火力發(fā)電廠智能化變負(fù)荷速率控制方案的研究

晉能控股山西電力股份有限公司侯馬熱電分公司 鄭怡慧 陸軍

1 引言

火力發(fā)電廠AGC 變負(fù)荷速率，通常由運行值班員根據(jù)機組運行情況進行手動設(shè)置，設(shè)定值一般要求大于額定功率的1.5%，且保持恒定不變，導(dǎo)致機組的實際變負(fù)荷能力與設(shè)定的變負(fù)荷能力不能匹配，機組實際變負(fù)荷能力發(fā)生抑制和利用率低兩種狀況。所以，通過運行值班員手動設(shè)置變負(fù)荷速率，無法及時根據(jù)機組實際變負(fù)荷能力進行調(diào)整，無法發(fā)揮機組的較高性能滿足電網(wǎng)AGC的要求。因此，需要對智能化變負(fù)荷速率的控制方案進行深入的研究，并提出解決方案。

2 AGC調(diào)節(jié)速率的理論計算

2.1 AGC機組調(diào)節(jié)過程

網(wǎng)內(nèi)某臺機組一次AGC機組設(shè)點調(diào)節(jié)控制過程如圖1所示。從圖1可以看出，Pmin是該機組可調(diào)的下限出力，Pmax是機組可調(diào)的上限出力，PNi是機組額定出力。整個過程為：T0時刻以前，該機組穩(wěn)定運行在出力值P1附近，T0時刻，AGC控制程序?qū)υ摍C組下發(fā)功率為P2的設(shè)點命令，機組開始漲出力，到T1時刻可以跨出P1的調(diào)節(jié)死區(qū)，至T4時刻第一次進入調(diào)節(jié)死區(qū)范圍，在P2附近小幅振蕩，并穩(wěn)定運行于P2附近，直至T5時刻，AGC控制程序?qū)υ摍C組發(fā)出新的設(shè)點命令，功率值為P3，機組隨后開始降出力的過程，T6時刻可靠跨出調(diào)節(jié)死區(qū)，至T7時刻進入P3的調(diào)節(jié)死區(qū)，并穩(wěn)定運行于P3附近[1]。

圖1 一次AGC機組設(shè)點調(diào)節(jié)控制過程

2.2 調(diào)節(jié)速率

調(diào)節(jié)速率是指機組響應(yīng)指令的速率，可分為上升速率和下降速率。

第i臺機組第j次調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)速率考核指標(biāo)計算過程描述如下。

在漲出力階段，即T1～T4區(qū)間，由于跨啟磨點，因此在計算其調(diào)節(jié)速率時必須消除啟磨的影響，在降出力區(qū)間，即T5～T6區(qū)間。

實際調(diào)節(jié)速率計算公式為：

調(diào)節(jié)速率指標(biāo)K1的計算公式為：

式中：VN為機組標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速率，單位是MW/min。

3 影響AGC調(diào)節(jié)速率的因素

3.1 主蒸汽壓力

汽輪機正常工況下采用滑壓模式，根據(jù)機組滑壓函數(shù)以及三階慣性，限速限幅后確定主蒸汽壓力設(shè)定值。若機組實際主汽壓力與主汽壓力設(shè)定值出現(xiàn)偏差，機組會通過CCS系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)。

由于鍋爐存在大慣性和大遲延，導(dǎo)致主汽壓力響應(yīng)滯后，出現(xiàn)機組實際負(fù)荷降低主汽壓力上升和實際負(fù)荷升高主汽壓力下降的兩種相反情況，造成實際主汽壓力與主汽壓力設(shè)定值偏差增加，實際壓力過低時機組出力不夠，實際壓力過高時具有超壓爆管的危險。為保證機組的安全性和經(jīng)濟性，需降低AGC的變負(fù)荷速率，防止壓力偏差繼續(xù)增加，從而影響AGC調(diào)節(jié)速率[2]。

3.2 鍋爐管排溫度超限

鍋爐管排溫度受燃燒系統(tǒng)的影響較大，在增減負(fù)荷時，鍋爐主控系統(tǒng)需要通過增減燃料量和風(fēng)量。如果升負(fù)荷速率快，燃料和風(fēng)量變化大，煙氣攜帶大量熱量導(dǎo)致主汽溫度和再熱器溫度升高，減溫水流量增加，造成主汽壓力升高。

然而，鍋爐管排中攜帶的蒸汽流量在高主汽壓力作用下，主蒸汽流量增加緩慢，無法通過換熱降低鍋爐管排的壁溫，導(dǎo)致管排壁溫超限。防止這種情況繼續(xù)惡化，運行值班員通過手動降低機組負(fù)荷變化率或保持機組負(fù)荷不動兩種手段進行調(diào)整，從而影響AGC調(diào)節(jié)速率[3]。

3.3 燃料熱值的變化

機組實際使用煤種偏離設(shè)計煤種，因為使用煤種發(fā)熱量大幅度低于設(shè)計煤種，同樣負(fù)荷需要的煤量大幅度增加。導(dǎo)致一次風(fēng)機和引風(fēng)機處理不足。中速磨煤機入口熱一次風(fēng)調(diào)節(jié)擋板全開，仍然無法滿足磨煤機風(fēng)量要求，具有堵塞磨煤機的危險。在入口熱一次風(fēng)調(diào)節(jié)門全開的情況下，為維持磨煤機出口溫度達(dá)到設(shè)計值，不出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，入口冷一次風(fēng)門必須維持在全開位置。

4 智能化變負(fù)荷速率控制方案

4.1 主蒸汽壓力變化限制方案

（1）以新華DCS系統(tǒng)為例，當(dāng)主蒸汽壓力比主蒸汽壓力設(shè)定值高0.5MPa 時，限制負(fù)荷下降速率，增加負(fù)荷上升速率。

（2）當(dāng)主蒸汽壓力與主蒸汽壓力設(shè)定值偏差的絕對值小于0.5MPa 時，負(fù)荷變化速率為額定功率1.5%。

（3） 當(dāng)主蒸汽壓力比主蒸汽壓力設(shè)定值低0.5MPa 時，限制負(fù)荷上升速率，增加負(fù)荷下降速率。

（4）當(dāng)主蒸汽壓力與主蒸汽壓力設(shè)定值偏差的微分增加且偏差為正，在（1）的基礎(chǔ)上加大增減速率的幅度。當(dāng)偏差的微分減小且偏差為正，在（1）的基礎(chǔ)上減小增減速率的幅度。

（5）當(dāng)主蒸汽壓力與主蒸汽壓力設(shè)定值偏差的微分增減且偏差為負(fù)，在（2）的基礎(chǔ)上加大增減速率的幅度。當(dāng)偏差的微分減小且偏差為正，在（1）的基礎(chǔ)上減小增減速率的幅度。

結(jié)合考慮每一次AGC動作的變負(fù)荷率和月平均變負(fù)荷速率，在保證月平均變負(fù)荷速率滿足AGC考核指標(biāo)的情況下，盡量減少單次AGC變負(fù)荷動作時機組的主要參數(shù)動作幅度。具體控制邏輯，主汽壓力變化限制速率如圖2所示。

圖2 主汽壓力變化限制速率

4.2 鍋爐管排溫度限制方案

一是鍋爐管排壁溫若超溫（大于550℃），增加變負(fù)荷速率的上升速率，減少變負(fù)荷速率的下降，加大減溫水的噴水量和限制鍋爐主控總煤量指令。

二是鍋爐管排壁溫變化率超限（≥3℃/min），增加變負(fù)荷速率的上升速率，減少變負(fù)荷速率的下降，同時加大減溫水噴水量和限制鍋爐主控總煤量指令。

三是鍋爐管排壁溫不超溫或者變化率不超限，保持原變負(fù)荷速率和鍋爐主控總煤量指令。具體控制邏輯，鍋爐管排壁溫修正邏輯如圖3所示。

圖3 鍋爐管排壁溫修正邏輯

4.3 燃料熱值的變化限制方案

燃料熱值修正（BTU） 控制邏輯[4]，以新華DCS 系統(tǒng)為例，當(dāng)鍋爐的負(fù)荷指令與熱負(fù)荷之間存在偏差時，系統(tǒng)修正熱值信號，同時將修正后的熱值信號對鍋爐主控指令進行修正。通過BTU熱值校正，可以減少因煤量熱值變化導(dǎo)致協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制性能指標(biāo)不佳的現(xiàn)象，具體控制邏輯，燃料熱值修正控制邏輯如圖4所示。

圖4 燃料熱值修正控制邏輯

燃煤采用摻燒、配煤等方式為火力發(fā)電機組節(jié)約成本。具體控制邏輯，熱值負(fù)荷速率系數(shù)控制邏輯如圖5所示。

圖5 熱值負(fù)荷速率系數(shù)控制邏輯

這種模式會導(dǎo)致給煤機的煤質(zhì)不同。在燃料主控指令相同的情況下，給煤機煤量產(chǎn)生的熱值不同，進入鍋爐燃燒產(chǎn)生的熱量也不相同，造成在變負(fù)荷速率相同的情況下主汽壓力跟蹤不及時、波動大，影響汽輪機的功率調(diào)節(jié)。在煤量熱值發(fā)生變化的情況下，為解決影響汽輪機的功率的問題，對變負(fù)荷速率進行限制。

5 應(yīng)用效果

以山西某電廠300MW 亞臨界機組例，在原AGC負(fù)荷指令生成控制邏輯中，增加以上三種變負(fù)荷速率限制方案，機組運行一個月后，發(fā)現(xiàn)火力發(fā)電機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的主汽壓力、壁溫、煤量、風(fēng)量等參數(shù)波動明顯減少。優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

由表1可知，在K1值（實際變負(fù)荷速率）基本不變的情況下，火力發(fā)電機組的汽輪機和鍋爐主要參數(shù)波動幅度明顯減少，機組整體處在比較平穩(wěn)的狀態(tài)，延長鍋爐和汽輪機管材壽命，減少爆管，減少過熱器和再熱器氣溫的噴水流量，取得明顯的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)論

設(shè)計一種基于火力發(fā)電機組重要參數(shù)限制的智能化變負(fù)荷速率方案，通過主對汽壓力、鍋爐管排壁溫、燃煤熱值等3 個方面進行研究，得出在不同工況下，鍋爐的最佳變負(fù)荷速率。通過實際應(yīng)用效果表明，智能化變負(fù)荷速率方案，保證了實際變負(fù)荷速率（K1 值），滿足電網(wǎng)要求，減少火力發(fā)電機組重要參數(shù)的大幅波動，為鍋爐和汽輪機的安全運行提供了保障。為火力發(fā)電機組協(xié)調(diào)優(yōu)化提供了思路，具有工程應(yīng)用價值。