翁疆

（福建華電電力工程公司，福州 350003）

火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化策略

翁疆

（福建華電電力工程公司，福州 350003）

為提高火電機(jī)組對煤種的適應(yīng)性，對原有的機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。采用先進(jìn)的預(yù)估煤質(zhì)控制策略，對煤質(zhì)進(jìn)行修正，同時對主蒸汽溫度控制以及邏輯參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后，機(jī)組能適應(yīng)多煤種變化，主要參數(shù)均控制在較好的水平，為機(jī)組的安全、穩(wěn)定運行提供了保障。

火電機(jī)組；協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；煤種；邏輯；優(yōu)化

0 引言

福建華電可門發(fā)電有限公司＃2鍋爐采用中速磨煤機(jī)冷一次風(fēng)直吹制粉系統(tǒng)。每臺鍋爐配6臺中速磨煤機(jī)，其中1臺備用。每臺磨煤機(jī)引出4根煤粉管道連接到鍋爐四角同一層燃燒器。一次風(fēng)經(jīng)一次風(fēng)機(jī)升壓后一部分進(jìn)入三分倉空氣預(yù)熱器，經(jīng)空氣預(yù)熱器加熱后進(jìn)入磨煤機(jī)，另一部分直接進(jìn)入磨煤機(jī)前冷風(fēng)母管。磨煤機(jī)進(jìn)口的風(fēng)量及熱風(fēng)溫度由支管上的熱風(fēng)調(diào)節(jié)門和冷風(fēng)調(diào)節(jié)門來調(diào)節(jié)。在原煤倉、給煤機(jī)、磨煤機(jī)出口設(shè)有動力操作隔離門。為使各燃燒器進(jìn)口處的一次風(fēng)流量趨于一致，在磨煤機(jī)出口隔離閥后的煤粉管道上裝設(shè)可調(diào)縮孔。磨煤機(jī)密封風(fēng)采用母管制密封風(fēng)系統(tǒng)，每臺鍋爐設(shè)置2臺100%容量的密封風(fēng)機(jī)，1臺運行，1臺備用，其密封風(fēng)從一次風(fēng)機(jī)出口冷風(fēng)母管上接出，給煤機(jī)密封風(fēng)亦從一次風(fēng)機(jī)出口冷風(fēng)母管上接出。汽輪機(jī)是上海汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)美國西屋公司技術(shù)生產(chǎn)的600 MW超臨界、中間再熱、四缸四排汽、單軸凝汽式汽輪機(jī)。

超超臨界機(jī)組具有投資性價比高、煤耗低、熱效率高等優(yōu)點，國內(nèi)新建的機(jī)組基本都以超臨界、超超臨界機(jī)組為主，甚至300MW等級的機(jī)組也出現(xiàn)了超臨界機(jī)組。超臨界、超超臨界機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和亞臨界機(jī)組類似，不同之處在于給水的控制，亞臨界給水是汽包水位、蒸汽流量、給水流量的三沖量控制，超臨界直流鍋爐的給水是通過煤水比例以及過熱度進(jìn)行控制的，因此存在煤水耦合問題。超臨界鍋爐主控除了作為總煤量給定外，還通過煤水比控制給水量以及總風(fēng)量，比亞臨界機(jī)組的鍋爐主控更為重要和復(fù)雜。鍋爐主控將負(fù)荷指令函數(shù)（其實就是負(fù)荷對應(yīng)的設(shè)計煤種的煤量）作為前饋，通過主蒸汽壓力偏差修正煤量，機(jī)組實際運行時很難保證所投入煤種的發(fā)熱量與設(shè)計煤種相同，因此，負(fù)荷指令函數(shù)很難較準(zhǔn)確地給定需求煤量，從而導(dǎo)致壓力偏差修正量較大，可能會出現(xiàn)鍋爐主控指令波動較大的現(xiàn)象，導(dǎo)致主蒸汽壓力波動大。因為還涉及煤水、總風(fēng)量，有可能會造成主蒸汽溫度、氧量、爐膛負(fù)壓等波動較大。

最好的煤種用180 t／h的煤量即能保證600MW滿負(fù)荷發(fā)電，而最差的煤種滿負(fù)荷600MW發(fā)電卻需要330 t／h的煤量。因此，自動發(fā)電控制（AGC）系統(tǒng)要自動適應(yīng)多煤種是比較困難的，最大的問題是煤質(zhì)較差的煤根據(jù)煤水比算出的給水前饋量較大，需要通過過熱度進(jìn)行修正，同時比例-積分-微分（PID）調(diào)節(jié)也需要一定的反應(yīng)時間，因而在煤質(zhì)變化時容易出現(xiàn)主蒸汽溫度控制不穩(wěn)定、品質(zhì)不佳的情況。

煤種變化、煤熱值不穩(wěn)定的情況致使電廠協(xié)調(diào)控制和AGC難于投入，給運行人員的操作增加難度，同時也影響了機(jī)組的安全。因此，需要在電廠進(jìn)行AGC系統(tǒng)優(yōu)化，通過計算煤的熱值來對不同煤種的發(fā)熱量進(jìn)行修正，以增強(qiáng)中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)對煤種的適應(yīng)性，提高燃水比的控制精度。

根據(jù)調(diào)查，除了多煤質(zhì)適應(yīng)難之外，還存在主蒸汽溫度、再熱器溫度控制效果不佳的問題。

1 控制策略的優(yōu)化

1.1 針對多煤質(zhì)適應(yīng)的優(yōu)化

單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)承擔(dān)著接受電網(wǎng)負(fù)荷、協(xié)調(diào)機(jī)組出力的任務(wù)，是燃煤發(fā)電機(jī)組模擬量控制系統(tǒng)中最復(fù)雜的系統(tǒng)，影響整個機(jī)組的控制品質(zhì)。超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基本都是鍋爐跟隨的協(xié)調(diào)方式，即鍋爐主控維持汽輪機(jī)前壓力，汽輪機(jī)主控調(diào)節(jié)負(fù)荷。鍋爐主控根據(jù)負(fù)荷指令計算機(jī)組需求的煤量，然后再根據(jù)壓力偏差進(jìn)行煤量的修正，最終計算出所需要的總給煤量，鍋爐主控SAMA圖如圖1所示。

圖1 鍋爐主控SAMA圖

從圖1可以看出：當(dāng)煤的熱值變化時，無法進(jìn)行修正，需要通過壓力偏差修正最終給煤量。

增加了燃煤熱值修正后的鍋爐主控采用了乘法環(huán)節(jié)對機(jī)組燃料需求量進(jìn)行修正（如圖2所示），當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時，通過靜態(tài)前饋f（x）實時計算出對應(yīng)的燃料需求量，再根據(jù)煤的熱值對這一需求量進(jìn)行修正，使其能接近設(shè)計煤種的發(fā)熱量。當(dāng)煤的熱值穩(wěn)定且與設(shè)計煤種的熱值相當(dāng)時，則負(fù)荷指令靜態(tài)前饋量反映的是機(jī)組實際的燃料需求，無需通過熱值的修正來改變?nèi)剂狭?；?dāng)煤的熱值與設(shè)計煤種的熱值相差較大時，將負(fù)荷指令的前饋量乘以煤的熱值修正量，得到新的機(jī)組燃料需求量。這一過程，就是根據(jù)負(fù)荷變化量所需標(biāo)準(zhǔn)煤量產(chǎn)生修正值，將非設(shè)計煤種的煤量換算為標(biāo)準(zhǔn)煤量，以提高機(jī)組對煤種的適應(yīng)性。

不管是圖1還是圖2，鍋爐主控計算出煤量后，通過燃料主控將煤分配到各個給煤機(jī)上。為了克服啟、停機(jī)對燃料量造成的擾動，燃料主控優(yōu)化時，引入啟、停磨煤量補(bǔ)償，燃料主控回路SAMA圖如圖3所示。

圖2 煤量修正后的鍋爐主控

圖3 燃料主控SAMA圖

燃煤發(fā)電機(jī)組一般都有設(shè)計煤種，即機(jī)組負(fù)荷要求對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)煤量是一定的，當(dāng)煤的熱值低于標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值時，所需的煤量就多。相同的負(fù)荷指令下，熱值較低的煤種需要更多的煤量，若不進(jìn)行修正，勢必不能滿足機(jī)組發(fā)電負(fù)荷的要求，造成給煤量的不準(zhǔn)確，最終會從主蒸汽壓力偏差上體現(xiàn)出來。由于鍋爐主控PID調(diào)節(jié)器對壓力的修正具有滯后性，會使壓力波動比較大。若能直接計算出當(dāng)前的燃煤熱值，提前進(jìn)行修正，則可以提高鍋爐壓力及機(jī)組主要參數(shù)的穩(wěn)定性。目前，很多電廠設(shè)置有煤量修正系數(shù)，由運行人員根據(jù)當(dāng)前的燃煤熱值進(jìn)行人為修正。在此次優(yōu)化中，通過大量的分析和論證，決定將煤的熱值修正引入到協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，在分散控制系統(tǒng)（DCS）的算法邏輯中增加煤的熱值智能計算邏輯，實時根據(jù)所使用煤種的熱值，對機(jī)組的燃煤需求量進(jìn)行自動修正和補(bǔ)償。

瞬時熱值CV計算如下

式中：Q為當(dāng)前發(fā)電負(fù)荷，MW；qV為瞬時煤量，t／h；k為系數(shù)，MJ／（kW·h）。

根據(jù)福建華電可門發(fā)電有限公司長期的煤耗情況，可值機(jī)組發(fā)1 kW·h的電所消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤為0.310 kg，據(jù)此可以確定系數(shù)k＝9.07MJ／（kW·h）。

在實際應(yīng)用中，不能用瞬時的熱值進(jìn)行煤量修正，因為壓力高時燃煤熱值的瞬時值低，而壓力低時燃煤熱值的瞬時值高，因此不能簡單地把瞬時熱值作為當(dāng)前燃煤熱值的修正值。

對一段時間內(nèi)煤的總發(fā)電量和總煤量進(jìn)行累計計算，則可以獲得較準(zhǔn)確的燃煤熱值，時間長度取值要合適，時間越長，熱值越穩(wěn)定，并更接近實際的平均熱值，但是數(shù)值除了需要準(zhǔn)確外還要求能夠顯示出近期燃煤的熱值變化。經(jīng)過現(xiàn)場測試，1 h的時間段能夠比較合理地反映近期燃煤的熱值，并且也具有時效性。具體做法是每4min取1次熱值的平均值，然后建立一個15個棧區(qū)的堆棧，采用先進(jìn)先出的處理方法，最終取棧內(nèi)數(shù)值的平均值，即為1 h的平均燃煤熱值，根據(jù)這個燃煤熱值對煤量進(jìn)行修正，其算法原理的SAMA圖如圖4所示。

圖4 燃煤熱值計算原理圖

圖4中：I為積分模塊；R為復(fù)位端；T為切換塊，切換條件為每4min發(fā)1個0.1 s的ONP脈沖，s＝0時取2值，s＝1時取1值；ONP為上升沿；OFP為下降沿；FiFo為先進(jìn)先出堆棧。

需要注意的是：FiFo堆棧在脈沖上升沿時進(jìn)行堆棧，其余時間不進(jìn)行堆棧，所取的平均值就是給煤量的修正系數(shù)。

采取在鍋爐主控中引入燃煤熱值智能計算來實時修正修機(jī)組燃料需求量的優(yōu)化措施后，經(jīng)過組態(tài)和調(diào)試，機(jī)組已投入運行。熱值較低的煤種，通過熱值修正，對機(jī)組負(fù)荷所需煤量進(jìn)行了補(bǔ)償，有效克服了鍋爐主控PID調(diào)節(jié)滯后造成的主蒸汽壓力波動，提高了機(jī)組對煤種的適應(yīng)性。

1.2 主蒸汽溫度控制優(yōu)化

主蒸汽溫度調(diào)節(jié)由兩級噴水減溫組成，第1級和第2級噴水減溫均有2個噴水減溫閥和閥前的1個截止閥。第1級噴水減溫的被調(diào)量是第2級噴水減溫器的入口溫度t3，第2級噴水減溫被調(diào)量是末級過熱器出口溫度t5（如圖5所示）。第2級噴水減溫的調(diào)節(jié)原理和第1級噴水減溫原理相同，控制策略相同，不同的是被調(diào)量為主蒸汽溫度。第1級噴水減溫的被調(diào)量一般是根據(jù)機(jī)組負(fù)荷（主蒸汽流量）自動計算的，運行人員可以進(jìn)行手動偏置，主蒸汽溫度可以由運行人員設(shè)定。

圖5 過熱蒸汽簡圖

主蒸汽溫度調(diào)節(jié)采用前饋PID算法，前饋量還增加了預(yù)估算法，取消原有的串級PID算法，具體控制策略如圖6所示。

圖6 蒸汽溫度控制策略

（1）鍋爐主控微分前饋。目的是超前加、減水，在鍋爐主控增加時適當(dāng)增加水量，避免增加燃料時蒸汽溫度來不及調(diào)節(jié)，造成溫度過高，鍋爐主控減少時可提前減水，避免蒸汽溫度過低。

（2）啟、停磨補(bǔ)償。實際運行中發(fā)現(xiàn)，啟動磨煤機(jī)對蒸汽溫度有較大影響，將影響的這個部分作為前饋量去抵消啟、停磨對主蒸汽溫度的補(bǔ)償。

（3）進(jìn)口溫度微分。進(jìn)口溫度提升就需要提前噴水，避免蒸汽溫度過高；反之需要減水，防止溫度過低。

（4）主蒸汽流量的函數(shù)前饋。將不同負(fù)荷下的設(shè)計噴水量作為前饋。

（5）空間狀態(tài)預(yù)估（ASTEC）。

2 優(yōu)化效果

采用先進(jìn)的預(yù)估煤質(zhì)控制策略進(jìn)行煤質(zhì)修正后，＃2機(jī)組的AGC協(xié)調(diào)改造效果明顯，機(jī)組能適應(yīng)多煤種變化，主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱器溫度、爐膛負(fù)壓、氧量等主要參數(shù)控制在較好水平，為機(jī)組的安全、穩(wěn)定運行提供了保障。

3 結(jié)束語

火力發(fā)電廠的主要成本是煤，按設(shè)計煤種運行，機(jī)組的自動投入率較高，但很少有機(jī)組能按設(shè)計煤種運行，電廠為了降低成本會進(jìn)行不同煤種的摻燒，因此要求機(jī)組能使用寬煤種。

此次協(xié)調(diào)優(yōu)化就是進(jìn)行了機(jī)組的多煤種適應(yīng)優(yōu)化，并且在噴水減溫上采用了預(yù)估的算法，替代了原有的串級算法，增加了機(jī)組的適應(yīng)性，可為火力發(fā)電廠提供借鑒。

［1］王淼婺.火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制對AGC的適應(yīng)性分析［J］.中國電力，1999（6）：45-47.

［2］林文孚，胡燕.單元機(jī)組自動控制技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2008.

（本文責(zé)編：劉芳）

TK 321

：B

：1674-1951（2015）05-0027-03

翁疆（1976—），男，福建莆田人，工程師，從事熱控自動控制方面的工作（E-mail：8954883＠qq.com）。

2014-09-03；

2015-03-30