陳建勛

（國能內(nèi)蒙古呼倫貝爾發(fā)電有限公司）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行方式日益多樣化、復(fù)雜化，深度調(diào)峰是電力系統(tǒng)運(yùn)行的必然趨勢(shì)[1]。本文以某600MW 火電機(jī)組為例，研究在變負(fù)荷過程中蒸汽參數(shù)的測(cè)量技術(shù)，采用一次調(diào)頻和二次調(diào)頻相結(jié)合的方案進(jìn)行汽溫控制。在機(jī)組變負(fù)荷試驗(yàn)中，首先通過改變汽機(jī)控制策略來改變鍋爐燃燒過程，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。通過動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析可以發(fā)現(xiàn)影響鍋爐燃燒及出力性能的關(guān)鍵因素即汽溫，進(jìn)而可對(duì)不同控制策略下蒸汽參數(shù)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或調(diào)整以適應(yīng)機(jī)組狀態(tài)變化。首先利用PID 等自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽壓、流量的調(diào)節(jié)；然后通過PID 等控制算法實(shí)現(xiàn)鍋爐給水流量、主汽壓力、凝結(jié)水溫度和蒸汽參數(shù)等多個(gè)變量的調(diào)節(jié)；最后根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)反饋值進(jìn)行相應(yīng)操作并對(duì)其效果進(jìn)行分析與驗(yàn)證。通過該方法可以實(shí)現(xiàn)在變負(fù)荷過程中對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和優(yōu)化，提高機(jī)組響應(yīng)能力和機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性[2]。

1 變負(fù)荷過程蒸汽參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析

燃煤火力發(fā)電機(jī)組在變負(fù)荷過程中，需要根據(jù)不同負(fù)荷下的工況條件和機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)策略。在變負(fù)荷過程中，鍋爐燃燒時(shí)溫度逐漸降低，當(dāng)蒸汽溫度降低到一定程度時(shí)，爐膛溫度就會(huì)下降，這一變化對(duì)燃燒效率和燃燒質(zhì)量影響很大。由于實(shí)際負(fù)荷和鍋爐實(shí)際參數(shù)往往存在一定的偏差，導(dǎo)致在變負(fù)荷過程中爐膛的最大平均燃燒速度較小。隨著負(fù)荷的不斷增大和煤種的變化引起的煤發(fā)熱量降低也會(huì)導(dǎo)致不同爐膛最高溫度下降。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后汽輪機(jī)就會(huì)開始轉(zhuǎn)動(dòng)并進(jìn)行膨脹做功，由于膨脹做功過程中會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，因此汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子上會(huì)產(chǎn)生徑向拉應(yīng)力。這種徑向拉應(yīng)力是由于膨脹做功過程中熱功轉(zhuǎn)換時(shí)造成的。根據(jù)鍋爐蒸汽壓力變化曲線圖可以發(fā)現(xiàn)在變負(fù)荷過程中實(shí)際汽壓力隨著時(shí)間的變化呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，因此在變負(fù)荷過程中實(shí)際汽壓狀態(tài)隨時(shí)間變化時(shí)鍋爐汽壓是隨著時(shí)間變化而改變。

2 機(jī)組變負(fù)荷試驗(yàn)研究

機(jī)組變負(fù)荷試驗(yàn)過程中，需要對(duì)各變量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。為保證機(jī)組變負(fù)荷試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，將所有設(shè)備的數(shù)據(jù)（如鍋爐壓力、主蒸汽壓力、給水溫度和送水泵汽輪機(jī)出口壓力）均設(shè)定成1 個(gè)值，以提高變負(fù)荷實(shí)驗(yàn)精度。根據(jù)機(jī)組變負(fù)荷過程中工況變化，在各系統(tǒng)中分別設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)：①給水流量：從鍋爐側(cè)給水流量為5×104～10×104m3/h，從汽輪機(jī)側(cè)給水量為2×108～4×108t/h。②鍋爐側(cè)各主汽壓、主汽壓力、鍋爐給水壓力。③給水泵汽輪機(jī)出口壓力設(shè)定為3 個(gè)值，即給水泵進(jìn)口的最大蒸汽壓力值、給水泵出口的最大蒸汽壓力值和給水泵的最高給水溫度。④各工況參數(shù)變化情況：主蒸汽流量在試驗(yàn)過程中隨著負(fù)荷降低而逐漸減小，并在整個(gè)試驗(yàn)過程中維持恒定；主蒸汽壓力在負(fù)荷下降到試驗(yàn)極限或稍有升高后保持穩(wěn)定。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

3.1 流量測(cè)量單元

流量測(cè)量單元主要由流量計(jì)、流量采集卡（包括流量標(biāo)定系統(tǒng)）和信號(hào)調(diào)理單元組成。流量計(jì)是指采用測(cè)量流體流量的裝置，其作用是通過測(cè)量流體在單位時(shí)間內(nèi)的平均體積流量來獲得被測(cè)流體量。流量標(biāo)定系統(tǒng)：該標(biāo)定系統(tǒng)利用一個(gè)具有固定精度、可調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)差ΔV（A）來校準(zhǔn)被測(cè)液體的質(zhì)量，從而獲得所需要的液體質(zhì)量?，F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)調(diào)理單元：該測(cè)量單元由一組數(shù)字信號(hào)調(diào)理電路和相應(yīng)的模擬信號(hào)處理電路組成。信號(hào)調(diào)理電路中通過電平轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，再由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D）和數(shù)字信號(hào)處理模塊（D/A）將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，可將測(cè)量單元分為兩組，分別用于對(duì)同一流體參數(shù)不同時(shí)段進(jìn)行測(cè)量。

3.2 機(jī)組控制部分

①汽輪機(jī)控制部分主要包括PID 算法和PID 控制器的編程。②機(jī)組運(yùn)行監(jiān)控模塊是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)時(shí)傳輸回廠數(shù)據(jù)和機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)信息而設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集模塊，該模塊采用PLC 控制器，在計(jì)算機(jī)中編寫相應(yīng)的程序模塊。③參數(shù)設(shè)置模塊主要是在PLC 控制器上完成有關(guān)參數(shù)的修改。

4 蒸汽參數(shù)測(cè)量技術(shù)

①熱工參數(shù)：主要包括空氣溫度、露點(diǎn)溫度、露點(diǎn)壓力以及真空度和真空流量等。②機(jī)械參數(shù)：主要包括磨煤機(jī)排粉量、磨煤濃度以及磨煤比。③爐膛參數(shù)：包括爐內(nèi)有效燃燒面積和煙氣平均流速系數(shù)等信息。④爐膛燃燒特性：包括爐內(nèi)燃燒區(qū)寬度和高度的變化等信息。⑤煙氣量：主要根據(jù)煙囪高度、排風(fēng)量和煙氣溫度等信息確定，但也可通過煙氣流速間接計(jì)算。⑥爐墻熱流密度：主要反映爐墻兩側(cè)爐壁熱流密度的變化，也可通過煙氣流速間接測(cè)量，如測(cè)煙溫時(shí)的煙囪出口氣體流速度。⑦水冷壁水頭：主要反映水冷壁水頭的變化范圍，通過水流流速間接測(cè)量。⑧煤質(zhì)參數(shù)：主要反映煤燃燒情況，如著火溫度、燃盡程度等信息。⑨煤粉細(xì)度：主要反映煤粉細(xì)度，通過煤粉細(xì)度可以間接測(cè)得。⑩煤質(zhì)含硫量：主要受燃燒狀況及爐膛溫度分布影響，是電廠鍋爐運(yùn)行中需要關(guān)注的參數(shù)之一。

5 蒸汽參數(shù)與汽機(jī)控制策略之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系

5.1 汽機(jī)變負(fù)荷過程中的汽輪機(jī)控制

以某600MW 機(jī)組為例，通過上述分析可知，在機(jī)組負(fù)荷進(jìn)一步增大后，主汽壓力基本保持線性遞增的趨勢(shì)變化，且汽機(jī)參數(shù)與蒸汽參數(shù)呈現(xiàn)一定負(fù)相關(guān)關(guān)系；當(dāng)主汽壓波動(dòng)較大時(shí)，則出現(xiàn)一定幅度的振蕩現(xiàn)象，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷進(jìn)一步增大后，汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)與汽機(jī)給水溫度存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中，隨著機(jī)組負(fù)荷的增大，汽輪機(jī)蒸汽平均壓力與給水平均壓力均呈現(xiàn)不同程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系；在機(jī)組負(fù)荷進(jìn)一步增大后，汽輪機(jī)蒸汽平均壓力出現(xiàn)一定幅度的波動(dòng)狀態(tài)；而在不同負(fù)荷下，汽機(jī)蒸汽平均壓力的波動(dòng)范圍與運(yùn)行參數(shù)間呈現(xiàn)一定程度的正相關(guān)關(guān)系。根據(jù)以上分析可知，對(duì)于不同的變負(fù)荷工況，汽輪機(jī)負(fù)荷與汽機(jī)主汽蒸汽參數(shù)之間存在一定正相關(guān)關(guān)系[3]。

5.2 汽機(jī)蒸汽參數(shù)與機(jī)組負(fù)荷間的關(guān)系模型

汽機(jī)蒸汽參數(shù)的變化與鍋爐給水溫度，隨著機(jī)組負(fù)荷的增加，給水溫度逐漸升高而汽輪機(jī)的負(fù)荷則隨之增加。根據(jù)汽輪機(jī)運(yùn)行方式，汽機(jī)蒸汽參數(shù)與機(jī)組負(fù)荷間存在一定關(guān)聯(lián)關(guān)系，但不是簡(jiǎn)單呈現(xiàn)線性關(guān)系。汽機(jī)蒸汽參數(shù)隨鍋爐給水溫度、主蒸汽壓力變化，但與機(jī)組負(fù)荷無關(guān)。該模型反映在機(jī)組負(fù)荷不斷增大時(shí)鍋爐運(yùn)行方式改變對(duì)蒸汽參數(shù)影響較大這一特性。當(dāng)汽機(jī)系統(tǒng)調(diào)整鍋爐負(fù)荷時(shí)，需要考慮汽機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)對(duì)主蒸汽溫度、主汽壓力等關(guān)鍵參數(shù)產(chǎn)生變化這一因素。

5.3 變負(fù)荷過程中汽溫閉環(huán)調(diào)節(jié)特性及優(yōu)化方法研究

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況，設(shè)定該機(jī)組在給定負(fù)荷條件下，在額定出力基礎(chǔ)上進(jìn)行穩(wěn)態(tài)時(shí)、非穩(wěn)態(tài)時(shí)的汽溫變化情況。根據(jù)機(jī)組穩(wěn)態(tài)時(shí)、非穩(wěn)態(tài)時(shí)不同負(fù)荷下的汽溫變化規(guī)律可知，在不同負(fù)荷下，汽溫有兩種不同變化趨勢(shì)：一是蒸汽參數(shù)先緩慢升高后快速下降；二是蒸汽參數(shù)先快速下降后逐漸平緩直至穩(wěn)定。而當(dāng)一次調(diào)頻開始后，蒸汽參數(shù)將逐漸趨于平穩(wěn)，而后逐漸增大，這主要是由于一次調(diào)頻期間，鍋爐受熱面處于最佳工況范圍之內(nèi)。而二次調(diào)頻過程，鍋爐受熱面處于非最佳工況內(nèi)、且蒸汽參數(shù)變化較小。隨著負(fù)荷的增加和減少，蒸汽參數(shù)逐漸減??；而當(dāng)負(fù)荷達(dá)到最大值后，蒸汽參數(shù)迅速升高。這主要是二次調(diào)頻過程中由于汽溫快速上升導(dǎo)致給水流量增加；同時(shí)由于鍋爐受熱面處于最大工況范圍之內(nèi)，使得給水流量減小。而在變負(fù)荷過程中進(jìn)行二次調(diào)頻時(shí)，隨著機(jī)組負(fù)荷的增加和減少，蒸汽參數(shù)先快速下降然后逐漸平穩(wěn)直至穩(wěn)定。同時(shí)隨著機(jī)組出力的增加和減少，通過汽溫曲線可以發(fā)現(xiàn)隨著負(fù)荷的增加，汽溫曲線有一個(gè)明顯變化規(guī)律。綜上所述，在變負(fù)荷過程中進(jìn)行汽溫閉環(huán)控制對(duì)保證設(shè)備運(yùn)行安全、提高鍋爐出力性能和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

5.4 蒸汽參數(shù)數(shù)據(jù)來源

考慮到汽機(jī)變負(fù)荷過程中蒸汽參數(shù)變化具有時(shí)變性，同時(shí)由于蒸汽參數(shù)與系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)，因此必須采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量蒸汽參數(shù)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集過程主要分為兩個(gè)部分：利用實(shí)時(shí)溫度傳感器在負(fù)荷率為100%時(shí)進(jìn)行汽溫測(cè)量，并在一次調(diào)頻過程中將測(cè)量結(jié)果與實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證二次調(diào)頻方式對(duì)系統(tǒng)的適應(yīng)性。將汽溫?cái)?shù)據(jù)通過RS485 總線與智能儀表相連，將蒸汽參數(shù)與系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)相結(jié)合，得到一次調(diào)頻過程中的蒸汽參數(shù)變化趨勢(shì)。利用二次調(diào)頻方式對(duì)蒸汽參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。對(duì)汽機(jī)變負(fù)荷過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后分別在一次調(diào)頻和二次調(diào)頻方式下的汽溫值進(jìn)行對(duì)比分析，由于該機(jī)組為典型的深度調(diào)峰機(jī)組，本文將采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來分析該機(jī)組在調(diào)峰過程中的蒸汽參數(shù)變化情況并驗(yàn)證反饋方法的有效性。由于三個(gè)階段工況不同，蒸汽參數(shù)變化量較大，因此在二次調(diào)頻過程中需要通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來反映蒸汽參數(shù)變化趨勢(shì)。

5.5 反饋結(jié)果分析

在鍋爐超深度調(diào)峰下，汽機(jī)運(yùn)行方式主要采用二次調(diào)頻的形式進(jìn)行汽溫控制。與鍋爐負(fù)荷率保持恒定相比較，二次調(diào)節(jié)方式下，蒸汽參數(shù)的變化趨勢(shì)與鍋爐負(fù)荷率變化趨勢(shì)一致：當(dāng)負(fù)荷率固定時(shí)，汽溫的最大變化量為298 kJ/kg；當(dāng)負(fù)荷率固定時(shí)，汽溫變幅為304 kJ/kg。當(dāng)機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，二次調(diào)頻方式下蒸汽參數(shù)的最大變化量比一次調(diào)整方式下有所增加。隨著鍋爐深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)間越來越長(zhǎng)，各蒸汽參數(shù)呈現(xiàn)出逐漸變小的趨勢(shì)。當(dāng)機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)間超過一個(gè)小時(shí)后，汽溫變化開始趨于穩(wěn)定。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證蒸汽參數(shù)反饋方法的有效性，根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前調(diào)峰條件下，該機(jī)組汽溫控制在一次調(diào)頻方式下波動(dòng)較大，而經(jīng)過二次調(diào)節(jié)后，變負(fù)荷過程中各關(guān)鍵變量保持穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

綜上所述，本文對(duì)鍋爐變負(fù)荷過程中蒸汽參數(shù)的測(cè)量技術(shù)和反饋方法進(jìn)行研究，通過分析鍋爐變負(fù)荷過程運(yùn)行參數(shù)的變化趨勢(shì)以及對(duì)機(jī)組不同工況下的響應(yīng)特性進(jìn)行研究，總結(jié)出在深度調(diào)峰時(shí)鍋爐蒸汽參數(shù)變化規(guī)律。通過一次調(diào)頻調(diào)節(jié)給水流量、主汽壓力和凝結(jié)水溫度來改變鍋爐的燃燒過程，利用PID、RBF和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制算法對(duì)汽溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，并基于系統(tǒng)特性反饋值制定變負(fù)荷過程汽溫控制策略。通過一次調(diào)頻與二次調(diào)頻相結(jié)合來控制主蒸汽流量，同時(shí)通過主蒸汽壓力、汽壓、負(fù)荷等多個(gè)變量來監(jiān)測(cè)爐內(nèi)蒸汽參數(shù)，并通過實(shí)時(shí)調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組不同工況下運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)跟蹤；同時(shí)結(jié)合機(jī)組變負(fù)荷試驗(yàn)驗(yàn)證蒸汽參數(shù)反饋方法的可行性。