超臨界機(jī)組熱工自動(dòng)控制特點(diǎn)及優(yōu)化調(diào)整

國(guó)能錦界能源有限責(zé)任公司 郝宏偉

雖然我國(guó)的發(fā)電形式開始向多元化方向發(fā)展，尤其是在可再生能源發(fā)電方面有了很大進(jìn)展，水能、風(fēng)能以及太陽(yáng)能發(fā)電等裝機(jī)容量不斷上升，但目前電力供應(yīng)仍以火力發(fā)電為主。在火力發(fā)電廠運(yùn)行中，既要保證發(fā)電量又要盡可能減少對(duì)煤炭資源的使用，尤其是在當(dāng)前煤炭資源區(qū)域性緊缺的情況下，更要采取有效措施，提高對(duì)煤炭資源的利用率，減少資源浪費(fèi)。

電廠超臨界機(jī)組的熱工自動(dòng)化控制主要是利用自動(dòng)化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行設(shè)備數(shù)據(jù)的監(jiān)控，確保設(shè)備運(yùn)行參數(shù)在正常的范圍內(nèi)，提高電廠設(shè)備的運(yùn)行可靠性。超臨界機(jī)組的熱工自動(dòng)控制具有參數(shù)高、輸出變量多等特點(diǎn)，而且隨著裝機(jī)容量的不斷增大，控制對(duì)象間的耦合性也越來越強(qiáng)，如果再依靠人工手動(dòng)調(diào)節(jié)難以達(dá)到預(yù)期效果，必須要從整體的控制系統(tǒng)入手完善、優(yōu)化其控制性能。加強(qiáng)對(duì)其參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，讓機(jī)組的運(yùn)行更加穩(wěn)定，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，提高熱電廠的電力能源供應(yīng)[1]。

在電廠實(shí)際運(yùn)行中，超臨界機(jī)組的熱工控制具有參數(shù)非線性耦合嚴(yán)重、動(dòng)態(tài)特性隨負(fù)荷變化而波動(dòng)大、水燃比調(diào)節(jié)難兼顧快速性和準(zhǔn)確性的特征，導(dǎo)致其熱工自動(dòng)控制難度較大。從調(diào)整水燃比靜態(tài)關(guān)系、優(yōu)化熱值補(bǔ)償回路以及優(yōu)化水燃比回路方面給出了調(diào)整策略，讓機(jī)組的運(yùn)行可靠性大大提高，降低了燃料的損耗，而且經(jīng)濟(jì)效益也有了明顯提升。

1 火電廠熱工自動(dòng)化控制分析

在電廠的火電機(jī)組中，熱工自動(dòng)化控制主要包括自動(dòng)的檢測(cè)、控制、報(bào)警和保護(hù)等。

自動(dòng)檢測(cè)。在電廠機(jī)組運(yùn)行中投入的熱工設(shè)備很多，這些設(shè)備都有其穩(wěn)定的運(yùn)行參數(shù)，一旦參數(shù)超出正常范圍，就需調(diào)整機(jī)組負(fù)荷或優(yōu)化設(shè)備參數(shù)。自動(dòng)檢測(cè)就是對(duì)機(jī)組運(yùn)行中的設(shè)備參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，通過參數(shù)的檢測(cè)來更好了解設(shè)備的運(yùn)行情況。如，在鍋爐汽輪機(jī)內(nèi)會(huì)有很多的測(cè)量?jī)x表來對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行記錄，進(jìn)而更好的對(duì)水溫、液位等進(jìn)行靈活調(diào)整，讓機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性更高，可靠性更好。

自動(dòng)控制。也被稱為是順序控制，通過一些自動(dòng)控制裝置來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組設(shè)備的控制，讓設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)滿足機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷，讓其運(yùn)行更穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性更高。自動(dòng)控制是按照嚴(yán)格的控制順序來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組設(shè)備的控制，在機(jī)組的啟動(dòng)、停運(yùn)及故障處理中都會(huì)用到順序控制，其是根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行狀況及運(yùn)行要求來對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制的。自動(dòng)控制系統(tǒng)不僅具有聯(lián)鎖保護(hù)功能，還有一定的邏輯判斷功能，某個(gè)控制操作完成后需進(jìn)行確認(rèn)，然后進(jìn)行下一步操作。

自動(dòng)報(bào)警。隨著火電廠的裝機(jī)容量越來越大，熱力系統(tǒng)的組成也越來越復(fù)雜，自動(dòng)控制的難度也在提高。自動(dòng)報(bào)警功能，是當(dāng)設(shè)備在運(yùn)行過程中運(yùn)行參數(shù)超出系統(tǒng)設(shè)定值、系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，主要用在熱工系統(tǒng)的液位檢測(cè)、溫度測(cè)量等方面。相關(guān)的運(yùn)行人員就會(huì)根據(jù)系統(tǒng)的報(bào)警提示及時(shí)采取有效措施，確保設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，防止造成更大的事故；自動(dòng)保護(hù)。是當(dāng)機(jī)組的設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)異常、或熱工參數(shù)超出正常范圍時(shí)，系統(tǒng)為防止發(fā)生更大事故會(huì)自動(dòng)的執(zhí)行聯(lián)縮執(zhí)令，停止設(shè)備運(yùn)行，保護(hù)設(shè)備[2]。

2 超臨界機(jī)組的熱工控制特點(diǎn)分析

2.1 參數(shù)之間的非線性耦合

由于參數(shù)之間的非線性耦合，一般的控制系統(tǒng)來進(jìn)行控制的話，效果難以達(dá)到預(yù)期。以直流鍋爐的協(xié)調(diào)控制對(duì)象為例，燃料量、給水量以及汽輪機(jī)的閥門開度為輸入量，輸出量主要是機(jī)前壓力、機(jī)組的負(fù)荷以及分離器出口溫度。這些參數(shù)量之間的耦合關(guān)系如下。

當(dāng)輸入端的燃料量增大時(shí)，輸出端機(jī)組的負(fù)荷、機(jī)前的壓力及分離器出口溫度都會(huì)增大、升高；而輸入端的汽輪機(jī)閥門開度增大時(shí)，輸出端的機(jī)組負(fù)荷增大但機(jī)前壓力會(huì)降低，分離器的出口溫度也會(huì)降低；如輸入前的給水流量增大時(shí)，輸出端的機(jī)組負(fù)荷以及機(jī)前壓力都會(huì)增加，但分離器出口的溫度反而會(huì)降低。正是由于參數(shù)間這種很強(qiáng)的非線性耦合，導(dǎo)致控制起來比較困難。當(dāng)改變輸入?yún)?shù)時(shí)，輸出參數(shù)的變化與之成正比或反比關(guān)系，且輸出端的三個(gè)參數(shù)變化有的與輸入端參數(shù)變化成正比、有的成反比，這就更加大了控制的難度，因此在實(shí)際運(yùn)行中，單靠調(diào)整一個(gè)參數(shù)難以達(dá)到優(yōu)化目的[3]。

2.2 動(dòng)態(tài)特性隨負(fù)荷變化而波動(dòng)很大

超臨界機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)波動(dòng)很大，主要取決于機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷，隨著機(jī)組負(fù)荷的變化，動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的波動(dòng)范圍很大。如，水燃比調(diào)節(jié)的溫度對(duì)象，如果機(jī)組的負(fù)荷發(fā)生了變化，雖然變化幅度不大、在50～80%范圍內(nèi)，但增益變化可達(dá)到6倍左右，時(shí)間常數(shù)的變化也在3～4倍左右。此外，超臨界機(jī)組的運(yùn)行方式一般為變壓運(yùn)行，這樣設(shè)計(jì)的目的是為了在更大的負(fù)荷范圍內(nèi)讓機(jī)組的效率更高。但這樣的運(yùn)行方式也會(huì)讓超臨界機(jī)組在亞臨界的壓力范圍內(nèi)運(yùn)行，亞臨界和超臨界的工質(zhì)物性之間的差異是很大的，就會(huì)導(dǎo)致超臨界機(jī)組的非線性特性更強(qiáng)，參數(shù)調(diào)整起來會(huì)更加困難。

2.3 水燃比調(diào)節(jié)難兼顧快速性和準(zhǔn)確性

超臨界機(jī)組的熱工控制難點(diǎn)主要是在鍋爐的水燃比調(diào)節(jié)方面。通常情況下，出口蒸汽溫度可以在一定程度上來對(duì)水燃比的變化進(jìn)行反饋，但是在實(shí)際運(yùn)行中，出口的蒸汽溫度顯示會(huì)有一定的延遲，這就使得如果把蒸汽溫度作為反饋量的話，水燃比的變化不能實(shí)現(xiàn)更快、更好的調(diào)節(jié)。因?yàn)樗急劝l(fā)生變化的時(shí)候，蒸汽溫度需要延時(shí)后才會(huì)有相應(yīng)的變化，是滯后的，如果按照溫度參數(shù)來調(diào)節(jié)水燃比，很顯然不會(huì)實(shí)現(xiàn)水燃比最快速、最精確的調(diào)節(jié)。

近年來很多研究人員也為提高水燃比的調(diào)節(jié)精度和速度展開了大量研究，為水燃比調(diào)節(jié)的反饋提供了更多的參數(shù)依據(jù)。如通過加熱段的水溫、微過熱汽溫等來反饋水燃比調(diào)節(jié)，通過煙氣溫度、鍋爐出口熱量信號(hào)以及火焰溫度等來反映燃料的熱量，因此將這些相關(guān)的參數(shù)綜合起來，構(gòu)成了類型多樣的水燃比調(diào)節(jié)系統(tǒng)，比單一的參考出口蒸汽溫度參數(shù)來調(diào)節(jié)水燃比更加的準(zhǔn)確，也更快速。從實(shí)際的運(yùn)行來看，多種水燃比調(diào)節(jié)系統(tǒng)都有其不足，尤其是在機(jī)組變壓運(yùn)行以及負(fù)荷大范圍變化的情況下，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的不足更加明顯，因此需根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況要求，對(duì)水燃比的關(guān)系調(diào)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化[4]。

3 熱工自動(dòng)控制策略優(yōu)化調(diào)整

3.1 調(diào)整水燃比靜態(tài)關(guān)系

在實(shí)際運(yùn)行中，影響水燃比靜態(tài)關(guān)系的因素還有煤質(zhì)的變化，但是這個(gè)影響因素可以通過提高煤炭質(zhì)量來改變，而且，在火電廠運(yùn)行中，對(duì)于燃料質(zhì)量的把控很嚴(yán)格，總體上可以排除由于煤質(zhì)變化帶來的水燃比靜態(tài)關(guān)系變化。除這個(gè)因素以外，就是制粉系統(tǒng)的調(diào)整，通過對(duì)制粉系統(tǒng)的調(diào)整可以在很大程度上影響機(jī)組的控制系統(tǒng)。制粉系統(tǒng)的調(diào)整主要是通過對(duì)分離器出口擋板的調(diào)整，通過調(diào)整擋板的開合度可以影響風(fēng)煤配比關(guān)系，風(fēng)煤比關(guān)系發(fā)生了變化，就會(huì)影響水燃比的關(guān)系。

一般情況下，制粉系統(tǒng)的容量風(fēng)與給煤量比在0.9左右，不會(huì)達(dá)到1：1，可以通過調(diào)整擋板開合度，讓制粉系統(tǒng)的容量風(fēng)與給煤量比保持在1.3-1.4左右，這樣的話，相關(guān)聯(lián)的水燃比關(guān)系也要進(jìn)行調(diào)整。如果不進(jìn)行調(diào)整，機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行的情況下，起不到很好的調(diào)節(jié)效果。而且，當(dāng)鍋爐輔機(jī)（送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)以及及水泵等）發(fā)生故障，鍋爐快速減負(fù)荷的過程中，機(jī)組有明顯的超溫現(xiàn)象。

因此，對(duì)于水燃比的靜態(tài)關(guān)系調(diào)整主要從以下方面入手：將燃料與給水的粗略配比進(jìn)行調(diào)整，隨著機(jī)組負(fù)荷的增加，要不斷的加大燃料量，且對(duì)應(yīng)的給水量也要增加；燃料在增加的同時(shí)，如果給風(fēng)量不進(jìn)行調(diào)整就會(huì)導(dǎo)致燃料燃燒不充分，產(chǎn)生黑煙，因此燃料量調(diào)整后對(duì)應(yīng)的總風(fēng)量也要隨之增加[5]。

3.2 優(yōu)化水燃比回路

水燃比的回路優(yōu)化主要是通過對(duì)水以及煤炭之間的配比關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)蒸汽溫度的目的。通常情況下，對(duì)于水燃比的控制，一是在燃料控制回路中加入水燃比控制信號(hào)，水燃比調(diào)整是通過改變?nèi)剂现噶顏韺?shí)現(xiàn)的，二是在給水的控制回路中加入水燃比控制信號(hào)，通過調(diào)整給水量來調(diào)節(jié)蒸汽溫度。綜合來看，這兩種水燃比優(yōu)化調(diào)整策略都有其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但也存在一些不足。

超臨界直流鍋爐在給水或燃料發(fā)生變化時(shí)，主蒸汽溫度會(huì)在水蒸氣相變點(diǎn)移動(dòng)的情況下發(fā)生變化。當(dāng)給水發(fā)生變化時(shí)蒸汽的流量會(huì)增加，但壓力會(huì)下降，蒸汽溫度延遲后穩(wěn)定在一個(gè)較低的溫度上。當(dāng)燃料發(fā)生變化時(shí)，鍋爐的儲(chǔ)水量也會(huì)發(fā)生變化，燃燒率擾動(dòng)也會(huì)有一個(gè)延遲，這個(gè)延遲時(shí)間比較短，之后蒸汽量會(huì)逐漸增加，壓力及溫度也會(huì)增加。從這個(gè)角度來分析，無論是給水還是燃料的變化，都會(huì)影響蒸汽的壓力及溫度。

具體來分析，對(duì)于蒸汽溫度而言，通過給水量的變化來調(diào)節(jié)蒸汽溫度，比調(diào)整燃料的響應(yīng)時(shí)間短，但短時(shí)間內(nèi)會(huì)讓機(jī)組的壓力波動(dòng)很大。而通過調(diào)整燃料變化雖然讓蒸汽溫度調(diào)節(jié)慢，但不會(huì)讓機(jī)組出現(xiàn)較大的壓力波動(dòng)。因此對(duì)于水燃比的回路優(yōu)化，第一要完成水煤的粗略配比，實(shí)現(xiàn)水燃比廣義上的優(yōu)化，第二要通過動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償來讓狹義上的水燃比更加合理，進(jìn)而達(dá)到蒸汽溫度調(diào)節(jié)的目的。

因此，回路優(yōu)化控制可以由兩部分組成：第一部分是通過鍋爐的主控指令來控制給水及燃料配比，首先實(shí)現(xiàn)對(duì)水燃比的廣義上的調(diào)整；第二部分是根據(jù)過熱器及分離器出口的溫度信號(hào)變化，來不斷的修正燃料指令，進(jìn)而改變水燃比，確保水燃比能夠?qū)崿F(xiàn)狹義上的優(yōu)化，來更好的調(diào)節(jié)蒸汽溫度[6]。

3.3 優(yōu)化熱值補(bǔ)償回路

結(jié)合機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，熱值補(bǔ)償回路的優(yōu)化要遵循少改動(dòng)系統(tǒng)控制邏輯的原則。熱值補(bǔ)償回路優(yōu)化是作為水燃比回路優(yōu)化的補(bǔ)充，是一種輔助控制方式，這種方式是對(duì)變化緩慢的工況進(jìn)行調(diào)整的方式，確保水燃比的配比基本合理。一般情況下，鍋爐廠提供的控制方案中有熱值補(bǔ)償回路，在經(jīng)過實(shí)際的試投發(fā)現(xiàn)，提供的回路方案和實(shí)際的機(jī)組運(yùn)行要求不大相符。

分析其原因，主要是提供的回路方案中是以水燃比的輸出量為控制信號(hào)的，需系統(tǒng)間的緊密關(guān)聯(lián)才可以，且經(jīng)過試投發(fā)現(xiàn)水燃比的變化幅度很大，在實(shí)際運(yùn)行中容易導(dǎo)致系統(tǒng)之間形成共振，影響機(jī)組運(yùn)行。根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，將熱值補(bǔ)償回路的控制量改為主要以給水、燃料指令生成的控制偏差為主，這樣可更好地消除工況變化對(duì)水燃比的影響，降低了制粉系統(tǒng)的入爐煤量測(cè)量不準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)的影響，可以緩解水燃比控制輸出變化大的情況。

在實(shí)際的運(yùn)行中，給水量、燃料量的變化對(duì)對(duì)系統(tǒng)形成瞬時(shí)的干擾，這種干擾可通過水燃比回路進(jìn)行調(diào)整，因水燃比回路屬于快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可消除機(jī)組負(fù)荷變化及外在的因素對(duì)系統(tǒng)的瞬時(shí)干擾。且熱值補(bǔ)償回路的對(duì)應(yīng)關(guān)系簡(jiǎn)單，可隨時(shí)優(yōu)化調(diào)整制粉系統(tǒng)，讓水燃比的配比一直處于比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，不用對(duì)水燃比做出大的調(diào)整，這樣水燃比的回路也比較穩(wěn)定[7-8]。

綜上，火電廠熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜龐大的系統(tǒng)，由不同的子系統(tǒng)組成，而每個(gè)子系統(tǒng)又由很多設(shè)備相互連接組成，通過子系統(tǒng)的相互配合來獲取熱工自動(dòng)控制需要的參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組運(yùn)行情況的有效監(jiān)控與調(diào)整。在超臨界機(jī)組中，由于熱工控制的動(dòng)態(tài)過程快、參數(shù)高以及參數(shù)的非線性耦合嚴(yán)重，必須要提高控系統(tǒng)的控制性能。在對(duì)超臨界機(jī)組控制對(duì)象特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，主要從水燃比的調(diào)節(jié)入手，利用科學(xué)的調(diào)整策略進(jìn)行優(yōu)化，不僅讓機(jī)組的抗干擾能力提高，而且機(jī)組的控制性能以及整體的控制水平得到了提高，資源的利用率也得到提升，降低了生產(chǎn)成本，獲得了更高的經(jīng)濟(jì)效益。