話，水燃比的變化不能實現更快、更好的調節。因為水燃比發生變化的時候，蒸汽溫度需要延時后才會有相應的變化，是滯后的，如果按照溫度參數來調節水燃比，很顯然不會實現水燃比最快速、最精確的調節。

近年來很多研究人員也為提高水燃比的調節精度和速度展開了大量研究，為水燃比調節的反饋提供了更多的參數依據。如通過加熱段的水溫、微過熱汽溫等來反饋水燃比調節，通過煙氣溫度、鍋爐出口熱量信號以及火焰溫度等來反映燃料的熱量，因此將這些相關的參數綜合起來，構成了類型多樣的水燃比調節系統，比單一的參考出口蒸汽溫度參數來調節水燃比更加的準確，也更快速。從實際的運行來看，多種水燃比調節系統都有其不足，尤其是在機組變壓運行以及負荷大范圍變化的情況下，調節系統的不足更加明顯，因此需根據實際運行工況要求，對水燃比的關系調節進行優化[4]。

3 熱工自動控制策略優化調整

3.1 調整水燃比靜態關系

在實際運行中，影響水燃比靜態關系的因素還有煤質的變化，但是這個影響因素可以通過提高煤炭質量來改變，而且，在火電廠運行中，對于燃料質量的把控很嚴格，總體上可以排除由于煤質變化帶來的水燃比靜態關系變化。除這個因素以外，就是制粉系統的調整，通過對制粉系統的調整可以在很大程度上影響機組的控制系統。制粉系統的調整主要是通過對分離器出口擋板的調整，通過調整擋板的開合度可以影響風煤配比關系，風煤比關系發生了變化，就會影響水燃比的關系。

一般情況下，制粉系統的容量風與給煤量比在0.9左右，不會達到1：1，可以通過調整擋板開合度，讓制粉系統的容量風與給煤量比保持在1.3-1.4左右，這樣的話，相關聯的水燃比關系也要進行調整。如果不進行調整，機組在低負荷運行的情況下，起不到很好的調節效果。而且，當鍋爐輔機（送風機、引風機以及及水泵等）發生故障，鍋爐快速減負荷的過程中，機組有明顯的超溫現象。

因此，對于水燃比的靜態關系調整主要從以下方面入手：將燃料與給水的粗略配比進行調整，隨著機組負荷的增加，要不斷的加大燃料量，且對應的給水量也要增加；燃料在增加的同時，如果給風量不進行調整就會導致燃料燃燒不充分，產生黑煙，因此燃料量調整后對應的總風量也要隨之增加[5]。

3.2 優化水燃比回路

水燃比的回路優化主要是通過對水以及煤炭之間的配比關系進行調整，進而達到調節蒸汽溫度的目的。通常情況下，對于水燃比的控制，一是在燃料控制回路中加入水燃比控制信號，水燃比調整是通過改變燃料指令來實現的，二是在給水的控制回路中加入水燃比控制信號，通過調整給水量來調節蒸汽溫度。綜合來看，這兩種水燃比優化調整策略都有其應用優勢，但也存在一些不足。

超臨界直流鍋爐在給水或燃料發生變化時，主蒸汽溫度會在水蒸氣相變點移動的情況下發生變化。當給水發生變化時蒸汽的流量會增加，但壓力會下降，蒸汽溫度延遲后穩定在一個較低的溫度上。當燃料發生變化時，鍋爐的儲水量也會發生變化，燃燒率擾動也會有一個延遲，這個延遲時間比較短，之后蒸汽量會逐漸增加，壓力及溫度也會增加。從這個角度來分析，無論是給水還是燃料的變化，都會影響蒸汽的壓力及溫度。

具體來分析，對于蒸汽溫度而言，通過給水量的變化來調節蒸汽溫度，比調整燃料的響應時間短，但短時間內會讓機組的壓力波動很大。而通過調整燃料變化雖然讓蒸汽溫度調節慢，但不會讓機組出現較大的壓力波動。因此對于水燃比的回路優化，第一要完成水煤的粗略配比，實現水燃比廣義上的優化，第二要通過動態的補償來讓狹義上的水燃比更加合理，進而達到蒸汽溫度調節的目的。

因此，回路優化控制可以由兩部分組成：第一部分是通過鍋爐的主控指令來控制給水及燃料配比，首先實現對水燃比的廣義上的調整；第二部分是根據過熱器及分離器出口的溫度信號變化，來不斷的修正燃料指令，進而改變水燃比，確保水燃比能夠實現狹義上的優化，來更好的調節蒸汽溫度[6]。

3.3 優化熱值補償回路

結合機組的實際運行情況，熱值補償回路的優化要遵循少改動系統控制邏輯的原則。熱值補償回路優化是作為水燃比回路優化的補充，是一種輔助控制方式，這種方式是對變化緩慢的工況進行調整的方式，確保水燃比的配比基本合理。一般情況下，鍋爐廠提供的控制方案中有熱值補償回路，在經過實際的試投發現，提供的回路方案和實際的機組運行要求不大相符。

分析其原因，主要是提供的回路方案中是以水燃比的輸出量為控制信號的，需系統間的緊密關聯才可以，且經過試投發現水燃比的變化幅度很大，在實際運行中容易導致系統之間形成共振，影響機組運行。根據機組實際運行情況，將熱值補償回路的控制量改為主要以給水、燃料指令生成的控制偏差為主，這樣可更好地消除工況變化對水燃比的影響，降低了制粉系統的入爐煤量測量不準對系統的影響，可以緩解水燃比控制輸出變化大的情況。

在實際的運行中，給水量、燃料量的變化對對系統形成瞬時的干擾，這種干擾可通過水燃比回路進行調整，因水燃比回路屬于快速調節系統，可消除機組負荷變化及外在的因素對系統的瞬時干擾。且熱值補償回路的對應關系簡單，可隨時優化調整制粉系統，讓水燃比的配比一直處于比較穩定的范圍內，不用對水燃比做出大的調整，這樣水燃比的回路也比較穩定[7-8]。

綜上，火電廠熱工自動控制系統是一個復雜龐大的系統，由不同的子系統組成，而每個子系統又由很多設備相互連接組成，通過子系統的相互配合來獲取熱工自動控制需要的參數，進而實現對機組運行情況的有效監控與調整。在超臨界機組中，由于熱工控制的動態過程快、參數高以及參數的非線性耦合嚴重，必須要提高控系統的控制性能。在對超臨界機組控制對象特點分析的基礎上，主要從水燃比的調節入手，利用科學的調整策略進行優化，不僅讓機組的抗干擾能力提高，而且機組的控制性能以及整體的控制水平得到了提高，資源的利用率也得到提升，降低了生產成本，獲得了更高的經濟效益。