火電機(jī)組啟動(dòng)優(yōu)化控制技術(shù)研究

摘要：大型火電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程極為復(fù)雜，而且風(fēng)險(xiǎn)較大，火電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中的控制技術(shù)是決定機(jī)組是否能夠成果啟動(dòng)的關(guān)鍵。本文從機(jī)組啟動(dòng)路徑智能規(guī)劃、汽輪機(jī)自啟動(dòng)智能控制、故障智能剔除和蒸汽管道自動(dòng)暖管五個(gè)方面對(duì)火電機(jī)組啟動(dòng)優(yōu)化控制技術(shù)展開(kāi)了分析，對(duì)汽輪機(jī)啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估，實(shí)現(xiàn)了一種不依賴(lài)于熱應(yīng)力模型的汽輪機(jī)自啟動(dòng)控制方式，提出了故障智能剔除方法、蒸汽管道自動(dòng)暖管方法。

關(guān)鍵詞：火電機(jī)組;啟動(dòng);控制技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM621 ???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ???文章編號(hào)：1671-2064（2019）16-0000-00

0 引言

隨著智能控制和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的深入發(fā)展和應(yīng)用，在電力工業(yè)中，該技術(shù)也起到了重要的助推作用。例如，京東集團(tuán)利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)燃煤機(jī)組進(jìn)行了運(yùn)行優(yōu)化并取得了較好的效果。從國(guó)家層面的發(fā)展導(dǎo)向來(lái)看，電力工業(yè)中智能化趨勢(shì)也十分明顯，不僅智能電網(wǎng)已初步建成，智能電廠也逐漸成為火電機(jī)組的主流。這些技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于智能控制技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。

火電機(jī)組由于系統(tǒng)龐大且復(fù)雜，機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中面臨著各種各樣的風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)啟動(dòng)過(guò)程中的控制系統(tǒng)提出了極為苛刻的要求。目前，為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，確保順利啟機(jī)，機(jī)組自啟?？刂萍夹g(shù)根據(jù)火電機(jī)組的啟動(dòng)順序，將啟動(dòng)過(guò)程細(xì)分為多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。雖然隨著技術(shù)的日益成熟，火電機(jī)組啟動(dòng)的成功率明顯提高，但是仍存在不少問(wèn)題。因此，仍需要對(duì)火電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程的控制進(jìn)行優(yōu)化研究。相關(guān)學(xué)者圍繞這一問(wèn)題也展開(kāi)了大量研究，例如，張建玲^[1]等在常規(guī)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)組自啟?？刂葡到y(tǒng)，構(gòu)建了一套火電機(jī)組啟動(dòng)的智能控制系統(tǒng)。王志杰^[2]等為了改善機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中鍋爐過(guò)熱蒸汽氣溫控制效果，提出了一種增量式自適應(yīng)逆控制系統(tǒng)。王志杰^[3]等針對(duì)制粉系統(tǒng)啟停時(shí)機(jī)選擇和啟停順序，利用已有機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中積累的實(shí)踐數(shù)據(jù)建立了火電機(jī)組制粉系統(tǒng)的啟停專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，能夠有效指導(dǎo)火電機(jī)組的啟動(dòng)。這些研究圍繞火電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中面臨的種種問(wèn)題，運(yùn)用智能控制技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)展開(kāi)了深入分析并進(jìn)行了案例闡述。

針對(duì)當(dāng)前火電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程的控制優(yōu)化，本文利用智能規(guī)劃、模糊相似度等智能算法進(jìn)行了探索性分析，旨在找出當(dāng)前火電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中控制優(yōu)化的主要方向和可采取的措施，為火電機(jī)組的啟動(dòng)提供參考。

1 機(jī)組啟動(dòng)路徑智能規(guī)劃

機(jī)組自啟?？刂萍夹g(shù)是在設(shè)定的啟動(dòng)步驟下，按照斷點(diǎn)依次運(yùn)行對(duì)應(yīng)功能組，從而完成整個(gè)火電機(jī)組的啟動(dòng)。在這種啟動(dòng)方式下，每個(gè)啟動(dòng)步驟都需要在上一步驟成功完成以后才能夠執(zhí)行，雖然這一技術(shù)能夠有效提高機(jī)組的啟動(dòng)成功率，但啟動(dòng)時(shí)間則被相應(yīng)的延長(zhǎng)。因此，可以嘗試在現(xiàn)有啟動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，深入分析各步驟啟動(dòng)的條件和特點(diǎn)，對(duì)各環(huán)節(jié)的啟動(dòng)順序和啟動(dòng)時(shí)機(jī)進(jìn)行合理規(guī)劃，以?xún)?yōu)化啟動(dòng)過(guò)程，縮短啟動(dòng)時(shí)間，降低啟動(dòng)成本^[4]。以典型的600MW等級(jí)超臨界機(jī)組的啟動(dòng)過(guò)程為例，現(xiàn)有機(jī)組自啟?？刂萍夹g(shù)將啟動(dòng)過(guò)程劃分為33個(gè)功能組，啟動(dòng)過(guò)程中各功能組相對(duì)獨(dú)立。下面將嘗試運(yùn)用智能規(guī)劃算法，在確保機(jī)組啟動(dòng)成功率的基礎(chǔ)上，以最小化啟動(dòng)時(shí)間為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化分析。

目標(biāo)函數(shù)即為整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程所耗費(fèi)的時(shí)間最短。同時(shí)，為了確?；痣姍C(jī)組啟動(dòng)的成功率，需要設(shè)定以下約束條件：

（1）啟動(dòng)方式。對(duì)于火電機(jī)組的啟動(dòng)，分為冷態(tài)啟動(dòng)、溫態(tài)啟動(dòng)、熱態(tài)啟動(dòng)和極熱態(tài)啟動(dòng)四種方式。對(duì)于自啟停技術(shù)，需要首先根據(jù)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的相關(guān)參數(shù)確定合適的啟動(dòng)方式，以配套合適的啟動(dòng)條件。（2）功能組關(guān)聯(lián)性。為了確保所有啟動(dòng)環(huán)節(jié)都能夠順利啟動(dòng)，在啟動(dòng)過(guò)程中需要明確各功能組之間的關(guān)聯(lián)系。對(duì)于關(guān)聯(lián)系較強(qiáng)的功能組，需要明確哪些功能組應(yīng)先啟動(dòng)，哪些功能組應(yīng)后啟動(dòng)。對(duì)于關(guān)聯(lián)性較弱的功能組，需要明確合適的啟動(dòng)時(shí)機(jī)，對(duì)于啟動(dòng)時(shí)間相近的功能組可以考慮進(jìn)行并行啟動(dòng)，以節(jié)省啟動(dòng)時(shí)間。（3）設(shè)備狀態(tài)。為了應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜情況，并且實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化。在啟動(dòng)過(guò)程中，需要對(duì)功能組的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于已經(jīng)啟動(dòng)完成的功能組，則不需要再執(zhí)行啟動(dòng)程序，而應(yīng)將對(duì)應(yīng)的決策變量置為0。

2 汽輪機(jī)自啟動(dòng)智能控制

在火電機(jī)組的啟動(dòng)過(guò)程中，汽輪機(jī)啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間相對(duì)較常，而且對(duì)啟動(dòng)條件要求較為苛刻。尤其是汽輪機(jī)的冷啟動(dòng)，啟動(dòng)過(guò)程中，暖機(jī)過(guò)程不僅耗時(shí)長(zhǎng)而且需要嚴(yán)格控制熱應(yīng)力問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)引進(jìn)的啟動(dòng)技術(shù)中，汽輪機(jī)熱力應(yīng)問(wèn)題仍較為突出，通常只能通過(guò)犧牲啟動(dòng)時(shí)間為代價(jià)。針對(duì)這一問(wèn)題，本文將汽輪機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程劃分為多步驟進(jìn)行，并運(yùn)用模糊數(shù)相似度算法對(duì)各啟動(dòng)步驟的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)估和管控，從而有效控制了汽輪機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的熱應(yīng)力問(wèn)題，減少了汽輪機(jī)啟動(dòng)過(guò)程所消耗的時(shí)間。

（1）啟動(dòng)步序設(shè)計(jì)。從啟動(dòng)順序來(lái)看，汽輪機(jī)的啟動(dòng)步驟大同小異，但因機(jī)組類(lèi)型不同也略微存在一定差異。以哈汽設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的典型600MW等級(jí)汽輪機(jī)為例，該汽輪機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程可分為掛閘、運(yùn)行、一次升速、摩擦檢查、二次升速、中速暖機(jī)、三次升速、閥切換、四次升速等步驟。為了進(jìn)行界定，為每個(gè)啟動(dòng)步驟都設(shè)定了嚴(yán)格的啟動(dòng)條件和完成指標(biāo)。在啟動(dòng)過(guò)程中，各步驟根據(jù)監(jiān)測(cè)參數(shù)判斷是否滿(mǎn)足啟動(dòng)條件，如果滿(mǎn)足則執(zhí)行啟動(dòng)操作，判斷是否達(dá)到了啟動(dòng)完成指標(biāo)，如果達(dá)到則依次啟動(dòng)下一步驟。（2）安全風(fēng)險(xiǎn)分析。結(jié)合汽輪機(jī)的啟動(dòng)特性，啟動(dòng)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)主要包括主蒸汽溫度偏低、軸向位移大、超速、凝汽器真空低、軸承溫度高、抗燃油壓力低、排汽溫度高、軸振大等12類(lèi)主要風(fēng)險(xiǎn)。為了對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)提前預(yù)估，需要利用現(xiàn)有機(jī)組大量的實(shí)踐數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，找出各啟動(dòng)狀態(tài)下發(fā)生各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)的概率。在這個(gè)過(guò)程中，重在積累實(shí)踐數(shù)據(jù)和建立智能分類(lèi)模型，當(dāng)建立好智能分類(lèi)模型后，可以利用該模型實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽輪機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)生各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)的概率，當(dāng)預(yù)估的啟動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)在設(shè)定的閾值之內(nèi)時(shí)，可以按照設(shè)定程序依次進(jìn)行啟動(dòng)操作，當(dāng)預(yù)估的啟動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)超出設(shè)定的閾值時(shí)，則提出警告并給出操作建議，操作人員則需要根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)情況采取對(duì)應(yīng)措施。

3 故障智能剔除

機(jī)組自啟?？刂萍夹g(shù)在正常的啟動(dòng)過(guò)程中，一般按照設(shè)定的順序?qū)ο鄳?yīng)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作控制，即設(shè)備的每個(gè)動(dòng)作都需要在控制設(shè)備接收到正確的反饋信號(hào)之后再進(jìn)行動(dòng)作。但由于火電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程環(huán)節(jié)眾多，設(shè)備眾多，而且還面臨各種不確定因素，因此，在實(shí)際啟動(dòng)過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)設(shè)備動(dòng)作不到位，信號(hào)反饋不準(zhǔn)確等問(wèn)題，這些都會(huì)對(duì)正常的機(jī)組自啟停控制帶來(lái)嚴(yán)重干擾，甚至導(dǎo)致機(jī)組自啟?？刂七^(guò)程不能正常運(yùn)行。為了消除這些因素的影響，需要增大機(jī)組自啟?？刂萍夹g(shù)的魯棒性，而簡(jiǎn)單增加魯棒性會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)上升，因此，可以嘗試運(yùn)用仿人智能控制方法，通過(guò)對(duì)實(shí)踐運(yùn)行數(shù)據(jù)的深入挖掘，對(duì)啟動(dòng)過(guò)程中設(shè)備動(dòng)作不到位或者信號(hào)反饋不準(zhǔn)確等問(wèn)題進(jìn)行智能識(shí)別。例如，對(duì)于未能在設(shè)定時(shí)間內(nèi)接收到正確反饋信號(hào)的問(wèn)題，可以啟動(dòng)智能識(shí)別程序，通過(guò)監(jiān)測(cè)的相關(guān)設(shè)備參數(shù)判斷該問(wèn)題是由于設(shè)備故障還是反饋信號(hào)故障導(dǎo)致的。對(duì)于反饋信號(hào)提前存在的問(wèn)題，則需要通過(guò)相關(guān)設(shè)備的監(jiān)測(cè)參數(shù)判斷對(duì)應(yīng)的動(dòng)作是已經(jīng)完成了還是反饋信號(hào)有誤。通過(guò)故障的智能剔除，可以有效增強(qiáng)機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中的容錯(cuò)率，從而更好地指導(dǎo)火電機(jī)組的啟動(dòng)。

通過(guò)增加故障智能剔除環(huán)節(jié)，可以智能識(shí)別出大量信號(hào)故障和設(shè)備故障，減少各種不確定因素對(duì)火電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程的干擾，避免啟動(dòng)過(guò)程中因某些故障導(dǎo)致啟動(dòng)中斷等問(wèn)題的發(fā)生，提高火電機(jī)組的啟動(dòng)效率。

4 蒸汽管道自動(dòng)暖管

隨著火電機(jī)組容量和參數(shù)的日益提高，機(jī)組的熱力系統(tǒng)日益復(fù)雜，熱力系統(tǒng)中包含了大量的管道，而且相當(dāng)對(duì)的管道都工作在高溫高壓的環(huán)境下，為了確保啟動(dòng)安全，需要提前對(duì)熱力系統(tǒng)的管道進(jìn)行暖管處理，以減少受熱不均導(dǎo)致的管路損壞等問(wèn)題。由于熱力系統(tǒng)管道錯(cuò)綜復(fù)雜，目前對(duì)于這部分的工作仍較多的由人工進(jìn)行操作，包括管路的疏水，進(jìn)氣閥門(mén)的開(kāi)度很多都是依靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制，這使得暖管工作不僅需要消耗大量的熱力，而且耗時(shí)較長(zhǎng)。另外，暖管工作對(duì)工作人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高，而實(shí)際操作過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)由于人工的操作不當(dāng)導(dǎo)致管路損壞的情況。針對(duì)人工暖管存在的種種問(wèn)題，在充分梳理熱力系統(tǒng)中管路暖管要求的基礎(chǔ)上，提出了一套智能暖管方案。首先整理大量暖管過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并利用智能算法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，找出各啟動(dòng)參數(shù)下合理的暖管操作。通過(guò)智能暖管控制，不僅可以節(jié)省大量人力物力，而且還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控管暖狀態(tài)。具體的蒸汽管道自動(dòng)暖管控制流程如下：

（1）監(jiān)測(cè)相應(yīng)的啟動(dòng)參數(shù)，判斷是否啟動(dòng)待暖管蒸汽管道的疏水閥門(mén)。當(dāng)條件滿(mǎn)足時(shí)，啟動(dòng)暖管程序，打開(kāi)疏水閥門(mén)。（2）監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)蒸汽管道的出口溫度，根據(jù)出口溫度的變化速率給出蒸汽管道進(jìn)汽閥門(mén)開(kāi)度控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管路進(jìn)氣閥門(mén)的控制。（3）根據(jù)出口溫度的變化速率和進(jìn)汽閥門(mén)開(kāi)度確定暖管需要等待的時(shí)長(zhǎng)，然后進(jìn)行相應(yīng)的暖管操作。（4）監(jiān)測(cè)暖管的相應(yīng)指標(biāo)，判斷暖管指標(biāo)是否已經(jīng)達(dá)到完成條件，如果達(dá)到則完成暖管動(dòng)作，如果仍未達(dá)到，則執(zhí)行步驟（5）。（5）根據(jù)蒸汽管道出口溫度的變化速率確定下一步動(dòng)作，如果變化速率平緩，則跳轉(zhuǎn)到步驟（2），加大進(jìn)氣閥門(mén)開(kāi)度，然后再進(jìn)行一段時(shí)間的暖管操作;如果變化速率不平緩，則跳轉(zhuǎn)到步驟（4），不進(jìn)行閥門(mén)開(kāi)度動(dòng)作，繼續(xù)監(jiān)測(cè)暖管的相應(yīng)指標(biāo)是否達(dá)到了完成條件。

5 結(jié)語(yǔ)

火電機(jī)組啟動(dòng)控制是火電機(jī)組的核心技術(shù)之一。本文圍繞當(dāng)前火電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中耗時(shí)偏長(zhǎng)的問(wèn)題，進(jìn)行啟動(dòng)控制優(yōu)化分析。一方面，對(duì)于關(guān)聯(lián)性較弱而且啟動(dòng)時(shí)機(jī)相近的啟動(dòng)環(huán)節(jié)進(jìn)行并行動(dòng)作，以節(jié)省啟動(dòng)時(shí)間;另一方面，通過(guò)剔除啟動(dòng)過(guò)程中因信號(hào)故障或設(shè)備故障而導(dǎo)致的啟動(dòng)延時(shí)或者啟動(dòng)中斷，提高啟動(dòng)效率。另外，重點(diǎn)分析了火電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中耗時(shí)較長(zhǎng)的汽輪機(jī)啟動(dòng)環(huán)節(jié)和熱力管道暖管環(huán)節(jié)，這些都為火電機(jī)組啟動(dòng)優(yōu)化提供了新的思路。研究過(guò)程中利用了智能控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，能夠有效地指導(dǎo)火電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中的控制優(yōu)化。

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收稿日期：2019-07-10

作者簡(jiǎn)介：韓洛奇（1974—），男，河北保定人，本科，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，高級(jí)工程師，研究方向：熱力工程自動(dòng)化。

?（1986—），男，漢族，廣東河源人，工程師，本科，研究方向：輸配電運(yùn)行與檢修。