國能錦界能源有限責(zé)任公司 郝宏偉

雖然我國的發(fā)電形式開始向多元化方向發(fā)展，尤其是在可再生能源發(fā)電方面有了很大進展，水能、風(fēng)能以及太陽能發(fā)電等裝機容量不斷上升，但目前電力供應(yīng)仍以火力發(fā)電為主。在火力發(fā)電廠運行中，既要保證發(fā)電量又要盡可能減少對煤炭資源的使用，尤其是在當(dāng)前煤炭資源區(qū)域性緊缺的情況下，更要采取有效措施，提高對煤炭資源的利用率，減少資源浪費。

電廠超臨界機組的熱工自動化控制主要是利用自動化技術(shù)來實現(xiàn)對運行設(shè)備數(shù)據(jù)的監(jiān)控，確保設(shè)備運行參數(shù)在正常的范圍內(nèi)，提高電廠設(shè)備的運行可靠性。超臨界機組的熱工自動控制具有參數(shù)高、輸出變量多等特點，而且隨著裝機容量的不斷增大，控制對象間的耦合性也越來越強，如果再依靠人工手動調(diào)節(jié)難以達到預(yù)期效果，必須要從整體的控制系統(tǒng)入手完善、優(yōu)化其控制性能。加強對其參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，讓機組的運行更加穩(wěn)定，同時降低生產(chǎn)成本，提高熱電廠的電力能源供應(yīng)[1]。

在電廠實際運行中，超臨界機組的熱工控制具有參數(shù)非線性耦合嚴(yán)重、動態(tài)特性隨負(fù)荷變化而波動大、水燃比調(diào)節(jié)難兼顧快速性和準(zhǔn)確性的特征，導(dǎo)致其熱工自動控制難度較大。從調(diào)整水燃比靜態(tài)關(guān)系、優(yōu)化熱值補償回路以及優(yōu)化水燃比回路方面給出了調(diào)整策略，讓機組的運行可靠性大大提高，降低了燃料的損耗，而且經(jīng)濟效益也有了明顯提升。

1 火電廠熱工自動化控制分析

在電廠的火電機組中，熱工自動化控制主要包括自動的檢測、控制、報警和保護等。

自動檢測。在電廠機組運行中投入的熱工設(shè)備很多，這些設(shè)備都有其穩(wěn)定的運行參數(shù)，一旦參數(shù)超出正常范圍，就需調(diào)整機組負(fù)荷或優(yōu)化設(shè)備參數(shù)。自動檢測就是對機組運行中的設(shè)備參數(shù)進行檢測，通過參數(shù)的檢測來更好了解設(shè)備的運行情況。如，在鍋爐汽輪機內(nèi)會有很多的測量儀表來對運行參數(shù)進行記錄，進而更好的對水溫、液位等進行靈活調(diào)整，讓機組運行的經(jīng)濟性更高，可靠性更好。

自動控制。也被稱為是順序控制，通過一些自動控制裝置來實現(xiàn)對機組設(shè)備的控制，讓設(shè)備的運行參數(shù)滿足機組的運行負(fù)荷，讓其運行更穩(wěn)定、經(jīng)濟性更高。自動控制是按照嚴(yán)格的控制順序來實現(xiàn)對機組設(shè)備的控制，在機組的啟動、停運及故障處理中都會用到順序控制，其是根據(jù)機組的運行狀況及運行要求來對設(shè)備進行控制的。自動控制系統(tǒng)不僅具有聯(lián)鎖保護功能，還有一定的邏輯判斷功能，某個控制操作完成后需進行確認(rèn)，然后進行下一步操作。

自動報警。隨著火電廠的裝機容量越來越大，熱力系統(tǒng)的組成也越來越復(fù)雜，自動控制的難度也在提高。自動報警功能，是當(dāng)設(shè)備在運行過程中運行參數(shù)超出系統(tǒng)設(shè)定值、系統(tǒng)就會自動報警，主要用在熱工系統(tǒng)的液位檢測、溫度測量等方面。相關(guān)的運行人員就會根據(jù)系統(tǒng)的報警提示及時采取有效措施，確保設(shè)備運行平穩(wěn)，防止造成更大的事故；自動保護。是當(dāng)機組的設(shè)備運行出現(xiàn)異常、或熱工參數(shù)超出正常范圍時，系統(tǒng)為防止發(fā)生更大事故會自動的執(zhí)行聯(lián)縮執(zhí)令，停止設(shè)備運行，保護設(shè)備[2]。

2 超臨界機組的熱工控制特點分析

2.1 參數(shù)之間的非線性耦合

由于參數(shù)之間的非線性耦合，一般的控制系統(tǒng)來進行控制的話，效果難以達到預(yù)期。以直流鍋爐的協(xié)調(diào)控制對象為例，燃料量、給水量以及汽輪機的閥門開度為輸入量，輸出量主要是機前壓力、機組的負(fù)荷以及分離器出口溫度。這些參數(shù)量之間的耦合關(guān)系如下。

當(dāng)輸入端的燃料量增大時，輸出端機組的負(fù)荷、機前的壓力及分離器出口溫度都會增大、升高；而輸入端的汽輪機閥門開度增大時，輸出端的機組負(fù)荷增大但機前壓力會降低，分離器的出口溫度也會降低；如輸入前的給水流量增大時，輸出端的機組負(fù)荷以及機前壓力都會增加，但分離器出口的溫度反而會降低。正是由于參數(shù)間這種很強的非線性耦合，導(dǎo)致控制起來比較困難。當(dāng)改變輸入?yún)?shù)時，輸出參數(shù)的變化與之成正比或反比關(guān)系，且輸出端的三個參數(shù)變化有的與輸入端參數(shù)變化成正比、有的成反比，這就更加大了控制的難度，因此在實際運行中，單靠調(diào)整一個參數(shù)難以達到優(yōu)化目的[3]。

2.2 動態(tài)特性隨負(fù)荷變化而波動很大

超臨界機組的動態(tài)特性參數(shù)波動很大，主要取決于機組的運行負(fù)荷，隨著機組負(fù)荷的變化，動態(tài)特性參數(shù)的波動范圍很大。如，水燃比調(diào)節(jié)的溫度對象，如果機組的負(fù)荷發(fā)生了變化，雖然變化幅度不大、在50～80%范圍內(nèi)，但增益變化可達到6倍左右，時間常數(shù)的變化也在3～4倍左右。此外，超臨界機組的運行方式一般為變壓運行，這樣設(shè)計的目的是為了在更大的負(fù)荷范圍內(nèi)讓機組的效率更高。但這樣的運行方式也會讓超臨界機組在亞臨界的壓力范圍內(nèi)運行，亞臨界和超臨界的工質(zhì)物性之間的差異是很大的，就會導(dǎo)致超臨界機組的非線性特性更強，參數(shù)調(diào)整起來會更加困難。

2.3 水燃比調(diào)節(jié)難兼顧快速性和準(zhǔn)確性

超臨界機組的熱工控制難點主要是在鍋爐的水燃比調(diào)節(jié)方面。通常情況下，出口蒸汽溫度可以在一定程度上來對水燃比的變化進行反饋，但是在實際運行中，出口的蒸汽溫度顯示會有一定的延遲，這就使得如果把蒸汽溫度作為反饋量的話，水燃比的變化不能實現(xiàn)更快、更好的調(diào)節(jié)。因為水燃比發(fā)生變化的時候，蒸汽溫度需要延時后才會有相應(yīng)的變化，是滯后的，如果按照溫度參數(shù)來調(diào)節(jié)水燃比，很顯然不會實現(xiàn)水燃比最快速、最精確的調(diào)節(jié)。

近年來很多研究人員也為提高水燃比的調(diào)節(jié)精度和速度展開了大量研究，為水燃比調(diào)節(jié)的反饋提供了更多的參數(shù)依據(jù)。如通過加熱段的水溫、微過熱汽溫等來反饋水燃比調(diào)節(jié)，通過煙氣溫度、鍋爐出口熱量信號以及火焰溫度等來反映燃料的熱量，因此將這些相關(guān)的參數(shù)綜合起來，構(gòu)成了類型多樣的水燃比調(diào)節(jié)系統(tǒng)，比單一的參考出口蒸汽溫度參數(shù)來調(diào)節(jié)水燃比更加的準(zhǔn)確，也更快速。從實際的運行來看，多種水燃比調(diào)節(jié)系統(tǒng)都有其不足，尤其是在機組變壓運行以及負(fù)荷大范圍變化的情況下，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的不足更加明顯，因此需根據(jù)實際運行工況要求，對水燃比的關(guān)系調(diào)節(jié)進行優(yōu)化[4]。

3 熱工自動控制策略優(yōu)化調(diào)整

3.1 調(diào)整水燃比靜態(tài)關(guān)系

在實際運行中，影響水燃比靜態(tài)關(guān)系的因素還有煤質(zhì)的變化，但是這個影響因素可以通過提高煤炭質(zhì)量來改變，而且，在火電廠運行中，對于燃料質(zhì)量的把控很嚴(yán)格，總體上可以排除由于煤質(zhì)變化帶來的水燃比靜態(tài)關(guān)系變化。除這個因素以外，就是制粉系統(tǒng)的調(diào)整，通過對制粉系統(tǒng)的調(diào)整可以在很大程度上影響機組的控制系統(tǒng)。制粉系統(tǒng)的調(diào)整主要是通過對分離器出口擋板的調(diào)整，通過調(diào)整擋板的開合度可以影響風(fēng)煤配比關(guān)系，風(fēng)煤比關(guān)系發(fā)生了變化，就會影響水燃比的關(guān)系。

一般情況下，制粉系統(tǒng)的容量風(fēng)與給煤量比在0.9左右，不會達到1：1，可以通過調(diào)整擋板開合度，讓制粉系統(tǒng)的容量風(fēng)與給煤量比保持在1.3-1.4左右，這樣的話，相關(guān)聯(lián)的水燃比關(guān)系也要進行調(diào)整。如果不進行調(diào)整，機組在低負(fù)荷運行的情況下，起不到很好的調(diào)節(jié)效果。而且，當(dāng)鍋爐輔機（送風(fēng)機、引風(fēng)機以及及水泵等）發(fā)生故障，鍋爐快速減負(fù)荷的過程中，機組有明顯的超溫現(xiàn)象。

因此，對于水燃比的靜態(tài)關(guān)系調(diào)整主要從以下方面入手：將燃料與給水的粗略配比進行調(diào)整，隨著機組負(fù)荷的增加，要不斷的加大燃料量，且對應(yīng)的給水量也要增加；燃料在增加的同時，如果給風(fēng)量不進行調(diào)整就會導(dǎo)致燃料燃燒不充分，產(chǎn)生黑煙，因此燃料量調(diào)整后對應(yīng)的總風(fēng)量也要隨之增加[5]。

3.2 優(yōu)化水燃比回路

水燃比的回路優(yōu)化主要是通過對水以及煤炭之間的配比關(guān)系進行調(diào)整，進而達到調(diào)節(jié)蒸汽溫度的目的。通常情況下，對于水燃比的控制，一是在燃料控制回路中加入水燃比控制信號，水燃比調(diào)整是通過改變?nèi)剂现噶顏韺崿F(xiàn)的，二是在給水的控制回路中加入水燃比控制信號，通過調(diào)整給水量來調(diào)節(jié)蒸汽溫度。綜合來看，這兩種水燃比優(yōu)化調(diào)整策略都有其應(yīng)用優(yōu)勢，但也存在一些不足。

超臨界直流鍋爐在給水或燃料發(fā)生變化時，主蒸汽溫度會在水蒸氣相變點移動的情況下發(fā)生變化。當(dāng)給水發(fā)生變化時蒸汽的流量會增加，但壓力會下降，蒸汽溫度延遲后穩(wěn)定在一個較低的溫度上。當(dāng)燃料發(fā)生變化時，鍋爐的儲水量也會發(fā)生變化，燃燒率擾動也會有一個延遲，這個延遲時間比較短，之后蒸汽量會逐漸增加，壓力及溫度也會增加。從這個角度來分析，無論是給水還是燃料的變化，都會影響蒸汽的壓力及溫度。

具體來分析，對于蒸汽溫度而言，通過給水量的變化來調(diào)節(jié)蒸汽溫度，比調(diào)整燃料的響應(yīng)時間短，但短時間內(nèi)會讓機組的壓力波動很大。而通過調(diào)整燃料變化雖然讓蒸汽溫度調(diào)節(jié)慢，但不會讓機組出現(xiàn)較大的壓力波動。因此對于水燃比的回路優(yōu)化，第一要完成水煤的粗略配比，實現(xiàn)水燃比廣義上的優(yōu)化，第二要通過動態(tài)的補償來讓狹義上的水燃比更加合理，進而達到蒸汽溫度調(diào)節(jié)的目的。

因此，回路優(yōu)化控制可以由兩部分組成：第一部分是通過鍋爐的主控指令來控制給水及燃料配比，首先實現(xiàn)對水燃比的廣義上的調(diào)整；第二部分是根據(jù)過熱器及分離器出口的溫度信號變化，來不斷的修正燃料指令，進而改變水燃比，確保水燃比能夠?qū)崿F(xiàn)狹義上的優(yōu)化，來更好的調(diào)節(jié)蒸汽溫度[6]。

3.3 優(yōu)化熱值補償回路

結(jié)合機組的實際運行情況，熱值補償回路的優(yōu)化要遵循少改動系統(tǒng)控制邏輯的原則。熱值補償回路優(yōu)化是作為水燃比回路優(yōu)化的補充，是一種輔助控制方式，這種方式是對變化緩慢的工況進行調(diào)整的方式，確保水燃比的配比基本合理。一般情況下，鍋爐廠提供的控制方案中有熱值補償回路，在經(jīng)過實際的試投發(fā)現(xiàn)，提供的回路方案和實際的機組運行要求不大相符。

分析其原因，主要是提供的回路方案中是以水燃比的輸出量為控制信號的，需系統(tǒng)間的緊密關(guān)聯(lián)才可以，且經(jīng)過試投發(fā)現(xiàn)水燃比的變化幅度很大，在實際運行中容易導(dǎo)致系統(tǒng)之間形成共振，影響機組運行。根據(jù)機組實際運行情況，將熱值補償回路的控制量改為主要以給水、燃料指令生成的控制偏差為主，這樣可更好地消除工況變化對水燃比的影響，降低了制粉系統(tǒng)的入爐煤量測量不準(zhǔn)對系統(tǒng)的影響，可以緩解水燃比控制輸出變化大的情況。

在實際的運行中，給水量、燃料量的變化對對系統(tǒng)形成瞬時的干擾，這種干擾可通過水燃比回路進行調(diào)整，因水燃比回路屬于快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可消除機組負(fù)荷變化及外在的因素對系統(tǒng)的瞬時干擾。且熱值補償回路的對應(yīng)關(guān)系簡單，可隨時優(yōu)化調(diào)整制粉系統(tǒng)，讓水燃比的配比一直處于比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，不用對水燃比做出大的調(diào)整，這樣水燃比的回路也比較穩(wěn)定[7-8]。

綜上，火電廠熱工自動控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜龐大的系統(tǒng)，由不同的子系統(tǒng)組成，而每個子系統(tǒng)又由很多設(shè)備相互連接組成，通過子系統(tǒng)的相互配合來獲取熱工自動控制需要的參數(shù)，進而實現(xiàn)對機組運行情況的有效監(jiān)控與調(diào)整。在超臨界機組中，由于熱工控制的動態(tài)過程快、參數(shù)高以及參數(shù)的非線性耦合嚴(yán)重，必須要提高控系統(tǒng)的控制性能。在對超臨界機組控制對象特點分析的基礎(chǔ)上，主要從水燃比的調(diào)節(jié)入手，利用科學(xué)的調(diào)整策略進行優(yōu)化，不僅讓機組的抗干擾能力提高，而且機組的控制性能以及整體的控制水平得到了提高，資源的利用率也得到提升，降低了生產(chǎn)成本，獲得了更高的經(jīng)濟效益。