戴 黎，鄭 偉，胡紹宇，姜新明，李建軍

（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

專 論

百萬(wàn)千瓦機(jī)組節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行控制技術(shù)研究

戴 黎，鄭 偉，胡紹宇，姜新明，李建軍

（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

針對(duì)大容量、高參數(shù)機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)，分析了影響其節(jié)能降耗效果的主要因素，設(shè)計(jì)了帶有預(yù)估加速前饋的機(jī)、爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，將鍋爐金屬壁溫控制與工質(zhì)溫度控制有機(jī)結(jié)合起來，顯著提高了機(jī)組運(yùn)行安全性及主要參數(shù)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，取得了良好節(jié)能效果。

協(xié)調(diào)控制；節(jié)能；調(diào)節(jié)品質(zhì)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展以及國(guó)家節(jié)能減排力度不斷加大，大容量、高參數(shù)的超超臨界機(jī)組已經(jīng)成為火電機(jī)組的發(fā)展方向，由于其動(dòng)態(tài)特性多變，具有強(qiáng)耦合、非線性、時(shí)變性、大遲延等特點(diǎn)，而且生產(chǎn)工藝復(fù)雜，被控參數(shù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)多樣，在控制上具有較大難度，對(duì)自動(dòng)化水平的要求很高，常規(guī)的控制技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能令人滿意，應(yīng)該進(jìn)行更深入研究。

另外，在電網(wǎng)峰谷差日益增大的情況下，機(jī)組不得不頻繁參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰，不但使工質(zhì)各項(xiàng)參數(shù)變化過大，難以控制，而且造成金屬壁溫頻頻超限，影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性，讓機(jī)組的節(jié)能降耗效果大打折扣。

1 關(guān)鍵技術(shù)

大容量、高參數(shù)的超超臨界機(jī)組以經(jīng)濟(jì)效益高、節(jié)能效果顯著得到大力發(fā)展，但其安全性、經(jīng)濟(jì)性緊密依賴于高性能的自動(dòng)控制系統(tǒng)，尤其是在參與調(diào)頻調(diào)峰時(shí)，這種依賴性更為迫切。

主蒸汽、再熱蒸汽溫度是機(jī)組運(yùn)行的主要參數(shù)，盡可能維持蒸汽溫度在設(shè)計(jì)值恒定運(yùn)行是保證機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有效措施。主蒸汽溫度高于設(shè)計(jì)值過多會(huì)使過熱器管壁金屬?gòu)?qiáng)度下降，甚至燒壞過熱器管道，嚴(yán)重影響安全；主蒸汽溫度偏低會(huì)大大降低發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換效率，降低機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，溫度過低還會(huì)使汽輪機(jī)尾部蒸汽濕度增大，甚至帶水，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。由于超超臨界鍋爐給水變成過熱蒸汽是一次性完成的，其溫度控制由燃水比和噴水減溫共同完成。燃水比在超臨界機(jī)組汽溫調(diào)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用，燃水比調(diào)整是保持汽溫的最終手段，但對(duì)過熱汽溫影響的遲延大；減溫噴水能較快地改變過熱汽溫，最終不能維持汽溫恒定，只有將提供穩(wěn)態(tài)汽溫調(diào)整的燃水比與提供快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的減溫噴水協(xié)調(diào)起來，利用各自在汽溫調(diào)整上的優(yōu)勢(shì)，才能達(dá)到最優(yōu)的汽溫調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)性能［1］。

在控制機(jī)組工質(zhì)參數(shù)穩(wěn)定的同時(shí)，如果能夠控制金屬壁溫在安全范圍內(nèi)變化，則會(huì)在很大程度上避免非計(jì)劃停機(jī)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)爐協(xié)調(diào)控制

2.1.1 控制特性

大容量、高參數(shù)的超超臨界機(jī)組是多輸入、多輸出的被控對(duì)象。機(jī)組負(fù)荷是機(jī)組響應(yīng)外界能量需求的主要輸出量，主汽壓力是維持機(jī)組內(nèi)部汽輪機(jī)、鍋爐間能量平衡的主要輸出量，主汽溫度、煙氣含氧量、一次風(fēng)壓力等其它變量是保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)性、安全性的主要輸出量。任何一種主要輸入量 （給水量、燃料量、送風(fēng)量、汽輪機(jī)調(diào)門等）單獨(dú)擾動(dòng)都會(huì)對(duì)各輸出量造成影響，任何一種輸出量的變化往往也會(huì)對(duì)其它輸出量產(chǎn)生影響，如主汽壓力變化對(duì)外特性將影響機(jī)組負(fù)荷，對(duì)內(nèi)特性將影響鍋爐溫度。

2.1.2 設(shè)計(jì)方案

基于對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)特性的分析，為改善各變量間耦合的影響，適應(yīng)機(jī)組調(diào)頻調(diào)峰要求，設(shè)計(jì)了帶有預(yù)估加速前饋的機(jī)、爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令作為前饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)機(jī)爐間的基本能量平衡，同時(shí)通過比值控制實(shí)現(xiàn)給水量、燃料量、送風(fēng)量等控制量間的基本匹配，保持機(jī)組在動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)下的物料平衡關(guān)系。

預(yù)估加速前饋信號(hào)由目標(biāo)負(fù)荷指令、實(shí)際指令、負(fù)荷變化率、主汽壓力定值和主汽壓力形成，通過建立負(fù)荷變化過程中鍋爐輸入指令的過調(diào)信號(hào)，對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行校正，加快鍋爐的響應(yīng)速度，從而改善主汽壓力、溫度等變量的調(diào)節(jié)品質(zhì)。預(yù)估加速前饋信號(hào)的機(jī)理：根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度的AGC指令和機(jī)組接受的實(shí)際負(fù)荷指令變化趨勢(shì)及負(fù)荷變化率，預(yù)估鍋爐需要補(bǔ)充 （升負(fù)荷）或減少 （降負(fù)荷）的能量；同時(shí)根據(jù)主汽壓力定值、主汽壓力計(jì)算出機(jī)組的內(nèi)存能量?jī)?chǔ)存，用內(nèi)存能量?jī)?chǔ)存對(duì)預(yù)估鍋爐需要補(bǔ)充或減少的能量進(jìn)行修正，并作為鍋爐側(cè)控制的前饋。

變權(quán)值控制對(duì)汽輪機(jī)主控的負(fù)荷偏差進(jìn)行權(quán)值修正，從而根據(jù)鍋爐儲(chǔ)能確定汽輪機(jī)出力，實(shí)現(xiàn)鍋爐和汽輪機(jī)間的協(xié)調(diào)控制，避免壓力和溫度等主要參數(shù)的大幅波動(dòng)。

2.2 燃水比控制

2.2.1 控制特性

燃水比控制是超超臨界機(jī)組控制的難點(diǎn)，同時(shí)也是關(guān)鍵點(diǎn)。燃水比穩(wěn)定是主汽溫度穩(wěn)定的基礎(chǔ)，燃水比的小幅度變化，會(huì)導(dǎo)致減溫水噴水量的大范圍變化和主汽溫度波動(dòng)，不但影響機(jī)組效率，也影響設(shè)備使用壽命；如果燃水比失調(diào)，最終會(huì)造成主汽溫度失調(diào)，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行［2］。

現(xiàn)有的燃水比控制策略都是采用中間點(diǎn)溫度或焓值作為衡量燃水比的校正信號(hào)，通過PID算法修正燃料量或給水量的方式把微過熱區(qū)溫度控制在一定范圍內(nèi)，達(dá)到控制燃水比目的。但是，受負(fù)荷變化、配風(fēng)變化、火焰中心變化、受熱面沾污等因素影響，僅僅采用溫度或焓值并不能全面衡量燃料和給水的比值，而且單一的反饋控制也制約了調(diào)節(jié)品質(zhì)。

2.2.2 設(shè)計(jì)方案

為了顯著提高燃水比調(diào)節(jié)品質(zhì)，設(shè)計(jì)帶有水冷壁金屬溫度模糊前饋控制的燃水比控制系統(tǒng)，并采用以一級(jí)減溫器前蒸汽溫度、分離器出口蒸汽溫度、減溫噴水流量等多個(gè)信號(hào)衡量燃水比的復(fù)合控制方式［3］。

采用多個(gè)信號(hào)修正燃水比，可以更準(zhǔn)確反映燃料量和給水量的動(dòng)態(tài)變化，維持噴水量和給水量的均衡，減少減溫噴水的波動(dòng)，更好地控制主汽溫度。

燃水比控制系統(tǒng)如圖2所示，主要由一級(jí)減溫器前蒸汽溫度校正、分離器出口過熱度控制、減溫水流量修正和水冷壁金屬溫度模糊前饋控制構(gòu)成。

圖2 燃水比控制系統(tǒng)

由一級(jí)減溫器前蒸汽溫度作為校正信號(hào)，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷確定一級(jí)減溫器前蒸汽溫度設(shè)定值，可以全面衡量噴水減溫前的工質(zhì)吸收熱量與給水流量的比例。

分離器出口過熱度控制機(jī)理：根據(jù)分離器儲(chǔ)水箱壓力和分離器出口流體溫度設(shè)定的分離器出口溫度上限／下限偏差加到燃水比偏置，使機(jī)組工況發(fā)生改變時(shí)分離器出口過熱度快速回到允許范圍內(nèi)，以便快速調(diào)整燃水比。

減溫水流量修正機(jī)理：在減溫水流量偏離設(shè)計(jì)值過多時(shí)，通過修正燃水比使減溫水流量逐漸回歸設(shè)計(jì)值，使燃水比調(diào)整與噴水減溫協(xié)調(diào)起來，實(shí)現(xiàn)燃水比控制與噴水減溫控制間的解耦作用。

2.2.3 水冷壁金屬溫度模糊控制

水冷壁金屬溫度模糊控制器以水冷壁金屬溫度信號(hào)最大值與水冷壁金屬溫度預(yù)設(shè)值的偏差、水冷壁金屬溫度變化為輸入變量的二維結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)方法如下。

a. 根據(jù)控制要求，確定偏差e、水冷壁金屬溫度變化De和控制變量Du的基本論域及對(duì)應(yīng)語(yǔ)言變量的論域和量化因子：

確定偏差e的基本論域：［－xe，xe］

選定偏差語(yǔ)言變量E的論域：

E＝ ｛－6， －5， －4， －3， －2， －1， 0， 1， 2，3， 4， 5， 6｝

則偏差e的量化因子：

同理，確定水冷壁金屬溫度變化De的基本論域： ［－xDe， xDe］

選定水冷壁金屬溫度變化語(yǔ)言變量EC的論域：

EC＝ ｛－6， －5， －4， －3， －2， －1， 0， 1， 2，3， 4， 5， 6｝

則水冷壁金屬溫度變化De的量化因子：

確定輸出變量D u的基本論域：［－yDu，yDu］

選定輸出語(yǔ)言變量UC的論域：

UC＝ ｛－7， －6， －5， －4， －3， －2， －1， 0，1， 2， 3， 4， 5， 6， 7｝

則輸出變量D u的量化因子：

b. 在滿足要求的情況下，從便于調(diào)試的角度出發(fā)，將各變量模糊子集均定義為PB（正大）、PM （正中）、PS（正?。?、ZE（零）、NS（負(fù)?。?、NM （負(fù)中）、NB （負(fù)大）。

c.確定各變量論域上用以描述各模糊子集的隸屬函數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況，這里取正三角函數(shù)。

d. 總結(jié)運(yùn)行人員在控制過程中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定控制規(guī)則。

e. 根據(jù)L.A.Zaden的模糊推理算法和以上數(shù)據(jù)求出模糊控制表。

離線完成以上工作后，將模糊控制表存入DCS過程控制站中，根據(jù)實(shí)際情況，在線運(yùn)行時(shí)還需微調(diào)模糊控制表。

模糊控制器在線工作過程如下：首先將采集到的偏差e、水冷壁金屬溫度變化De的實(shí)際值分別乘以各自的量化因子，求得E、EC，根據(jù)E和EC查模糊控制表，將得出的UC除以比例因子，求出控制變量Du，當(dāng)1個(gè)控制周期結(jié)束，隨即進(jìn)入下1個(gè)控制周期。

3 工程應(yīng)用

國(guó)華綏中發(fā)電有限責(zé)任公司的2×1 000 MW火力發(fā)電機(jī)組是國(guó)內(nèi)單機(jī)容量最大的超超臨界機(jī)組，分別于2010年2月、5月投產(chǎn)發(fā)電，由于受控制

圖3 AGC跟蹤曲線

圖4 動(dòng)態(tài)運(yùn)行曲線

思想、參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰、煤種摻燒等因素影響，調(diào)節(jié)品質(zhì)一直不好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，在升降負(fù)荷、啟停磨煤機(jī)、吹灰、煤種變化等過程中主汽壓力和主汽溫度波動(dòng)大，經(jīng)常發(fā)生超溫、超壓和甩汽溫，特別是頻繁發(fā)生鍋爐局部金屬壁溫超限，運(yùn)行人員不得不降低參數(shù)運(yùn)行或手動(dòng)干預(yù)。上述問題不但限制機(jī)組的調(diào)頻調(diào)峰能力，而且嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行和節(jié)能降耗效果。因此，在完成控制邏輯設(shè)計(jì)、仿真測(cè)試后，對(duì)國(guó)華綏中發(fā)電有限責(zé)任公司的2×1 000 MW機(jī)組進(jìn)行DCS邏輯組態(tài)，通過靜態(tài)、動(dòng)態(tài)調(diào)試，獲得最佳控制效果，一次調(diào)頻和AGC等所有功能投入后，進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)測(cè)試、負(fù)荷變動(dòng)試驗(yàn)以及AGC負(fù)荷跟隨試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行表明，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，機(jī)組的調(diào)頻調(diào)峰能力和自動(dòng)化水平顯著提高，避免了金屬壁溫越限現(xiàn)象，機(jī)組主要參數(shù)的調(diào)節(jié)品質(zhì)明顯改善。運(yùn)行曲線見圖3—4。

4 結(jié)束語(yǔ)

從大容量、高參數(shù)超超臨界機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)、安全性、經(jīng)濟(jì)性等主要因素出發(fā)，突破傳統(tǒng)控制思路，采用先進(jìn)的控制方法實(shí)現(xiàn)機(jī)、爐協(xié)調(diào)控制，大大提高了機(jī)組整體響應(yīng)速度。利用模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，將鍋爐金屬壁溫控制與工質(zhì)溫度控制有機(jī)結(jié)合起來，提高了機(jī)組在參與調(diào)頻調(diào)峰時(shí)主要運(yùn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了金屬壁溫自動(dòng)控制，避免了金屬壁溫超溫現(xiàn)象，消除了影響機(jī)組安全運(yùn)行的隱患。

［1］ 康 松.汽輪機(jī)原理 ［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2000：3－5.

［2］ 郝 欣，張 志，王 喆.滑壓運(yùn)行汽包爐機(jī)組AGC控制策略研究 ［J］.東北電力技術(shù)，2012，33（10）：10－12.

［3］ 姚 遠(yuǎn)，管慶相，吳 松.直吹式鍋爐機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化 ［J］.東北電力技術(shù)， 2007， 28 （8）： 1－4.

Energy-Saving Optimization Operation Control Technology of 1 000 MW Unit

DAILi， ZHENGWei， HU Shaoyu， JIANG Xinming， LIJianjun

（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.， Ltd.， Shenyang， Liaoning 110006， China）

Aiming at the operation characteristics of large capacity and high parameter sets， it analyzes themain factors affecting the energy saving and consumption reduction.It designs amachine and furnaces coordination control system with predictor-forward feed forward and combines the boilermetalwall temperature control with the control of working fluid temperature.It significantly improves the safety of the unit operation，the regulation quality of themain parameters and it achieves good energy saving effect.

coordinated control； energy saving； regulating quality

TM732

A

1004－7913（2017）11－0001－03

戴 黎 （1956），男，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事火電熱工自動(dòng)化領(lǐng)域的技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定和專業(yè)管理工作。

2017－09－01）