探析火力發電廠鍋爐和汽輪機組協調控制策略

華能威海發電有限責任公司 楊 春 薛 松 王少君 常曉杰 閆 明 李 丹

在對某發電廠協調控制系統進行設計時，經研究該控制系統需要滿足以下幾點要求：能夠保證機組運行、停機的安全開展，可以及時響應鍋爐在運轉過程中所遇到的生產難點，能夠平穩地順應負荷變化，提高機組整體運行的穩定性；依照模塊化原理，應將控制系統分為不同的子單元，以便提高系統運行質量，同時也可以單獨進行維修、處理數據、保存信息，盡量將信息互換數量降至最低，這樣能夠提高其運行效率；系統應具備去除冗余數據信息的性能，以便防止局部模塊出現臨界狀態，從而產生干擾，同時可以由最低平穩燃料負荷承載工況自動轉變為全部承載，以便減少人工行為對其的干預。

該系統具備聯鎖維護性能，這樣可以進一步提升系統的安全性，便于工作人員對其進行維護，同時能夠對鍋爐等輔助設置的運行指標進行檢測以及計量，當局部單元模塊無法滿足既定要求時，該性能則可以有效防止局部模塊出現“自主”參與的情況。如果系統出現了故障問題，那么系統將不會再自動執行相關任務。

1 火力發電廠鍋爐和汽輪機組協調控制系統組成結構

1.1 基本框架

將火力發電廠鍋爐與汽輪機組進行協調控制的核心思想在于，通過協調機組負荷水平與發電廠鍋爐蒸汽壓力的方式，來達到鍋爐水、風、煤一體化運作的目標。因此，在設計該機制時要引入互聯網與信息技術，這樣能夠面向大型負荷機組運行工況，同時可以減少人為因素對其運行質量的干預。當出現了運行風險以后，傳感設備可以通過監測單元發出信號，并自主調整偏差范圍，以便提高風險響應頻率，同時也能夠起到調頻節能的作用，提高大型火力發電運行質量。

該系統主要由四大部分所組成，分別為外部負荷指令單元、負荷控制單元、子控制單元、前端執行單元。其中，負荷控制單元主要負責協調鍋爐與汽輪機組，而子單元控制系統則負責基礎的控制級。外部負荷指令單元用于對系統發出指令，其主要的方式包括電網頻率與值班員就地指令等，執行單元由鍋爐以及汽輪機兩大硬件設備所組成[1]。

1.2 指令產生

在此控制系統之中，最重要的便是汽輪機與鍋爐的主控制器負荷指令，其具體的結構設計思路如下：第一，在設計之前，需要加大對火力發電廠機組實際運行需求的分析，根據其條件選擇適合的負荷控制手段。第二，鍋爐與汽輪機的指令需要通過，接收負荷指令處理單元所發出的實際負荷質量、主蒸汽壓力、給定值信號、機組輸出電功率計算，以便達到既定的負荷控制目標，完成整個控制任務。

2 火力發電廠鍋爐和汽輪機組協調控制系統設計策略

2.1 汽輪機與鍋爐控制

鍋爐的跟隨方式。對鍋爐的基本控制方式為，利用大數據、物聯網等信息技術優勢，將火電機組控制系統與計算機結合在一起，以便提高其自動化、數字化、智能化運行水平，同時能夠對其運行信息進行實時跟蹤，并將數據資料反饋到控制板面之中，便于值班人員和系統輸入操作指令，以此來提高火電機組輸出功率的響應速率。該控制方式具有以下特點：可以利用機組蓄熱能力，對輸出功率有迅速的響應；對于燃燒側擾動而言，所形成的汽壓波動較大[2]。

汽輪機跟隨方式。需要由鍋爐調節單元輸出電功率來調節汽輪機的汽壓，該控制方式的特點為：一是可以降低汽壓的波動幅度，同時可以提高主蒸汽壓力的控制水平；二是由于未能充分利用鍋爐的蓄熱能力，則會導致延遲問題的出現，因此在負荷變化適應性方面較差一些，不能直接參與電網調頻以及帶變動負荷。但在機組發電機制方面仍存在一些不足問題，需要時刻關注鍋爐的運行狀態，并且在運行信息的傳遞與響應方面還不夠完全，因此在系統優化的過程中需要提出相應的對策加以解決。

2.2 機爐協調控制設計

2.2.1 基本設計思路

基于上述鍋爐以及汽輪機跟隨方式中所存在的弊端，目前能量信號還沒有能夠直接測量的辦法，因此在設計機爐協調控制系統時，則研究了對策用于解決既有控制問題：第一，通過間接能量進行平衡，利用鍋爐主汽壓力表征鍋爐與汽輪機之間達成能量工序平衡，以便控制間接參數維持機、爐間能量平衡系統。第二，構建一個直接能量平衡系統，該系統能夠控制機組能量的輸入，以此來解決既有運行問題。

2.2.2 間接能量平衡

該控制方法的基本運行原理為，當負荷指令發生了改變以后，汽輪機的主控制器則能夠及時響應，并且能對汽輪機的氣門開度進行調整，以便使機組輸出功率與負荷指令之間保持統一。除此之外，可以通過燃燒率變化來及時補償鍋爐蓄能所產生的變化。如果汽壓值的偏差已經超過了既定死區，那么汽輪機則會由原來的功率調節轉變為壓力拉回控制，這樣可以約束汽輪機調門，避免其進一步開大，從而引發浪費鍋爐蓄能狀況的出現。在執行完畢以后，鍋爐側可以保證主蒸汽壓力值與給定值信號平衡，汽輪機側可以保證機組輸出電功率與實際負荷指令一致，如圖1所示。

圖1 火力發電廠鍋爐和汽輪機組協調控制系統IEB控制策略

圖1中PI表示前饋信號。上文中所提到的死區范圍是指非線性函數，在一般情況下取值為±0.6MPa，但應用了自動發電控制技術以后，需要將死區的范圍擴大，以便其能夠更好地適應功率調節要求，但在高負荷時段內則要縮小死區，只有這樣才能夠保證鍋爐不出現超壓的問題，從而避免影響機組運行安全。除此之外，死區還能夠起到無差調節功率的作用，其可以在調節的過程中切除汽輪機主控輸入端所產生的壓力偏差。

2.2.3 直接能量平衡

在構設直接能量控制系統時，當機組的燃燒功率增加，就會提升主蒸汽的壓力值，同時也會伴隨著調節級壓力的增長，如果此時將調節級壓力值作為對鍋爐質量的前饋信號，則會增大鍋爐主控指令，從而提高燃燒率，形成一個正向的反饋機制。因此，在優化與改進系統的過程中，可以通過以下幾種方式開展。

第一，修正調節級壓力信號。

第二，將調節級壓力/主蒸汽壓力作為汽輪機側能量需求信號。該種優化方法的機理為，鍋爐側擾動會對主蒸汽壓力以及汽輪機調節壓力造成一定的影響，假如燃燒率自發增加，則主蒸汽壓力與汽輪機調節級壓力均會發生變化，但是比值卻不變。基于此，則可以有效控制鍋爐燃燒率變化。同時，本文在研究的過程中發現，在定壓運行狀態下，調節級壓力與主蒸汽壓力之間呈現出線性關系，所以汽輪機能量需求=調節級壓力/主蒸汽壓力。而此種優化方式的缺點是，如果在滑壓運行的狀態之下，調節級壓力與主蒸汽壓力之間將不再是線性關系，因此無法精準地呈現出汽輪機對于能量的實際需求。

第三，將調節級壓力×主蒸汽壓力設定值/主蒸汽壓力，設定為汽輪機側的能量需求信號，表達式可以參考公式：E=P1×PS/PT，式中：E表示汽輪機需求能量；P1表示調節級壓力；PT表示主蒸汽壓力；PS表示主蒸汽壓力設定值。這樣此信號就可以在滑壓運行以及定壓狀態下，正確表示出汽輪機的實際能量需求，同時也不會受到鍋爐燃燒率的作用。如果汽輪機需要增加負荷，汽輪機主控制器會立即響應，并開大調節氣門，此時的調節級壓力也會處于上升的狀態。

2.3 機爐協調系統實現

在控制方式選定完畢以后，則需要對操作系統進行設置，其需要具備易用性、簡潔性、系統性的特點，具體的實現方式如下。

一是鍋爐運行主界面的設計。該界面需要作為鍋爐與汽輪機組協調控制的主要人機界面使用，因此要便于工作人員調取出鍋爐的操作板，同時還可以控制器與監督系統運行的整個過程，以便減少能耗過高等問題的出現，以此來降低經濟損失。

二是機組運行指令畫面設置。依照機組的實際操作需求，可以將操作畫面區分成三個控制單元，第一，指令控制器，其能夠及時監測出電機組在運行過程中的具體情況，如果出現了發電風險或者作業困難等問題，則可以通過指令來進行正確部署。第二，操縱按鈕，其會與機組的各類運行功能對接。第三，情報指示燈，其能夠依照機組的實際工作狀態向管理人員發出警報，以便值班人員可以快速地響應，并作出決策與就地控制行為。

三是鍋爐與汽輪機協調主控制操作系統。該單元主要應用于協調控制，其由DEH控制器、滑壓控制器、壓力控制器等部件所組成。每一控制器都具備特點的控制性能，其可以保證控制系統在作業中順利運行。

四是鍋爐燃燒控制系統。該模塊主要由DEB控制器以及燃料器所構成，其中的DEB燃料控制器主要負責指令傳輸，火力發電機組在實際運行的過程中，都會通過DEB來實現對鍋爐燃料的控制，其能夠將相關指令傳輸至燃料控制器之中，并發出提供燃料的相關指令，以便保證鍋爐燃料供給穩定。燃料控制器主要負責控制鍋爐內的燃料，可以保證煤與燃油之間維持合理的比例，以便確保發電作業的正常開展。

五是送風控制系統。火力發電的關鍵點在于，一定要留有一些空氣助燃，只有這樣才能夠保證機組能量的合理轉化。因此，送風控制系統主要是為了保證鍋爐內部具有一定的空氣。而此時鍋爐負荷也會實時傳送給控制系統，系統會進行相應的處理，這樣就可以對燃料進行合理的控制，從而提高機組整體運行的安全穩定性，提高燃料的利用效率。

3 火力發電廠鍋爐和汽輪機組協調控制系統價值分析

通過上述設計策略，將系統應用到了某火力發電廠的實際發電業務之中，其相比傳統分離式控制系統而言，具有以下幾點優勢，值得大范圍推廣。

一是提升機組運行質量。在火力發電廠日常作業中鍋爐是重要的能量轉換設備，而汽輪機則是重要的動力裝置，在長時間的運行工況下鍋爐負荷頻率極易發生變化，而通過該系統則能夠提高鍋爐與汽輪機組的協調程度，并保證各火力發電機組的正常運行與操作，減少事故問題的出現，提升其響應速率與質量[3]。

二是避免運作出現延遲。傳統火力發電廠鍋爐在運行的過程中經常會受到延遲問題的干擾，從而導致作業質量較差等問題的出現。而通過該協調控制系統，則能夠有效解決不安全與運作反應不及時的問題，可以最大限度上避免延遲現象的出現，提高了工作效率。

三是提高汽壓的穩定性。該系統的主要運用原理為，通過轉化控制中的負荷指令來控制鍋爐，并且可以改變汽輪組中的主蒸汽流信號，將其作為前饋信號，從而保證主汽壓偏差值始終處于既定范圍之內，因此其在穩定汽壓方面起到了關鍵性的作用，可以提高火力發電廠的安全生產程度。

四是提高鍋爐運轉精度。通過應用該系統，能夠通過控制器來提高鍋爐燃燒的精度，這樣能夠使其在一個良好的工況內進行工作，同時也提升了電廠的發電率。

綜上所述，通過鍋爐與汽輪機組協調控制系統的設置，能夠實現汽輪機組與發電廠鍋爐的一體化運行，這也幫助電廠實現了合理控制火力發電機組負荷水平與蒸汽壓力的目標。同時，也為節約火力發電廠的能耗與提升經濟效益等方面作出貢獻，以期在未來國內各火力發電廠能夠重視自動化控制技術的引入，并推動我國電力事業向著更高層次方向發展。