李 敦

（國能浙江北侖第一發(fā)電有限公司,浙江 寧波 315800）

機(jī)組正常運(yùn)行中需要將過熱器和再熱蒸汽溫度保持在標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)，鍋爐主再熱汽溫度過高會(huì)對安全性造成影響，過低則經(jīng)濟(jì)效益差。以再熱汽為例，若溫度下降5 ℃，則煤耗提高0.1%。以常規(guī)亞臨界機(jī)組每年發(fā)電60億kW·h來計(jì)算，按生產(chǎn)1 kW·h電消耗320 g標(biāo)準(zhǔn)煤（熱量為29 307 kJ），每年造成的直接損失為1 920 t標(biāo)準(zhǔn)煤。本文探討通過對亞臨界汽溫控制系統(tǒng)的優(yōu)化，控制鍋爐主再熱汽的溫度保持在合適范圍，以實(shí)現(xiàn)安全性和經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最大平衡。

1 機(jī)組概述

某600MW機(jī)組鍋爐是露天布置的全鋼構(gòu)架的倒U型汽包爐，采用美國燃燒工程公司(CE)設(shè)計(jì)制造的亞臨界參數(shù)控制循環(huán)，具有直流式四角切向燃燒、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)煤種為山西晉北煙煤[1]。

2 亞臨界汽包鍋爐的部分影響因素

亞臨界汽包鍋爐的過熱器出口汽溫決定于省煤器及水冷壁吸熱量與過熱器受熱面吸熱量的分配比例。任一影響該比例的鍋爐運(yùn)行和設(shè)計(jì)變化都會(huì)影響到出口汽溫。增大蒸發(fā)受熱面吸熱量，減少過熱器受熱面吸熱量，使出口汽溫下降；反之，則汽溫上升。在合理布置受熱面的同時(shí)，采用減溫、調(diào)溫?fù)醢宓日{(diào)節(jié)手段使汽溫保持穩(wěn)定。

鍋爐負(fù)荷對出口汽溫的影響方面，不同類型受熱面的出口汽溫特性與鍋爐負(fù)荷的關(guān)系各不相同。輻射式受熱面的出口汽溫隨鍋爐負(fù)荷的增大而降低；對流式受熱面的出口汽溫隨鍋爐負(fù)荷的增大而升高；屏式受熱面（輻射、對流參半）的出口汽溫受鍋爐負(fù)荷的影響較小。鍋爐負(fù)荷增加，投入爐內(nèi)的燃料量和燃燒量隨之增大，流經(jīng)輻射受熱面的蒸汽量也增大，但輻射受熱面的吸熱量雖有增大，由于理論燃燒溫度不變，爐內(nèi)輻射的有效溫度只因爐膛出口溫度的增大而略有增大，輻射受熱面的吸熱量的增大跟不上蒸汽流量的增大，結(jié)果使出口汽溫降低；對流受熱面吸熱量既因爐膛出口煙溫升高、受熱面煙汽溫差增大而增大，也因煙氣流量與流速增大而增大，使對流受熱面隨負(fù)荷增大的吸熱量增大超過蒸汽流量的增大，其結(jié)果是出口汽溫隨負(fù)荷增大而升高。

運(yùn)行操作的影響主要是給水溫度、吹灰、排污。過量空氣系數(shù)增大，使煤粉燃燒速度增加、火焰長度縮短，同時(shí)熱容增加使?fàn)t膛出口煙溫減小，二者相抵。因高壓加熱器投運(yùn)方式的改變使鍋爐給水溫度改變，而給水溫度對出口汽溫的影響是：給水溫度增加，飽和蒸汽和給水的焓差減小，蒸發(fā)量增大，結(jié)果使出口蒸汽溫度下降；反之則出口汽溫上升。鍋爐排污量增加，使蒸汽量減少，出口汽溫上升。水冷壁吹灰時(shí)，水冷壁吸熱能力增大，爐膛出口煙溫下降，對流受熱面出口汽溫下降；對流受熱面的吹灰使對流受熱面吸熱增大，其出口汽溫上升。采用擺動(dòng)式燃燒器的鍋爐，燃燒器上下擺角也影響火焰中心的位置和爐膛出口煙溫，同時(shí)它也是日常調(diào)節(jié)汽溫的一種手段。

3 原設(shè)計(jì)控制方式存在的問題

在原有的方案中，無論是一級(jí)減溫、二級(jí)減溫、再熱減溫，其控制思想都是以出口溫度為輸入，減溫調(diào)節(jié)閥的開度為輸出。#1爐過熱器汽溫分二級(jí)控制。其中一級(jí)減溫器控制的是屏過出口的汽溫，在運(yùn)行中我們往往是通過設(shè)置一個(gè)固定值的增減來使其達(dá)到所想要的目標(biāo)值。由此可以看出一級(jí)減溫器溫度的設(shè)定值是固定的，而不是動(dòng)態(tài)的，這樣就帶來了一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問題，當(dāng)二級(jí)減溫器出口汽溫由于外部原因突然變化時(shí)，一級(jí)減溫器汽溫設(shè)定值不會(huì)跟著變化。當(dāng)二級(jí)減溫器出口溫度迅猛上升時(shí)，需要開大一級(jí)減溫水調(diào)節(jié)閥幫助調(diào)節(jié)。但由于一級(jí)減溫器老化，調(diào)節(jié)性能滯后，二者疊加使得汽溫上升很快，高出了當(dāng)時(shí)一級(jí)減溫器所設(shè)定的實(shí)際溫度，使過熱器出口汽溫快速上升不易控制，極易造成超溫。反之，當(dāng)二級(jí)減溫器出口汽溫突降時(shí)，一級(jí)減溫器汽溫設(shè)定值也跟著下降，一級(jí)減溫水量隨之減少過于緩慢，從而使得過熱器出口汽溫快速且過度下降，其恢復(fù)時(shí)間延長。

在原有的再熱蒸汽溫度控制中，存在一個(gè)與當(dāng)前負(fù)荷相關(guān)的前饋環(huán)節(jié)，但在實(shí)際操作中并沒有投入使用。這種直接控制溫度的方法，雖然結(jié)構(gòu)簡單，對溫度的反應(yīng)也很敏感，但也有一些問題。（1）由于控制比較簡單、直接，所以加熱水的噴水量波動(dòng)比較大，在過熱器出口之前，管子內(nèi)的溫度變化很大，使管子表面出現(xiàn)氧化，從而堵塞管路，從而引起水冷壁的超溫爆管。（2）因?yàn)榭刂苾H僅是為了調(diào)節(jié)溫度，沒有考慮到壓力的改變，所以當(dāng)負(fù)載變化造成溫度改變時(shí)，減熱水的流量也會(huì)隨之改變，使壓力和溫度一起波動(dòng)，產(chǎn)生調(diào)整振蕩發(fā)散，從而使控制系統(tǒng)失穩(wěn)，影響 AGC的調(diào)整和負(fù)載變化率。為防止經(jīng)常發(fā)生氧化，操作中需要降低二級(jí)減溫的噴水量和次數(shù)，采用一級(jí)減溫作為主要的調(diào)節(jié)手段，同時(shí)采用一級(jí)減溫來控制二級(jí)減溫，中間出現(xiàn)了許多干擾因素，增加了控制延時(shí)，原來的控制方法很難保證出口溫度的穩(wěn)定性。這一問題在負(fù)載變動(dòng)較大時(shí)尤為突出，所以需要對現(xiàn)有的控制模式進(jìn)行改造，以便尋找一種能夠穩(wěn)定地維持蒸汽溫度和壓力變化的新型控制方法，從而保證機(jī)組的穩(wěn)定。

另外，再熱蒸汽溫度的調(diào)整是以再熱器的出口溫度為目標(biāo)，因?yàn)閲娝c(diǎn)與測點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，有一定的延遲和惰性。如果沒有適當(dāng)?shù)妮o助控制，很容易導(dǎo)致再熱蒸汽溫度的控制失穩(wěn)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，再熱蒸汽溫度會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，這種控制方法可以對再熱蒸汽溫度進(jìn)行有效地控制。但是，在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，沒有考慮到其他因素（比如負(fù)載和壓力的變化），會(huì)使蒸汽溫度和流量隨著壓力的變化而出現(xiàn)調(diào)整振蕩發(fā)散。而在負(fù)載和壓力波動(dòng)大的情況下，它的振蕩很難收斂，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。這也是傳統(tǒng)的串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：可以很好地調(diào)整內(nèi)部擾動(dòng)（調(diào)整后的變化擾動(dòng)），而對外部擾動(dòng)（壓力、負(fù)荷變化等）的調(diào)整效果則是有限的。

4 過熱汽溫控制策略及優(yōu)化

要優(yōu)化原蒸汽溫度控制方案，首先要對其產(chǎn)生的主要問題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。通過對鍋爐的實(shí)際運(yùn)行分析，發(fā)現(xiàn)在負(fù)載穩(wěn)定的條件下，蒸汽溫度的控制比較平穩(wěn)；而在負(fù)載變化時(shí)，蒸汽溫度的變化比較大，容易產(chǎn)生波動(dòng)。

4.1 氣溫變化原因分析

汽溫的變化主要有兩種原因，一種是當(dāng)汽機(jī)調(diào)門調(diào)整負(fù)載時(shí)，主汽的壓力發(fā)生了變化，而當(dāng)汽比焓不變時(shí)，汽溫會(huì)隨著汽壓的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化；反之亦然。二是由于蒸汽流量和煙氣熱量不均衡所造成的汽溫變化，尤其是在變負(fù)載條件下，即使燃料量迅速提高，但對爐膛的吸熱仍有一定的延遲，造成汽溫的波動(dòng)。對蒸汽溫度的變化進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在加載初期，燃料的上升初期并不能立即提高鍋爐的輸出熱負(fù)荷，而負(fù)載控制系統(tǒng)為了提高負(fù)載，已經(jīng)打開了汽機(jī)的調(diào)門，導(dǎo)致蒸汽壓力降低，蒸汽溫度降低。這時(shí)候燃料會(huì)超調(diào)，爐溫升高，負(fù)荷、汽壓、汽溫急劇升高，汽溫調(diào)整系統(tǒng)會(huì)立即加減溫水，使汽壓進(jìn)一步升高，特別是在制粉系統(tǒng)延遲時(shí)間過長時(shí)，會(huì)使控制系統(tǒng)中的煤量增大較多，從而使主汽壓力發(fā)生劇烈變化。

在原有的設(shè)計(jì)中，減溫器的過熱度設(shè)置與過熱器是與過熱器出口蒸氣壓力的函數(shù)關(guān)系。優(yōu)化后的過熱度設(shè)置函數(shù)可按機(jī)組滑壓工況曲線進(jìn)行調(diào)整，并在變負(fù)載狀態(tài)下加入過熱度定值的調(diào)整；添加了一階減溫水調(diào)門的平均開啟命令，通過功能及慣性調(diào)整過熱度設(shè)置；WFR調(diào)整參數(shù)是通過變負(fù)載前饋信號(hào)函數(shù)的函數(shù)值來實(shí)現(xiàn)的。WFR緊急回落過程中，速度降低到0.167 t/s。根據(jù)機(jī)組負(fù)載的不同，采用變參數(shù)控制過熱器減溫水調(diào)節(jié)器，并在WFR前向信號(hào)中加入可變負(fù)載信號(hào)[2]。

4.2 優(yōu)化方案的制定

在此基礎(chǔ)上，本文提出了蒸汽溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)：一是降低蒸汽溫度和AGC之間的交互作用，二是降低負(fù)荷波動(dòng)條件下蒸汽溫度的變化幅度。通過分析汽溫和負(fù)荷調(diào)整的相互關(guān)系，觀察汽溫和汽壓在AGC狀態(tài)下的同步變化，汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)該維持在恒溫狀態(tài)，使汽壓恢復(fù)正常，汽溫自然恢復(fù)，從而避免了前面提到的振蕩發(fā)散現(xiàn)象。本文提出以蒸氣的比焓結(jié)合汽溫控制作為減溫的控制方案，可以有效地解決或減少汽溫與負(fù)載控制系統(tǒng)之間的交互作用，改善汽溫、負(fù)載的控制質(zhì)量，改善機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。

除了以總熱量控制為主要調(diào)控方式外，還應(yīng)考慮蒸汽流量與煙氣熱量不均衡所導(dǎo)致的汽溫變化。當(dāng)機(jī)組負(fù)載較大時(shí)，煤炭消耗較大[3]。首先，爐膛內(nèi)熱負(fù)荷增大，但蒸發(fā)量不會(huì)立刻跟上，會(huì)有一段時(shí)間的延遲，這時(shí)的煙氣熱相對于蒸氣流量較大，汽溫也會(huì)隨之升高，這個(gè)時(shí)候不能再加減溫，因?yàn)殄仩t蒸發(fā)量上升到了與煙氣熱平衡的時(shí)候，汽溫就會(huì)恢復(fù)，但如果由于蒸氣溫度升高，再注入減溫水，那么在鍋爐吸熱充分、蒸發(fā)量增加后，蒸汽流量與煙氣熱之間的平衡將會(huì)出現(xiàn)新的變化。為此，本文提出采用綜合能源平衡能求出減溫水量的方法，并對其進(jìn)行了簡化，并將其應(yīng)用于減溫水中。通過這種方法，可以根據(jù)煤炭、蒸氣流量的變化，提前調(diào)整減溫，降低汽溫的波動(dòng)幅度，從而實(shí)現(xiàn)對溫度的穩(wěn)定和精確控制。

過熱一級(jí)、二級(jí)和再熱降溫均采用相似的方法。首先，將目標(biāo)溫度和目前有關(guān)的壓力值結(jié)合，得到 PID設(shè)置的焓設(shè)置；然后將相應(yīng)的降溫器進(jìn)口溫度與進(jìn)口蒸汽壓力相結(jié)合，得到實(shí)際的熱焓值，通過一系列的滯后校正環(huán)節(jié)得到結(jié)果；最后得到的 PID PV值，再加上一個(gè)包括降溫量和溫度修正的前饋環(huán)節(jié)，組成了一個(gè)新的控制邏輯。

4.3 噴水減溫控制

該機(jī)組的過熱器采用兩段式布局，以一次減溫為主要蒸汽的精細(xì)調(diào)節(jié)。為了消除各個(gè)過熱器兩側(cè)的蒸汽溫度的偏差，每個(gè)階段的噴水減溫器都被分成了左右兩側(cè)。原來的兩個(gè)溫度控制都是單回路。（1）一次降溫控制。一級(jí)過熱器出口溫度設(shè)置為：負(fù)載指令經(jīng)過功能變換和設(shè)置偏壓后，提高速度上限為0.1℃/s。改變了原單回路的調(diào)整方式，采用串級(jí)回路方式，以及一級(jí)過熱器的進(jìn)口蒸汽溫度，提高了主回路的抗積飽和特性。采用一次減溫控制裝置，增加了一個(gè)進(jìn)口溫控回路，確保減溫器后溫度控制高于飽和溫度、維持10℃以上的過熱值。（2）將原單回路變?yōu)榇?jí)回路，并提高了主回路的抗擊飽和特性，其效果與一級(jí)減溫控制大同小異，為了減小蒸汽溫度控制延遲，增加了如下的前饋信號(hào)。在減溫水調(diào)節(jié)閥的控制命令中增加了可變負(fù)載前饋信號(hào)，采用二次減溫器的入口蒸汽溫差作為前饋信號(hào)。（3）減溫水原設(shè)計(jì)為串級(jí)回路，以提高主回路的能力。主回路的前饋信號(hào)是由負(fù)載命令函數(shù)產(chǎn)生的，而副回路則是由鍋爐的變載前饋控制，通過兩個(gè)前饋信號(hào)提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量[4]。

5 再熱汽溫優(yōu)化控制

5.1 優(yōu)化控制改進(jìn)設(shè)想

原來的控制方法是采用傳統(tǒng)的單回路加導(dǎo)前汽溫度的串聯(lián)控制。由于再熱減溫控制是一種大慣性控制，因此單回路控制難以達(dá)到良好的控制質(zhì)量，因?yàn)榇髴T性系統(tǒng)需要迅速而及時(shí)地調(diào)整；為了保持大慣性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調(diào)整調(diào)節(jié)器的速度也要很慢（需要放大比例和積分時(shí)間），這兩者顯然是矛盾的。增加了蒸汽溫度的串級(jí)控制，雖然可以提高控制質(zhì)量，但是它只能提前調(diào)整導(dǎo)致被調(diào)量變化的內(nèi)部擾動(dòng)，而不能提前調(diào)整如汽壓、煙氣流量變化。有外部擾動(dòng)時(shí)，串級(jí)控制系統(tǒng)仍然處于滯后調(diào)整狀態(tài)，仍然會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)整的遲緩和不穩(wěn)定[5]。由于串級(jí)控制系統(tǒng)具有很好的抗干擾性能和自適應(yīng)性，在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)。針對其抗外擾能力差的特性，提出了將延遲控制目標(biāo)替換為具有抗干擾能力的控制目標(biāo)。同時(shí)，適當(dāng)?shù)剡x取導(dǎo)前信號(hào)，對提高系統(tǒng)的調(diào)速和穩(wěn)定性都有很大的幫助。再熱汽溫度變化詳情見圖1和圖2。

圖1 再熱汽溫變化情況（負(fù)荷變化10MW）

圖2 再熱汽溫變化情況（負(fù)荷穩(wěn)定在450MW）

5.2 再熱優(yōu)化方案的制定

再熱汽溫的變化主要是因?yàn)檎羝髁亢蜔煔饬髁康牟痪?，尤其是?dāng)機(jī)組負(fù)荷急劇變化時(shí)，爐膛的吸放熱存在一定的延遲，使蒸汽流量比煙氣流量的變化慢，從而造成汽溫的波動(dòng)。通過上述分析，并考慮到原有的串聯(lián)控制系統(tǒng)存在的不足，故將其改為蒸氣的比焓和再熱器出口汽溫協(xié)調(diào)控制，降低了汽溫與鍋爐的負(fù)荷控制之間的相互干擾，從而使機(jī)組的運(yùn)行更加平穩(wěn)。該方案能有效地消除鍋爐負(fù)荷變化與再熱蒸汽溫度的交互作用，提高蒸汽溫度控制的穩(wěn)定性，解決了原有控制系統(tǒng)難以兼顧的問題[6]。

6 結(jié)語

該方法通過對汽溫波動(dòng)的兩個(gè)主要因素進(jìn)行分析，確定了一個(gè)合理的控制目標(biāo)，以總熱量平衡為基礎(chǔ)，以AGC負(fù)荷指令函數(shù)為前饋，來調(diào)節(jié)各級(jí)過熱器和再熱器減溫水量。從而降低了汽溫與鍋爐的負(fù)荷控制之間的相互干擾，搭建了穩(wěn)定、完備的控制系統(tǒng)。該方法不僅對控制需求作出了迅速的反應(yīng)，而且在調(diào)整時(shí)減少了主蒸汽壓力的波動(dòng)，操作人員人工介入的需要大幅減少，增加了自動(dòng)化程度，提高了運(yùn)行機(jī)組的安全性，且降低了損耗。