330 MW火電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)性能優(yōu)化

尚洪奎 ，王 蒙 ，常咸偉 ，徐計(jì)常

（1．華能嘉祥發(fā)電有限公司，山東 濟(jì)寧 272400；2．國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002）

0 概述

華能嘉祥煤炭地下氣化發(fā)電示范工程2×330MW機(jī)組，鍋爐為上海鍋爐有限責(zé)任公司制造，型號(hào)為SG1036／17.50－M882。 該鍋爐為亞臨界壓力、一次中間再熱、單爐膛、控制循環(huán)、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、汽包型燃煤（摻燒20%水煤氣）鍋爐。汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)有限公司制造，型號(hào)為 N300－16.7／538／538。 該汽輪機(jī)是300 MW單軸、雙缸雙排汽、亞臨界、一次中間再熱、凝汽式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)在VWO工況下的出力為331.9 MW，主蒸汽流量為1025 t／h。 發(fā)電機(jī)為山東濟(jì)南發(fā)電設(shè)備廠生產(chǎn)，型號(hào)為WX25R－127。額定功率330 MW、空冷發(fā)電機(jī)，采用靜態(tài)勵(lì)磁。熱力系統(tǒng)除輔助蒸汽系統(tǒng)采用母管制外，其余系統(tǒng)均按單元制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。每爐裝設(shè)2臺(tái)雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)。每臺(tái)磨煤機(jī)出力可滿足鍋爐60%額定負(fù)荷時(shí)的燃煤量。每爐設(shè)置4臺(tái)耐壓稱重帶式給煤機(jī)，驅(qū)動(dòng)裝置采用電磁無(wú)級(jí)變速電機(jī)，在給煤機(jī)進(jìn)、出口均設(shè)置斷煤監(jiān)控裝置。每臺(tái)給煤機(jī)的給料量可以滿足以“單進(jìn)雙出”方式運(yùn)行時(shí)磨煤機(jī)的需煤量。

機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以劃分為：1）鍋爐燃燒控制系統(tǒng)：由爐膛壓力控制系統(tǒng)、送風(fēng)控制系統(tǒng)、一次風(fēng)壓控制系統(tǒng)、磨煤機(jī)控制系統(tǒng)等構(gòu)成；2）給水控制系統(tǒng)；3）汽溫控制系統(tǒng)；4）機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；5）機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)：由一次調(diào)頻、AGC控制等組成；6）其它結(jié)構(gòu)較為單一的單回路控制系統(tǒng)等。

1 控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

爐膛壓力控制系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)整引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)維持爐膛壓力，為改善動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)，引入送風(fēng)機(jī)的前饋控制，該調(diào)節(jié)系統(tǒng)為雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)有調(diào)節(jié)回路的增益平衡功能。

送風(fēng)控制系統(tǒng)。鍋爐燃燒所需要的總風(fēng)量是通過(guò)調(diào)節(jié)兩臺(tái)送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉的角度來(lái)控制。對(duì)動(dòng)葉角度控制的輸出是基于總風(fēng)量指令。總風(fēng)量指令根據(jù)燃料量指令的函數(shù)和鍋爐輸入變化率相加形成，并通過(guò)煙氣含氧量的校正以確保完全燃燒?？傦L(fēng)量指令與總?cè)剂狭拷徊嫦拗?，以防止?fàn)t膛中燃料量多于風(fēng)量的情況發(fā)生。去送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉的指令通過(guò)方向閉鎖回路后送出，方向閉鎖回路是為了防止當(dāng)爐膛壓力偏差過(guò)大時(shí)送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令朝更惡化的方向變化。當(dāng)喘振閉鎖功能檢測(cè)到送風(fēng)機(jī)快要發(fā)生喘振時(shí)，方向閉鎖送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令的增加，以避免送風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘振。

一次風(fēng)壓控制系統(tǒng)。機(jī)組的一次風(fēng)控制設(shè)計(jì)為控制一次風(fēng)母管風(fēng)壓。通過(guò)調(diào)節(jié)兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)變頻器維持到合適的熱一次風(fēng)母管風(fēng)壓。

磨煤機(jī)控制系統(tǒng)。磨煤機(jī)控制系統(tǒng)是由旁路風(fēng)控制、磨煤機(jī)冷熱風(fēng)門以及磨煤機(jī)料位等單回路系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)合控制系統(tǒng)。

給水控制系統(tǒng)。給水控制是通過(guò)控制給水流量，以維持鍋爐汽包水位在不同負(fù)荷時(shí)都能穩(wěn)定在一定的范圍。給水控制系統(tǒng)的運(yùn)行方式有旁路門控制、電、汽泵單／三沖量控制等。

汽溫控制系統(tǒng)。過(guò)熱器一級(jí)減溫、過(guò)熱器二級(jí)減溫、再熱溫度噴水調(diào)節(jié)等系統(tǒng)是典型的溫度串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在導(dǎo)前溫度和被控溫度信號(hào)正常時(shí)可以投自動(dòng)。過(guò)熱器一級(jí)減溫、過(guò)熱器二級(jí)減溫是以過(guò)熱器出口溫度為被調(diào)量，通過(guò)調(diào)節(jié)減溫調(diào)節(jié)門來(lái)控制；再熱汽減溫則是以減溫器出口溫度為自變量，通過(guò)調(diào)節(jié)減溫調(diào)節(jié)門來(lái)控制的。

協(xié)調(diào)（CCS）控制系統(tǒng)。協(xié)調(diào)控制采用直接能量平衡 DEB（Direct Energy Balance）協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，DEB信號(hào)與熱量信號(hào)相比較，PID輸出作為燃料指令，見式（1）；燃料量作為反饋。

式中：P1調(diào)節(jié)級(jí)壓力；PT機(jī)前壓力；Ps機(jī)前壓力設(shè)定值。

DEB信號(hào)采用與汽機(jī)調(diào)閥開度成正比的信號(hào)（P1/PT）Ps作為鍋爐負(fù)荷指令，式中微分項(xiàng)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中加強(qiáng)燃燒指令，以補(bǔ)償機(jī)、爐之間對(duì)負(fù)荷要求響應(yīng)速度的差異［3］。由于要求補(bǔ)償?shù)哪芰坎粌H與負(fù)荷變化量成正比，而且還與負(fù)荷水平成比例，所以微分項(xiàng)要乘以（P1/PT）Ps。 熱量信號(hào) Hr＝P1＋K×dPb／dt，它代表鍋爐燃燒的有效出力，其中（K×dPb／dt）代表鍋爐的蓄熱變化，這也是DEB控制策略在火電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)中普遍采用控制方式的原因。DEB控制邏輯如圖1。

綜上所述，機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)是傳統(tǒng)的常規(guī)控制思路，在機(jī)組新建啟動(dòng)調(diào)試時(shí)，燃料市場(chǎng)較好，燃煤發(fā)熱量較高，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均為新安裝設(shè)備?，F(xiàn)在設(shè)備已經(jīng)過(guò)6年的運(yùn)行磨損，均已出現(xiàn)不同程度的老化，燃煤的市場(chǎng)也發(fā)生本質(zhì)變化，現(xiàn)在燃煤的單位發(fā)熱量已不足投產(chǎn)調(diào)試時(shí)的60%。另一方面，由于電網(wǎng)不斷發(fā)展，為了進(jìn)一步更好地服務(wù)于社會(huì)，提高供電品質(zhì)，對(duì)發(fā)電企業(yè)也提出了更高要求，原來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)已無(wú)法滿足市場(chǎng)需求。

圖1 直接能量平衡（DEB）協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框圖

2 優(yōu)化方案

2.1 爐膛壓力控制系統(tǒng)

在引風(fēng)控制回路中，增加偏差調(diào)節(jié)死區(qū)，控制引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉的調(diào)節(jié)頻率，使動(dòng)葉的調(diào)節(jié)更適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)需求；根據(jù)需求加大控制器比例系數(shù)，提高控制系統(tǒng)快速性；調(diào)整積分時(shí)間參數(shù)在確?？焖僬{(diào)節(jié)的同時(shí)保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。關(guān)于送風(fēng)系統(tǒng)對(duì)引風(fēng)控制的前饋問(wèn)題，預(yù)置前饋控制的調(diào)節(jié)參數(shù)后，投入負(fù)壓控制回路的閉環(huán)控制，通過(guò)改變送風(fēng)控制指令觀察負(fù)壓波動(dòng)情況，多次擾動(dòng)試驗(yàn)并修正前饋控制作用后，取得滿意品質(zhì)；然后投入送風(fēng)閉環(huán)控制，改變機(jī)組負(fù)荷，觀察負(fù)壓響應(yīng)曲線，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化控制參數(shù)，直到系統(tǒng)達(dá)到響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高的最佳狀態(tài)。

2.2 一次風(fēng)壓控制系統(tǒng)

在一次風(fēng)調(diào)節(jié)回路的主控制器中，增加一次風(fēng)壓修正。當(dāng)容量風(fēng)門開度達(dá)到極限開度上限時(shí)，綜合判斷后，在一定時(shí)間內(nèi)，一次風(fēng)指令自動(dòng)以一定的增長(zhǎng)率疊加＋△值；同理，當(dāng)容量風(fēng)門開度達(dá)到極限開度下限時(shí)，綜合判斷后，在一定時(shí)間內(nèi)，一次風(fēng)指令自動(dòng)以一定的增長(zhǎng)率疊加－△值，通過(guò)調(diào)節(jié)兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度維持到合適的熱一次風(fēng)母管風(fēng)壓。原理框圖如圖2。

圖2 一次風(fēng)壓修正框圖

針對(duì)主汽壓力波動(dòng)大，在一次風(fēng)壓控制思路中增加PID偏差調(diào)節(jié)，即當(dāng)容量風(fēng)門開度大于設(shè)定開度時(shí)，主汽壓力設(shè)定值大于機(jī)前壓力時(shí)，一次風(fēng)壓力則以更大的速度增加，直至增加到一個(gè)固定值（⊿）為止；同樣，當(dāng)容量風(fēng)門開度小于設(shè)定開度時(shí)，主汽壓力設(shè)定值小于機(jī)前壓力時(shí)，一次風(fēng)壓力則以較大的速度減少，直至減少到一個(gè)固定值（⊿）為止；容量風(fēng)門開度處于線性開度時(shí)，一次風(fēng)偏置不再補(bǔ)償。

防止運(yùn)行人員誤操作，特增加當(dāng)一次風(fēng)機(jī)在自動(dòng)位時(shí)，且機(jī)組負(fù)荷在120 MW以上（考慮到開停機(jī)時(shí)一次風(fēng)機(jī)自動(dòng)的投入）1 h后，一次風(fēng)壓設(shè)定值上限 13.0 kPa，下限 8.2 kPa。

2.3 磨煤機(jī)控制系統(tǒng)

磨煤機(jī)控制系統(tǒng)是由旁路風(fēng)控制、磨煤機(jī)冷熱風(fēng)門以及磨煤機(jī)料位等單回路系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)合控制系統(tǒng)。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)料位測(cè)量系統(tǒng)，電磁閥切換時(shí)間滯后嚴(yán)重，將其改造為法國(guó)阿爾斯通系列產(chǎn)品。一個(gè)好的料位，即可為磨煤機(jī)料位控制提供優(yōu)化基礎(chǔ)。再對(duì)控制器比例系數(shù)進(jìn)行修正，增加料位調(diào)節(jié)的快速性。

2.4 給水控制系統(tǒng)

給水控制為單／三沖量控制系統(tǒng)，通過(guò)控制給水流量，以維持鍋爐汽包水位在不同負(fù)荷時(shí)都能穩(wěn)定在一定的范圍。通過(guò)擾動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)控制器的比例系數(shù)和積分時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到穩(wěn)定汽包水位的目的。

2.5 汽溫控制系統(tǒng)

在再熱器控制回路中，增加再熱器出口溫度前饋，優(yōu)化主調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)。系統(tǒng)投入自動(dòng)后，做擾動(dòng)試驗(yàn)細(xì)調(diào)控制參數(shù)使調(diào)節(jié)品質(zhì)達(dá)到最佳。

鑒于減溫系統(tǒng)受到的干擾因素很多，在運(yùn)行過(guò)程中主要觀察總對(duì)溫度的影響，明確其影響的作用后，可考慮在控制系統(tǒng)中加溫度信號(hào)的變化速率、溫度大偏差信號(hào)的綜合前饋控制，以提高傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的響應(yīng)遲緩的作用。另外，放大調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度設(shè)定值與測(cè)量值切手動(dòng)偏差范圍，增加溫度設(shè)定值與測(cè)量值切手動(dòng)減溫調(diào)節(jié)門全關(guān)30 s脈沖，以適應(yīng)運(yùn)行需求。

2.6 協(xié)調(diào)（CCS）調(diào)節(jié)系統(tǒng)

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)根據(jù)BM（鍋爐主控）與TM（汽機(jī)主控）手操器的手／自動(dòng)狀態(tài)的不同有四種運(yùn)行方式：即 BASE（手動(dòng)）方式、BF（鍋爐跟蹤）方式、TF（汽機(jī)跟蹤）方式和CCS（協(xié)調(diào)控制）方式等四種。因正常運(yùn)行時(shí)多為CCS或BF方式，因此對(duì)CCS／BF控制器參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)整，加大偏差放大系數(shù)及CCS／BF控制器參數(shù)，但在加快調(diào)整速度的同時(shí)，盡力縮短穩(wěn)定時(shí)間，另外，為了更好的服務(wù)于電網(wǎng)，滿足電監(jiān)辦兩個(gè)細(xì)則要求，特對(duì)CCS主控制器加大負(fù)荷指令前饋，以提供汽機(jī)調(diào)門的響應(yīng)速度。通過(guò)試驗(yàn)將協(xié)調(diào)控制優(yōu)化至最佳。

3 優(yōu)化試驗(yàn)分析

3.1 爐膛壓力試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)間 2011－06－23 T 14：55，擾動(dòng)量 100 Pa。飛升時(shí)間14 s，無(wú)明顯超調(diào)現(xiàn)象，完全符合自動(dòng)要求，表1所示。

表1 爐膛壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 給水系統(tǒng)擾動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)間 2011－07－27 T 15：29，擾動(dòng)量 60 mm，飛升時(shí)間1 min 55 s，最大超調(diào)量32.26 mm，穩(wěn)定時(shí)間5 min 6 s，優(yōu)化性能優(yōu)良，表2所示。

3.3 負(fù)荷擺動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)間 2011－08－20T15：40：03 至 16：00：03，負(fù)荷擺動(dòng)試驗(yàn)幅度為248.56～289.91 MW，負(fù)荷變化率 8.0 MW／min。 爐膛壓力波動(dòng)范圍－6.06～－66.07 Pa；主汽壓力波動(dòng)范圍15.97～15.54 MPa；汽包水位波動(dòng)范圍－2.35～－26.61 mm。根據(jù)中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL／T774－2004中9.6.3直吹式600 MW以下機(jī)組試驗(yàn)指標(biāo)［6］，試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)良，表3所示。

表2 汽包水位試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 負(fù)荷擺動(dòng)試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

1號(hào)機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)性能優(yōu)化后，各自動(dòng)調(diào)節(jié)回路調(diào)節(jié)的快速性及穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，煤粉顆粒R90的比例增加，煤粉均勻性提高，爐膛燃燒趨于穩(wěn)定。飛灰可燃物含量減少0.2%～0.3%，相應(yīng)可提高鍋爐效率 0.1%～0.15%，相應(yīng)降低供電煤耗 0.25～0.5g／kWh。單臺(tái)機(jī)組按年發(fā)電量19億kWh計(jì)算，年節(jié)約標(biāo)煤594～988 t，標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)按950元／t估算，年節(jié)約資金47～94萬(wàn)元。

機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)性能優(yōu)化后，各自動(dòng)調(diào)節(jié)回路調(diào)節(jié)的快速性、穩(wěn)定性大大增強(qiáng)主汽壓力有原來(lái)波動(dòng)1.2 MPa下降到0.48 MPa，主汽壓力設(shè)定值由原來(lái)的15.5 MPa提高至16.3 MPa，主汽壓力提高了0.8 MPa，每提高1 MPa，降低單位煤耗1.682g／kWh，單臺(tái)機(jī)組按年發(fā)電量19億kWh計(jì)算，年節(jié)約標(biāo)煤3027.6 t，標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)按950元／t估算，年節(jié)約資金287.6萬(wàn)元。

提高了機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，自動(dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化后，汽包水位穩(wěn)定，降低了機(jī)組非停風(fēng)險(xiǎn)；自動(dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化，提高了機(jī)組輔助服務(wù)補(bǔ)償功能，機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)能力有很大提高，兩個(gè)細(xì)則考核風(fēng)險(xiǎn)大大降低，單臺(tái)機(jī)組直接經(jīng)濟(jì)效益約100萬(wàn)元。

自動(dòng)投入率的提高，降低了運(yùn)行人員的操作風(fēng)險(xiǎn)，減輕了運(yùn)行人員的監(jiān)盤壓力。

5 結(jié)語(yǔ)

華能嘉祥發(fā)電有限公司1號(hào)機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)此次優(yōu)化，解決了以往自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，各控制系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，飛灰可燃物含量降低，克服了設(shè)備老化及燃料發(fā)熱量低的困難，使各控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)均已達(dá)到了規(guī)程要求。以前給水自動(dòng)常常切手動(dòng)、風(fēng)機(jī)喘振現(xiàn)象消失；機(jī)前壓力由偏離設(shè)定值由最大1.5 MPa減少到0.5 MPa；協(xié)調(diào)控制穩(wěn)定，AGC控制跟蹤良好。機(jī)組接待負(fù)荷變化能力明顯增加，為節(jié)能減排，減虧增效提供了有力保障。

自動(dòng)優(yōu)化工作是長(zhǎng)期工作，也是一項(xiàng)艱巨工作，反映了電廠管理的綜合水平。從此次優(yōu)化工作的結(jié)果來(lái)看，不僅提高了機(jī)組自動(dòng)化的水平，而且在電網(wǎng)兩個(gè)細(xì)則的考核中也取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益，此次控制系統(tǒng)改造優(yōu)化達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

［1］朱北恒.火電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)試驗(yàn)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

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