火電機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行特性及節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)分析

神華國(guó)華壽光發(fā)電有限責(zé)任公司 肖 峰

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力資源已然成為了保障人們正常生活與生產(chǎn)的基本能源，我國(guó)大力建設(shè)基礎(chǔ)電力設(shè)施設(shè)備以完善各地的電力資源配置，促進(jìn)各地經(jīng)濟(jì)與基礎(chǔ)事業(yè)的建設(shè)與發(fā)展?；痣姍C(jī)組就是電力生產(chǎn)之中必不可少的組成內(nèi)容，其負(fù)荷的優(yōu)化分配能夠有效提升整個(gè)機(jī)組的生產(chǎn)效率，起到節(jié)約能源與資源的效用，同時(shí)還能夠降低發(fā)電的成本，提升電力工業(yè)裝機(jī)容量，改善火電機(jī)組的能耗特性與控制特性，優(yōu)化其控制系統(tǒng)功能。

經(jīng)過(guò)多年的研究與發(fā)展，當(dāng)前我國(guó)火電機(jī)組已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制與生產(chǎn)，其能夠在特定的系統(tǒng)中進(jìn)行自主運(yùn)行，并根據(jù)技術(shù)人員給定的參數(shù)定制以及跟蹤負(fù)荷值開(kāi)展工作。當(dāng)前的工作運(yùn)行狀態(tài)同時(shí)也存在一定的問(wèn)題，即火電機(jī)組難以在變負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)中達(dá)到最優(yōu)效果。再加上我國(guó)電力體制改革的影響，各電廠應(yīng)當(dāng)積極參與到市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中去，關(guān)注生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，優(yōu)化火電機(jī)組變負(fù)荷優(yōu)化控制系統(tǒng)，在保障生產(chǎn)效率的同時(shí)降低電力生產(chǎn)的成本，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效益的最大化，促進(jìn)電廠的現(xiàn)代化發(fā)展。本文將分析火電機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行現(xiàn)狀，并提出火電機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的策略，以供參考。

1 火電機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行現(xiàn)狀分析

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，生活與生產(chǎn)對(duì)于電力資源的需求量不斷增加，在這樣的發(fā)展背景之下電廠只能夠不斷增加電力裝機(jī)的容量以及用電負(fù)荷峰谷差，可以應(yīng)對(duì)日益增加的電力需求。但是這樣的處理方法還會(huì)導(dǎo)致很多火電機(jī)組出現(xiàn)了低負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，而且長(zhǎng)期處于這樣的變負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)之下，火電機(jī)組的能耗特性與控制特性都會(huì)發(fā)生了相應(yīng)的變化，影響其系統(tǒng)定額控制能力，難以滿(mǎn)足安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的系統(tǒng)需求。因此，火電機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行節(jié)能優(yōu)化控制已經(jīng)成為了電力生產(chǎn)工作中較為重要的研究課題，具有較強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值與應(yīng)用價(jià)值。

首先，受到我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)體制變革的影響，電力企業(yè)與傳統(tǒng)電廠勢(shì)必會(huì)發(fā)生體制以及生產(chǎn)方面的轉(zhuǎn)變。就目前的情況來(lái)看，盡管很多電廠已經(jīng)圍繞火電機(jī)組展開(kāi)改革與研究，但依舊存在設(shè)備多樣、系統(tǒng)復(fù)雜等問(wèn)題，再加上系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷以及環(huán)境對(duì)能耗的影響，電廠在進(jìn)行給水流量、蒸汽流量等數(shù)據(jù)測(cè)量的時(shí)候難免會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)的現(xiàn)象。此外不同的初壓以及運(yùn)行的方式還會(huì)影響到系統(tǒng)的能耗規(guī)律，最終影響到了系統(tǒng)控制的能力。

除此之外，鍋爐設(shè)備還具有再熱汽溫的特性，這也是其應(yīng)用于火電機(jī)組運(yùn)行的重要特性，但在對(duì)其再熱汽溫進(jìn)行理論方面的研究時(shí)卻存在較大的困難，只有突破該性能研究困境，才能夠?qū)崿F(xiàn)整體系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。而信息化技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)在此方面顯示出了較為廣闊的應(yīng)用前景與應(yīng)用空間，有效支持DCS的創(chuàng)新應(yīng)用，并為系統(tǒng)能耗分析結(jié)構(gòu)以及控制結(jié)構(gòu)的結(jié)合提供了條件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)準(zhǔn)確的控制性能，最終促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)功能的優(yōu)化發(fā)展。

最后，滑壓運(yùn)行的方式也體現(xiàn)出較為明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，能夠有效改善系統(tǒng)的內(nèi)效率。但在技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)注意，不同火電機(jī)組及其負(fù)荷情況對(duì)應(yīng)的內(nèi)效率并不一致，因此如果只是借助PID控制方式則很難保障整個(gè)控制系統(tǒng)處于優(yōu)化的狀態(tài)中，技術(shù)人員有必要采取相應(yīng)的措施對(duì)被控對(duì)象的特性進(jìn)行辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)性能的檢定及控制器參數(shù)的優(yōu)化處理。

2 火電機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 構(gòu)建模型

2.1.1 精準(zhǔn)機(jī)組耗差

要想實(shí)現(xiàn)對(duì)火電機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行節(jié)能優(yōu)化控制，技術(shù)人員應(yīng)將目光放在熱能動(dòng)力領(lǐng)域方面，重視發(fā)電機(jī)調(diào)峰的運(yùn)行以及變負(fù)荷工況計(jì)算等內(nèi)容，之后再對(duì)于系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行整體性的分析，給予科學(xué)的運(yùn)行指導(dǎo)，開(kāi)展工程實(shí)踐。明確機(jī)組耗差是建立優(yōu)化控制系統(tǒng)模型的第一步，經(jīng)過(guò)上文的分析可知，當(dāng)前監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在著修正曲線不準(zhǔn)確、各種流量的參數(shù)不精準(zhǔn)等問(wèn)題，技術(shù)的人員則需要從參數(shù)監(jiān)測(cè)方面入手調(diào)整系統(tǒng)模型。

首先，能夠影響到控制系統(tǒng)能耗率的因素包括了汽水的流量、熱力學(xué)的參數(shù)以及熱力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等，主蒸汽流量對(duì)于系統(tǒng)的影響也較小，因此技術(shù)的人員則需開(kāi)發(fā)熱經(jīng)濟(jì)狀態(tài)的方程，從而進(jìn)一步改良了系統(tǒng)中的節(jié)能效率。另外還需關(guān)注到系統(tǒng)末級(jí)流動(dòng)狀態(tài)的判別工作，經(jīng)過(guò)多項(xiàng)的技術(shù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，弗留格爾的公式與斯陀托拉實(shí)驗(yàn)原理中的應(yīng)用情況也是比較好的，也能夠支持科學(xué)、有效的狀態(tài)辨別。在此基礎(chǔ)之上，還需利用變工況理論計(jì)算系統(tǒng)濕蒸汽區(qū)的參數(shù)與相關(guān)的數(shù)據(jù)，保障了系統(tǒng)軟件能夠在不迭代的前提下計(jì)算出較為精準(zhǔn)的排汽焓值。

2.1.2 鍋爐經(jīng)濟(jì)分析

在相同負(fù)荷的基本條件下，低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)將會(huì)對(duì)熱經(jīng)濟(jì)帶來(lái)?yè)p耗與影響。換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)排汽溫度受到影響降低的時(shí)候，那么低壓缸的整體工作效率也會(huì)受到影響，最終導(dǎo)致系統(tǒng)汽輪機(jī)組排汽干度有所增加，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)尾部?jī)?nèi)效率的提升。傳統(tǒng)的反平衡方法主要依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果，通過(guò)參數(shù)測(cè)定、損失計(jì)算等等方式明確出了鍋爐的熱效率，但是這樣得出的結(jié)果難以顯示系統(tǒng)出現(xiàn)損失的原因，無(wú)法為耗差分析提供了依據(jù)，也就無(wú)法支持優(yōu)化控制工作當(dāng)中的開(kāi)展。

針對(duì)以上情況，技術(shù)人員應(yīng)抓住燃燒的理論及鍋爐運(yùn)行基本原理的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)將系統(tǒng)實(shí)際的工況、煤質(zhì)特性等條件進(jìn)行整合，最終得出系統(tǒng)優(yōu)化的模型，本文分析得到的系統(tǒng)模型如下：評(píng)估不完全燃燒產(chǎn)生的損失-評(píng)估排煙應(yīng)達(dá)溫度-確定過(guò)量空氣系數(shù)的最佳值-得到計(jì)算鍋爐效率的方法[1]。

2.1.3 汽輪機(jī)最優(yōu)運(yùn)行設(shè)計(jì)

火電機(jī)組的不同負(fù)荷值都對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的蒸汽初壓與調(diào)節(jié)汽門(mén)開(kāi)度，而且?guī)讉€(gè)參數(shù)之間存在著一定的函數(shù)關(guān)系，可以通過(guò)計(jì)算的公式進(jìn)行其計(jì)算：N=f(PO-Fk)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐來(lái)總結(jié)可以得到火電機(jī)組滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求時(shí)的計(jì)算公式：Nd=f(POd-Fkd)。公式顯示，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷不斷降低而且蒸汽初壓不變的情況之下，當(dāng)技術(shù)的人員調(diào)節(jié)汽門(mén)開(kāi)度之時(shí)就會(huì)產(chǎn)生“純定壓運(yùn)行”的狀態(tài)，如果單獨(dú)調(diào)節(jié)蒸汽初壓則出現(xiàn)了“純滑壓運(yùn)行”的狀態(tài)。

在純定壓運(yùn)行的狀態(tài)當(dāng)中，火電機(jī)組負(fù)荷降低到了特定數(shù)值之后可以用POS表示其狀態(tài)初壓，而在其之后的負(fù)荷降低的情況當(dāng)中都只需要改變調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度就可以滿(mǎn)足系統(tǒng)工作的需求，此時(shí)也被稱(chēng)為“定-滑運(yùn)行”。技術(shù)的人員需針對(duì)火電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的情況來(lái)確定其可行壓力區(qū)間，從而進(jìn)一步明確了基準(zhǔn)熱經(jīng)濟(jì)的指標(biāo)，并且獲取了相對(duì)應(yīng)的主蒸汽壓力，這就是系統(tǒng)的最佳壓力以及最優(yōu)運(yùn)行初壓，在這個(gè)壓力基礎(chǔ)之上就能夠確定相關(guān)負(fù)荷，以及其與最優(yōu)初壓之間的關(guān)系[2]。

2.1.4 機(jī)組控制模型構(gòu)建

機(jī)組控制模型就是控制系統(tǒng)功能的重要結(jié)構(gòu)，技術(shù)人員應(yīng)該從機(jī)理法的角度入手構(gòu)建熱力設(shè)備及其控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)系統(tǒng)功能的要求編制了對(duì)應(yīng)的函數(shù)，將除氧器、爐膛換熱以及汽機(jī)本體等納入到模型算法庫(kù)當(dāng)中。機(jī)理法構(gòu)建的模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于機(jī)組非線性數(shù)據(jù)的直觀反映，體現(xiàn)出了實(shí)際的負(fù)荷狀態(tài)，該方法也為先進(jìn)控制算法的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)與平臺(tái)。技術(shù)的人員在設(shè)計(jì)模型時(shí)，應(yīng)充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)于修正數(shù)據(jù)的方法，并在建模完成之后計(jì)算了熱力設(shè)備、模型系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)模型，幫助建立了系統(tǒng)整體動(dòng)態(tài)的模型[3]。

2.1.5 魯棒性分析

考慮到以上系統(tǒng)模型的精準(zhǔn)性問(wèn)題，如系統(tǒng)具備魯棒性就能有效解決該問(wèn)題，因此技術(shù)人員還需關(guān)注系統(tǒng)魯棒性的提升方法。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)控制優(yōu)化工作中，技術(shù)的人員主要強(qiáng)調(diào)了單一控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的優(yōu)化、并未關(guān)注節(jié)能性能的優(yōu)化，對(duì)此技術(shù)人員需明確有關(guān)魯棒性的指標(biāo)，也采取了分別整定的方式提升其回路的靈活性。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行

2.2.1 方案介紹

本案例中電廠使用的機(jī)組為1000MW，控制系統(tǒng)則為HOLLiAS MACS，其中大多數(shù)機(jī)組的參數(shù)已經(jīng)進(jìn)入DCS，除了以主要輔機(jī)功率的信號(hào)為代表的部分參數(shù)，對(duì)此技術(shù)人員應(yīng)使用電能變送器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，之后利用系統(tǒng)通信的線路進(jìn)行傳送。考慮到該機(jī)組有多個(gè)子系統(tǒng)以及電力的設(shè)備共同構(gòu)成，因此其系統(tǒng)控制的優(yōu)化涉及到比較多的內(nèi)容，其中比較重要的包括機(jī)組的啟停、變負(fù)荷的運(yùn)行。

基本設(shè)計(jì)思路，則是采取魯棒控制以及時(shí)延補(bǔ)償?shù)姆绞教嵘A(chǔ)控制效率，同時(shí)利用智能技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)提升整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。該系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算與快速傳遞，因此技術(shù)人員需優(yōu)化通信系統(tǒng)功能，獲取系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，快速得到耗差分析、控制系統(tǒng)參數(shù)等，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速上傳，以SIS為平臺(tái)連接WinIS與分析系統(tǒng)，為技術(shù)人員提供實(shí)時(shí)信息以及計(jì)算分析結(jié)果[4]。

2.2.2 方案特點(diǎn)

以上設(shè)計(jì)方案具有優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，SIS在MIS中的應(yīng)用不僅能夠采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)還能夠有效規(guī)避MIS穩(wěn)定性差帶來(lái)的不利影響。MIS以及SIS系統(tǒng)應(yīng)用方法已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，其中SIS能夠幫助系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，監(jiān)管整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，分析出現(xiàn)故障的原因，并協(xié)助系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)負(fù)荷的調(diào)度與調(diào)整，同時(shí)還能夠?yàn)椴僮魅藛T提供可靠的操作信息，保障生產(chǎn)效率。

2.2.3 應(yīng)用分析

構(gòu)建以精準(zhǔn)機(jī)組耗差為核心的分析模型能夠有效提升電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還能夠作用于熱力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)工作，進(jìn)一步提高了經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與能耗偏差的精準(zhǔn)性。對(duì)于系統(tǒng)變負(fù)荷特性來(lái)說(shuō)，技術(shù)人員應(yīng)抓住蒸汽初壓及其經(jīng)濟(jì)性的聯(lián)系，構(gòu)建經(jīng)濟(jì)分析模型，改善火電機(jī)組系統(tǒng)性能，促進(jìn)機(jī)組系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。機(jī)理法的應(yīng)用幫助構(gòu)建了機(jī)組控制模型，以直觀的展示方式顯示了熱工過(guò)程中的非線性關(guān)系。魯棒整定問(wèn)題的研究則得到了系統(tǒng)運(yùn)行的魯律性指標(biāo)，為控制的快速性、穩(wěn)定性提供保證。最后技術(shù)人員根據(jù)工程機(jī)組實(shí)際情況提出了具體的控制系統(tǒng)方案，滿(mǎn)足火電機(jī)組科學(xué)運(yùn)行的要求，同時(shí)提高了電廠的經(jīng)濟(jì)效益，解決了人力資源，有效實(shí)現(xiàn)了節(jié)能優(yōu)化。

3 分析火電廠機(jī)組環(huán)保技術(shù)改造的策略分析

汽輪機(jī)與熱力系統(tǒng)的優(yōu)化?？諝鉁囟群蛪毫?duì)火電機(jī)組的能耗有很大的影響。一般來(lái)說(shuō)，空氣溫度和壓力的在線運(yùn)行將大大降低火電機(jī)組的能耗。對(duì)于兩個(gè)研究機(jī)組，工作人員可以先改變火電機(jī)組的總負(fù)荷而不改變其他參數(shù)，從而測(cè)量不同負(fù)荷值對(duì)應(yīng)的主蒸汽壓力，選擇能耗最低的情況；然后可以加強(qiáng)火電機(jī)組的密封性，保證安裝間隙在規(guī)定的范圍內(nèi)，最后減少汽輪機(jī)內(nèi)部的蒸汽泄漏，從而提高火電機(jī)組的能效。在這些優(yōu)化中第三種優(yōu)化無(wú)疑更簡(jiǎn)單，執(zhí)行成本更低。

輔助機(jī)組的改進(jìn)。輔助機(jī)組系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化的主要措施包括三方面：一是循環(huán)水泵運(yùn)行的改善，冷端系統(tǒng)的改善可以通過(guò)泵的停開(kāi)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)汽輪機(jī)功率增加且大于水泵功率時(shí)應(yīng)啟動(dòng)循環(huán)水泵，否則應(yīng)關(guān)閉循環(huán)水泵；二是調(diào)整水輪機(jī)軸間隙給水泵，調(diào)整系統(tǒng)泄漏，減少工件的損耗，進(jìn)一步提高機(jī)組的效率；三是通過(guò)對(duì)高耗能輔機(jī)的變頻控制，降低設(shè)備的能量損失和電廠的功率損失。通過(guò)冷凝水泵運(yùn)行頻率與變頻運(yùn)行的對(duì)比，冷凝水泵變頻節(jié)能效果明顯。

綜上，火電機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行節(jié)能優(yōu)化的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，對(duì)于電廠經(jīng)濟(jì)效益的提升具有重要的意義，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明確額定負(fù)荷機(jī)組性能參數(shù)，融合多種建模思想與方法，結(jié)合實(shí)際工況需求與運(yùn)行現(xiàn)狀，積極開(kāi)展火電機(jī)組節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)與探究工作，有效降低火電機(jī)組能耗率，提升電廠的經(jīng)濟(jì)效益與生產(chǎn)效率，從而促進(jìn)電廠的現(xiàn)代化發(fā)展。