火電機組變負荷運行特性及節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)分析

國電懷安熱電有限公司運行部 吳啟光

調(diào)查研究表明，現(xiàn)階段多數(shù)火電機組都是根據(jù)所給定參數(shù)、跟蹤負荷進行自動運轉(zhuǎn)，變負荷運行狀態(tài)無法得到保證。針對電力體制展開的改革，將電廠劃分至獨立經(jīng)濟實體的陣營，只有根據(jù)變負荷運行的特性，從節(jié)能的角度出發(fā)，對變負荷運行進行優(yōu)化，才能降低生產(chǎn)成本，最大程度增加電廠所獲經(jīng)濟效益。

1 火電機組變負荷運行現(xiàn)狀

不斷增加的電力裝機容量和用電負荷峰谷差，導致多數(shù)火電機組在日常工作中均處于低負荷運行狀態(tài)，在變負荷工況下，機組控制特性、能耗特性均會發(fā)生變化，基于機組額定工作所設(shè)計的控制和運行系統(tǒng)，無法滿足安全經(jīng)濟運行所提出的要求。由此可見，在較寬變工況的范圍內(nèi)綜合考慮能耗特性，對優(yōu)化控制系統(tǒng)進行研究，具有突出的理論價值與應用價值。

首先，在市場經(jīng)濟不斷發(fā)展的背景下電力市場發(fā)生轉(zhuǎn)變是必然選擇，雖然圍繞火電機組所展開的研究正在向著更廣、更深的方向發(fā)展，但仍舊存在尚未解決的問題，如發(fā)電設(shè)備種類多樣、系統(tǒng)復雜，運行負荷、方式和環(huán)境都會給能耗帶來一定影響，現(xiàn)有測量技術(shù)在測量給水流量、蒸汽流量時，難以保證測量結(jié)果的準確性，不同初壓和運行方式往往會給能耗規(guī)律帶來不同影響等，其中能夠直接影響能耗的因素為噴水減溫[1]。

其次，由于再熱汽溫是鍋爐設(shè)備所固有的特性，因此，從理論角度對其進行分析的難度較大，應當引起重視。而不斷提升的自動化程度為DCS的應用提供了廣闊空間，如何將能耗分析結(jié)構(gòu)與控制進行結(jié)合獲得準確的控制定制，也是需要解決的問題。

最后，滑壓運行的優(yōu)勢主要是具有良好的內(nèi)效率，不同火電機組和負荷所對應內(nèi)效率往往存在顯著差異，也就是說，僅僅憑借傳統(tǒng)的PID控制方式無法保證控制回路始終處于優(yōu)化整定狀態(tài)下，對被控對象的特性進行辨識自然很有必要，換言之，要想提高控制系統(tǒng)所具有性能，關(guān)鍵是鑒定并優(yōu)化控制器參數(shù)。

2 節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計

熱能動力領(lǐng)域的研究內(nèi)容，始終集中在發(fā)電機組調(diào)峰運行、變工況計算等方面，遠離設(shè)計工況后，對系統(tǒng)熱經(jīng)濟性進行分析，提供相應的運行指導，對工程實踐具有突出的意義。

2.1 建立模型

精準機組耗差。傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)存在修正曲線不準確、流量參數(shù)測量難度大等問題，因此應針對上述情況對如下數(shù)學模型進行開發(fā)：首先，由于系統(tǒng)能耗率與小汽水流量、熱力學參數(shù)、熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，主蒸汽流量帶來的影響微乎其微，因此對熱經(jīng)濟狀態(tài)方程進行開發(fā)很有必要，這樣做可以使系統(tǒng)節(jié)能分析效率得到提高；其次，以弗留格爾公式、斯陀托拉實驗為依據(jù)對末級流動狀態(tài)進行判別，以變工況理論為參考對濕蒸汽區(qū)進行計算，這樣做的好處是無需迭代便可獲得準確的抽汽焓、排汽焓值；最后，由于運行狀態(tài)是系統(tǒng)擾動所得，因此可按照特定順序逐一將擾動解除，再對能耗率進行計算。實踐證明，這樣做可提高能損偏差具有的準確度。

鍋爐經(jīng)濟分析。以負荷相同為前提，低負荷運行給熱經(jīng)濟帶來的影響需要引起重視，雖然降低初壓能夠降低熱效率卻會增加熱耗率，另外降低排汽溫度能夠使低壓缸效率始終維持在較高的水平，汽輪機排汽干度也會有所增加，這十分有利于尾部內(nèi)效率的增加。傳統(tǒng)反平衡方法的參考依據(jù)主要是運行結(jié)果，在此基礎(chǔ)上通過測定運行參數(shù)、計算損失的方式確定出鍋爐熱效率，但所得出結(jié)果既無法對損失出現(xiàn)的原因進行反映，又不利于耗差分析、優(yōu)化控制等工作的開展。設(shè)計人員深入研究燃燒理論、鍋爐運行原理，綜合考慮工況變化與鍋爐效率的關(guān)系、煤質(zhì)特性，最終開發(fā)出以下模型：解析評估不完全燃燒所帶來損失；解析評估排煙應達溫度；過量空氣系數(shù)的最佳值；在線計算鍋爐效率的方法[2]。

汽輪機最優(yōu)運行。任意負荷都有蒸汽初壓、調(diào)節(jié)汽門開度與之對應，計算公式為N=f（PO-Fk），其中PO對應蒸汽初壓，F(xiàn)k對應調(diào)節(jié)汽門開度；如果機組能夠滿足設(shè)計要求，計算公式為Nd=f（POd-Fkd），在負荷逐漸降低的前提下，如蒸汽初壓保持不變僅對調(diào)節(jié)汽門開度進行改變，則為“純定壓運行”，如果調(diào)節(jié)門開度保持不變，則為“純滑壓運行”。待純定壓運行的機組負荷降低到特定數(shù)值后，用POS表示初壓，隨后無論負荷降低與否初壓PO始終與POS持平，只需對調(diào)節(jié)門開度進行改變即可，這種方式即為“定-滑運行”。在特定運行環(huán)境下，對可行壓力區(qū)間加以確定，再綜合考慮其他因素完成試算區(qū)間壓力的任務(wù)，確定作為比較基準的熱經(jīng)濟指標，獲得與之相符的主蒸汽壓力，此壓力不僅是最佳壓力還是最優(yōu)運行初壓，在此基礎(chǔ)上方可對負荷與最優(yōu)初壓的關(guān)系進行確定。

機組控制模型。運用機理法，對熱力設(shè)備、系統(tǒng)所適用動態(tài)數(shù)學模型進行建立，對自定義函數(shù)進行編制，建立以除氧器、爐膛換熱、汽機本體等為主要內(nèi)容的模型算法庫。運用機理法所建立的模型，可對機組非線性進行直觀反映，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在更接近實際的方面，這也為設(shè)計先進控制算法及相關(guān)工作的開展提供了通用平臺，設(shè)計人員若想保證所設(shè)計模型符合特定機組的特點和需求，應根據(jù)現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)對修正數(shù)據(jù)的方法進行開發(fā)，在完成建模工作后，以設(shè)計參數(shù)為依據(jù)對熱力設(shè)備、模型系統(tǒng)進行計算，組建子系統(tǒng)模型，為整體動態(tài)模型的形成提供幫助。

圖1 系統(tǒng)方案

魯棒性的分析。由于模型的精確性難以得到保證，因此所設(shè)計控制系統(tǒng)具有魯棒性很有必要，如何提高控制系統(tǒng)魯棒性同樣是研究的主要方向，常規(guī)控制所強調(diào)的主要是優(yōu)化單一控制系統(tǒng)的性能指標，節(jié)能優(yōu)化的重要性始終沒有得到重視，這就要求設(shè)計人員定義對魯棒性加以表示的指標用來反映環(huán)路魯棒性、系統(tǒng)相互作用，實踐證明，分別整定能夠使回路靈活性得到顯著提高。如果對串級控制整定進行評價的指標存在高頻峰值過大的問題，應將內(nèi)環(huán)魯棒性調(diào)低，如果指標高頻峰值過小，則應將外環(huán)魯棒性調(diào)低，一般來說指標在3～5的范圍內(nèi)所取得魯棒性更加符合預期。

2.2 系統(tǒng)運行

某電廠所運用機組為300MW，控制系統(tǒng)為Symphony，多數(shù)機組參數(shù)都已經(jīng)進入了DCS，但以主要輔機的功率信號為代表的部分參數(shù)尚未進入，需要運用電能變送器采集，再通過通信線路進行傳送。

2.2.1 實現(xiàn)方案

該機組是由多個子系統(tǒng)和設(shè)備共同組成的生產(chǎn)系統(tǒng)，因此對其優(yōu)化需涉及多方面內(nèi)容，其中需要引起重視部分是機組啟停、變負荷運行，另外，受控對象的特點主要為耦合、非線性和時變性，只有充分運用魯棒控制、時延補償?shù)确绞讲拍芴岣呋A(chǔ)控制的有效性，在此基礎(chǔ)上對人工智能進行有選擇地運用，可以得到事半功倍的效果[3]。

實現(xiàn)本系統(tǒng)的前提是對機組運行數(shù)據(jù)進行實時獲取，如溫度、流量等過程參數(shù)，煤發(fā)熱量等離線分析數(shù)據(jù)，如何可靠、準確地將數(shù)據(jù)向計算機進行傳送，為分析、運算等工作的開展提供依據(jù)，自然成為設(shè)計人員考慮的首要問題。綜合多方因素，最終確定實現(xiàn)方案見圖1，該方案將所獲得實時數(shù)據(jù)應用在了以下領(lǐng)域：耗差分析、優(yōu)化控制系統(tǒng)；向分析耗差的服務(wù)器進行上傳，為分析結(jié)果的查詢及顯示提供便利。實踐證明，該分析器的引進使系統(tǒng)與實時數(shù)據(jù)的隔離成為現(xiàn)實，應當引起重視，只有以SIS為平臺將WinIS與分析系統(tǒng)進行連接，才能保證操作員、工程師及時獲得操作指導信息和計算分析結(jié)果。

2.2.2 方案特點

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)十分合理，將SIS加設(shè)在MIS和控制網(wǎng)絡(luò)之間，在滿足耗差分析系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集所具有實時性要求的基礎(chǔ)上，有效規(guī)避了MIS穩(wěn)定性差給系統(tǒng)帶來的影響；現(xiàn)階段將自動化系統(tǒng)分為MIS和SIS的方法在電力領(lǐng)域已經(jīng)得到了推廣和運用，其中SIS的作用主要是處理實時數(shù)據(jù)、監(jiān)管生產(chǎn)過程、分析故障原因、調(diào)度經(jīng)濟負荷等；可根據(jù)使用者需求有選擇性地提供操作界面，如操作員、工程師對操作界面的需求主要是可靠、實時且內(nèi)容詳實，管理員對操作界面的需求則是簡潔、使用簡單。

2.2.3 應用分析

建立精準機組耗差的分析模型，使電廠對熱力系統(tǒng)所具有經(jīng)濟性進行監(jiān)測時面臨的問題得到了有效解決，提高了在線計算經(jīng)濟指標的準確性、找出能耗偏差的效率；在對變負荷特性進行研究時，根據(jù)蒸汽初壓與熱經(jīng)濟性的關(guān)系，對鍋爐經(jīng)濟分析模型、汽輪機運行模型進行了建立，為機組優(yōu)化運行目標的實現(xiàn)提供了理論依據(jù)；運用機理法對機組控制模型進行了建立，使熱工過程所對應非線性關(guān)系以更直觀的方式加以呈現(xiàn)；深入研究魯棒整定的問題，確定取得良好魯棒性所對應魯律性指標，為控制的快速性、穩(wěn)定性提供保證；分析變負荷特性、優(yōu)化控制系統(tǒng)，根據(jù)工程機組實況對實施控制系統(tǒng)的方案進行了提出，充分結(jié)合耗差節(jié)能分析和優(yōu)化控制，保證火電機組既能夠以電網(wǎng)需求為依據(jù)展開運行，又具備提高電廠經(jīng)濟效益的價值，另外人員勞動強度也可以得到相應的減輕。