華能威海發(fā)電有限責(zé)任公司 楊 春 薛 松 王少君 常曉杰 閆 明 李 丹
在對(duì)某發(fā)電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),經(jīng)研究該控制系統(tǒng)需要滿足以下幾點(diǎn)要求:能夠保證機(jī)組運(yùn)行、停機(jī)的安全開展,可以及時(shí)響應(yīng)鍋爐在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所遇到的生產(chǎn)難點(diǎn),能夠平穩(wěn)地順應(yīng)負(fù)荷變化,提高機(jī)組整體運(yùn)行的穩(wěn)定性;依照模塊化原理,應(yīng)將控制系統(tǒng)分為不同的子單元,以便提高系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量,同時(shí)也可以單獨(dú)進(jìn)行維修、處理數(shù)據(jù)、保存信息,盡量將信息互換數(shù)量降至最低,這樣能夠提高其運(yùn)行效率;系統(tǒng)應(yīng)具備去除冗余數(shù)據(jù)信息的性能,以便防止局部模塊出現(xiàn)臨界狀態(tài),從而產(chǎn)生干擾,同時(shí)可以由最低平穩(wěn)燃料負(fù)荷承載工況自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿砍休d,以便減少人工行為對(duì)其的干預(yù)。
該系統(tǒng)具備聯(lián)鎖維護(hù)性能,這樣可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的安全性,便于工作人員對(duì)其進(jìn)行維護(hù),同時(shí)能夠?qū)﹀仩t等輔助設(shè)置的運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)以及計(jì)量,當(dāng)局部單元模塊無法滿足既定要求時(shí),該性能則可以有效防止局部模塊出現(xiàn)“自主”參與的情況。如果系統(tǒng)出現(xiàn)了故障問題,那么系統(tǒng)將不會(huì)再自動(dòng)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。
將火力發(fā)電廠鍋爐與汽輪機(jī)組進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的核心思想在于,通過協(xié)調(diào)機(jī)組負(fù)荷水平與發(fā)電廠鍋爐蒸汽壓力的方式,來達(dá)到鍋爐水、風(fēng)、煤一體化運(yùn)作的目標(biāo)。因此,在設(shè)計(jì)該機(jī)制時(shí)要引入互聯(lián)網(wǎng)與信息技術(shù),這樣能夠面向大型負(fù)荷機(jī)組運(yùn)行工況,同時(shí)可以減少人為因素對(duì)其運(yùn)行質(zhì)量的干預(yù)。當(dāng)出現(xiàn)了運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)以后,傳感設(shè)備可以通過監(jiān)測(cè)單元發(fā)出信號(hào),并自主調(diào)整偏差范圍,以便提高風(fēng)險(xiǎn)響應(yīng)頻率,同時(shí)也能夠起到調(diào)頻節(jié)能的作用,提高大型火力發(fā)電運(yùn)行質(zhì)量。
該系統(tǒng)主要由四大部分所組成,分別為外部負(fù)荷指令單元、負(fù)荷控制單元、子控制單元、前端執(zhí)行單元。其中,負(fù)荷控制單元主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)鍋爐與汽輪機(jī)組,而子單元控制系統(tǒng)則負(fù)責(zé)基礎(chǔ)的控制級(jí)。外部負(fù)荷指令單元用于對(duì)系統(tǒng)發(fā)出指令,其主要的方式包括電網(wǎng)頻率與值班員就地指令等,執(zhí)行單元由鍋爐以及汽輪機(jī)兩大硬件設(shè)備所組成[1]。
在此控制系統(tǒng)之中,最重要的便是汽輪機(jī)與鍋爐的主控制器負(fù)荷指令,其具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路如下:第一,在設(shè)計(jì)之前,需要加大對(duì)火力發(fā)電廠機(jī)組實(shí)際運(yùn)行需求的分析,根據(jù)其條件選擇適合的負(fù)荷控制手段。第二,鍋爐與汽輪機(jī)的指令需要通過,接收負(fù)荷指令處理單元所發(fā)出的實(shí)際負(fù)荷質(zhì)量、主蒸汽壓力、給定值信號(hào)、機(jī)組輸出電功率計(jì)算,以便達(dá)到既定的負(fù)荷控制目標(biāo),完成整個(gè)控制任務(wù)。
鍋爐的跟隨方式。對(duì)鍋爐的基本控制方式為,利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)優(yōu)勢(shì),將火電機(jī)組控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)結(jié)合在一起,以便提高其自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化運(yùn)行水平,同時(shí)能夠?qū)ζ溥\(yùn)行信息進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤,并將數(shù)據(jù)資料反饋到控制板面之中,便于值班人員和系統(tǒng)輸入操作指令,以此來提高火電機(jī)組輸出功率的響應(yīng)速率。該控制方式具有以下特點(diǎn):可以利用機(jī)組蓄熱能力,對(duì)輸出功率有迅速的響應(yīng);對(duì)于燃燒側(cè)擾動(dòng)而言,所形成的汽壓波動(dòng)較大[2]。
汽輪機(jī)跟隨方式。需要由鍋爐調(diào)節(jié)單元輸出電功率來調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的汽壓,該控制方式的特點(diǎn)為:一是可以降低汽壓的波動(dòng)幅度,同時(shí)可以提高主蒸汽壓力的控制水平;二是由于未能充分利用鍋爐的蓄熱能力,則會(huì)導(dǎo)致延遲問題的出現(xiàn),因此在負(fù)荷變化適應(yīng)性方面較差一些,不能直接參與電網(wǎng)調(diào)頻以及帶變動(dòng)負(fù)荷。但在機(jī)組發(fā)電機(jī)制方面仍存在一些不足問題,需要時(shí)刻關(guān)注鍋爐的運(yùn)行狀態(tài),并且在運(yùn)行信息的傳遞與響應(yīng)方面還不夠完全,因此在系統(tǒng)優(yōu)化的過程中需要提出相應(yīng)的對(duì)策加以解決。
2.2.1 基本設(shè)計(jì)思路
基于上述鍋爐以及汽輪機(jī)跟隨方式中所存在的弊端,目前能量信號(hào)還沒有能夠直接測(cè)量的辦法,因此在設(shè)計(jì)機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)時(shí),則研究了對(duì)策用于解決既有控制問題:第一,通過間接能量進(jìn)行平衡,利用鍋爐主汽壓力表征鍋爐與汽輪機(jī)之間達(dá)成能量工序平衡,以便控制間接參數(shù)維持機(jī)、爐間能量平衡系統(tǒng)。第二,構(gòu)建一個(gè)直接能量平衡系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠控制機(jī)組能量的輸入,以此來解決既有運(yùn)行問題。
2.2.2 間接能量平衡
該控制方法的基本運(yùn)行原理為,當(dāng)負(fù)荷指令發(fā)生了改變以后,汽輪機(jī)的主控制器則能夠及時(shí)響應(yīng),并且能對(duì)汽輪機(jī)的氣門開度進(jìn)行調(diào)整,以便使機(jī)組輸出功率與負(fù)荷指令之間保持統(tǒng)一。除此之外,可以通過燃燒率變化來及時(shí)補(bǔ)償鍋爐蓄能所產(chǎn)生的變化。如果汽壓值的偏差已經(jīng)超過了既定死區(qū),那么汽輪機(jī)則會(huì)由原來的功率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫乜刂?,這樣可以約束汽輪機(jī)調(diào)門,避免其進(jìn)一步開大,從而引發(fā)浪費(fèi)鍋爐蓄能狀況的出現(xiàn)。在執(zhí)行完畢以后,鍋爐側(cè)可以保證主蒸汽壓力值與給定值信號(hào)平衡,汽輪機(jī)側(cè)可以保證機(jī)組輸出電功率與實(shí)際負(fù)荷指令一致,如圖1所示。
圖1 火力發(fā)電廠鍋爐和汽輪機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)IEB控制策略
圖1中PI表示前饋信號(hào)。上文中所提到的死區(qū)范圍是指非線性函數(shù),在一般情況下取值為±0.6MPa,但應(yīng)用了自動(dòng)發(fā)電控制技術(shù)以后,需要將死區(qū)的范圍擴(kuò)大,以便其能夠更好地適應(yīng)功率調(diào)節(jié)要求,但在高負(fù)荷時(shí)段內(nèi)則要縮小死區(qū),只有這樣才能夠保證鍋爐不出現(xiàn)超壓的問題,從而避免影響機(jī)組運(yùn)行安全。除此之外,死區(qū)還能夠起到無差調(diào)節(jié)功率的作用,其可以在調(diào)節(jié)的過程中切除汽輪機(jī)主控輸入端所產(chǎn)生的壓力偏差。
2.2.3 直接能量平衡
在構(gòu)設(shè)直接能量控制系統(tǒng)時(shí),當(dāng)機(jī)組的燃燒功率增加,就會(huì)提升主蒸汽的壓力值,同時(shí)也會(huì)伴隨著調(diào)節(jié)級(jí)壓力的增長(zhǎng),如果此時(shí)將調(diào)節(jié)級(jí)壓力值作為對(duì)鍋爐質(zhì)量的前饋信號(hào),則會(huì)增大鍋爐主控指令,從而提高燃燒率,形成一個(gè)正向的反饋機(jī)制。因此,在優(yōu)化與改進(jìn)系統(tǒng)的過程中,可以通過以下幾種方式開展。
第一,修正調(diào)節(jié)級(jí)壓力信號(hào)。
第二,將調(diào)節(jié)級(jí)壓力/主蒸汽壓力作為汽輪機(jī)側(cè)能量需求信號(hào)。該種優(yōu)化方法的機(jī)理為,鍋爐側(cè)擾動(dòng)會(huì)對(duì)主蒸汽壓力以及汽輪機(jī)調(diào)節(jié)壓力造成一定的影響,假如燃燒率自發(fā)增加,則主蒸汽壓力與汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)壓力均會(huì)發(fā)生變化,但是比值卻不變?;诖?,則可以有效控制鍋爐燃燒率變化。同時(shí),本文在研究的過程中發(fā)現(xiàn),在定壓運(yùn)行狀態(tài)下,調(diào)節(jié)級(jí)壓力與主蒸汽壓力之間呈現(xiàn)出線性關(guān)系,所以汽輪機(jī)能量需求=調(diào)節(jié)級(jí)壓力/主蒸汽壓力。而此種優(yōu)化方式的缺點(diǎn)是,如果在滑壓運(yùn)行的狀態(tài)之下,調(diào)節(jié)級(jí)壓力與主蒸汽壓力之間將不再是線性關(guān)系,因此無法精準(zhǔn)地呈現(xiàn)出汽輪機(jī)對(duì)于能量的實(shí)際需求。
第三,將調(diào)節(jié)級(jí)壓力×主蒸汽壓力設(shè)定值/主蒸汽壓力,設(shè)定為汽輪機(jī)側(cè)的能量需求信號(hào),表達(dá)式可以參考公式:E=P1×PS/PT,式中:E表示汽輪機(jī)需求能量;P1表示調(diào)節(jié)級(jí)壓力;PT表示主蒸汽壓力;PS表示主蒸汽壓力設(shè)定值。這樣此信號(hào)就可以在滑壓運(yùn)行以及定壓狀態(tài)下,正確表示出汽輪機(jī)的實(shí)際能量需求,同時(shí)也不會(huì)受到鍋爐燃燒率的作用。如果汽輪機(jī)需要增加負(fù)荷,汽輪機(jī)主控制器會(huì)立即響應(yīng),并開大調(diào)節(jié)氣門,此時(shí)的調(diào)節(jié)級(jí)壓力也會(huì)處于上升的狀態(tài)。
在控制方式選定完畢以后,則需要對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置,其需要具備易用性、簡(jiǎn)潔性、系統(tǒng)性的特點(diǎn),具體的實(shí)現(xiàn)方式如下。
一是鍋爐運(yùn)行主界面的設(shè)計(jì)。該界面需要作為鍋爐與汽輪機(jī)組協(xié)調(diào)控制的主要人機(jī)界面使用,因此要便于工作人員調(diào)取出鍋爐的操作板,同時(shí)還可以控制器與監(jiān)督系統(tǒng)運(yùn)行的整個(gè)過程,以便減少能耗過高等問題的出現(xiàn),以此來降低經(jīng)濟(jì)損失。
二是機(jī)組運(yùn)行指令畫面設(shè)置。依照機(jī)組的實(shí)際操作需求,可以將操作畫面區(qū)分成三個(gè)控制單元,第一,指令控制器,其能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)出電機(jī)組在運(yùn)行過程中的具體情況,如果出現(xiàn)了發(fā)電風(fēng)險(xiǎn)或者作業(yè)困難等問題,則可以通過指令來進(jìn)行正確部署。第二,操縱按鈕,其會(huì)與機(jī)組的各類運(yùn)行功能對(duì)接。第三,情報(bào)指示燈,其能夠依照機(jī)組的實(shí)際工作狀態(tài)向管理人員發(fā)出警報(bào),以便值班人員可以快速地響應(yīng),并作出決策與就地控制行為。
三是鍋爐與汽輪機(jī)協(xié)調(diào)主控制操作系統(tǒng)。該單元主要應(yīng)用于協(xié)調(diào)控制,其由DEH控制器、滑壓控制器、壓力控制器等部件所組成。每一控制器都具備特點(diǎn)的控制性能,其可以保證控制系統(tǒng)在作業(yè)中順利運(yùn)行。
四是鍋爐燃燒控制系統(tǒng)。該模塊主要由DEB控制器以及燃料器所構(gòu)成,其中的DEB燃料控制器主要負(fù)責(zé)指令傳輸,火力發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行的過程中,都會(huì)通過DEB來實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐燃料的控制,其能夠?qū)⑾嚓P(guān)指令傳輸至燃料控制器之中,并發(fā)出提供燃料的相關(guān)指令,以便保證鍋爐燃料供給穩(wěn)定。燃料控制器主要負(fù)責(zé)控制鍋爐內(nèi)的燃料,可以保證煤與燃油之間維持合理的比例,以便確保發(fā)電作業(yè)的正常開展。
五是送風(fēng)控制系統(tǒng)。火力發(fā)電的關(guān)鍵點(diǎn)在于,一定要留有一些空氣助燃,只有這樣才能夠保證機(jī)組能量的合理轉(zhuǎn)化。因此,送風(fēng)控制系統(tǒng)主要是為了保證鍋爐內(nèi)部具有一定的空氣。而此時(shí)鍋爐負(fù)荷也會(huì)實(shí)時(shí)傳送給控制系統(tǒng),系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的處理,這樣就可以對(duì)燃料進(jìn)行合理的控制,從而提高機(jī)組整體運(yùn)行的安全穩(wěn)定性,提高燃料的利用效率。
通過上述設(shè)計(jì)策略,將系統(tǒng)應(yīng)用到了某火力發(fā)電廠的實(shí)際發(fā)電業(yè)務(wù)之中,其相比傳統(tǒng)分離式控制系統(tǒng)而言,具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì),值得大范圍推廣。
一是提升機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量。在火力發(fā)電廠日常作業(yè)中鍋爐是重要的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備,而汽輪機(jī)則是重要的動(dòng)力裝置,在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行工況下鍋爐負(fù)荷頻率極易發(fā)生變化,而通過該系統(tǒng)則能夠提高鍋爐與汽輪機(jī)組的協(xié)調(diào)程度,并保證各火力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行與操作,減少事故問題的出現(xiàn),提升其響應(yīng)速率與質(zhì)量[3]。
二是避免運(yùn)作出現(xiàn)延遲。傳統(tǒng)火力發(fā)電廠鍋爐在運(yùn)行的過程中經(jīng)常會(huì)受到延遲問題的干擾,從而導(dǎo)致作業(yè)質(zhì)量較差等問題的出現(xiàn)。而通過該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),則能夠有效解決不安全與運(yùn)作反應(yīng)不及時(shí)的問題,可以最大限度上避免延遲現(xiàn)象的出現(xiàn),提高了工作效率。
三是提高汽壓的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)的主要運(yùn)用原理為,通過轉(zhuǎn)化控制中的負(fù)荷指令來控制鍋爐,并且可以改變汽輪組中的主蒸汽流信號(hào),將其作為前饋信號(hào),從而保證主汽壓偏差值始終處于既定范圍之內(nèi),因此其在穩(wěn)定汽壓方面起到了關(guān)鍵性的作用,可以提高火力發(fā)電廠的安全生產(chǎn)程度。
四是提高鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)精度。通過應(yīng)用該系統(tǒng),能夠通過控制器來提高鍋爐燃燒的精度,這樣能夠使其在一個(gè)良好的工況內(nèi)進(jìn)行工作,同時(shí)也提升了電廠的發(fā)電率。
綜上所述,通過鍋爐與汽輪機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)置,能夠?qū)崿F(xiàn)汽輪機(jī)組與發(fā)電廠鍋爐的一體化運(yùn)行,這也幫助電廠實(shí)現(xiàn)了合理控制火力發(fā)電機(jī)組負(fù)荷水平與蒸汽壓力的目標(biāo)。同時(shí),也為節(jié)約火力發(fā)電廠的能耗與提升經(jīng)濟(jì)效益等方面作出貢獻(xiàn),以期在未來國內(nèi)各火力發(fā)電廠能夠重視自動(dòng)化控制技術(shù)的引入,并推動(dòng)我國電力事業(yè)向著更高層次方向發(fā)展。