基于能量平衡的超臨界機(jī)組控制系統(tǒng)的研究

段秋剛,秦 萍,錢 昭

(1.山西電力科學(xué)研究院,山西太原 030001;2.山西和祥建通管理有限公司,山西太原 030006;3.河北省電力研究院,河北石家莊 050021)

0 引言

提高蒸汽參數(shù)、發(fā)展大容量機(jī)組是提高機(jī)組效率降低造價(jià)的有效途徑,與同容量亞臨界機(jī)組的熱效率相比,采用超臨界參數(shù)在理論上可提高效率2%以上。超臨界機(jī)組以其較高的經(jīng)濟(jì)性已在目前新投產(chǎn)的火電機(jī)組中占有絕對(duì)的主導(dǎo)地位,盡管如此,對(duì)于超臨界機(jī)組特性的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,超臨界機(jī)組的控制方案因此也不盡完善,目前超臨界機(jī)組的運(yùn)行狀況也不盡理想。特別是超臨界空冷機(jī)組開始投運(yùn),在控制領(lǐng)域又面臨新的難題。因此以穩(wěn)定的初壓模式為基礎(chǔ),從能量平衡的角度出發(fā),對(duì)超臨界空冷機(jī)組的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究和探討具有重要的價(jià)值。

超臨界機(jī)組初蒸汽參數(shù)超過(guò)汽水狀態(tài)的臨界點(diǎn)(壓力22.115 MPa,溫度374℃),由于在臨界參數(shù)下汽水密度相等,因此在超臨界壓力下無(wú)法維持自然循環(huán),不能采用汽包爐,直流爐成為唯一爐型。由于直流爐在汽水流程上一次性通過(guò)的特性,流程中每一段的長(zhǎng)度都受到燃燒、給水、調(diào)門開度的擾動(dòng)而發(fā)生變化,從而導(dǎo)致功率、壓力、溫度的變化。而且超臨界機(jī)組實(shí)際上是運(yùn)行在超臨界和亞臨界兩種工況下,具有完全不同的控制特性,是特性復(fù)雜多變的被控對(duì)象。

空冷機(jī)組背壓受季節(jié)、環(huán)境溫度、風(fēng)力、風(fēng)向、濕度等因素的影響變化較大,引起機(jī)組的熱耗率變化較大。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)CCS(Coordination Control System)方案宜有用DEB控制方案而采用直流爐的超臨界機(jī)組,由于沒(méi)有汽包,CCS無(wú)法采用直接能量平衡 (DEB)控制方案,但采用負(fù)荷指令間接平衡 (DIB),不能保證機(jī)爐之間的能量平衡,而超臨界空冷機(jī)組如何保證能量平衡也是一個(gè)尤為突出的問(wèn)題。

1 初壓模式

超臨界機(jī)組鍋爐蓄熱能力僅為亞臨界汽包爐的1/3～1/4,鍋爐可利用蓄熱非常有限,汽機(jī)負(fù)荷響應(yīng)能力遠(yuǎn)差于亞臨界汽包爐,反而導(dǎo)致壓力的大幅波動(dòng)引起給水的擾動(dòng)和燃水比的變化,使蒸汽溫度劇烈變化。所以正如參考文獻(xiàn) [1]所提到的超臨界機(jī)組CCS仍采用傳統(tǒng)爐跟隨控制方案是不可取的。實(shí)際上超臨界機(jī)組鍋爐水冷壁金屬耗熱少,工質(zhì)儲(chǔ)量也少,其熱容量及慣性明顯小于亞臨界汽包爐,鍋爐的負(fù)荷響應(yīng)速率也明顯快于亞臨界汽包爐。初壓控制模式是汽機(jī)控制主汽壓力,鍋爐控制負(fù)荷即以機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式,采用這種控制方案不僅能夠滿足負(fù)荷響應(yīng)速率的要求,更有利于穩(wěn)定機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)。

文獻(xiàn) [2]中也提到在定壓、滑壓、初壓控制模式中,初壓控制模式是最穩(wěn)定的,從鍋爐的閉環(huán)控制觀點(diǎn)分析,由于這種控制模式在負(fù)荷變化過(guò)程中,提供的能量既不超調(diào),又不欠調(diào),不僅穩(wěn)定,而且快速。

SIEMENS的profi新型協(xié)調(diào)控制模塊采用初壓模式,并在控制中增加了蓄熱預(yù)測(cè)功能,當(dāng)負(fù)荷需要變動(dòng)時(shí),評(píng)估蓄熱是否足夠,如果夠燃料無(wú)需超調(diào),使系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)。目前國(guó)內(nèi)已有多臺(tái)機(jī)組采用profi新型協(xié)調(diào)控制模塊,從運(yùn)行情況來(lái)看,無(wú)疑極大地推動(dòng)了火電機(jī)組控制技術(shù)的發(fā)展,但仍存在一些有待進(jìn)一步改進(jìn)的方面。第一,鍋爐側(cè)大輻擾動(dòng) (如磨煤機(jī)的啟、停),引起機(jī)組負(fù)荷和主汽壓力的劇烈波動(dòng),通過(guò)初壓控制模式的控制作用能夠抑制主汽壓力的波動(dòng),但相應(yīng)的會(huì)加劇機(jī)組負(fù)荷的波動(dòng),不能滿足電網(wǎng)調(diào)度的要求;第二,在負(fù)荷動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中,profi反向改變主汽壓力定值,以利用鍋爐的蓄熱,減小負(fù)荷的響應(yīng)滯后,盡管取得了一定的效果,但由于蒸汽流量與蒸汽壓力反向變化,加劇了蒸汽參數(shù)的不穩(wěn)定;第三,基于初壓控制模式,負(fù)荷響應(yīng)仍存在較大的滯后,不能很好地適應(yīng)AGC自動(dòng)運(yùn)行。

2 基于初壓模式的能量控制

文獻(xiàn) [3]中提到的 “汽機(jī)能量需求信號(hào)”Qt=作為汽機(jī)主控的被調(diào)量,由于該信號(hào)只反應(yīng)機(jī)組負(fù)荷要求的變化及汽機(jī)側(cè)自身的擾動(dòng),間接反應(yīng)汽機(jī)的節(jié)流變化,即主汽壓力的變化,使在鍋爐發(fā)生自發(fā)擾動(dòng)的情況下,汽機(jī)不參與調(diào)節(jié)。即采用能量控制的理念實(shí)現(xiàn)了單向完全解耦,解決了鍋爐側(cè)擾動(dòng)對(duì)汽機(jī)主控的影響,削弱了動(dòng)態(tài)過(guò)程鍋爐的過(guò)調(diào)和欠調(diào),保證了靜態(tài)過(guò)程汽機(jī)主控的相對(duì)穩(wěn)定性,同時(shí)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中也能夠起到有效利用鍋爐有限蓄熱的效果,理論上明顯優(yōu)于單純的初壓控制模式。

針對(duì)鍋爐主控,由于采用直流爐的超臨界機(jī)組沒(méi)有汽包,CCS無(wú)法采用直接能量平衡 (DEB)控制方案,對(duì)空冷機(jī)組而言,背壓受季節(jié)、環(huán)境溫度、風(fēng)力、風(fēng)向、濕度等因素的影響變化較大,機(jī)組的熱耗率變化較大,若采用負(fù)荷指令間接平衡(DIB),又不能保證機(jī)爐之間的能量平衡。結(jié)合DEB和DIB控制方案的特點(diǎn),并應(yīng)用在鍋爐主控的前饋控制方案中,鍋爐和汽機(jī)之間的能量需求平衡以及控制系統(tǒng)對(duì)外界負(fù)荷的響應(yīng),由 “汽機(jī)能量需求信號(hào)”作為鍋爐主控靜態(tài)前饋、負(fù)荷指令作為動(dòng)態(tài)前饋來(lái)完成。負(fù)荷指令動(dòng)態(tài)前饋模型建立的依據(jù)是,根據(jù)負(fù)荷變化的幅度和速率,確定機(jī)組在不同的運(yùn)行工況 (定壓或滑壓)鍋爐燃燒率變化的過(guò)調(diào)量和過(guò)調(diào)速率以及回調(diào)時(shí)間,動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)量取決于鍋爐的負(fù)荷響應(yīng)特性。鍋爐主控通過(guò)閉環(huán)控制回路調(diào)整機(jī)組負(fù)荷,克服來(lái)自鍋爐側(cè)由于燃燒變化等各種擾動(dòng)因素,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組能量輸入的控制。原理圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

超臨界空冷機(jī)組CCS采用基于初壓模式的能量控制理念,借鑒了DEB控制方案的特點(diǎn),將“汽機(jī)能量需求”應(yīng)用在汽機(jī)主控的閉環(huán)控制和鍋爐主控的前饋控制中,有效解決了超臨界空冷機(jī)組鍋爐和汽機(jī)之間的能量需求平衡以及控制系統(tǒng)對(duì)外界負(fù)荷的響應(yīng)問(wèn)題。而初壓控制模式的穩(wěn)定性是固有的,因此采用基于初壓模式的能量控制理念更有利于機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定。

3 結(jié)論

基于初壓模式的能量控制理念應(yīng)用在超臨界機(jī)組CCS中,以穩(wěn)定的初壓控制模式為基礎(chǔ),引入能量控制與平衡理念,與超臨界機(jī)組的特性相匹配,從控制參數(shù)的穩(wěn)定性、機(jī)組供求能量的平衡、系統(tǒng)解耦、負(fù)荷的響應(yīng)速率等方面,使超臨界的控制性能達(dá)到最優(yōu)。

[1] 林文孚.基于機(jī)跟隨的超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制方案 [J].電力科學(xué)與工程,2008,24(10):24-27.

[2] 張艷亮.一種新型的協(xié)調(diào)控制方案 (PROFI)探討[J].儀器儀表用戶,2007(1):65-67.

[3] 段秋剛.提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)適應(yīng)性的試驗(yàn)與研究 [C].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)第七屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2002:129-131.