火電機組變負荷運行特性及節能優化控制系統分析

神華國華壽光發電有限責任公司 肖 峰

隨著我國經濟的不斷發展，電力資源已然成為了保障人們正常生活與生產的基本能源，我國大力建設基礎電力設施設備以完善各地的電力資源配置，促進各地經濟與基礎事業的建設與發展。火電機組就是電力生產之中必不可少的組成內容，其負荷的優化分配能夠有效提升整個機組的生產效率，起到節約能源與資源的效用，同時還能夠降低發電的成本，提升電力工業裝機容量，改善火電機組的能耗特性與控制特性，優化其控制系統功能。

經過多年的研究與發展，當前我國火電機組已經實現自動化控制與生產，其能夠在特定的系統中進行自主運行，并根據技術人員給定的參數定制以及跟蹤負荷值開展工作。當前的工作運行狀態同時也存在一定的問題，即火電機組難以在變負荷運行狀態中達到最優效果。再加上我國電力體制改革的影響，各電廠應當積極參與到市場競爭中去，關注生產技術的創新與發展，優化火電機組變負荷優化控制系統，在保障生產效率的同時降低電力生產的成本，進而實現生產效益的最大化，促進電廠的現代化發展。本文將分析火電機組變負荷運行現狀，并提出火電機組變負荷運行節能優化控制系統設計的策略，以供參考。

1 火電機組變負荷運行現狀分析

伴隨著我國經濟的不斷發展，生活與生產對于電力資源的需求量不斷增加，在這樣的發展背景之下電廠只能夠不斷增加電力裝機的容量以及用電負荷峰谷差，可以應對日益增加的電力需求。但是這樣的處理方法還會導致很多火電機組出現了低負荷運行的狀態，而且長期處于這樣的變負荷運行狀態之下，火電機組的能耗特性與控制特性都會發生了相應的變化，影響其系統定額控制能力，難以滿足安全經濟運行的系統需求。因此，火電機組變負荷運行節能優化控制已經成為了電力生產工作中較為重要的研究課題，具有較強的研究價值與應用價值。

首先，受到我國社會經濟體制變革的影響，電力企業與傳統電廠勢必會發生體制以及生產方面的轉變。就目前的情況來看，盡管很多電廠已經圍繞火電機組展開改革與研究，但依舊存在設備多樣、系統復雜等問題，再加上系統運行負荷以及環境對能耗的影響，電廠在進行給水流量、蒸汽流量等數據測量的時候難免會出現數據不準的現象。此外不同的初壓以及運行的方式還會影響到系統的能耗規律，最終影響到了系統控制的能力。

除此之外，鍋爐設備還具有再熱汽溫的特性，這也是其應用于火電機組運行的重要特性，但在對其再熱汽溫進行理論方面的研究時卻存在較大的困難，只有突破該性能研究困境，才能夠實現整體系統的優化設計。而信息化技術以及自動化技術在此方面顯示出了較為廣闊的應用前景與應用空間，有效支持DCS的創新應用，并為系統能耗分析結構以及控制結構的結合提供了條件，實現系統準確的控制性能，最終促進整個系統功能的優化發展。

最后，滑壓運行的方式也體現出較為明顯的應用優勢，能夠有效改善系統的內效率。但在技術應用過程中應注意，不同火電機組及其負荷情況對應的內效率并不一致，因此如果只是借助PID控制方式則很難保障整個控制系統處于優化的狀態中，技術人員有必要采取相應的措施對被控對象的特性進行辨識，實現對相關性能的檢定及控制器參數的優化處理。

2 火電機組變負荷運行節能優化控制系統設計

2.1 構建模型

2.1.1 精準機組耗差

要想實現對火電機組變負荷運行節能優化控制，技術人員應將目光放在熱能動力領域方面，重視發電機調峰的運行以及變負荷工況計算等內容，之后再對于系統的熱經濟性進行整體性的分析，給予科學的運行指導，開展工程實踐。明確機組耗差是建立優化控制系統模型的第一步，經過上文的分析可知，當前監測系統存在著修正曲線不準確、各種流量的參數不精準等問題，技術的人員則需要從參數監測方面入手調整系統模型。

首先，能夠影響到控制系統能耗率的因素包括了汽水的流量、熱力學的參數以及熱力系統的結構等，主蒸汽流量對于系統的影響也較小，因此技術的人員則需開發熱經濟狀態的方程，從而進一步改良了系統中的節能效率。另外還需關注到系統末級流動狀態的判別工作，經過多項的技術實驗對比可知，弗留格爾的公式與斯陀托拉實驗原理中的應用情況也是比較好的，也能夠支持科學、有效的狀態辨別。在此基礎之上，還需利用變工況理論計算系統濕蒸汽區的參數與相關的數據，保障了系統軟件能夠在不迭代的前提下計算出較為精準的排汽焓值。

2.1.2 鍋爐經濟分析

在相同負荷的基本條件下，低負荷運行狀態將會對熱經濟帶來損耗與影響。換句話說，當排汽溫度受到影響降低的時候，那么低壓缸的整體工作效率也會受到影響，最終導致系統汽輪機組排汽干度有所增加，實現系統尾部內效率的提升。傳統的反平衡方法主要依據系統運行的結果，通過參數測定、損失計算等等方式明確出了鍋爐的熱效率，但是這樣得出的結果難以顯示系統出現損失的原因，無法為耗差分析提供了依據，也就無法支持優化控制工作當中的開展。

針對以上情況，技術人員應抓住燃燒的理論及鍋爐運行基本原理的相關知識，同時將系統實際的工況、煤質特性等條件進行整合，最終得出系統優化的模型，本文分析得到的系統模型如下：評估不完全燃燒產生的損失-評估排煙應達溫度-確定過量空氣系數的最佳值-得到計算鍋爐效率的方法[1]。

2.1.3 汽輪機最優運行設計

火電機組的不同負荷值都對應一個特定的蒸汽初壓與調節汽門開度，而且幾個參數之間存在著一定的函數關系，可以通過計算的公式進行其計算：N=f(PO-Fk)。經過實踐來總結可以得到火電機組滿足了設計要求時的計算公式：Nd=f(POd-Fkd)。公式顯示，當系統負荷不斷降低而且蒸汽初壓不變的情況之下，當技術的人員調節汽門開度之時就會產生“純定壓運行”的狀態，如果單獨調節蒸汽初壓則出現了“純滑壓運行”的狀態。

在純定壓運行的狀態當中，火電機組負荷降低到了特定數值之后可以用POS表示其狀態初壓，而在其之后的負荷降低的情況當中都只需要改變調節門開度就可以滿足系統工作的需求，此時也被稱為“定-滑運行”。技術的人員需針對火電機組實際運行的情況來確定其可行壓力區間，從而進一步明確了基準熱經濟的指標，并且獲取了相對應的主蒸汽壓力，這就是系統的最佳壓力以及最優運行初壓，在這個壓力基礎之上就能夠確定相關負荷，以及其與最優初壓之間的關系[2]。

2.1.4 機組控制模型構建

機組控制模型就是控制系統功能的重要結構，技術人員應該從機理法的角度入手構建熱力設備及其控制系統動態的數學模型，根據系統功能的要求編制了對應的函數，將除氧器、爐膛換熱以及汽機本體等納入到模型算法庫當中。機理法構建的模型能夠實現對于機組非線性數據的直觀反映，體現出了實際的負荷狀態，該方法也為先進控制算法的應用提供了基礎與平臺。技術的人員在設計模型時，應充分考慮到現場運行數據對于修正數據的方法，并在建模完成之后計算了熱力設備、模型系統的相關系數，構建對應的子系統模型，幫助建立了系統整體動態的模型[3]。

2.1.5 魯棒性分析

考慮到以上系統模型的精準性問題，如系統具備魯棒性就能有效解決該問題，因此技術人員還需關注系統魯棒性的提升方法。在傳統的系統控制優化工作中，技術的人員主要強調了單一控制系統性能指標的優化、并未關注節能性能的優化，對此技術人員需明確有關魯棒性的指標，也采取了分別整定的方式提升其回路的靈活性。

2.2 系統運行

2.2.1 方案介紹

本案例中電廠使用的機組為1000MW，控制系統則為HOLLiAS MACS，其中大多數機組的參數已經進入DCS，除了以主要輔機功率的信號為代表的部分參數，對此技術人員應使用電能變送器進行數據的采集，之后利用系統通信的線路進行傳送。考慮到該機組有多個子系統以及電力的設備共同構成，因此其系統控制的優化涉及到比較多的內容，其中比較重要的包括機組的啟停、變負荷的運行。

基本設計思路，則是采取魯棒控制以及時延補償的方式提升基礎控制效率，同時利用智能技術與自動化技術提升整個系統的工作效率。該系統需要實時采集各項參數，實現參數的準確計算與快速傳遞，因此技術人員需優化通信系統功能，獲取系統實時數據，快速得到耗差分析、控制系統參數等，并且實現數據的快速上傳，以SIS為平臺連接WinIS與分析系統，為技術人員提供實時信息以及計算分析結果[4]。

2.2.2 方案特點

以上設計方案具有優化的網絡結構，SIS在MIS中的應用不僅能夠采集系統的實時數據，同時還能夠有效規避MIS穩定性差帶來的不利影響。MIS以及SIS系統應用方法已經得到廣泛應用，其中SIS能夠幫助系統實時處理數據，監管整個生產過程，分析出現故障的原因，并協助系統進行經濟負荷的調度與調整，同時還能夠為操作人員提供可靠的操作信息，保障生產效率。

2.2.3 應用分析

構建以精準機組耗差為核心的分析模型能夠有效提升電力系統的經濟性，同時還能夠作用于熱力系統的監測工作，進一步提高了經濟指標與能耗偏差的精準性。對于系統變負荷特性來說，技術人員應抓住蒸汽初壓及其經濟性的聯系，構建經濟分析模型，改善火電機組系統性能，促進機組系統優化設計。機理法的應用幫助構建了機組控制模型，以直觀的展示方式顯示了熱工過程中的非線性關系。魯棒整定問題的研究則得到了系統運行的魯律性指標，為控制的快速性、穩定性提供保證。最后技術人員根據工程機組實際情況提出了具體的控制系統方案，滿足火電機組科學運行的要求，同時提高了電廠的經濟效益，解決了人力資源，有效實現了節能優化。

3 分析火電廠機組環保技術改造的策略分析

汽輪機與熱力系統的優化。空氣溫度和壓力對火電機組的能耗有很大的影響。一般來說，空氣溫度和壓力的在線運行將大大降低火電機組的能耗。對于兩個研究機組，工作人員可以先改變火電機組的總負荷而不改變其他參數，從而測量不同負荷值對應的主蒸汽壓力，選擇能耗最低的情況；然后可以加強火電機組的密封性，保證安裝間隙在規定的范圍內，最后減少汽輪機內部的蒸汽泄漏，從而提高火電機組的能效。在這些優化中第三種優化無疑更簡單，執行成本更低。

輔助機組的改進。輔助機組系統節能優化的主要措施包括三方面：一是循環水泵運行的改善，冷端系統的改善可以通過泵的停開機來實現。當汽輪機功率增加且大于水泵功率時應啟動循環水泵，否則應關閉循環水泵；二是調整水輪機軸間隙給水泵，調整系統泄漏，減少工件的損耗，進一步提高機組的效率；三是通過對高耗能輔機的變頻控制，降低設備的能量損失和電廠的功率損失。通過冷凝水泵運行頻率與變頻運行的對比，冷凝水泵變頻節能效果明顯。

綜上，火電機組變負荷運行節能優化的控制系統設計工作，對于電廠經濟效益的提升具有重要的意義，技術人員應當明確額定負荷機組性能參數，融合多種建模思想與方法，結合實際工況需求與運行現狀，積極開展火電機組節能優化設計與探究工作，有效降低火電機組能耗率，提升電廠的經濟效益與生產效率，從而促進電廠的現代化發展。