超超臨界二次再熱機組過熱汽溫模型辨識

馮美方， 吳恒運， 房　方

(1. 華北電力大學(xué) 控制與計算機工程學(xué)院，北京 102206；2. 西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032)

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超超臨界二次再熱機組過熱汽溫模型辨識

馮美方1， 吳恒運2， 房方1

(1. 華北電力大學(xué) 控制與計算機工程學(xué)院，北京 102206；2. 西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032)

摘要：二次再熱是進(jìn)一步提升大型超超臨界機組運行參數(shù)、提高機組運行效率的一項關(guān)鍵技術(shù)。該類機組的建設(shè)尚處于起步階段，運行經(jīng)驗相對缺乏，為提高其運行控制水平，需要了解鍋爐運行的熱工特性，并建立兼具工程應(yīng)用需求和理論研究價值的模型。在西安熱工院開發(fā)的華能萊蕪電廠2×1 000 MW機組仿真系統(tǒng)的平臺上，進(jìn)行了兩級噴水減溫擾動試驗、煙氣再循環(huán)擾動試驗，探究過熱汽溫的變化規(guī)律。采用改進(jìn)型的粒子群算法，對過熱汽溫被控對象進(jìn)行辨識。研究表明改進(jìn)型粒子群算法辨識精度較高，得到的過熱汽溫被控對象模型可用于開展機組優(yōu)化運行與優(yōu)化控制的相關(guān)研究。

關(guān)鍵詞：二次再熱；超超臨界；過熱汽溫；辨識；改進(jìn)粒子群算法

0引言

當(dāng)前我國電力工業(yè)以火電為主[1]，為響應(yīng)國家節(jié)能降耗政策的號召，全面落實“節(jié)約、清潔、安全”的能源戰(zhàn)略方針，仍須進(jìn)一步提升煤電高效清潔發(fā)展水平，推進(jìn)煤電行業(yè)的節(jié)能減排與升級改造。其中提高蒸汽參數(shù)、二次再熱是燃煤電廠節(jié)能減排首要考慮的兩個主要參考技術(shù)[2]。通過提高汽輪機進(jìn)汽參數(shù)以直接提高機組效率的技術(shù)，受到材料結(jié)構(gòu)的制約[3]；另一具有明顯的可行性的技術(shù)即為二次再熱技術(shù)。相比一次再熱，二次再熱機組熱效率高出2%～3%，可降低供電煤耗8～10 g/kW·h。美國、德國、丹麥、日本等國家已有對300 MW以上二次再熱機組的應(yīng)用。二次再熱技術(shù)是新的能源環(huán)境形勢下的必然發(fā)展趨勢，我國已明確提出推進(jìn)二次再熱超超臨界發(fā)電技術(shù)示范工程建設(shè)。

目前，國電泰州電廠、華能安源電廠、華能萊蕪電廠引入了二次再熱超超臨界機組，均處于在建未投產(chǎn)的狀態(tài)，即國內(nèi)尚無對超超臨界二次再熱機組的運行經(jīng)驗。相比常規(guī)機組，超超臨界二次再熱機組運行參數(shù)高，部件材質(zhì)差別大，具有更為復(fù)雜的輔助系統(tǒng)，其運行方式也與常規(guī)機組有較大不同[4]。過熱汽溫控制仍以水煤比作粗調(diào)、二級噴水減溫細(xì)調(diào)。再熱蒸汽的調(diào)溫過程是通過煙氣再循環(huán)、煙道分配擋板實現(xiàn)的，其中煙氣再循環(huán)量會改變受熱面的熱量分配，引起過熱汽溫變化。若要實現(xiàn)二次再熱機組中過熱汽溫的較好控制，不僅是噴水減溫，同時還需要深入了解煙氣再循環(huán)量對過熱汽溫的影響。鑒于目前國內(nèi)尚無已投產(chǎn)超超臨界二次再熱機組的現(xiàn)狀，西安熱工研究院有限公司完成了華能萊蕪電廠的1 000 MW機組仿真系統(tǒng)的開發(fā)，該仿真系統(tǒng)為研究超超臨界二次再熱機組特性及運行技術(shù)、提高機組的安全性和經(jīng)濟性提供了有效的方法。本文即以華能萊蕪電廠2×1 000 MW工程項目的仿真系統(tǒng)作為試驗平臺，對1 000 MW二次再熱超超臨界機組的過熱汽溫被控對象進(jìn)行辨識。

1華能萊蕪電廠2×1 000 MW機組

二次再熱機組中，汽輪機排汽二次進(jìn)入鍋爐進(jìn)行再熱。汽輪機相比一次再熱增加一級超高壓缸。過熱蒸汽在超高壓缸做功后的排汽為冷一次再熱，其經(jīng)過高壓低溫、高壓末級再熱器加熱后進(jìn)入高壓缸；一次再熱蒸汽在高壓缸做功后的排汽為冷二次再熱，其經(jīng)過低壓低溫、低壓末級再熱器加熱后進(jìn)入中壓缸。汽輪機全長相比一次再熱機組有所增加，軸系結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力分布也更加復(fù)雜[5]。

華能萊蕪電廠的百萬機組工程為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司設(shè)計制造的超超臨界參數(shù)變壓運行直流爐，采用的是全懸吊結(jié)構(gòu)的塔式結(jié)構(gòu)布置，分為爐膛和尾部煙道兩部分。塔式爐[6]的受熱面布置方式如圖1所示，分三級，其中低過和末過為輻射特性、二過為對流受熱面，能有效保證運行中的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性。高壓低溫受熱面布置在純對流區(qū)，保證良好的調(diào)溫特性和較大的調(diào)溫幅度；低壓末級再熱器受熱面布置在高壓末級再熱器出口。過熱蒸汽調(diào)溫方式以煤水比為主，同時設(shè)置二級八點噴水減溫器。再熱蒸汽主要采用煙道分配擋板和煙氣再循環(huán)調(diào)溫，此外燃燒器的擺動對再熱蒸汽溫度也有一定的調(diào)節(jié)作用，同時設(shè)置了事故噴水減溫器。表1中列舉了幾個常用工況下鍋爐設(shè)計的主要汽水參數(shù)。

表1　鍋爐主要汽水參數(shù)

圖1　萊蕪塔式爐的受熱面布置Fig.1　Distribution of heating surface in boiler using tower type

2華能萊蕪電廠2×1 000 MW機組仿真系統(tǒng)

西安熱工研究院有限公司在仿真支撐軟件APROS[7]平臺上，以爐、機、電和熱工控制系統(tǒng)的設(shè)計資料為基礎(chǔ)，建立了華能萊蕪電廠2×1 000 MW機組的工程分析模擬模型。該仿真系統(tǒng)[8,9]是由過程模型、虛擬控制系統(tǒng)(VDCS)、實時數(shù)據(jù)庫(MySQL)、教練員站(TSCC)、操作員站(OPC)等構(gòu)成。

經(jīng)過一系列試驗，幾個典型負(fù)荷下仿真系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)與設(shè)計熱力計算數(shù)據(jù)基本相符。對完成的動態(tài)響應(yīng)試驗結(jié)果分析，各級參數(shù)變化符合物理規(guī)律；1%、2%升降負(fù)荷試驗，仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)較好控制，其控制策略設(shè)計合理。華能萊蕪電廠2×1 000 MW機組仿真系統(tǒng)用于工程分析，能在一定程度上反映二次再熱超超臨界機組的特性。

3試驗設(shè)計

過熱汽溫采用的控制方式是水煤比粗調(diào)，噴水減溫作細(xì)調(diào)。噴水減溫器可以將霧化后的減溫水直接噴入過熱蒸汽流，來吸收其中的熱量，達(dá)到降低過熱汽溫的目的。對電廠運行中具有時變性的過熱汽溫被控對象而言，噴水減溫[10]有重要的實際意義，它對汽溫影響的動態(tài)特性可以用于指導(dǎo)實際的生產(chǎn)過程。同時，用于保證再熱汽溫有效調(diào)節(jié)的煙氣再循環(huán)調(diào)整了煙氣輻射和對流放熱的熱量分配[11]，會引起過熱汽溫的變化。試驗選取了750 MW、1 000 MW兩個工況，進(jìn)行了兩級的噴水減溫擾動試驗和煙氣再循環(huán)擾動試驗。

3.1試驗條件

在華能萊蕪電廠2×1 000 MW仿真系統(tǒng)中，煤、水、送引風(fēng)等關(guān)鍵量手動維持在定值不變；同時過熱汽溫控制的減溫噴水、再循環(huán)煙氣控制過程中的煙氣擋板、煙氣再循環(huán)風(fēng)機、事故噴水減溫切除控制指令保持定值。此時得到可用于試驗的穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2試驗過程

在前一部分得到的750 MW穩(wěn)態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)行擾動試驗：(1)一級減溫器前的蒸汽流量、壓力、溫度不變，對一級噴水減溫器閥門開度在穩(wěn)態(tài)基礎(chǔ)上施加5%的階躍，讀取一級減溫器后的各級蒸汽溫度值；(2)二級減溫器前的蒸汽流量、壓力、溫度不變，對二級噴水減溫器閥門開度在穩(wěn)態(tài)基礎(chǔ)上施加5%的階躍，讀取二級減溫器后的各級蒸汽溫度值；(3)各級減溫水量保持恒定，對煙氣再循環(huán)風(fēng)機的擋板開度在穩(wěn)態(tài)基礎(chǔ)上施加-10%的階躍，讀取汽水分離器出口溫度，以及各級過熱器出入口溫度。

1 000 MW工況的試驗步驟同上。

4辨識方法及結(jié)果

圖2中表示了數(shù)據(jù)處理過程所取用的各級汽溫點的位置，即汽水分離器出口溫度tsep、一級減溫器前溫度t0、一級噴水減溫器后溫度t1、二級噴水減溫器前即二級過熱器出口溫度t2、二級噴水減溫器后即末級過熱器入口溫度t3、末級過熱器出口溫度t4。

圖2　取用溫度點圖示Fig.2　Positions of temperature points to be used

表2列舉了在一、二級噴水減溫及再循環(huán)煙氣量擾動試驗中，閥門的變化情況及各級汽溫變化數(shù)據(jù)。

4.1改進(jìn)型粒子群算法

粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)源于對鳥群捕食的行為研究，是一種進(jìn)化計算技術(shù)， 1995年由Eberhart博士和Kennedy博士提出。算法[12]基于群體和適應(yīng)度：粒子群的每個個體(即粒子)代表優(yōu)化問題的一個可能解；粒子位置坐標(biāo)對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值可作為粒子的適應(yīng)度；此外，每個粒子對應(yīng)一個速度，用于決定它尋優(yōu)的方向和距離。通過迭代找到最優(yōu)解每次迭代中，粒子通過跟蹤個體極值、全局極值來更新自己的位置和速度?；玖Ｗ尤核惴ㄈ菀紫萑刖植孔顑?yōu)、進(jìn)化后期收斂速度慢、精度低，具有局限性。

改進(jìn)粒子群算法中，加入了自適應(yīng)變異，使粒子跳出局部極值點繼續(xù)優(yōu)化，并采用變化的慣性權(quán)重，來改善收斂速度，獲得更好的算法性能。(1)變異過程：使用局部自適應(yīng)變異算子，每次迭代都生成粒子位置范圍內(nèi)的隨機位置，完成粒子優(yōu)劣的判斷和更新；(2)隨機權(quán)重生成規(guī)則[13]：ω服從正態(tài)分布，正態(tài)分布的均值服從[0,1]均勻分布、方差取0.5。

表2　試驗初始及試驗后的各級參數(shù)

4.2噴水減溫試驗辨識結(jié)果

對數(shù)據(jù)采用不同形式的傳遞函數(shù)進(jìn)行擬合處理，最終一階慣性加純遲延環(huán)節(jié)的形式達(dá)到最小的擬合誤差，同時，相對簡單的模型表達(dá)形式便于控制系統(tǒng)的設(shè)計，故均采用了一階慣性純遲延的表達(dá)形式。

減溫器前至減溫器后稱為汽溫的導(dǎo)前區(qū)，以減溫器閥門開度作輸入，減溫器后溫度作輸出；減溫器后蒸汽溫度至過熱器出口稱為滯后區(qū)，即二級/末級過熱器入口溫度作輸入，二級/末級過熱器出口溫度作為輸出。750 MW和1 000 MW工況的模型辨識結(jié)果如表3所示。

表3　模型辨識結(jié)果(噴水減溫)

從辨識結(jié)果看出：相比1 000 MW工況，750 MW工況的各個過程慣性時間和遲延時間均較大。此外，對噴水減溫過程的系數(shù)差異，須參照閥門開度引起的減溫水流量變化數(shù)據(jù)。

4.3煙氣再循環(huán)擾動試驗辨識結(jié)果

利用煙氣再循環(huán)擾動試驗獲取的數(shù)據(jù)，對煙氣再循環(huán)擋板開度和各級汽溫變化之間的關(guān)系即u→tsep、u→t0、u→t1、u→t2、u→t3、u→t46個過程進(jìn)行辨識，結(jié)果如表4。

表4　模型辨識結(jié)果(再循環(huán)煙氣量)

4.4改進(jìn)粒子群算法辨識的擬合圖示

此部分列舉了750 MW工況下的擬合效果圖，1 000 MW工況效果類似。辨識過程的初始參數(shù)范圍的選取對試驗結(jié)果并無很大影響，對規(guī)定的參數(shù)范圍過大的過程，改進(jìn)型粒子群算法也可快速收斂到最優(yōu)值。對一般過程，迭代到20~30次時，便可以尋到最優(yōu)值；個別過程陷入局部最優(yōu)，需要增大G借自適應(yīng)變異跳出局部，尋取全局最優(yōu)。對同一個過程，采用該算法進(jìn)行多次辨識可以得到多個最優(yōu)化指標(biāo)相似的結(jié)果，在其中按需求選取合適結(jié)果即可。

(1)利用噴水減溫過程獲取的數(shù)據(jù)，對u1→t1、t1→t2、u2→t3、t3→t44個過程進(jìn)行辨識，得到如下對比圖3，其中虛線為辨識所得模型輸出值，實線代表萊蕪電廠2×1 000 MW仿真系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)。

圖3　750 MW噴水減溫試驗數(shù)據(jù)處理擬合圖Fig.3　Fitting charts of data derived from the test of spray water for 750 MW

(2)利用煙氣再循環(huán)擾動試驗獲取的數(shù)據(jù)，辨識得到如下對比圖4，虛、實線含義同上。

對比觀察煙氣再循環(huán)擋板開度減少10%對各級汽溫產(chǎn)生的影響，汽溫總體趨勢均為上升。二級過熱器之后的每一級溫度測點，在初始階段溫度均有微小的向下趨勢，此趨勢是由二級過熱器的對流特性造成的。

圖4　750 MW煙氣再循環(huán)擾動試驗數(shù)據(jù)處理擬合圖Fig.4　Fitting charts of data derived from the test of recycled gas for 750 MW

5結(jié)論

本文以華能萊蕪2×1 000 MW超超臨界二次再熱機組的仿真模型為平臺，選取75%和100%負(fù)荷兩個工況，進(jìn)行了兩級噴水減溫和煙氣再循環(huán)擾動試驗，對二次再熱超超臨界機組的過熱汽溫模型進(jìn)行辨識。二次再熱機組的過熱汽溫對減溫水?dāng)_動的響應(yīng)規(guī)律與常規(guī)機組相似，同樣具有大遲延大慣性的特性。煙氣再循環(huán)、煙道分配擋板是再熱蒸汽的調(diào)溫手段。煙氣再循環(huán)量調(diào)節(jié)再熱蒸汽總的吸熱量，會改變系統(tǒng)中受熱面的熱量分配，引起過熱汽溫的變化：煙氣再循環(huán)量增加，具有輻射特性的水冷壁吸熱減少，對流吸熱為主的環(huán)節(jié)吸熱增加，其最終結(jié)果為過熱汽溫降低再熱汽溫升高；相應(yīng)地，煙氣再循環(huán)量減少，過熱汽溫升高再熱汽溫降低。煙道分配擋板調(diào)節(jié)高、低壓再熱蒸汽的吸熱量分配，試驗證實了它對過熱汽溫不會產(chǎn)生影響。

過熱汽溫對噴水減溫及煙氣再循環(huán)擾動的動態(tài)響應(yīng)特性，為后續(xù)控制優(yōu)化提供參考。從擬合結(jié)果看，采用改進(jìn)型粒子群算法辨識得到的模型具有良好的精確度，能夠反映超超臨界二次再熱機組過熱汽溫的熱工特性，可用于開展機組優(yōu)化運行與優(yōu)化控制的相關(guān)研究。

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Model Identification of Super-heated Steam Temperature for Double-reheat Ultra-supercritical Unit

FENG Meifang1, WU Hengyun2, FANG Fang1

(1.School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710032, China)

Abstract:Double reheat steam system is a key process to increase the rated parameters and improve the thermal performance of the ultra-supercritical power units. For the construction of the double reheat ultra-supercritical power units is still in the initial stage, it’s necessary to get to know the boiler’s thermal performance, as well as to establish models for the engineering applications and theoretical researches. Based on the simulation system of Laiwu Power Plant developed by Xi’an Thermal Power Research Institute, disturbance tests about spray water of the super heater and recycled gas have been made. The improved particle swarm optimization algorithm is used to identify the parameters of the super-heated steam temperature system model. The simulation results show that the accuracy of this model can meet the requirements of the optimization control and operation.

Key words：double-reheat; ultra-supercritical; super-heated steam temperature; identification; improved PSO

作者簡介：馮美方(1991-)，女，碩士研究生，研究方向為二次再熱機組過熱汽溫控制策略；吳恒運(1965-)男，研究員，研究方向為火電機組協(xié)調(diào)控制策略及系統(tǒng)優(yōu)化；房方(1976-)，男，教授，研究方向為發(fā)電過程建?？刂婆c優(yōu)化。

中圖分類號：TK39

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1007-2691(2016)01-0076-05

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(61203107).

收稿日期：2015-06-11.

doi:10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.01.13