660MW超臨界機組深度調(diào)峰自動控制技術(shù)研究

韓院臣

（國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

火力發(fā)電廠的深度調(diào)峰用于穩(wěn)定電網(wǎng)，這一操作對系統(tǒng)中各個設(shè)備的運行提出了考驗，鍋爐的循環(huán)水管路、給水泵、汽輪機等都會受到很大的影響?；贒CS和現(xiàn)代化傳感器的自動控制技術(shù)可提高深度調(diào)壓的控制能力，減少人為監(jiān)護時的風險和難度，研究自動化控制技術(shù)在深度調(diào)峰中的應(yīng)用具有重要的工程意義。

1 深度調(diào)峰面臨的主要難點

1．1 對鍋爐循環(huán)水管路的影響

鍋爐的水循環(huán)系統(tǒng)工作在高溫、高熱環(huán)境之下，只有不斷實施低溫水循環(huán)，才能確保這些管路的安全性，通過其水循環(huán)系統(tǒng)的冷卻水必須達到足夠的流量，否則冷卻效果難以保障。在深度調(diào)峰的過程中，機組負荷會發(fā)生變化，一旦其負荷值降低到正常水平的30%，循環(huán)水系統(tǒng)中個別管路的水流量就會有所下降，且水的分布也是不均衡的，鍋爐系統(tǒng)中的換熱管道在這種情況下可能因為溫度過高而爆管，換言之，深度調(diào)峰時爆管的風險將大幅度上升。此外，在深度調(diào)峰時，鍋爐燃燒室的供熱量并沒有出現(xiàn)大幅度下降，但供給鍋爐的水量卻可能出現(xiàn)顯著的下降，由此帶來的風險是鍋爐中部分受熱面不能獲得有效的水冷降溫，進而產(chǎn)生大面積的過熱現(xiàn)象，典型的位置如水冷壁[1]。

1．2 對給水泵的影響

超臨界機組的給水泵用于給系統(tǒng)中的鍋爐供水，如果系統(tǒng)僅僅采用單臺給水泵的配置方案，一旦其出現(xiàn)故障，鍋爐給水將中斷，可靠性和安全性都很差。鑒于此，在工程實踐中一般采用雙給水泵的配置方案，單臺供水能力即可滿足系統(tǒng)需求，配置兩臺給水泵時，每一臺僅僅使用50%的額定流量。并聯(lián)運行的兩臺給水泵在深度調(diào)峰的情況下會出現(xiàn)給水量顯著下降的情況，而給水泵中設(shè)置有專門的再循環(huán)保護閥。為了有效避免這兩臺給水泵爭奪水資源，當水量下降到一定程度時，需打開再循環(huán)保護閥，但是給水流量經(jīng)過這一操作，可能產(chǎn)生波動，鍋爐系統(tǒng)對給水流量設(shè)置了安全保護值，深度調(diào)峰操作也可能引發(fā)機組跳閘[2]。

1．3 對汽輪機葉片的影響

火電廠汽輪機低壓缸末級葉片的工作環(huán)境相對比較苛刻，其動力來自于濕熱高溫的蒸汽，在其推動之下高速旋轉(zhuǎn)，將機械能轉(zhuǎn)化成電力能源。高溫蒸汽作用于金屬材料，可產(chǎn)生一定的腐蝕作用，而汽輪機高速運轉(zhuǎn)的過程中會產(chǎn)生非常劇烈的離心作用力。深度調(diào)峰操作會大幅度減少蒸汽量，進而在個別部位產(chǎn)生回流，水沖蝕作用會因此而作用在末級葉片上，進而導(dǎo)致其按照一定的周期，反復(fù)地震顫。葉片的邊緣部位在這種作用之下會產(chǎn)生變形，造成其邊緣部位呈現(xiàn)出凹凸不平的特點，葉片的使用壽命會因此而大幅降低[3]。

1．4 對機組壽命的影響

汽輪機的使用壽命主要決定于其轉(zhuǎn)子，從汽輪機投產(chǎn)運行開始算起，轉(zhuǎn)子受到各種因素的影響，第一次出現(xiàn)了肉眼可見的裂縫，整個過程經(jīng)歷的時間長度就是汽輪機的使用壽命。造成汽輪機受損的原因主要包括兩大類，第一類是蠕變耗損，第二類是疲勞耗損。造成蠕變耗損的主要原因是轉(zhuǎn)子的工作過程中會受到長期的應(yīng)力侵蝕，并且在熱蒸汽的高溫作用下，易產(chǎn)生熱脹冷縮效應(yīng)。疲勞耗損的成因是轉(zhuǎn)子在運行過程中不斷地經(jīng)歷開啟和停止，而這兩個階段性的過程很容易導(dǎo)致其產(chǎn)生機械疲勞。根據(jù)常用啟動方式及其在所有啟動次數(shù)中的占比，可計算出汽輪機組在特定時間內(nèi)的總循環(huán)使用壽命，常見啟動方式包括冷態(tài)啟動、溫態(tài)啟動、熱態(tài)啟動等。機組在深度調(diào)峰狀態(tài)下的運轉(zhuǎn)會產(chǎn)生顯著的負荷波動，而這種波動增加了汽輪機組使用壽命的耗損速度[4]。

2 自動化控制技術(shù)在深度調(diào)峰中的應(yīng)用

2．1 自動化調(diào)控的注意事項

第一，DCS系統(tǒng)的深度調(diào)峰基礎(chǔ)邏輯不完善。國內(nèi)火力發(fā)電機組大多以啟停方式來控制，一般是在額定發(fā)電負荷50%以下時操作。DCS控制系統(tǒng)在這一負荷狀態(tài)下沒有實施過有效的連續(xù)控制，并且DCS在設(shè)計時也沒有充分考慮電力調(diào)峰方面的需求?；芈返姆€(wěn)定會受到汽包水位以及給水流量等因素的影響。DCS系統(tǒng)通常在中高負荷情況下運行良好，但是深度調(diào)峰時，負荷水平大幅降低，給水、燃料、配風等運行條件都不易控制[5]。

第二，脫硝排放的控制問題。660MW火電機組在運行過程中要采用多種技術(shù)方式來去除氮氧化物，也就是脫硝。常用的技術(shù)方法為降低煤炭中的氮含量（低氮燃燒），另一種技術(shù)路線是SCR，通過催化還原的方式減少氮含量[6]。實現(xiàn)以上幾種工況，須加強鍋爐運行過程中的配風控制，當工況發(fā)生變換時，相應(yīng)的配風也要隨之做出調(diào)整。深度調(diào)峰時，負荷變化范圍較大，相對于穩(wěn)態(tài)燃燒過程，這一階段的氮氧化物排放量會顯著增加。在這種情況下，依靠人工方式來配風難以滿足不同工況切換時的需求，基于DCS自動化控制系統(tǒng)來實現(xiàn)這一功能，將更加科學(xué)有效。

第三，低負荷下的穩(wěn)燃控制。深度調(diào)峰所造成的低負荷運行對鍋爐系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)燃燒造成了很大的影響，給水量下降導(dǎo)致燃料供應(yīng)也要隨之變化，由此將引發(fā)一系列變動。依靠人工管理模式控制時，難以做到及時、精確而有效地控制，在這樣的背景下，引入自動化控制方式[7]。在深度調(diào)峰的低負荷狀態(tài)之下，借助DCS自動化控制系統(tǒng)盡可能實現(xiàn)燃料、氧量、配風以及制粉等過程的精確控制，使系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)有效的協(xié)調(diào)。

2．2 深度調(diào)峰的自動化控制策略

第一，優(yōu)化DCS的基礎(chǔ)控制邏輯。1）優(yōu)化連鎖保護。在660MW臨界機組開展深度調(diào)峰的操作時，機組中各個設(shè)備的運行狀態(tài)逐漸接近其臨界值，系統(tǒng)中原本就設(shè)置了一系列保護措施，在超過安全閾值的情況下會觸發(fā)這些保護動作，導(dǎo)致跳閘，造成深度調(diào)峰過程中斷，影響系統(tǒng)安全。為了避免這種問題，在調(diào)峰之前改變原有的保護設(shè)置，根據(jù)保護措施的作用，只要不威脅到安全，就可以在超過閾值后不觸發(fā)具體的操作，僅僅發(fā)出報警信息即可[8]。2）優(yōu)化過程控制。深度調(diào)峰下的機組在安全運行的邊界稍有不慎就可能引發(fā)一定的安全風險，依靠人工管理模式來實現(xiàn)全面監(jiān)控是難以滿足需求的。主要原因在于深度調(diào)峰時，系統(tǒng)運行負荷低于額定負荷，存在較多的非線性變化。所以在管理過程中借助DCS系統(tǒng)的優(yōu)化來提升自動化監(jiān)控，在技術(shù)條件允許的情況下可將現(xiàn)階段應(yīng)用廣泛的人工智能算法以及預(yù)測算法等應(yīng)用進去。3）測量校正的優(yōu)化控制。系統(tǒng)在額定工況下運行時通常能有效控制氧量、配風、燃料以及水蒸汽的壓力等參數(shù)，但是在深度調(diào)壓的情況下，這些參數(shù)都不太穩(wěn)定，并且負荷水平的下降導(dǎo)致這些參數(shù)的測量精度出現(xiàn)大幅下降。自動控制系統(tǒng)在運行過程中應(yīng)該對這些重要的參數(shù)實施自動化監(jiān)控，必要時對其進行一定的補償。

第二，低負荷條件下的穩(wěn)態(tài)燃燒控制策略。負荷水平的降低造成火電系統(tǒng)安全風險上升，為了防止鍋爐爆管、局部過熱或者供能中斷等問題，全面提高低負荷條件下的穩(wěn)態(tài)燃燒，圖1中展示了爐前穩(wěn)燃－精細化燃燒的調(diào)優(yōu)技術(shù)策略。在自動化深度調(diào)峰階段應(yīng)該加強制煤系統(tǒng)的調(diào)控，煤粉的破碎程度、單位流量以及供氧量等參數(shù)都要進行嚴格的調(diào)控。同時還要關(guān)注以下問題：1）低負荷狀態(tài)下，煤粉的含量較低，此時要確保穩(wěn)態(tài)燃燒，就應(yīng)該精確掌握煤粉和配風參數(shù)，因此，安裝測量精度高的風粉檢測裝置是實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵措施，技術(shù)上推薦使用基于靜電感應(yīng)原理的在線檢測裝置，已實現(xiàn)自動化監(jiān)測的目的。2）優(yōu)化一、二次配風。鍋爐系統(tǒng)的煤粉輸送主要依靠一次風來完成，因而一次風的煤粉含量要具備良好的工況適應(yīng)性，在深度調(diào)峰時，工況切換較為頻繁，此時一次風應(yīng)該適應(yīng)這種變化。在深度調(diào)峰的低負荷條件之下，爐膛內(nèi)的燃料、配風等分布不均勻，有些位置濃度高，有些位置濃度低，此時的二次配風應(yīng)該根據(jù)鍋爐在低負荷條件下的燃燒特點合理控制其自身的分布。在自動化調(diào)控中應(yīng)該引入智能化的調(diào)控技術(shù)，甚至可借助機器學(xué)習等方式，使用科學(xué)的數(shù)據(jù)訓(xùn)練出自動化調(diào)控的模型。

圖1 爐前穩(wěn)燃－精細化燃燒調(diào)優(yōu)措施

第三，變負荷速率的調(diào)控。1）智能實時滑壓控制技術(shù)。機組負荷要實現(xiàn)快速的升降，就必須確保其蓄熱水平。在深度調(diào)峰時，應(yīng)用智能實時滑壓控制技術(shù)可使鍋爐的蓄熱水平控制在良好的范圍之內(nèi)，汽輪機組即可實現(xiàn)快速調(diào)壓。2）凝結(jié)水輔助負荷調(diào)節(jié)技術(shù)。這種技術(shù)的核心作用是根據(jù)汽輪機系統(tǒng)的做功需求和功率輸出需求，自動化地調(diào)節(jié)其凝結(jié)水流量，要么適當增加凝結(jié)水，要么適當減少凝結(jié)水。如圖1所示。

3 結(jié)論

基于DCS自動化控制技術(shù)開展660MW超臨界機組的深度調(diào)峰時，應(yīng)該先去評估DCS在低負荷狀態(tài)下的適應(yīng)性，然后根據(jù)評估結(jié)果優(yōu)化其控制邏輯。重點優(yōu)化汽輪機組的保護連鎖、過程控制、配風以及燃煤供應(yīng)，借助DCS和人工智能技術(shù)來提高系統(tǒng)對各類參數(shù)的監(jiān)控程度，減少對人員的依賴。