超超臨界機(jī)組垂直管圈水冷壁管防超溫協(xié)調(diào)控制策略的優(yōu)化

何穎

（國能浙能寧東發(fā)電有限公司 設(shè)備管理部，寧夏銀川 750000）

0.前言

超超臨界機(jī)組鍋爐采用了目前火力發(fā)電技術(shù)最新技術(shù)，很多技術(shù)性能指標(biāo)都處于先進(jìn)水平，但鍋爐實(shí)際運(yùn)行中仍然存在一些需要研究的問題。超超臨界機(jī)組在低負(fù)荷時(shí)，易出現(xiàn)水冷壁超溫情況，此時(shí)只能降低整體汽溫參數(shù)運(yùn)行，但對(duì)電廠在安全性和經(jīng)濟(jì)性上有所影響。有研究者通過開展對(duì)水冷壁金屬壁溫的試驗(yàn)研究工作，認(rèn)為水冷壁金屬溫度的大幅變化和超溫，與水冷壁的傳熱惡化有較大關(guān)系，特別是對(duì)于百萬雙切圓鍋爐垂直管圈式水冷壁管，易在熱負(fù)荷疊加區(qū)出現(xiàn)壁溫超溫以及相鄰管段熱偏差大等問題，從而產(chǎn)生顯著的疲勞應(yīng)力，嚴(yán)重影響鍋爐運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性[1]。

本文研究的主要對(duì)象是以雙切圓鍋爐垂直管圈式水冷壁管超溫問題為研究對(duì)象，從機(jī)組INFIT協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制策略、易超溫壁溫變化規(guī)律、機(jī)組主要過程參數(shù)上進(jìn)行全面分析，尋找水冷壁管產(chǎn)生超溫及波動(dòng)大的原因，采取相應(yīng)的技術(shù)措施來減緩超溫問題的產(chǎn)生。

1.設(shè)備簡介

本研究針對(duì)某電廠1000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的鍋爐水冷壁管壁溫超溫問題進(jìn)行研究。鍋爐為超超臨界參數(shù)、直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、緊身封閉布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、切圓燃燒方式，Π型鍋爐。其用于水冷壁中間混合集箱入口管測(cè)量鍋爐金屬壁溫的元件共計(jì)608點(diǎn)，前墻210點(diǎn)，后墻210點(diǎn)，左墻94點(diǎn)，右墻94點(diǎn)，安裝位置均在鍋爐54m集箱入口管處。壁溫多數(shù)按照每4根管安裝1支壁溫元件原則布置。壁溫元件采用K分度鎧裝熱電偶，集熱塊焊接貼于管壁外表面，材質(zhì)為304不銹鋼，壁溫元件感溫端緊固定在集熱塊內(nèi)，溫度元件接線用補(bǔ)償導(dǎo)線接入智能前端，通過雙冗余現(xiàn)場(chǎng)總線DP電纜接入總線控制柜，實(shí)現(xiàn)DCS遠(yuǎn)端監(jiān)視。

INFIT系統(tǒng)是針對(duì)現(xiàn)代火電機(jī)組存在負(fù)荷升降速率低、關(guān)鍵參數(shù)波動(dòng)大及系統(tǒng)不能很好適應(yīng)煤種變化等實(shí)際問題，通過有機(jī)融合預(yù)測(cè)控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)技術(shù)及自適應(yīng)控制技術(shù)而設(shè)計(jì)研發(fā)的先進(jìn)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)。使機(jī)組的協(xié)調(diào)、汽溫、脫硝控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能均有了明顯的提高。此次研究機(jī)組采用INFIT控制系統(tǒng)，用于代替機(jī)組原有DCS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)作用于機(jī)組協(xié)調(diào)控制，在機(jī)組運(yùn)行過程中可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無擾切換。

2.工作內(nèi)容及優(yōu)化思路

開展壁溫波動(dòng)問題的技術(shù)分析和INFIT系統(tǒng)的程序優(yōu)化設(shè)計(jì)并對(duì)INFIT系統(tǒng)的控制策略升級(jí)、調(diào)試和DCS系統(tǒng)相關(guān)控制參數(shù)的調(diào)整。因直流鍋爐主要控制水煤比和中間點(diǎn)過熱度。一般來說在機(jī)組運(yùn)行工況較穩(wěn)定時(shí)只要監(jiān)視好中間點(diǎn)過熱度就可以了，不同的壓力下中間點(diǎn)溫度是不斷變化的，但中間點(diǎn)過熱度可維持恒定。中間點(diǎn)過熱度是水煤比是否合適的反饋信號(hào)，中間點(diǎn)過熱度變小，說明水煤比偏大，中間點(diǎn)過熱度變大，說明水煤比偏小，當(dāng)機(jī)組在升降負(fù)荷和出現(xiàn)異常情況時(shí)，如給煤機(jī)、磨煤機(jī)跳閘等應(yīng)合理調(diào)整給水量及給水延時(shí)時(shí)間，保持過熱度基本恒定。從歷史趨勢(shì)進(jìn)行分析，機(jī)組過熱度發(fā)生波動(dòng)變化，易超溫水冷壁管的壁溫也隨之變化，因此此次調(diào)整的主要策略為盡可能在機(jī)組各種工況下保證過熱度的穩(wěn)定[2]。

3. INFIT協(xié)調(diào)下的中間點(diǎn)過熱度設(shè)定值運(yùn)算規(guī)律

投入INFIT協(xié)調(diào)系統(tǒng)后，機(jī)組的中間點(diǎn)過熱度設(shè)定值運(yùn)算規(guī)律與原DCS協(xié)調(diào)時(shí)有所不同，DCS協(xié)調(diào)的設(shè)定僅僅是機(jī)組負(fù)荷的靜態(tài)函數(shù)。主要規(guī)律如下：

首先根據(jù)機(jī)組運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，通過滾動(dòng)優(yōu)化擬合出基本的“分離器壓力、磨煤機(jī)組合、燃料熱值—中間點(diǎn)過熱度”的多元函數(shù)關(guān)系。在機(jī)組日常運(yùn)行中，按照如下規(guī)律（優(yōu)先級(jí)從上至下遞減），動(dòng)態(tài)調(diào)整中間點(diǎn)過熱度設(shè)定值，盡可能使機(jī)組運(yùn)行在最合理、經(jīng)濟(jì)性最高的模式下：

（1）調(diào)整中間點(diǎn)過熱度，使機(jī)組主汽溫能達(dá)到設(shè)定值。

（2）調(diào)整中間點(diǎn)過熱度，使機(jī)組再熱汽溫能達(dá)到設(shè)定值，同時(shí)再熱減溫水量盡量為零（在INFIT再熱汽溫控制投入時(shí)才有效）。

（3）調(diào)整中間點(diǎn)過熱度，使機(jī)組的過熱減溫水量隨負(fù)荷點(diǎn)的不同維持在合理數(shù)值。

（4）調(diào)整中間點(diǎn)過熱度，避免機(jī)組水冷壁溫接近超溫限值。

4.優(yōu)化內(nèi)容及效果

4.1 解決穩(wěn)態(tài)負(fù)荷下煤量大幅波動(dòng)問題

4.1.1 問題描述

機(jī)組在穩(wěn)態(tài)工況下，會(huì)頻繁出現(xiàn)煤量±20t/h～30t/h的快速大幅波動(dòng)，并持續(xù)振蕩幾個(gè)周期才穩(wěn)定，理論上會(huì)加大壁溫的波動(dòng)幅度[3]。

4.1.2 問題分析及解決

從歷史曲線進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，煤量波動(dòng)是在總煤量指令不動(dòng)時(shí)發(fā)生的，和DCS協(xié)調(diào)及INFIT協(xié)調(diào)均無關(guān)，問題出在底層的燃料控制回路。

在基建調(diào)試結(jié)束后，中心給料機(jī)廠家建議修改了DCS中的A～F中心給料機(jī)控制邏輯，但邏輯設(shè)計(jì)及定值設(shè)置不合理，會(huì)周期性的導(dǎo)致A～F給煤機(jī)出現(xiàn)斷煤，導(dǎo)致煤量大幅波動(dòng)。同時(shí)也修改了燃料主控邏輯（將調(diào)節(jié)量從各臺(tái)給煤機(jī)指令和變?yōu)槊毫糠答伜停?，但并未相?yīng)修改燃料主控的PID參數(shù)，導(dǎo)致燃料主控穩(wěn)定性下降，在出現(xiàn)煤量波動(dòng)后需振蕩多個(gè)周期才能調(diào)節(jié)穩(wěn)定。

根據(jù)上述分析，專業(yè)技術(shù)人員修改了DCS燃料主控PID參數(shù)及A～F中心給料機(jī)的定值設(shè)置，消除了煤量大幅波動(dòng)的問題。

4.2 通過INFIT系統(tǒng)的針對(duì)性升級(jí)優(yōu)化減小壁溫波動(dòng)幅度

4.2.1 優(yōu)化內(nèi)容

（1）修改INFIT內(nèi)部控制權(quán)重，減小負(fù)荷、主汽壓力的控制權(quán)重，增加過熱度的控制權(quán)重，整體的協(xié)調(diào)控制目標(biāo)更傾向于保證過熱度的穩(wěn)定。

（2）修正主汽溫對(duì)給水指令的影響權(quán)重，主汽溫快速降低時(shí)，將不會(huì)大幅的減小給水流量，避免對(duì)過熱度調(diào)節(jié)造成更多的影響。

（3）修正變負(fù)荷工況下INFIT系統(tǒng)內(nèi)部煤、水控制的匹配度，加負(fù)荷時(shí)先增加燃料量，給水滯后較長時(shí)間再增加，避免水冷壁溫先快速下降，后又快速上升的情況；減負(fù)荷時(shí)先減少燃料量，給水滯后較長時(shí)間在減少，避免水冷壁溫先快速上升，后又快速下降的情況。

（4）水冷壁、末過等區(qū)域的壁溫超限定值送入INFIT系統(tǒng)，參與機(jī)組協(xié)調(diào)控制，壁溫超溫后，通過調(diào)節(jié)鍋爐給水流量，適當(dāng)降低機(jī)組過熱度，減少水冷壁溫超溫次數(shù)。

（5）修改主汽壓力、過熱度小幅偏差時(shí)，燃料、給水調(diào)節(jié)的敏感度，理論上可以減小動(dòng)態(tài)過程中的燃燒側(cè)、水側(cè)的熱偏差，減小壁溫波動(dòng)。

4.2.2 優(yōu)化效果

對(duì)比了調(diào)試前和調(diào)試后的機(jī)組運(yùn)行曲線，如圖1所示（所有曲線量程一致，綠線為負(fù)荷、紅線為主汽溫、粉線和黑線為易超溫的水冷壁溫、藍(lán)線為過熱度）?？煽闯鯥NFIT投入后：機(jī)組過熱度的波動(dòng)大幅減小，水冷壁壁溫的波動(dòng)有一定程度的減少，機(jī)組主汽溫度的波動(dòng)和平均溫度均有較明顯的改善。

圖1 23日機(jī)組運(yùn)行曲線（INFIT投入）

18～23日這5d的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)列于表1，其中壁溫的波動(dòng)幅度較難用單一數(shù)據(jù)衡量，本次統(tǒng)計(jì)采用了“A040 P603MAXR—前墻水冷壁壁溫最大值的變化率”的越限次數(shù)進(jìn)行比較，可以一定程度地表征統(tǒng)計(jì)意義上壁溫的波動(dòng)嚴(yán)重程度。壁溫最大值的變化率的邏輯為前墻水冷壁壁溫經(jīng)過大選模塊篩選后形成最大值，最大值經(jīng)LEADLAG超前滯后模塊后的值進(jìn)行相減運(yùn)算，得出前墻壁溫變化率，前墻壁溫變化率進(jìn)過限值模塊后應(yīng)用CT計(jì)數(shù)模塊得出超限次數(shù)統(tǒng)計(jì)。

表1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

5.結(jié)論及建議

（1）經(jīng)過本次控制優(yōu)化，壁溫的波動(dòng)情況有所緩解，但目前升級(jí)后的INFIT系統(tǒng)投用時(shí)間還較短，還需要進(jìn)一步的投用觀察和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

（2）控制優(yōu)化對(duì)壁溫波動(dòng)的抑制有一定的效果，但作用較有限。橫向比較，該機(jī)組的過熱度波動(dòng)幅度已經(jīng)明顯小于國內(nèi)其他1000MW機(jī)組，但個(gè)別壁溫點(diǎn)的波動(dòng)幅度卻明顯大于國內(nèi)其他1000MW機(jī)組。并且在出現(xiàn)個(gè)別壁溫點(diǎn)大幅波動(dòng)時(shí)，機(jī)組的過熱度和其他壁溫點(diǎn)都很穩(wěn)定，可推測(cè)主要原因還是在于燃燒側(cè)的熱偏差和水側(cè)的工質(zhì)流量偏差。

（3）降低機(jī)組運(yùn)行參數(shù)（過熱度、主汽溫）可以一定程度的降低壁溫波動(dòng)，比如同樣未投入INFIT系統(tǒng)的20日壁溫變化率超限次數(shù)明顯小于18日、19日，就是靠在低負(fù)荷段大幅降低過熱度和主汽溫（最低到545℃）來實(shí)現(xiàn)的，減輕程度也有限。如果采用該手段來減小壁溫波動(dòng)，會(huì)對(duì)機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響，視情況可作為短時(shí)間抑制壁溫波動(dòng)和超溫的非常規(guī)手段，不建議長期使用。

（4）機(jī)組每次啟、停制粉系統(tǒng)均會(huì)對(duì)壁溫造成大幅波動(dòng)，停止給煤后磨煤機(jī)內(nèi)仍有較多的存粉，給煤量并不等于實(shí)際進(jìn)入爐膛的煤量，容易造成實(shí)際進(jìn)入爐膛的給粉量突增。建議運(yùn)行人員采用比較柔和的啟、停操作：啟磨時(shí)先把煤量加到30t/h左右的避免振動(dòng)的最小煤量，穩(wěn)定一段時(shí)間后再緩慢加煤至和其他給煤機(jī)一致，停磨時(shí)采用相同方法逆向操作，并且每次停磨盡量把存粉吹凈再關(guān)閉風(fēng)門。

（5）投入INFIT協(xié)調(diào)系統(tǒng)后，當(dāng)運(yùn)行人員手動(dòng)提高中間點(diǎn)過熱度設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)同時(shí)加煤、減水雙向調(diào)節(jié)，控制速度比DCS協(xié)調(diào)明顯加快，實(shí)際分離器溫度會(huì)更快速的控制到設(shè)定值附近。因此在正常運(yùn)行中，若無特別的異常工況，中間點(diǎn)過熱度設(shè)定值的一次修正幅度建議不超過4℃，否則將造成燃料、給水的大幅變化，不利于后續(xù)的穩(wěn)定。

（6）在水冷壁雙切圓熱負(fù)荷疊加區(qū)增加水冷壁測(cè)點(diǎn)，水冷壁壁溫測(cè)點(diǎn)是監(jiān)控水冷壁受熱狀態(tài)和爐膛燃燒情況的重要途徑，通過水冷壁管壁溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化能夠有效監(jiān)視各受熱管的溫度值，有利于水冷壁受熱面的不安全狀態(tài)進(jìn)行分析并將壁溫超限值作用于INFIT控制系統(tǒng)中，以提高鍋爐水冷壁管運(yùn)行的安全性。