超超臨界直流機(jī)組節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在發(fā)電廠中的應(yīng)用

胡建根，陳 波，李 泉，李述為，汪自強(qiáng)

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014； 2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310014；3.浙江工商大學(xué)，杭州 310018)

超超臨界直流機(jī)組節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在發(fā)電廠中的應(yīng)用

胡建根1，陳 波2，李 泉2，李述為3，汪自強(qiáng)2

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014； 2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310014；3.浙江工商大學(xué)，杭州 310018)

針對(duì)超超臨界直流機(jī)組節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，優(yōu)化了機(jī)組協(xié)調(diào)控制方案，實(shí)施結(jié)果表明：通過使用節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，超超臨界直流機(jī)組的鍋爐燃燒工況得到了顯著改善，鍋爐超溫、超壓的次數(shù)明顯減少。

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；超超臨界直流機(jī)組；凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)

0 引言

近年來，隨著能源危機(jī)的加劇，人們不得不在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域探索先進(jìn)的技術(shù)來降低碳排放量和降低能源需求[1]。由于超超臨界直流機(jī)組節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果，因此被廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠中[2]。然而，由于一方面電網(wǎng)希望電廠的功率響應(yīng)能夠更加迅速以及有更大的機(jī)組功率可調(diào)范圍；另一方面電廠則關(guān)注機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，調(diào)峰調(diào)頻會(huì)導(dǎo)致機(jī)組設(shè)備出力的急劇變化，對(duì)機(jī)組的熱力系統(tǒng)帶來沖擊，汽機(jī)調(diào)門節(jié)流增大了蒸汽的壓損，增加電廠運(yùn)營的成本[3]。因此，迫切需要有能兼顧電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻需求與機(jī)組變負(fù)荷安全性、經(jīng)濟(jì)性的新技術(shù)，來彌補(bǔ)當(dāng)前超超臨界直流機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的缺陷。

本文在分析已投產(chǎn)的超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)的節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，并使其機(jī)組實(shí)際功率變化滿足電網(wǎng)考核要求。此外，通過使用節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，超超臨界直流機(jī)組的鍋爐燃燒工況將得到改善，鍋爐超溫、超壓的次數(shù)將顯著減少。

1 超超臨界機(jī)組控制系統(tǒng)主要功能及存在的問題

1.1 機(jī)組控制系統(tǒng)的功能

正常運(yùn)行工況下，控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制鍋爐和汽機(jī)的運(yùn)行，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)下述功能：1)調(diào)度負(fù)荷變化調(diào)節(jié)；2)一次調(diào)頻；3)二次調(diào)頻。

機(jī)組控制系統(tǒng)的品質(zhì)最終決定整個(gè)機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性，包括：1)靈活性，即機(jī)組負(fù)荷變化的能力；2)大沖擊后的穩(wěn)定性，即機(jī)組變負(fù)荷或大的擾動(dòng)后的系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間；3)小沖擊后的穩(wěn)定性，即機(jī)組穩(wěn)態(tài)工況下的穩(wěn)定性、對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的磨損等。

如今上述要求都由機(jī)組的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，采用基于模型的超調(diào)控制和復(fù)雜控制將不可避免。

1.2 傳統(tǒng)控制的問題

燃煤機(jī)組的控制面臨以下問題：

1)磨煤機(jī)磨出煤粉后進(jìn)入爐膛，鍋爐中的熱量釋放是經(jīng)常波動(dòng)的，即便制粉系統(tǒng)在手動(dòng)控制方式下。另外，煤粉的發(fā)熱量也是經(jīng)常變化的。

2)制粉系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性受制于眾多因素，包括煤粉的成分、細(xì)度、濕度和給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速等。

通常，制粉系統(tǒng)的延遲時(shí)間在1 min～幾 min的范圍，上述兩個(gè)問題對(duì)于機(jī)組控制的困擾是顯而易見的，無法重現(xiàn)制粉系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和不精確的鍋爐燃燒控制。傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制最薄弱的環(huán)節(jié)在于，具有高階慣性的鍋爐燃燒系統(tǒng)，卻要控制主汽壓力。鍋爐熱負(fù)荷指令通過制粉系統(tǒng)(數(shù)分鐘的慣性時(shí)間)轉(zhuǎn)換為熱能，這中間要經(jīng)過受熱面換熱、工質(zhì)傳輸，最后鍋爐升壓。這是一個(gè)具有高階慣性的系統(tǒng)，開環(huán)控制會(huì)引起波動(dòng)，必須通過控制器的調(diào)節(jié)才能使系統(tǒng)穩(wěn)定。

2 機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方式

2.1 協(xié)調(diào)控制的思路與方法

要從根本上解決上述問題，應(yīng)將先進(jìn)的控制技術(shù)如：預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等技術(shù)應(yīng)用到火電機(jī)組的優(yōu)化控制中來。先進(jìn)的AGC實(shí)時(shí)優(yōu)化控制系統(tǒng)融合了多種國際上最先進(jìn)的控制技術(shù)，是專門為解決上述火電機(jī)組AGC控制中難點(diǎn)問題而研發(fā)的先進(jìn)控制平臺(tái)，具有較大的理論與現(xiàn)實(shí)意義。其涉及到的具體內(nèi)容包括：

1)獲取超超臨界機(jī)組在不同負(fù)荷下機(jī)組功率變化對(duì)凝結(jié)水流量變化的響應(yīng)時(shí)間、變化幅值和衰減時(shí)間。在不同負(fù)荷下，即使凝結(jié)水流量的變化相同，機(jī)組功率的改變量以及響應(yīng)時(shí)間都有所差異。以1 000 MW超超臨界直流機(jī)組為例，通常機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷段為500～1 000 MW，因此需要獲取機(jī)組正常運(yùn)行負(fù)荷范圍內(nèi)功率變化與凝結(jié)水流量變化的響應(yīng)特性，作為凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷的工作依據(jù)。

2)獲取超超臨界機(jī)組凝結(jié)水流量改變后，凝汽器熱井水位、除氧器水位、各級(jí)低壓加熱器水位的變化情況。一般凝結(jié)水流量減少后，除氧器水位下降，熱井水位上升，低壓加熱器水位先下降后上升。由于除氧器水位、熱井水位直接關(guān)系到機(jī)組安全運(yùn)行，因此，需要獲取機(jī)組正常運(yùn)行負(fù)荷段內(nèi)熱井水位、除氧器水位、低壓加熱器水位對(duì)凝結(jié)水流量變化的響應(yīng)特性。

3)在不同壓力下，需分析凝泵出口調(diào)節(jié)閥的開度與凝結(jié)水流量的函數(shù)關(guān)系。一般凝泵出口配置節(jié)流調(diào)節(jié)閥，正常工況下調(diào)節(jié)閥控制除氧器水位。如果凝泵配置變頻調(diào)節(jié)，則凝泵變頻器控制凝結(jié)水母管壓力，凝泵出口調(diào)節(jié)閥控制除氧器水位。新型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)根據(jù)凝結(jié)水流量與負(fù)荷變化的關(guān)系，將需要改變的凝結(jié)水流量送至凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷模塊。凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷模塊根據(jù)凝結(jié)水流量與凝泵出口調(diào)閥開度的關(guān)系，直接改變凝泵出口調(diào)閥開度。由于凝結(jié)水母管壓力不同，凝泵出口調(diào)閥開度相同，凝結(jié)水流量也相差較大。因此，需要在正常工況下凝結(jié)水母管壓力變化的范圍內(nèi)，獲取凝泵出口調(diào)節(jié)閥流量特性曲線。

4)研究如何合理及時(shí)地恢復(fù)機(jī)組蓄熱。凝結(jié)水節(jié)流利用機(jī)組低壓側(cè)的抽汽蓄熱，幫助機(jī)組在變負(fù)荷初期實(shí)現(xiàn)功率的快速響應(yīng)。但在鍋爐新增燃料已經(jīng)轉(zhuǎn)換為做功的蒸汽后，應(yīng)當(dāng)讓機(jī)組熱力系統(tǒng)內(nèi)的抽汽蓄熱恢復(fù)。具體來說，應(yīng)當(dāng)使除氧器內(nèi)的飽和水、各級(jí)低壓加熱器內(nèi)的飽和水質(zhì)量和焓值恢復(fù)。為了彌補(bǔ)機(jī)組蓄熱的損失，應(yīng)當(dāng)額外增加燃料量。這就需要對(duì)已經(jīng)利用的機(jī)組蓄熱的熱量進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)實(shí)際燃料的熱值校正系數(shù)，計(jì)算出需要額外增加的燃料量。

要真正實(shí)現(xiàn)超超臨界直流機(jī)組汽機(jī)調(diào)門全開無節(jié)流，利用凝結(jié)水流量的改變來改善由于鍋爐燃燒的滯后而產(chǎn)生的負(fù)荷響應(yīng)延時(shí)，在工程上還需要相當(dāng)多的工作要做，特別要注意以下幾點(diǎn)：①負(fù)荷指令如何安全、可靠、合理地送至凝泵出口調(diào)門控制回路；②鍋爐側(cè)燃料、給水等的控制策略的修改和完善，與基于凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)相配套，合理及時(shí)地恢復(fù)機(jī)組的蓄熱；③變負(fù)荷和穩(wěn)態(tài)過程，凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷控制方式的合理切換，保證水位的穩(wěn)定；④需要對(duì)除氧器、凝汽器、低壓加熱器水位控制回路、補(bǔ)水控制進(jìn)行較大的設(shè)計(jì)改進(jìn)與重新調(diào)整。

2.2 具體實(shí)施方案

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式包括理論計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)。理論計(jì)算的依據(jù)包括汽輪機(jī)廠提供的TRL工況下的汽機(jī)熱平衡圖。根據(jù)汽機(jī)熱平衡圖，可以計(jì)算出理論上低壓加熱器全部撤出后，機(jī)組發(fā)電功率短時(shí)間內(nèi)所能增加的最大范圍。

考慮到機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，凝結(jié)水系統(tǒng)受到較多的限制，因此，理論計(jì)算得到的凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷能力要低于實(shí)際值。為了得到實(shí)際機(jī)組運(yùn)行中，凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷的能力，需要做凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷特性試驗(yàn)，理論計(jì)算得到的數(shù)值可以為特性試驗(yàn)做參考。而機(jī)組在不同負(fù)荷段內(nèi)的流量特性、功率響應(yīng)有所不同，凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷的特性試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)分不同的負(fù)荷工況進(jìn)行，以100 MW為一個(gè)斷點(diǎn)，從500～1 000 MW負(fù)荷范圍內(nèi)進(jìn)行凝結(jié)水改變負(fù)荷的特性試驗(yàn)。凝結(jié)水改變負(fù)荷的特性試驗(yàn)完成后，可以在機(jī)組DCS中搭建凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷的功能模塊，該模塊接受來自協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功率指令，輸出為凝泵出口調(diào)節(jié)閥的閥位開度指令。為了確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)機(jī)組的除氧器、凝汽器、低壓加熱器水位控制回路進(jìn)行邏輯優(yōu)化。在完成邏輯優(yōu)化后，進(jìn)行特定的水位擾動(dòng)試驗(yàn)，確保凝結(jié)水流量改變后，除氧器、凝汽器、低壓加熱器的水位控制在安全范圍內(nèi)，除氧器、凝汽器、低壓加熱器液位控制邏輯優(yōu)化，主要是完成快速的前饋回路。凝結(jié)水變負(fù)荷特性試驗(yàn)中，除氧器、凝汽器、低壓加熱器液位調(diào)節(jié)閥的閥位變化可以作為前饋回路的依據(jù)。

節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)下，鍋爐的燃料量、給水量、送風(fēng)量要更加精確，因此，需要做燃燒要素的定位試驗(yàn)。燃燒要素定位試驗(yàn)中，機(jī)組要撤出AGC，因此，需要獲得電網(wǎng)的許可。與凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷特性試驗(yàn)相似，鍋爐燃燒要素的定位試驗(yàn)要在機(jī)組正常運(yùn)行負(fù)荷范圍內(nèi)分段多次進(jìn)行。鍋爐燃燒要素的定位試驗(yàn)完成后，需要再協(xié)調(diào)控制邏輯修改燃料、給水的靜態(tài)分配指令，對(duì)鍋爐燃燒的KICK分量也要重新完善。這主要是考慮到對(duì)機(jī)組熱力系統(tǒng)蓄熱損失的彌補(bǔ)，同時(shí)又不能影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

最后將節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)投入使用，并進(jìn)行多次負(fù)荷擺動(dòng)試驗(yàn)，從而完成對(duì)控制邏輯、控制參數(shù)的優(yōu)化?？梢灶A(yù)見，最終的負(fù)荷擺動(dòng)試驗(yàn)將耗時(shí)數(shù)周。期間需要對(duì)機(jī)組進(jìn)行全范圍內(nèi)的升降負(fù)荷試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)協(xié)調(diào)控制邏輯、凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷邏輯、除氧器水位控制、凝汽器水位控制、低壓加熱器水位控制的邏輯和參數(shù)進(jìn)行修改完善。具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線如圖1所示。

3 應(yīng)用效果

凝結(jié)水節(jié)流模塊投用后，有效地改善了機(jī)組升負(fù)荷的調(diào)節(jié)品質(zhì)。隨著AGC指令的擺動(dòng)，鍋爐燃燒難免會(huì)出現(xiàn)能量不平衡，當(dāng)主汽壓力低于設(shè)定或處于下行過程，一旦AGC指令增負(fù)荷，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷在短時(shí)間內(nèi)往往難以快速上升。凝結(jié)水節(jié)流投用后，一旦凝結(jié)水節(jié)流觸發(fā)，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷有明顯的上升。凝結(jié)水節(jié)流模塊投用后，多次觸發(fā)凝結(jié)水節(jié)流，除氧器液位、熱井、5/6號(hào)低加的液位都控制在安全

范圍內(nèi)。而定閥點(diǎn)滑壓優(yōu)化控制模塊投入后，與另外兩臺(tái)機(jī)組(#1/#2)相比，主機(jī)高壓調(diào)閥的開度明顯提升，有效地降低了調(diào)閥的壓損，降低了機(jī)組的煤耗，結(jié)果見表1。

圖1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線圖

項(xiàng)目數(shù)據(jù)時(shí)間負(fù)荷/MW主汽壓力/MPa調(diào)節(jié)閥開度/%凝結(jié)水流量/(t·h-1)真空/kPa優(yōu)化前2014/4/5 12:40:00—12:50:00604.917.534.81223.3-95.772014/4/2 0:15:00—1:15:00697.720.433.61351.1-96.162014/4/2 19:35:00—20:35:00807.823.734.81570.2-96.252014/4/18 13:35:00—14:35:00904.926.639.21750.9-95.602014/3/22 9:45:00—10:45:00997.726.6100.41920.7-96.41優(yōu)化后2014/10/14 3:11:00—3:21:00595.116.453.01219.1-94.992014/7/8 6:00:00—7:00:00686.719.441.81373.2-93.962014/6/18 7:30:00—8:30:00801.222.941.01602.3-94.092014/10/22 14:30:00—15:30:00898.125.638.01773.0-94.222014/6/11 9:50:00—10:50:00993.326.7100.41952.0-93.81

4 結(jié)語

由此可見，對(duì)于超超臨界機(jī)組在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮各個(gè)子系統(tǒng)，合理采用蓄能技術(shù)、凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)等，提高機(jī)組的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，滿足機(jī)組運(yùn)行和電網(wǎng)的要求。

[1] 馬林東,葛智平.超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在崇信發(fā)電廠中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2014,16(2):142-144.

[2] 吳桐國,王友權(quán).協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在伊敏發(fā)電廠中的應(yīng)用[J].電力技術(shù),2010,19(19):86-90.

[3] 尹峰.超(超超)臨界機(jī)組主汽溫控制系統(tǒng)控制傳遞策略研究與應(yīng)用[J].華北電力,2009,37(4):644-667.

The Application of Energy-saving Type Coordination Control System for Ultra Supercritical Power Generation Unit to Power Station

HU Jian-gen，et al.

(ElectricPowerResearchInstitute，StateGridZhejiangElectricPowerCorporation，Hangzhou310014，China)

The energy-saving type coordination control system for ultra supercritical power generation unit in power station is analyzed in this article，and the commissioning plan of the unit has been optimized.The practice result shows that by using this coordination control system，the working combustion condition of boiler with ultra supercritical power generation unit can be improved，and boiler overheats as well as overpressure are also decreased.

coordination control system；ultra supercritical power generation unit；condensate throttling technology

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.020

2017-01-20

浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012C31G6130003) 杭州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(20152011A09)

胡建根(1966-)，男(漢)，浙江慈溪，高級(jí)工程師 主要研究熱能動(dòng)力工程。

TK229

A

1009-8984(2017)01-0079-03