華電新疆發(fā)電有限公司紅雁池分公司 薛鵬

1 引言

目前，汽包鍋爐的發(fā)電機(jī)組在協(xié)調(diào)模式下，通過(guò)消耗汽包鍋爐的蓄熱快速響應(yīng)外界負(fù)荷的變化。但是對(duì)于汽包鍋爐蓄熱的計(jì)算和變化預(yù)判存在較大的誤差，導(dǎo)致汽包鍋爐蓄熱利用率過(guò)低或者超限，最終發(fā)生主汽壓力、煤量、風(fēng)量的大幅波動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而影響機(jī)組的自動(dòng)控制效果以及設(shè)備的壽命?；诖?，本文展開對(duì)汽包鍋爐蓄熱過(guò)程在協(xié)調(diào)中的研究和應(yīng)用。

2 鍋爐蓄熱計(jì)算

鍋爐熱量來(lái)源是燃煤（油）的燃燒，通過(guò)對(duì)流和輻射加熱鍋爐水冷壁、過(guò)熱器、再熱器等設(shè)備，再通過(guò)熱傳遞使得鍋爐中水的溫度、壓力增加。在汽包鍋爐中能量的儲(chǔ)存可以分為兩個(gè)部分：一個(gè)儲(chǔ)存在汽水中，用于汽水溫度、壓力的增加；另一個(gè)儲(chǔ)存在金屬中，包括水冷壁、過(guò)熱器、再熱器等部位，用于金屬溫度的增加。汽水蓄熱量Q1和金屬蓄熱量Q2的計(jì)算方法如式（1）、（2）：

式（1）中：P1為汽輪機(jī)機(jī)前壓力；Pb為鍋爐汽包壓力；為汽包壓力微分，代表蓄熱的動(dòng)態(tài)值；C為鍋爐蓄熱系數(shù)。

金屬蓄熱量Q2的熱量為式（2），主要是應(yīng)用水或水蒸氣出口溫度已知，而入口溫度不知的情況下，金屬與汽水側(cè)合并的單相受熱面環(huán)節(jié)[1]。

式（2）中：R為動(dòng)態(tài)修正因子；Mj、Cj、δtout分別為金屬受熱面的質(zhì)量、比熱、溫度。

汽包鍋爐總蓄熱量為式（3）：

3 鍋爐蓄熱變化預(yù)測(cè)

汽包鍋爐蓄熱的變化影響因素主要是三個(gè)方面。汽包鍋爐熱量的消耗：包括轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)動(dòng)能、汽輪機(jī)各段抽氣、漏氣損失和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的消耗。汽包鍋爐熱量的補(bǔ)充：包括燃煤和燃油燃燒產(chǎn)生的熱量。汽包鍋爐熱量的損失：包括水冷壁、過(guò)熱器、再熱器換熱損失，省煤器、空氣預(yù)熱器與煙器的換熱損失，煙氣熱量損失，鍋爐熱量損失。

汽包鍋爐熱量的消耗Qxh：即能量消耗信號(hào)計(jì)算如式（4）～（6）：

式（4）中：G1為主蒸氣流量；G0為額定主蒸氣流量；Pg1為實(shí)際主汽壓力；Pg為額定主汽壓力，T1為際主汽溫度；T0為額定主汽溫度；P1（調(diào)節(jié)級(jí)壓力）為進(jìn)入汽輪機(jī)的主氣流量。

根據(jù)弗留格爾公式，將調(diào)節(jié)級(jí)及之后的機(jī)組看作一級(jí)，高壓排汽壓力較低忽略不計(jì)，變工況前后溫度變化忽略：

由以上可知，汽輪機(jī)的能量需求信號(hào)為式（6）：

式（6）中：ps為主汽壓力設(shè)定值。

汽包鍋爐熱量的補(bǔ)充：即燃煤和燃油燃燒產(chǎn)生的熱量。燃煤和燃油燃燒的計(jì)算，必須在已知燃煤和燃油熱值的情況下進(jìn)行。由于現(xiàn)在火力發(fā)電廠的煤種的變換頻繁，雖然對(duì)煤熱值進(jìn)行校驗(yàn)，但是無(wú)法實(shí)時(shí)計(jì)算出入爐煤的熱值，導(dǎo)致燃煤在鍋爐中燃燒產(chǎn)生的熱量無(wú)法實(shí)時(shí)地直接進(jìn)行計(jì)算。采用動(dòng)靜態(tài)矯正法，根據(jù)總?cè)剂狭颗c負(fù)荷等構(gòu)建煤耗矯正系數(shù)，實(shí)現(xiàn)煤量的在線矯正[2]。通過(guò)對(duì)一段時(shí)間內(nèi)機(jī)組從并網(wǎng)到帶滿負(fù)荷過(guò)程的負(fù)荷-燃料量關(guān)系進(jìn)行平滑處理后，作為基準(zhǔn)的負(fù)荷-燃料率關(guān)系，通過(guò)增加動(dòng)、靜態(tài)前饋降低負(fù)荷及主汽壓力對(duì)PID 調(diào)節(jié)的依賴，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)燃料熱值矯正，其中靜態(tài)矯正法在穩(wěn)工況下由機(jī)組負(fù)荷N和總煤量B計(jì)算：

式（7）中：k為特性系數(shù)，根據(jù)穩(wěn)工況機(jī)組特性判定；N為機(jī)組負(fù)荷；B為總煤量，通常可通過(guò)制粉系統(tǒng)皮帶秤讀數(shù)得到。

動(dòng)態(tài)矯正法通過(guò)主蒸氣流量和第1 部分鍋爐蓄熱計(jì)算機(jī)組總能量，對(duì)于汽包爐鍋爐蓄熱用汽包壓力微分表示如式（8）、（9）：

式（9）中：D為主蒸氣流量，代表進(jìn)入汽機(jī)的能量；Cb為鍋爐蓄熱系數(shù)；Pd為汽包壓力。

此外，動(dòng)態(tài)矯正法未統(tǒng)籌排煙熱損失、鍋爐本體及爐渣散熱損失等能量損失，因此實(shí)際計(jì)算更貼近入爐煤粉發(fā)熱量的有效利用部分[2]。

汽包鍋爐熱量的損失：即排煙損失計(jì)算、化學(xué)不完全燃燒損失計(jì)算、其他熱損失計(jì)算如式（10），排煙損失計(jì)算，排煙中的飛灰焓數(shù)值小忽略不計(jì)：

式（10）中：θp為排煙處溫度；Cp為排煙處煙氣比熱。

化學(xué)不完全燃燒損失包括CO、H2、CH4這3種氣體，熱量損失I2計(jì)算如式（11）：

式（11）中：x(CO)、x(H2)、x(CH4)為干煙氣中的各氣體的體積分?jǐn)?shù)。

其他熱量損失包括灰渣和飛灰的熱量損失I3如式（12）：

式（12）中：μ為排煙中的飛灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)；α為飛灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Hhz是1Kg 灰渣的焓值；Hfh是1kg飛灰晗值。

汽包鍋爐熱量的總損失I如式（13）：

4 鍋爐蓄熱變化在協(xié)調(diào)中的應(yīng)用

通過(guò)分析和計(jì)算，可以得到火力發(fā)電廠中鍋爐的蓄熱變化情況。以便提前預(yù)測(cè)，在機(jī)組協(xié)調(diào)模式下，汽輪機(jī)快速響應(yīng)外界負(fù)荷變化，引起鍋爐蓄熱的變換量。根據(jù)預(yù)測(cè)的鍋爐蓄熱變化提前進(jìn)行燃料量的增減，可以快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地控制鍋爐主蒸汽壓力在設(shè)定值誤差范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)思路為預(yù)測(cè)+PID控制，在預(yù)測(cè)的鍋爐蓄熱量減少和增加時(shí)，利用提前設(shè)置的模糊控制數(shù)據(jù)庫(kù)提前改變煤量指令響應(yīng)外界負(fù)荷變化，PID 控制為精細(xì)調(diào)整，保證主汽壓力實(shí)際值穩(wěn)定在設(shè)定值誤差范圍內(nèi)，具體控制邏輯如下（DCS型號(hào)為GE新華Oc6000e）。

PID偏差輸入，采用能量信號(hào)和熱量信號(hào)偏差。相對(duì)于常規(guī)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

一是引入增益的非線性，同樣的流量變化，阻力越小，帶來(lái)的壓力提升越小，被控對(duì)象增益是隨著調(diào)門的開大（通流面積增大）而減小的。偏差隨之增大，彌補(bǔ)控制對(duì)象增益的變化。二是引入微分信號(hào)，有利于改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。汽包壓力的變化相對(duì)于主汽壓力，對(duì)鍋爐側(cè)的響應(yīng)更加超前，PID偏差輸入控制邏輯如圖1所示。

圖1 PID偏差輸入控制邏輯圖

在機(jī)組較大幅度變負(fù)荷、啟停等非穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，鍋爐的汽水參數(shù)和金屬溫度發(fā)生較大改變，必然存在熱量的存儲(chǔ)和釋放，從而影響鍋爐的中水和水蒸氣熱量的吸收以及鍋爐燃燒熱量的損失，進(jìn)而造成汽包鍋爐蓄熱量的變化。由于燃煤的煤質(zhì)、鍋爐受熱面的運(yùn)行狀態(tài)以及受吹灰等影響，汽包鍋爐蓄熱量的變化值無(wú)法通過(guò)直接測(cè)量得出。汽包鍋爐蓄熱量在線軟測(cè)量的數(shù)學(xué)模型通過(guò)間接測(cè)量的過(guò)程參數(shù)計(jì)算汽包鍋爐的蓄熱量，參數(shù)包括主氣流量、汽包壓力、總煤量、排煙溫度、CO 體積分?jǐn)?shù)、H2體積分?jǐn)?shù)、CH4體積分?jǐn)?shù)、灰渣晗值、飛灰晗值等。雖然蓄熱量的在線軟件無(wú)法精準(zhǔn)地測(cè)量蓄熱量的絕對(duì)值，但是測(cè)量其相對(duì)變化的結(jié)果準(zhǔn)確。鍋爐蓄熱變化控制邏輯圖如圖2所示。

圖2 鍋爐蓄熱變化控制邏輯圖

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用蓄熱變化量預(yù)測(cè)+串級(jí)PID控制策略，蓄熱量變化預(yù)測(cè)可以反映被調(diào)量（如主汽壓力、氣溫等參數(shù)）的未來(lái)變化趨勢(shì)，根據(jù)被調(diào)量的未來(lái)變化量進(jìn)行控制，提前進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，大幅度提高AGC 控制系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性和抗干擾能力。PID控制邏輯圖如圖3所示。在某330MW機(jī)組，按照蓄熱變化量預(yù)測(cè)+串級(jí)PID控制策略進(jìn)行優(yōu)化，在得到優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析，優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比表如表1所示。由表1可知，優(yōu)化后調(diào)節(jié)速率K1、響應(yīng)時(shí)間K2、調(diào)節(jié)精度K3 均有顯著提高。主汽壓力偏差、鍋爐超溫次數(shù)、煤耗均有明顯降低。可見采用蓄熱量預(yù)測(cè)+串級(jí)PID控制系統(tǒng)，可以解決大滯后對(duì)象的控制問(wèn)題。鍋爐超溫次數(shù)減少，減少鍋爐爐管爆裂的概率，并且有效地減少過(guò)熱器和再熱器減溫水的噴水流量，減少發(fā)電煤耗，取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 PID控制邏輯圖

表1 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)火力發(fā)電機(jī)組在協(xié)調(diào)模式下的鍋爐蓄熱過(guò)程的研究，通過(guò)對(duì)蓄熱量變化的預(yù)測(cè)，取代原有的PID 控制，改善機(jī)組協(xié)調(diào)控制性能。使火力發(fā)電機(jī)組能夠快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)外界負(fù)荷的變化。即達(dá)到電網(wǎng)的要求，同時(shí)降低火力發(fā)電廠各系統(tǒng)的波動(dòng)，對(duì)延長(zhǎng)鍋爐管材壽命、減少爆管極為有利，實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)的優(yōu)化控制。