1 050 MW超超臨界機(jī)組主汽溫優(yōu)化控制

王俊強(qiáng)，劉　　波，郭景輝

1 050 MW超超臨界機(jī)組主汽溫優(yōu)化控制

王俊強(qiáng)，劉波，郭景輝

（華電萊州發(fā)電有限公司，山東萊州261418）

分析主汽溫控制策略的利弊，針對(duì)主汽溫控制難點(diǎn)利用TOCS（終端操作控制系統(tǒng)）引入模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制對(duì)主汽溫控制策略進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)精確計(jì)算鍋爐各級(jí)減溫器所需最佳給水量對(duì)鍋爐汽水系統(tǒng)各級(jí)過(guò)熱器壁溫進(jìn)行控制；減溫水是防止過(guò)熱器壁管超溫的重要控制手段，通過(guò)協(xié)調(diào)鍋爐過(guò)熱器減溫水量，在保證各級(jí)過(guò)熱器所有金屬壁溫度不超溫的前提下，優(yōu)化水汽系統(tǒng)溫度分布，使鍋爐在最優(yōu)經(jīng)濟(jì)工況下安全穩(wěn)定運(yùn)行。

主汽溫；優(yōu)化控制；減溫水；模糊控制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

0　　引言

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展，百萬(wàn)千瓦機(jī)組越來(lái)越多。普遍采用的主汽溫調(diào)節(jié)策略［1］主要有3種方式：1）串級(jí)控制系統(tǒng)；2）導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)；3）為減少主汽溫延遲造成控制不穩(wěn)定性提出的帶有Smith預(yù)估補(bǔ)償器的PI控制系統(tǒng)。以此為基礎(chǔ)衍生出各種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

在鍋爐工況變化較大時(shí)，過(guò)熱器升溫能力會(huì)產(chǎn)生劇烈變化，由于減溫水調(diào)節(jié)過(guò)熱器出口溫度有較大的延遲，目前采用的各種減溫水控制系統(tǒng)無(wú)法消除這種擾動(dòng)，造成主汽溫劇烈波動(dòng)。由于鍋爐控制采用人工定值設(shè)定的PID算法，在這種控制模式下，所有運(yùn)行參量的控制范圍，均由運(yùn)行人員根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)在規(guī)程要求的范圍內(nèi)設(shè)定，由于各系統(tǒng)參量控制偏差太大，無(wú)法使主汽溫和受熱面金屬壁溫度穩(wěn)定在安全范圍，無(wú)法適應(yīng)電網(wǎng)AGC的要求；同時(shí)由于調(diào)控性能不良，造成控制目標(biāo)偏差過(guò)大，使蒸汽參數(shù)長(zhǎng)期低于目標(biāo)最優(yōu)值運(yùn)行，致使供電煤耗升高［2］。

1　主汽溫控制對(duì)機(jī)組運(yùn)行影響

主蒸汽溫度是火力發(fā)電機(jī)組的重要參數(shù)，它對(duì)電力鍋爐和汽機(jī)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性均有重要影響。

主汽溫過(guò)高時(shí)，將引起過(guò)熱器、再熱器、蒸汽管道及汽輪機(jī)汽缸、閥門、轉(zhuǎn)子部分金屬?gòu)?qiáng)度降低，導(dǎo)致設(shè)備壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)甚至造成設(shè)備損壞。汽溫過(guò)低會(huì)使機(jī)組循環(huán)熱效率降低，煤耗增大。根據(jù)理論估算，主汽溫降低10℃，煤耗平均增加0.2%。此外汽溫過(guò)低，則會(huì)使汽輪機(jī)最后幾級(jí)葉片的蒸汽濕度增加，嚴(yán)重時(shí)甚至還有可能發(fā)生水擊，造成汽輪機(jī)葉片斷裂損壞，汽溫過(guò)低時(shí)還將造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子所受的軸向推力增大。上述情況均將嚴(yán)重威脅汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

汽溫變化過(guò)大，除使管材及有關(guān)部件產(chǎn)生疲勞外，還將引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與汽缸的脹差發(fā)生變化，甚至產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，危及機(jī)組安全運(yùn)行。

引起過(guò)熱汽溫變化的因素很多，如蒸汽流量變化、燃料成分、煙氣側(cè)的過(guò)量空氣系數(shù)、火焰中心位置、流過(guò)過(guò)熱器的煙氣溫度變化和流速變化等。歸結(jié)起來(lái)，過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的擾動(dòng)主要來(lái)自3個(gè)方面：蒸汽流量變化、加熱煙氣的熱量變化和減溫水的流量變化。

鍋爐主汽溫控制的難點(diǎn)在于汽溫被控對(duì)象的大滯后、非線性、在鍋爐不同工況下的時(shí)變性。在實(shí)際鍋爐運(yùn)行中，由于各種擾動(dòng)的存在，特別是電網(wǎng)AGC導(dǎo)致鍋爐主汽溫控制偏差較大，其自動(dòng)控制常無(wú)法滿足系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需要。

2　　控制策略

通過(guò)建立鍋爐水汽系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算和人工智能模型擬合控制邏輯框圖如圖1所示。

圖1　　控制邏輯框圖

鍋爐汽溫動(dòng)力學(xué)模型精確計(jì)算鍋爐各級(jí)減過(guò)熱器所需最佳給水量輸出給減溫水閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)；如和控制目標(biāo)有偏差，將反饋鍋爐汽溫動(dòng)力學(xué)模型，鍋爐汽溫動(dòng)力學(xué)模型將偏差和實(shí)際系統(tǒng)被控參量數(shù)據(jù)（各級(jí)過(guò)熱器壁溫）進(jìn)行計(jì)算反饋給人工智能模型，人工智能模型擬合計(jì)算減溫水閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)開度再傳給鍋爐汽溫動(dòng)力模型，汽溫動(dòng)力模型給執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出開度指令。優(yōu)化控制系統(tǒng)不僅包括系統(tǒng)控制的目標(biāo)主汽溫，同時(shí)包括鍋爐汽水系統(tǒng)的各級(jí)過(guò)熱器壁溫的控制；通過(guò)人工智能擬合計(jì)算協(xié)調(diào)鍋爐各級(jí)過(guò)熱器減溫水噴水量，在保證鍋爐各級(jí)過(guò)熱器所有金屬壁溫度不超溫的前提下，優(yōu)化鍋爐水汽系統(tǒng)溫度分布，使鍋爐在最優(yōu)經(jīng)濟(jì)工況下安全穩(wěn)定運(yùn)行［3］。

2.1由過(guò)熱器出口焓值差估算減溫水量

對(duì)于常規(guī)PID控制系統(tǒng)均是直接依據(jù)被控參量的數(shù)值和設(shè)置的變化來(lái)確定系統(tǒng)的調(diào)控量，在已有各種主汽溫控制系統(tǒng)中，雖在原有PID控制進(jìn)行了各種改進(jìn)，但仍以主汽溫?cái)?shù)值和變化作為主要的調(diào)節(jié)依據(jù)，即主汽溫較高并溫度上升時(shí)加減溫水，反之，減少減溫水（這也和實(shí)際人工原則一致）。但在過(guò)熱器的大延遲和鍋爐加熱能力的劇烈波動(dòng)下，無(wú)法快速準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)減溫水噴水量［4-6］。

圖2　　鍋爐減溫水主汽溫控制系統(tǒng)

為準(zhǔn)確預(yù)估減溫水需要量，必須計(jì)算過(guò)熱器的加熱能力，圖2為單級(jí)減溫器和過(guò)熱器結(jié)構(gòu)。根據(jù)能量守恒定律減溫器C減溫能力可表述為［7］

過(guò)熱器H1的增溫能力為

式中：T0、T1、T2分別為減溫器入口、出口和后級(jí)過(guò)熱器出口溫度；E0、E1、E2分別為減溫器入口、出口和后級(jí)過(guò)熱器出口過(guò)熱蒸汽焓；Tw、Ew減溫水的溫度和焓值；Ls、Lw為系統(tǒng)蒸汽流量和減溫水流量；ΔQ為單位時(shí)間過(guò)熱器H1吸收的能量。在主汽壓波動(dòng)范圍內(nèi)，一般壓力對(duì)焓值的影響較小，可以將以上焓值看作相應(yīng)溫度的單變量函數(shù)，因此焓的增減和相應(yīng)的溫度增減成正比。

由式（3）可以得到過(guò)熱器的焓增可由兩種方法計(jì)算：1）由過(guò)熱器系統(tǒng)自身焓值變化計(jì)算；2）通過(guò)鍋爐煙氣流量和蒸汽流量和壓力預(yù)估計(jì)算。由式（1）、式（2）、式（3）即可較為精確地預(yù)估減溫水流量，使過(guò)熱器加熱能力達(dá)到定值需要時(shí)將出口溫度穩(wěn)定在定值附近。

2.2通過(guò)煙氣能量輸入估算減溫水修正量

由式（3）得知過(guò)熱器的焓增量等于單位過(guò)熱蒸汽的吸收熱量，而此吸收熱量與煙氣量和燃料量直接相關(guān)。通過(guò)計(jì)算出在燃料量風(fēng)量擾動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)熱量擾動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)間和幅度，并對(duì)減溫水預(yù)估量進(jìn)行提前修正，從而使減溫水流量預(yù)測(cè)值更加精確。

2.3通過(guò)主汽壓變化修正減溫水量

采用以上減溫水流量預(yù)估算法，一般可取得良好的主汽溫控制效果，在實(shí)際鍋爐運(yùn)行中一些主汽溫快速擾動(dòng)無(wú)法由燃料量等直觀參數(shù)直接體現(xiàn)，但蒸汽焓值快速變化會(huì)直接從主蒸汽壓力波動(dòng)上超前體現(xiàn)，但主汽壓變化受多種因素影響，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)模型可自動(dòng)提取過(guò)熱器的焓增和主汽壓變化與時(shí)間關(guān)系，修正所需的減溫水量。

2.4主汽溫控制系統(tǒng)優(yōu)化

對(duì)于主汽溫控制系統(tǒng)，要想提高在全工況下的主汽溫控制精度，須自動(dòng)調(diào)整和適應(yīng)減溫水系統(tǒng)特性變化。

2.4.1減溫水流量精確控制

在主汽溫控制系統(tǒng)中，其減溫水預(yù)估量為減溫水流量，而所有減溫水系統(tǒng)的減溫器直接調(diào)節(jié)量為減溫水閥門位置指令，由于減溫水控制閥門水量控制的非線性、閥門控制死區(qū)、回滯和減溫水壓力的波動(dòng)，造成減溫水控制指令與實(shí)際減溫水流量的較大差距，需要修正流量控制偏差，通過(guò)PI控制可將預(yù)估流量指令轉(zhuǎn)化為減溫閥位指令。在此過(guò)程中主汽溫控制必須消除以下偏差。

流量測(cè)量偏差。一般流量測(cè)量均和實(shí)際流量存在偏差，會(huì)導(dǎo)致主汽溫的控制偏差，通過(guò)減溫水的實(shí)際減溫效能修正此偏差，達(dá)到對(duì)水量的精確控制。

流量測(cè)量超限補(bǔ)償。減溫水流量計(jì)量通常采用孔板流量計(jì)，這種流量計(jì)在小流量下（一般為量程的5%以下）計(jì)量波動(dòng)較大，有時(shí)減溫水預(yù)估流量也可能超過(guò)流量計(jì)量量程。在超出流量計(jì)有效計(jì)量范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)減溫水閥位、減溫水熱效應(yīng)，補(bǔ)償此區(qū)域的流量計(jì)量，使流量控制依然有效。

減溫水閥門非線性修正。通過(guò)實(shí)際減溫水閥門反饋修正非線性，可保證減溫水流量控制的快速、精確和穩(wěn)定。

2.4.2系統(tǒng)控制時(shí)序和幅度的自整定

根據(jù)系統(tǒng)熱力學(xué)參數(shù)提前預(yù)估系統(tǒng)所需減溫水量，各種因素對(duì)減溫水的時(shí)間遲延和幅度影響至關(guān)重要。在時(shí)間方面主要考慮兩種時(shí)間遲延：一是減溫水流量對(duì)主汽溫的遲延時(shí)間，主要由主蒸汽流量決定；二是燃料量對(duì)主汽溫的延遲時(shí)間，主要受鍋爐總風(fēng)量影響。根據(jù)鍋爐運(yùn)行工況計(jì)算其時(shí)間和幅度的相關(guān)參數(shù)，保證減溫水預(yù)估在時(shí)間和數(shù)值上的精確性。

2.5多級(jí)減溫器控制系統(tǒng)減溫水自動(dòng)分配

在鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)中，各級(jí)減溫器控制算法基本相同，其水量分配是自動(dòng)計(jì)算各級(jí)過(guò)熱器出口溫度設(shè)定值。即在主汽溫定值由運(yùn)行人員確定后，各級(jí)減溫器控制系統(tǒng)減溫水由主汽溫控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算給出。

3　　主汽溫控制系統(tǒng)精確化控制

3.1實(shí)現(xiàn)精確化控制條件

對(duì)各級(jí)減溫器和過(guò)熱器應(yīng)有精確的溫度測(cè)量，包括減溫器入口溫度、減溫器出口溫度和過(guò)熱器出口溫度，其溫度測(cè)量精度應(yīng)高于1℃。

對(duì)于參與控制的減溫器，應(yīng)對(duì)減溫水流量進(jìn)行測(cè)量，以校正減溫水閥門控制的非線性，水流量測(cè)量的相對(duì)精度應(yīng)高于10%。

減溫水系統(tǒng)應(yīng)有較精確的減溫水流量控制，其流量的可控度應(yīng)低于最大減溫水流量的5%。

主汽溫控制還需要以下鍋爐運(yùn)行參量：主蒸汽流量、鍋爐燃料（指令）信號(hào)、鍋爐主汽壓信號(hào)。

A、B側(cè)的高溫過(guò)熱器壁溫最大值指令要分開引入主汽溫控制器。另外需要磨煤機(jī)與除灰系統(tǒng)起停信號(hào)指令信號(hào)。

電網(wǎng)AGC信號(hào)引入主汽溫控制器。

3.2TOCS主汽溫控制系統(tǒng)的配置

鍋爐DCS控制系統(tǒng)只具有各種常規(guī)控制算法，無(wú)法完成復(fù)雜的信息處理，同時(shí)DCS控制系統(tǒng)不宜對(duì)復(fù)雜控制進(jìn)行在線調(diào)試，因此需要專用控制處理器和人工智能優(yōu)化控制軟件完成控制。

TOCS鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)配置如圖3所示，采用模塊化圖形組態(tài)方式，可完成常規(guī)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制等復(fù)雜人工智能算法和控制組態(tài)，可用于各種復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)行分析、仿真計(jì)算和優(yōu)化控制［8］。

采用獨(dú)立的TOCS控制器，并和鍋爐DCS控制系統(tǒng)選用某種通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，TOCS控制器從DCS系統(tǒng)取得機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)運(yùn)算給出最優(yōu)控制指令，并通過(guò)DCS系統(tǒng)控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為提高系統(tǒng)的控制可靠性，TOCS燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)也可采用冗余配置。

圖3　TOCS鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)

4　　鍋爐主汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)應(yīng)用

華電萊州電廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)組為1 050 MW燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組，鍋爐為高效超超臨界變壓直流爐。鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度采用燃水比控制和兩級(jí)噴水減溫。由于鍋爐的燃燒特性、鍋爐負(fù)荷的變化和燃燒煤質(zhì)的不同，鍋爐內(nèi)熱量分布隨鍋爐工況變化而變化，造成鍋爐后屏過(guò)熱器壁溫、末屏過(guò)熱器壁溫、低溫過(guò)熱器壁溫、分割屏壁溫、二級(jí)過(guò)熱器A側(cè)出口溫度、二級(jí)過(guò)熱器B側(cè)出口溫度、主汽A側(cè)溫度、主汽B側(cè)溫度不斷波動(dòng)，并且其升降并不相同，鍋爐內(nèi)一些測(cè)點(diǎn)超溫，而另一些測(cè)點(diǎn)卻達(dá)不到規(guī)定溫度。

2號(hào)鍋爐汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)于2014-04-19投入試運(yùn)行。投入后，根據(jù)閉路控制數(shù)據(jù)反饋和運(yùn)行人員的建議，進(jìn)行了改進(jìn)。實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)取得了預(yù)期的效果。

圖4　　二級(jí)減溫水優(yōu)化控制曲線

優(yōu)化汽溫控制使在任何機(jī)組負(fù)荷其主汽溫過(guò)熱回路均可投入自動(dòng)控制運(yùn)行。二級(jí)減溫水優(yōu)化調(diào)節(jié)同時(shí)具備主汽溫控制和高溫過(guò)熱器壁溫保護(hù)功能，在保證高溫過(guò)熱器壁溫各個(gè)測(cè)點(diǎn)不超溫的前提下，主汽溫控制穩(wěn)定于主汽溫設(shè)定值的范圍。利用一級(jí)減溫水控制，保證屏式過(guò)熱器壁溫和大屏過(guò)熱器后屏溫控制在報(bào)警溫度以下。在保證所有被控溫度不超溫的同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化減溫水量分配，盡可能提高主汽溫，精確計(jì)算各種情況下的對(duì)各溫度控制點(diǎn)溫度保護(hù)所需增加噴水量的時(shí)機(jī)和幅度，消除手動(dòng)操作嚴(yán)重過(guò)調(diào)現(xiàn)象，從而使主汽溫度較人工操作提高了4～10℃。二級(jí)減溫水優(yōu)化控制曲線如圖4所示。

TOCS鍋爐汽溫優(yōu)化控制系統(tǒng)不僅保證了主汽溫精確控制，同時(shí)保證了過(guò)熱器各點(diǎn)屏溫和汽溫均在安全范圍內(nèi)，避免過(guò)熱器管道超溫。優(yōu)化系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整減溫水水量分配實(shí)現(xiàn)鍋爐汽溫的均衡分布。鍋爐過(guò)熱器主要控制點(diǎn)如表1所示。

表1　　鍋爐過(guò)熱器主要控制點(diǎn)參數(shù)

5　　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)鍋爐燃燒狀況、鍋爐各級(jí)汽溫、過(guò)熱器壁溫，綜合計(jì)算各級(jí)減溫器的預(yù)估優(yōu)化給水量指令，在相應(yīng)減溫器投入自動(dòng)運(yùn)行后，控制減溫器閥位使實(shí)際給水量控制在預(yù)估優(yōu)化給水量指令附近，實(shí)現(xiàn)了主汽溫優(yōu)化控制，使鍋爐主汽溫在最優(yōu)經(jīng)濟(jì)工況下安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］ 張小輝.鍋爐汽水系統(tǒng)專家控制系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制，2001（9）：17-18.

［2]李陽(yáng)春.自動(dòng)控制理論在火電廠熱工自動(dòng)化中的應(yīng)用［D］.杭州：浙江大學(xué)，2001.

［3]郭啟剛.熱工過(guò)程多模型控制理論與方法的研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2007.

［4］ 張櫻.火電廠汽溫系統(tǒng)模糊控制［D］.北京：華北電力大學(xué)，2000.

［5］ 張虹，王林江，徐用懋.Fuzzy-PI復(fù)合控制在電站鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制中的應(yīng)用［C］//1999年中國(guó)智能自動(dòng)化學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上冊(cè)）.

［6]來(lái)長(zhǎng)勝.基于遺傳算法—模糊技術(shù)的火電廠主汽溫控制系統(tǒng)的研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2007.

［7］ 開平安，劉建民，焦嵩鳴，等.火電廠熱工過(guò)程先進(jìn)控制技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2010.

［8]華志剛，呂劍虹，張鐵軍.狀態(tài)變量—預(yù)測(cè)控制技術(shù)在600 MW機(jī)組再熱汽溫控制中的研究與應(yīng)用［J］.中國(guó)機(jī)電工程學(xué)報(bào)，2005，25（12）：103-107.

Optimal Control of Main Steam Temperature for 1 050 MW Ultra Supercritical Unit

WANG Junqiang，LIU Bo，GUO Jinghui
（Huadian Laizhou Power Generation Co.，Ltd.，Laizhou 261418，China）

Advantages and disadvantages of the main steam temperature control strategy are analyzed in this paper.According to difficulties of the main steam temperature control，the main steam temperature control strategy is optimized using the fuzzy control and neural network control of TOCS.Wall temperatures of superheaters are controlled for the boiler steam&water system by calculating best feedwater quantities of boiler attemperators accurately.Desuperheating water is an important control instrument in preventing overheating of the superheater.Under the premise of no overtemperature for wall temperatures of all superheaters，water vapor temperature distribution is optimized to ensure the safe and stable operation of the boiler under the optimal and economic condition.

main steam temperature；optimal control；desuperheating water；fuzzy control；neural network control

TK323

B

1007-9904（2016）06-0065-05

2016-03-10

王俊強(qiáng)（1977），男，工程師，從事熱控技術(shù)管理工作；劉波（1982），男，工程師，從事信息技術(shù)工作；郭景輝（1973），男，工程師，從事熱控技術(shù)工作。