吳水龍,曹鵬飛，楊子江

(1.華能國際電力股份有限公司德州電廠，山東 德州 253024;2.山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

0 引言

在大型火力發(fā)電機組運行中，輔機故障減負荷(runback control，RB)控制對保護鍋爐具有重要意義[1-2]。當機組某些重要輔機設(shè)備(主要包括送風機、引風機、一次風機、磨煤機等)出現(xiàn)跳閘退出運行等情況時，會導致機組運行輔機的最大允許出力小于機組當前實際出力的要求，機組根據(jù)RB控制邏輯，自動地將鍋爐出力穩(wěn)定在輔機故障后所允許的最大負荷上。此時，機組不再響應外界負荷要求，通過RB控制邏輯使得機組實際負荷與鍋爐出力相適應[3-4]。

伴隨新能源發(fā)電的快速發(fā)展，火力發(fā)電市場競爭加劇，同時煤炭價格居高不下，火電機組的盈利空間大幅縮小。為了提高競爭力，現(xiàn)在大部分純凝發(fā)電機組進行了抽汽供熱改造、高背壓供熱改造以及工業(yè)供汽改造。然而，大量純凝發(fā)電機組抽汽供熱改造后，RB控制邏輯卻沒有進行相應改進，依然采用機組實際負荷作為觸發(fā)RB控制的條件。由于抽汽改造后，鍋爐負荷一部分用來供熱，另一部分用來發(fā)電，因此機組負荷和鍋爐負荷出現(xiàn)嚴重偏離，導致機組實際負荷低于純凝方式下應有的實際出力。即使出現(xiàn)了輔機故障，由于實際發(fā)電負荷低，也無法觸發(fā)RB控制，進而極大可能地導致非停事故的發(fā)生。同時，供熱抽汽量也會發(fā)生變化，相應的鍋爐最大發(fā)電負荷也會改變，使得觸發(fā)RB控制的條件因素更加復雜。因此，需要研究科學合理的RB控制邏輯觸發(fā)條件，實現(xiàn)對RB控制的優(yōu)化，使其能夠適應供熱和非供熱，及供汽量變化等各類生產(chǎn)情況。

為此，本文提出發(fā)電負荷實時預測方案，即建立蒸汽能量與發(fā)電負荷的等式，通過計算當前進入汽輪機蒸汽的能量來實時預測發(fā)電負荷。用預測推薦到的發(fā)電負荷替代機組實際發(fā)電負荷，來判定是否觸發(fā)RB控制，且不改變原有的控制功能。本文所提出的方法可以同時適用于供熱和非供熱機組，且在一定范圍內(nèi)不受供汽量影響，具有普適性。通過對某火力發(fā)電機組進行RB功能試驗，驗證了本文方法的有效性。

1 RB過程與存在的問題

1.1 RB控制過程

當鍋爐主要輔機發(fā)生故障時，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(coordinated control system，CCS)判斷當前機組實際發(fā)電負荷是否大于當前機組最大理論出力。若滿足該條件則觸發(fā)RB控制，機組控制方式由協(xié)調(diào)控制切換到汽機跟隨方式。鍋爐決定機組發(fā)電負荷，汽機主控由負荷控制方式轉(zhuǎn)為壓力控制方式，并將主要控制回路(鍋爐主控、汽機主控、燃燒控制、給水控制、風量控制、負壓控制、一次風控制、汽溫控制、除氧器水位控制等)閉鎖切手動控制。將CCS產(chǎn)生的動作信號發(fā)送給模擬量控制系統(tǒng)(modulating control system，MCS)。MCS計算目標負荷，發(fā)電機組按照速率要求快速降低發(fā)電負荷到目標負荷值。與此同時，鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(furnace safety supervision system，F(xiàn)SSS)切粉減風和投入油槍，在保證鍋爐穩(wěn)定燃燒的同時，將鍋爐負荷控制在允許的范圍之內(nèi)。當機組負荷降低到RB目標負荷的某個范圍之內(nèi)，并持續(xù)一段時間后，自動復位RB控制，同時執(zhí)行相關(guān)復位邏輯[5-8]。

1.2 RB控制存在的主要問題

根據(jù)RB過程的描述可知，RB控制觸發(fā)的前提條件是機組實際發(fā)電負荷大于機組最大理論出力[7-9]。這對于非供汽純凝機組來說是合理的。然而經(jīng)過供汽改造后，由于部分鍋爐負荷用來供汽，機組的實際發(fā)電負荷較純凝方式偏低，即使機組主要輔機發(fā)生故障，也有可能無法及時觸發(fā)RB控制，導致機組非停事故的發(fā)生。

以某300 MW亞臨界濕冷發(fā)電機組為例。某時刻機組的實際發(fā)電負荷是220 MW，對應風量為890 T/h；此時供汽量為96.2 T/h，鍋爐的實際出力換算成電負荷應是263 MW，鍋爐所需總風量為1 040 T/h。機組實際負荷偏低43 MW。此外，欠風1 040-890=150 T/h，導致入爐煤粉無法到達最佳燃燒位置，燃燒不充分，且燃燒點距離水冷壁太近，受熱面嚴重結(jié)焦也就在所難免了；而且連續(xù)欠風運行導致燃燒不穩(wěn)、爐膛結(jié)焦等異常工況的發(fā)生，會影響生產(chǎn)安全。

因此，需要對RB控制邏輯進行優(yōu)化，給出供熱改造后準確的RB邏輯觸發(fā)條件，為安全生產(chǎn)提供可靠的保障。

⑩《初夏懷故山》“淹泊蠻荒感慨多”；《寒食》“又向蠻方作寒食”；《久病灼艾后獨臥有感》“臥聞鳶墮嘆蠻煙”；《林亭書事》“約束蠻僮收藥富”；《謝張廷老司理錄示山居詩》“憔悴經(jīng)年客瘴鄉(xiāng)”。

2 發(fā)電負荷在線預測方案

在供汽方式下，實際機組發(fā)電負荷已嚴重偏離鍋爐實際負荷。只有預測出機組實際發(fā)電負荷，才能準確判定是否應觸發(fā)RB控制。在此給出一種機組發(fā)電負荷在線預測方案，用預測發(fā)電負荷取代機組當前實際發(fā)電負荷來判定是否觸發(fā)RB邏輯。

2.1 發(fā)電負荷在線計算

汽輪機發(fā)電過程的實質(zhì)是具有一定壓力、溫度和流速的過熱蒸汽進入汽輪機并對汽輪機做功。根據(jù)能量守恒，過熱蒸汽減少的能量等于鍋爐所提供的發(fā)電負荷，有如下公式：

ΔQ=Q-Q0=P-P0=ΔP

(1)

式中：ΔQ為過熱蒸汽的能量的增量;ΔP為發(fā)電負荷增量；Q為當前過熱蒸汽的能量;Q0為過熱蒸汽起始能量；P為機組當前發(fā)電負荷;P0為起始發(fā)電負荷。

若以沒有過熱蒸汽經(jīng)過汽輪機為起始，即Q0=0、P0=0，則式(1)可改寫為:

Q=P

(2)

那么，當機組在額定負荷下運行時滿足:

Qe=Pe

(3)

式中：Pe為機組額定發(fā)電負荷;Qe為對應的過熱蒸汽能量。

根據(jù)能量守恒，過熱蒸汽經(jīng)過汽輪機減少的能量轉(zhuǎn)化為機組發(fā)電負荷，且任意時刻過熱蒸汽能量在額定能量所占比重與對應機組發(fā)電負荷占額定發(fā)電負荷比重相等，即：

(4)

那么，在任意時刻機組應具有的最大發(fā)電負荷的計算模型為：

(5)

考慮到式(5)以能量守恒為基礎(chǔ)，即認為過熱蒸汽的能量全部轉(zhuǎn)化為機組的最大發(fā)電負荷，忽略部分過熱蒸汽能量轉(zhuǎn)化為其他能量的損失。根據(jù)過熱蒸汽能量計算可知，關(guān)于主汽流量和焓的通過近似估計得到。綜上所述，根據(jù)式(5)得到的結(jié)果與實際機組最大發(fā)電負荷是有偏差的。為此，引入增益系數(shù)K和偏置量b對發(fā)電負荷的計算進行修正，使修正后的發(fā)電負荷估計盡可能逼近實際發(fā)電負荷。修正后最大發(fā)電負荷為：

(6)

2.2 過熱蒸汽能量計算

為了計算機組任意時刻應該具有的發(fā)電負荷P，需要首先計算過熱蒸汽的能量Q。Q的計算如下所示：

Q=F×H

(7)

式中：F為過熱蒸汽流量(即主汽流量)；H為過熱蒸汽焓值。

額定負荷下過熱蒸汽能量可按式(8)計算：

Qe=Fe×He

(8)

式中：Qe為額定負荷下過熱蒸汽的能量；Fe、He為對應的等效主汽流量和焓值。

由于無法直接測量主汽流量，這里采用弗留格爾公式計算等效主汽流量：

(9)

式中：pim為調(diào)節(jié)級壓力;pime為額定調(diào)節(jié)級壓力;pt為主汽壓力;pte為額定負荷時主汽壓力。

焓值H是關(guān)于主汽壓力pt和主汽溫度T的函數(shù)值，即H=f(pt,T)。H的計算通常根據(jù)給定的pt和T在《水蒸汽熱力學性質(zhì)表》上進行區(qū)域搜索，然后根據(jù)特定區(qū)域的計算公式得到對應的焓值H。

根據(jù)式(6)、式(7)、式(8)，得到最終機組最大發(fā)電負荷為：

(10)

2.3 增益系數(shù)K和偏置量b的估計

y=gTθ+e

(11)

式中：e為誤差；g=[x1]T；θ=[Kb]T。

Y=Gθ+E

(12)

式中：Y=[y(1)y(2) …y(N)]T；E=[e(1)e(2) …e(N)]T；G=[gT(1)gT(2) …gT(N)]T；Y、G為相關(guān)信息矩陣。

定義準則函數(shù)：

(13)

將準則函數(shù)寫成二次型的形式為：

J(θ)=(Y-Gθ)T(Y-Gθ)

(14)

極小化J(θ)，可求得參數(shù)θ的最小二乘估計值使模型的輸出最好地預報輸出。令：

(15)

計算得到使J(θ)為最小的參數(shù)估計為：

(16)

3 應用驗證

模型估計誤差如圖2所示。最大的誤差為6.02 MW，估計精度為2.0%。另外，采用辨識得到的模型結(jié)果對0點20分至0點40分的負荷進行估計，機組實際負荷與模型估計如圖3所示。最大誤差為5.85 MW，估計精度為5.85/300×100%=1.95%。由此說明式(10)所示的模型可以較為準確地估計機組負荷。因此，采用本文提出的機組發(fā)電負荷的估計方法是有效的，RB邏輯能提供可靠的觸發(fā)條件。

圖1 機組實際負荷與模型估計圖Fig.1 Unit load and the model estimation

圖2 模型估計誤差圖Fig.2 Model estimation error

圖3 機組實際負荷與模型估計圖Fig.3 Unit load and the model estimation

4 結(jié)論

RB控制是在主要輔機故障時保障火力發(fā)電機組安全運行的重要手段。在冷凝機組供汽改造后，多數(shù)RB控制邏輯并沒有得到相應的修改和完善，其RB邏輯的觸發(fā)條件依舊以機組實際負荷是否大于機組最大理論出力來進行判定。由于此時鍋爐負荷同時用于供熱和發(fā)電，因此，即使出現(xiàn)主要輔機故障，原有RB觸發(fā)條件不能滿足，導致無法觸發(fā)RB控制，容易造成機組非停等生產(chǎn)事故。本文提出在線計算鍋爐用于發(fā)電的負荷計算方法。該方法可實時估計機組的最大發(fā)電負荷，進而根據(jù)機組實際負荷和機組最大理論出力大小比較來判定是否觸發(fā)RB控制，解決了由于供汽改造導致RB控制無法觸發(fā)的問題。同時，這種方法可以應用在非供熱、抽汽供熱和背壓供熱等多種場合，以及良好的普適性和抗干擾性，以及較強的實際應用價值。