深度調(diào)峰下的火電機組變負荷過程蒸汽參數(shù)反饋特性研究

陳建勛

（國能內(nèi)蒙古呼倫貝爾發(fā)電有限公司）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)運行方式日益多樣化、復(fù)雜化，深度調(diào)峰是電力系統(tǒng)運行的必然趨勢[1]。本文以某600MW 火電機組為例，研究在變負荷過程中蒸汽參數(shù)的測量技術(shù)，采用一次調(diào)頻和二次調(diào)頻相結(jié)合的方案進行汽溫控制。在機組變負荷試驗中，首先通過改變汽機控制策略來改變鍋爐燃燒過程，并對其進行動態(tài)響應(yīng)分析。通過動態(tài)響應(yīng)分析可以發(fā)現(xiàn)影響鍋爐燃燒及出力性能的關(guān)鍵因素即汽溫，進而可對不同控制策略下蒸汽參數(shù)變化進行實時監(jiān)測或調(diào)整以適應(yīng)機組狀態(tài)變化。首先利用PID 等自動調(diào)節(jié)技術(shù)實現(xiàn)汽壓、流量的調(diào)節(jié)；然后通過PID 等控制算法實現(xiàn)鍋爐給水流量、主汽壓力、凝結(jié)水溫度和蒸汽參數(shù)等多個變量的調(diào)節(jié)；最后根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)反饋值進行相應(yīng)操作并對其效果進行分析與驗證。通過該方法可以實現(xiàn)在變負荷過程中對鍋爐運行參數(shù)進行實時調(diào)整和優(yōu)化，提高機組響應(yīng)能力和機組運行經(jīng)濟性[2]。

1 變負荷過程蒸汽參數(shù)動態(tài)監(jiān)測與分析

燃煤火力發(fā)電機組在變負荷過程中，需要根據(jù)不同負荷下的工況條件和機組實際運行情況，采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)策略。在變負荷過程中，鍋爐燃燒時溫度逐漸降低，當(dāng)蒸汽溫度降低到一定程度時，爐膛溫度就會下降，這一變化對燃燒效率和燃燒質(zhì)量影響很大。由于實際負荷和鍋爐實際參數(shù)往往存在一定的偏差，導(dǎo)致在變負荷過程中爐膛的最大平均燃燒速度較小。隨著負荷的不斷增大和煤種的變化引起的煤發(fā)熱量降低也會導(dǎo)致不同爐膛最高溫度下降。當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速后汽輪機就會開始轉(zhuǎn)動并進行膨脹做功，由于膨脹做功過程中會產(chǎn)生熱應(yīng)力，因此汽輪機轉(zhuǎn)子上會產(chǎn)生徑向拉應(yīng)力。這種徑向拉應(yīng)力是由于膨脹做功過程中熱功轉(zhuǎn)換時造成的。根據(jù)鍋爐蒸汽壓力變化曲線圖可以發(fā)現(xiàn)在變負荷過程中實際汽壓力隨著時間的變化呈現(xiàn)出上升趨勢，因此在變負荷過程中實際汽壓狀態(tài)隨時間變化時鍋爐汽壓是隨著時間變化而改變。

2 機組變負荷試驗研究

機組變負荷試驗過程中，需要對各變量參數(shù)進行實時測量。為保證機組變負荷試驗的準(zhǔn)確性，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，將所有設(shè)備的數(shù)據(jù)（如鍋爐壓力、主蒸汽壓力、給水溫度和送水泵汽輪機出口壓力）均設(shè)定成1 個值，以提高變負荷實驗精度。根據(jù)機組變負荷過程中工況變化，在各系統(tǒng)中分別設(shè)置相應(yīng)的運行參數(shù)：①給水流量：從鍋爐側(cè)給水流量為5×104～10×104m3/h，從汽輪機側(cè)給水量為2×108～4×108t/h。②鍋爐側(cè)各主汽壓、主汽壓力、鍋爐給水壓力。③給水泵汽輪機出口壓力設(shè)定為3 個值，即給水泵進口的最大蒸汽壓力值、給水泵出口的最大蒸汽壓力值和給水泵的最高給水溫度。④各工況參數(shù)變化情況：主蒸汽流量在試驗過程中隨著負荷降低而逐漸減小，并在整個試驗過程中維持恒定；主蒸汽壓力在負荷下降到試驗極限或稍有升高后保持穩(wěn)定。

3 試驗系統(tǒng)介紹

3.1 流量測量單元

流量測量單元主要由流量計、流量采集卡（包括流量標(biāo)定系統(tǒng)）和信號調(diào)理單元組成。流量計是指采用測量流體流量的裝置，其作用是通過測量流體在單位時間內(nèi)的平均體積流量來獲得被測流體量。流量標(biāo)定系統(tǒng)：該標(biāo)定系統(tǒng)利用一個具有固定精度、可調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)差ΔV（A）來校準(zhǔn)被測液體的質(zhì)量，從而獲得所需要的液體質(zhì)量。現(xiàn)場信號調(diào)理單元：該測量單元由一組數(shù)字信號調(diào)理電路和相應(yīng)的模擬信號處理電路組成。信號調(diào)理電路中通過電平轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，再由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D）和數(shù)字信號處理模塊（D/A）將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。根據(jù)現(xiàn)場情況，可將測量單元分為兩組，分別用于對同一流體參數(shù)不同時段進行測量。

3.2 機組控制部分

①汽輪機控制部分主要包括PID 算法和PID 控制器的編程。②機組運行監(jiān)控模塊是根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集裝置實時傳輸回廠數(shù)據(jù)和機組運行狀態(tài)信息而設(shè)計的數(shù)據(jù)采集模塊，該模塊采用PLC 控制器，在計算機中編寫相應(yīng)的程序模塊。③參數(shù)設(shè)置模塊主要是在PLC 控制器上完成有關(guān)參數(shù)的修改。

4 蒸汽參數(shù)測量技術(shù)

①熱工參數(shù)：主要包括空氣溫度、露點溫度、露點壓力以及真空度和真空流量等。②機械參數(shù)：主要包括磨煤機排粉量、磨煤濃度以及磨煤比。③爐膛參數(shù)：包括爐內(nèi)有效燃燒面積和煙氣平均流速系數(shù)等信息。④爐膛燃燒特性：包括爐內(nèi)燃燒區(qū)寬度和高度的變化等信息。⑤煙氣量：主要根據(jù)煙囪高度、排風(fēng)量和煙氣溫度等信息確定，但也可通過煙氣流速間接計算。⑥爐墻熱流密度：主要反映爐墻兩側(cè)爐壁熱流密度的變化，也可通過煙氣流速間接測量，如測煙溫時的煙囪出口氣體流速度。⑦水冷壁水頭：主要反映水冷壁水頭的變化范圍，通過水流流速間接測量。⑧煤質(zhì)參數(shù)：主要反映煤燃燒情況，如著火溫度、燃盡程度等信息。⑨煤粉細度：主要反映煤粉細度，通過煤粉細度可以間接測得。⑩煤質(zhì)含硫量：主要受燃燒狀況及爐膛溫度分布影響，是電廠鍋爐運行中需要關(guān)注的參數(shù)之一。

5 蒸汽參數(shù)與汽機控制策略之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系

5.1 汽機變負荷過程中的汽輪機控制

以某600MW 機組為例，通過上述分析可知，在機組負荷進一步增大后，主汽壓力基本保持線性遞增的趨勢變化，且汽機參數(shù)與蒸汽參數(shù)呈現(xiàn)一定負相關(guān)關(guān)系；當(dāng)主汽壓波動較大時，則出現(xiàn)一定幅度的振蕩現(xiàn)象，當(dāng)機組負荷進一步增大后，汽輪機蒸汽參數(shù)與汽機給水溫度存在一定的負相關(guān)關(guān)系。其中，隨著機組負荷的增大，汽輪機蒸汽平均壓力與給水平均壓力均呈現(xiàn)不同程度的負相關(guān)關(guān)系；在機組負荷進一步增大后，汽輪機蒸汽平均壓力出現(xiàn)一定幅度的波動狀態(tài)；而在不同負荷下，汽機蒸汽平均壓力的波動范圍與運行參數(shù)間呈現(xiàn)一定程度的正相關(guān)關(guān)系。根據(jù)以上分析可知，對于不同的變負荷工況，汽輪機負荷與汽機主汽蒸汽參數(shù)之間存在一定正相關(guān)關(guān)系[3]。

5.2 汽機蒸汽參數(shù)與機組負荷間的關(guān)系模型

汽機蒸汽參數(shù)的變化與鍋爐給水溫度，隨著機組負荷的增加，給水溫度逐漸升高而汽輪機的負荷則隨之增加。根據(jù)汽輪機運行方式，汽機蒸汽參數(shù)與機組負荷間存在一定關(guān)聯(lián)關(guān)系，但不是簡單呈現(xiàn)線性關(guān)系。汽機蒸汽參數(shù)隨鍋爐給水溫度、主蒸汽壓力變化，但與機組負荷無關(guān)。該模型反映在機組負荷不斷增大時鍋爐運行方式改變對蒸汽參數(shù)影響較大這一特性。當(dāng)汽機系統(tǒng)調(diào)整鍋爐負荷時，需要考慮汽機系統(tǒng)調(diào)節(jié)對主蒸汽溫度、主汽壓力等關(guān)鍵參數(shù)產(chǎn)生變化這一因素。

5.3 變負荷過程中汽溫閉環(huán)調(diào)節(jié)特性及優(yōu)化方法研究

根據(jù)機組運行情況，設(shè)定該機組在給定負荷條件下，在額定出力基礎(chǔ)上進行穩(wěn)態(tài)時、非穩(wěn)態(tài)時的汽溫變化情況。根據(jù)機組穩(wěn)態(tài)時、非穩(wěn)態(tài)時不同負荷下的汽溫變化規(guī)律可知，在不同負荷下，汽溫有兩種不同變化趨勢：一是蒸汽參數(shù)先緩慢升高后快速下降；二是蒸汽參數(shù)先快速下降后逐漸平緩直至穩(wěn)定。而當(dāng)一次調(diào)頻開始后，蒸汽參數(shù)將逐漸趨于平穩(wěn)，而后逐漸增大，這主要是由于一次調(diào)頻期間，鍋爐受熱面處于最佳工況范圍之內(nèi)。而二次調(diào)頻過程，鍋爐受熱面處于非最佳工況內(nèi)、且蒸汽參數(shù)變化較小。隨著負荷的增加和減少，蒸汽參數(shù)逐漸減??；而當(dāng)負荷達到最大值后，蒸汽參數(shù)迅速升高。這主要是二次調(diào)頻過程中由于汽溫快速上升導(dǎo)致給水流量增加；同時由于鍋爐受熱面處于最大工況范圍之內(nèi)，使得給水流量減小。而在變負荷過程中進行二次調(diào)頻時，隨著機組負荷的增加和減少，蒸汽參數(shù)先快速下降然后逐漸平穩(wěn)直至穩(wěn)定。同時隨著機組出力的增加和減少，通過汽溫曲線可以發(fā)現(xiàn)隨著負荷的增加，汽溫曲線有一個明顯變化規(guī)律。綜上所述，在變負荷過程中進行汽溫閉環(huán)控制對保證設(shè)備運行安全、提高鍋爐出力性能和經(jīng)濟效益具有重要意義。

5.4 蒸汽參數(shù)數(shù)據(jù)來源

考慮到汽機變負荷過程中蒸汽參數(shù)變化具有時變性，同時由于蒸汽參數(shù)與系統(tǒng)運行狀態(tài)密切相關(guān)，因此必須采用現(xiàn)場實時測量蒸汽參數(shù)的方式進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集過程主要分為兩個部分：利用實時溫度傳感器在負荷率為100%時進行汽溫測量，并在一次調(diào)頻過程中將測量結(jié)果與實時溫度進行對比，以驗證二次調(diào)頻方式對系統(tǒng)的適應(yīng)性。將汽溫數(shù)據(jù)通過RS485 總線與智能儀表相連，將蒸汽參數(shù)與系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)相結(jié)合，得到一次調(diào)頻過程中的蒸汽參數(shù)變化趨勢。利用二次調(diào)頻方式對蒸汽參數(shù)進行實時調(diào)整。對汽機變負荷過程實時數(shù)據(jù)進行采集后分別在一次調(diào)頻和二次調(diào)頻方式下的汽溫值進行對比分析，由于該機組為典型的深度調(diào)峰機組，本文將采用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)來分析該機組在調(diào)峰過程中的蒸汽參數(shù)變化情況并驗證反饋方法的有效性。由于三個階段工況不同，蒸汽參數(shù)變化量較大，因此在二次調(diào)頻過程中需要通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)來反映蒸汽參數(shù)變化趨勢。

5.5 反饋結(jié)果分析

在鍋爐超深度調(diào)峰下，汽機運行方式主要采用二次調(diào)頻的形式進行汽溫控制。與鍋爐負荷率保持恒定相比較，二次調(diào)節(jié)方式下，蒸汽參數(shù)的變化趨勢與鍋爐負荷率變化趨勢一致：當(dāng)負荷率固定時，汽溫的最大變化量為298 kJ/kg；當(dāng)負荷率固定時，汽溫變幅為304 kJ/kg。當(dāng)機組深度調(diào)峰運行時，二次調(diào)頻方式下蒸汽參數(shù)的最大變化量比一次調(diào)整方式下有所增加。隨著鍋爐深度調(diào)峰運行時間越來越長，各蒸汽參數(shù)呈現(xiàn)出逐漸變小的趨勢。當(dāng)機組深度調(diào)峰運行時間超過一個小時后，汽溫變化開始趨于穩(wěn)定。通過現(xiàn)場試驗驗證蒸汽參數(shù)反饋方法的有效性，根據(jù)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前調(diào)峰條件下，該機組汽溫控制在一次調(diào)頻方式下波動較大，而經(jīng)過二次調(diào)節(jié)后，變負荷過程中各關(guān)鍵變量保持穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

綜上所述，本文對鍋爐變負荷過程中蒸汽參數(shù)的測量技術(shù)和反饋方法進行研究，通過分析鍋爐變負荷過程運行參數(shù)的變化趨勢以及對機組不同工況下的響應(yīng)特性進行研究，總結(jié)出在深度調(diào)峰時鍋爐蒸汽參數(shù)變化規(guī)律。通過一次調(diào)頻調(diào)節(jié)給水流量、主汽壓力和凝結(jié)水溫度來改變鍋爐的燃燒過程，利用PID、RBF和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制算法對汽溫進行實時監(jiān)測和動態(tài)調(diào)節(jié)，并基于系統(tǒng)特性反饋值制定變負荷過程汽溫控制策略。通過一次調(diào)頻與二次調(diào)頻相結(jié)合來控制主蒸汽流量，同時通過主蒸汽壓力、汽壓、負荷等多個變量來監(jiān)測爐內(nèi)蒸汽參數(shù)，并通過實時調(diào)整實現(xiàn)對機組不同工況下運行參數(shù)的實時跟蹤；同時結(jié)合機組變負荷試驗驗證蒸汽參數(shù)反饋方法的可行性。