段秋剛,秦 萍,錢 昭

(1.山西電力科學研究院,山西太原 030001;2.山西和祥建通管理有限公司,山西太原 030006;3.河北省電力研究院,河北石家莊 050021)

0 引言

提高蒸汽參數(shù)、發(fā)展大容量機組是提高機組效率降低造價的有效途徑,與同容量亞臨界機組的熱效率相比,采用超臨界參數(shù)在理論上可提高效率2%以上。超臨界機組以其較高的經(jīng)濟性已在目前新投產(chǎn)的火電機組中占有絕對的主導地位,盡管如此,對于超臨界機組特性的認識還遠遠不夠,超臨界機組的控制方案因此也不盡完善,目前超臨界機組的運行狀況也不盡理想。特別是超臨界空冷機組開始投運,在控制領(lǐng)域又面臨新的難題。因此以穩(wěn)定的初壓模式為基礎(chǔ),從能量平衡的角度出發(fā),對超臨界空冷機組的控制系統(tǒng)進行研究和探討具有重要的價值。

超臨界機組初蒸汽參數(shù)超過汽水狀態(tài)的臨界點(壓力22.115 MPa,溫度374℃),由于在臨界參數(shù)下汽水密度相等,因此在超臨界壓力下無法維持自然循環(huán),不能采用汽包爐,直流爐成為唯一爐型。由于直流爐在汽水流程上一次性通過的特性,流程中每一段的長度都受到燃燒、給水、調(diào)門開度的擾動而發(fā)生變化,從而導致功率、壓力、溫度的變化。而且超臨界機組實際上是運行在超臨界和亞臨界兩種工況下,具有完全不同的控制特性,是特性復雜多變的被控對象。

空冷機組背壓受季節(jié)、環(huán)境溫度、風力、風向、濕度等因素的影響變化較大,引起機組的熱耗率變化較大。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)CCS(Coordination Control System)方案宜有用DEB控制方案而采用直流爐的超臨界機組,由于沒有汽包,CCS無法采用直接能量平衡 (DEB)控制方案,但采用負荷指令間接平衡 (DIB),不能保證機爐之間的能量平衡,而超臨界空冷機組如何保證能量平衡也是一個尤為突出的問題。

1 初壓模式

超臨界機組鍋爐蓄熱能力僅為亞臨界汽包爐的1/3～1/4,鍋爐可利用蓄熱非常有限,汽機負荷響應(yīng)能力遠差于亞臨界汽包爐,反而導致壓力的大幅波動引起給水的擾動和燃水比的變化,使蒸汽溫度劇烈變化。所以正如參考文獻 [1]所提到的超臨界機組CCS仍采用傳統(tǒng)爐跟隨控制方案是不可取的。實際上超臨界機組鍋爐水冷壁金屬耗熱少,工質(zhì)儲量也少,其熱容量及慣性明顯小于亞臨界汽包爐,鍋爐的負荷響應(yīng)速率也明顯快于亞臨界汽包爐。初壓控制模式是汽機控制主汽壓力,鍋爐控制負荷即以機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式,采用這種控制方案不僅能夠滿足負荷響應(yīng)速率的要求,更有利于穩(wěn)定機組的運行參數(shù)。

文獻 [2]中也提到在定壓、滑壓、初壓控制模式中,初壓控制模式是最穩(wěn)定的,從鍋爐的閉環(huán)控制觀點分析,由于這種控制模式在負荷變化過程中,提供的能量既不超調(diào),又不欠調(diào),不僅穩(wěn)定,而且快速。

SIEMENS的profi新型協(xié)調(diào)控制模塊采用初壓模式,并在控制中增加了蓄熱預測功能,當負荷需要變動時,評估蓄熱是否足夠,如果夠燃料無需超調(diào),使系統(tǒng)運行更加平穩(wěn)。目前國內(nèi)已有多臺機組采用profi新型協(xié)調(diào)控制模塊,從運行情況來看,無疑極大地推動了火電機組控制技術(shù)的發(fā)展,但仍存在一些有待進一步改進的方面。第一,鍋爐側(cè)大輻擾動 (如磨煤機的啟、停),引起機組負荷和主汽壓力的劇烈波動,通過初壓控制模式的控制作用能夠抑制主汽壓力的波動,但相應(yīng)的會加劇機組負荷的波動,不能滿足電網(wǎng)調(diào)度的要求;第二,在負荷動態(tài)響應(yīng)過程中,profi反向改變主汽壓力定值,以利用鍋爐的蓄熱,減小負荷的響應(yīng)滯后,盡管取得了一定的效果,但由于蒸汽流量與蒸汽壓力反向變化,加劇了蒸汽參數(shù)的不穩(wěn)定;第三,基于初壓控制模式,負荷響應(yīng)仍存在較大的滯后,不能很好地適應(yīng)AGC自動運行。

2 基于初壓模式的能量控制

文獻 [3]中提到的 “汽機能量需求信號”Qt=作為汽機主控的被調(diào)量,由于該信號只反應(yīng)機組負荷要求的變化及汽機側(cè)自身的擾動,間接反應(yīng)汽機的節(jié)流變化,即主汽壓力的變化,使在鍋爐發(fā)生自發(fā)擾動的情況下,汽機不參與調(diào)節(jié)。即采用能量控制的理念實現(xiàn)了單向完全解耦,解決了鍋爐側(cè)擾動對汽機主控的影響,削弱了動態(tài)過程鍋爐的過調(diào)和欠調(diào),保證了靜態(tài)過程汽機主控的相對穩(wěn)定性,同時在動態(tài)過程中也能夠起到有效利用鍋爐有限蓄熱的效果,理論上明顯優(yōu)于單純的初壓控制模式。

針對鍋爐主控,由于采用直流爐的超臨界機組沒有汽包,CCS無法采用直接能量平衡 (DEB)控制方案,對空冷機組而言,背壓受季節(jié)、環(huán)境溫度、風力、風向、濕度等因素的影響變化較大,機組的熱耗率變化較大,若采用負荷指令間接平衡(DIB),又不能保證機爐之間的能量平衡。結(jié)合DEB和DIB控制方案的特點,并應(yīng)用在鍋爐主控的前饋控制方案中,鍋爐和汽機之間的能量需求平衡以及控制系統(tǒng)對外界負荷的響應(yīng),由 “汽機能量需求信號”作為鍋爐主控靜態(tài)前饋、負荷指令作為動態(tài)前饋來完成。負荷指令動態(tài)前饋模型建立的依據(jù)是,根據(jù)負荷變化的幅度和速率,確定機組在不同的運行工況 (定壓或滑壓)鍋爐燃燒率變化的過調(diào)量和過調(diào)速率以及回調(diào)時間,動態(tài)過調(diào)量取決于鍋爐的負荷響應(yīng)特性。鍋爐主控通過閉環(huán)控制回路調(diào)整機組負荷,克服來自鍋爐側(cè)由于燃燒變化等各種擾動因素,實現(xiàn)對機組能量輸入的控制。原理圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

超臨界空冷機組CCS采用基于初壓模式的能量控制理念,借鑒了DEB控制方案的特點,將“汽機能量需求”應(yīng)用在汽機主控的閉環(huán)控制和鍋爐主控的前饋控制中,有效解決了超臨界空冷機組鍋爐和汽機之間的能量需求平衡以及控制系統(tǒng)對外界負荷的響應(yīng)問題。而初壓控制模式的穩(wěn)定性是固有的,因此采用基于初壓模式的能量控制理念更有利于機組運行參數(shù)的穩(wěn)定。

3 結(jié)論

基于初壓模式的能量控制理念應(yīng)用在超臨界機組CCS中,以穩(wěn)定的初壓控制模式為基礎(chǔ),引入能量控制與平衡理念,與超臨界機組的特性相匹配,從控制參數(shù)的穩(wěn)定性、機組供求能量的平衡、系統(tǒng)解耦、負荷的響應(yīng)速率等方面,使超臨界的控制性能達到最優(yōu)。

[1] 林文孚.基于機跟隨的超臨界機組協(xié)調(diào)控制方案 [J].電力科學與工程,2008,24(10):24-27.

[2] 張艷亮.一種新型的協(xié)調(diào)控制方案 (PROFI)探討[J].儀器儀表用戶,2007(1):65-67.

[3] 段秋剛.提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)適應(yīng)性的試驗與研究 [C].中國電機工程學會第七屆青年學術(shù)會議論文集,2002:129-131.