張祺

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院自動(dòng)化系，上海 200240）

600MW亞臨界機(jī)組再熱汽溫控制優(yōu)化

張祺

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院自動(dòng)化系，上海 200240）

某電廠600MW亞臨界燃煤機(jī)組，鍋爐的汽溫控制分為過(guò)熱汽溫控制和再熱汽溫控制。其再熱汽溫控制，主要采用減溫水控制配合擺動(dòng)燃燒器的調(diào)節(jié)方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。減溫水噴水點(diǎn)布置在再熱器進(jìn)口管道上，減溫水來(lái)自給泵的中間抽頭，經(jīng)隔絕門后分為兩路，分別控制兩側(cè)的再熱汽溫。擺動(dòng)燃燒器，通過(guò)調(diào)節(jié)爐膛內(nèi)燃燒火焰的位置，以達(dá)到控制汽溫的目的。實(shí)際運(yùn)行中，再熱汽溫自動(dòng)控制存在控制不穩(wěn)定的情況，影響了鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。本文對(duì)其原因進(jìn)行分析，并提出采用總能量平衡的優(yōu)化控制策略，對(duì)原控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，取得了較好的控制效果。

再熱汽溫 串級(jí)控制 總能量平衡

1 再熱汽溫原控制方式

機(jī)組再熱器減溫控制的原設(shè)計(jì)方式主要采用減溫水配合擺動(dòng)燃燒器的調(diào)節(jié)方式，機(jī)組的主蒸汽壓力和負(fù)荷作為前饋調(diào)節(jié)，再熱器出口汽溫作為被調(diào)量，爐膛分為兩側(cè)且分別控制。

實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)燃燒器擺動(dòng)控制再熱汽溫并非呈現(xiàn)線性變化，且經(jīng)常擺動(dòng)燃燒器易導(dǎo)致四個(gè)角的燃燒器擺動(dòng)范圍和同步性能產(chǎn)生偏差以及損壞燃燒器執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，燃燒器擺動(dòng)控制汽溫并未投入自動(dòng)運(yùn)行。

機(jī)組的再熱蒸汽壓力和負(fù)荷的前饋調(diào)節(jié)，由于使用中產(chǎn)生的擾動(dòng)較大，也并未投入使用。

因此，再熱減溫水原控制策略采用傳統(tǒng)的以減溫器出口汽溫作為導(dǎo)前信號(hào)的串級(jí)控制方法。此控制方法的最大優(yōu)點(diǎn)為控制對(duì)象直接，控制邏輯簡(jiǎn)單明了。但再熱減溫器不同于過(guò)熱減溫器的布置，其位于再熱器的進(jìn)口，而控制對(duì)象是再熱器出口溫度，因此存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）再熱汽溫調(diào)節(jié)控制對(duì)象是再熱器出口溫度，存在一定的延時(shí)和慣性，如無(wú)合適的輔助控制，易造成再熱汽溫控制不穩(wěn)定。（2）當(dāng)機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，再熱汽溫產(chǎn)生波動(dòng)，此控制方式能夠有效的控制再熱汽溫。但當(dāng)機(jī)組運(yùn)行工況產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，由于其并未考慮其他因素（如負(fù)荷與壓力變化），易造成減溫水汽溫與流量隨壓力波動(dòng)，形成調(diào)節(jié)振蕩。而當(dāng)負(fù)荷與壓力變化較大時(shí)，其振蕩不易收斂，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。這也是常規(guī)串級(jí)控制系統(tǒng)的特性：對(duì)于內(nèi)擾（被調(diào)量的變化擾動(dòng)）能夠很好的進(jìn)行調(diào)節(jié)，而對(duì)于外擾（壓力、負(fù)荷變化等）調(diào)節(jié)的作用有限。（3）再熱減溫水流量隨機(jī)組負(fù)荷和壓力的頻繁波動(dòng)，影響再熱汽進(jìn)入汽輪機(jī)中低壓缸的蒸汽流量，造成機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性降低。（4）減溫水流量頻繁波動(dòng)后進(jìn)入再熱蒸汽管道，造成再熱蒸汽溫度變化過(guò)大，當(dāng)這些蒸汽流入再熱器后，導(dǎo)致再熱器管壁產(chǎn)生氧化皮，長(zhǎng)時(shí)間流量大幅度波動(dòng)，易造成氧化皮脫落堵塞蒸汽管道，因此這對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行是一個(gè)隱患。以上問(wèn)題的存在，對(duì)于機(jī)組的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有一定的影響?；诖?，機(jī)組需進(jìn)一步優(yōu)化再熱汽溫的控制策略。

圖1 再熱氣溫變化情況（負(fù)荷穩(wěn)定）

2 再熱汽溫優(yōu)化控制

2.1 優(yōu)化控制改進(jìn)設(shè)想

原控制方案是一個(gè)常規(guī)的單回路控制系統(tǒng)加上導(dǎo)前汽溫的串級(jí)控制系統(tǒng)。由于再熱減溫控制系統(tǒng)是一個(gè)大慣性的控制系統(tǒng)，單回路控制系統(tǒng)是不易獲得好的控制品質(zhì)的。原因在于對(duì)于大慣性系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器需快速和及時(shí)動(dòng)作才能使系統(tǒng)具有好的控制品質(zhì)，但另一方面，維持大慣性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定又必須把調(diào)節(jié)器整定得很慢（比例和積分時(shí)間均需放大），可見(jiàn)這兩方面明顯是一對(duì)矛盾。加上了導(dǎo)前汽溫的串級(jí)控制系統(tǒng)，對(duì)控制品質(zhì)是有改善作用的，但其只對(duì)引起被調(diào)量變化的內(nèi)擾有提前調(diào)節(jié)作用，而對(duì)于外擾（如汽壓、煙氣流量變化等）并未起到提前的調(diào)節(jié)作用，即對(duì)于外擾，串級(jí)控制系統(tǒng)依然是滯后調(diào)節(jié)，仍會(huì)造成系統(tǒng)調(diào)節(jié)的緩慢和不穩(wěn)定。

由于串級(jí)控制系統(tǒng)具有抗內(nèi)擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，且具有一定的自適應(yīng)能力，因此，在控制方案的改進(jìn)過(guò)程中，仍將繼續(xù)沿用串級(jí)控制系統(tǒng)。對(duì)于其抗外擾較差的特點(diǎn)，考慮將具有遲延時(shí)間的控制對(duì)象進(jìn)行更換，用具有抗干擾性的參數(shù)進(jìn)行代替。此外，選擇合適的導(dǎo)前信號(hào)，也將有利于改善系統(tǒng)調(diào)節(jié)的速度和穩(wěn)定。

2.2 優(yōu)化方案的制定

再熱汽溫變化主要是由于蒸汽流量變化與煙氣流量變化的不平衡引起的，特別是在機(jī)組負(fù)荷快速變化的情況下，由于爐膛吸（放）熱有一定的延遲，導(dǎo)致蒸汽流量的變化滯后于煙氣流量的變化，從而引起了汽溫的波動(dòng)。在這汽溫的波動(dòng)過(guò)程中，再熱蒸汽的比焓是沒(méi)有變化的。

根據(jù)以上分析，又由于原串級(jí)控制系統(tǒng)的缺陷，因此決定采用蒸汽的比焓代替原再熱器出口汽溫作為減溫水的控制對(duì)象，這樣能有效地減少汽溫與鍋爐負(fù)荷控制互相影響的問(wèn)題，有利于機(jī)組的穩(wěn)定控制。通過(guò)這一改進(jìn)，將可以基本消除鍋爐負(fù)荷變化與再熱汽溫之間的相互影響，增強(qiáng)了汽溫控制的穩(wěn)定性，克服了原控制系統(tǒng)快速和穩(wěn)定不可兼得的問(wèn)題。

此外，在控制系統(tǒng)中加入前饋信號(hào)，通過(guò)機(jī)組多次性能試驗(yàn)計(jì)算得出鍋爐總能量平衡所對(duì)應(yīng)的減溫水量，作為鍋爐再熱減溫控制的前饋。原因如下：機(jī)組在增加負(fù)荷時(shí)，爐膛內(nèi)燃煤量增加，爐內(nèi)熱負(fù)荷增加，此時(shí)爐膛內(nèi)的煙氣熱量先上升，汽溫受此影響將上升，由于需要燃燒時(shí)間，鍋爐的蒸發(fā)量有一定的延遲才會(huì)上升，因此在汽溫剛上升時(shí)并不需要噴入減溫水，因?yàn)楫?dāng)鍋爐蒸發(fā)量與煙氣流量平衡后，汽溫自然會(huì)下降。如在汽溫剛上升時(shí)就噴入減溫水，勢(shì)必對(duì)汽溫控制系統(tǒng)構(gòu)成擾動(dòng)，造成蒸發(fā)量與煙氣流量的熱能不平衡，形成波動(dòng)。反之在降低負(fù)荷時(shí)，也是如此。此前饋信號(hào)的加入，使汽溫控制系統(tǒng)根據(jù)燃煤量和蒸汽流量的變化情況，提前對(duì)減溫水量進(jìn)行控制，減小外擾對(duì)控制系統(tǒng)的擾動(dòng)。

根據(jù)以上的控制方案對(duì)原控制方式進(jìn)行修改：將原串級(jí)控制系統(tǒng)中PID的設(shè)定值SP改為目標(biāo)溫度設(shè)定值與其對(duì)應(yīng)的再熱蒸汽壓力值結(jié)合所計(jì)算出的焓值。PID的實(shí)際值PV改為此時(shí)所對(duì)應(yīng)的再熱蒸汽的實(shí)際焓值與焓值設(shè)定值經(jīng)過(guò)一組滯后校正環(huán)節(jié)計(jì)算后得出的修正值。前饋環(huán)節(jié)是通過(guò)鍋爐總能量平衡計(jì)算得出的減溫水量修正值。以上這些要素構(gòu)成了新的控制邏輯來(lái)控制再熱汽溫。

2.3 優(yōu)化效果

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的再熱汽溫控制系統(tǒng)投運(yùn)一段時(shí)間以來(lái)，控制效果明顯優(yōu)于原系統(tǒng)。

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，再熱汽溫控制穩(wěn)定，變化幅度基本能控制在小于3℃的范圍內(nèi)，如圖1所示。

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化較大時(shí)（±10MW），再熱汽溫能維持在10℃以內(nèi)變化，且能快速地恢復(fù)穩(wěn)定，如圖2所示。

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷振蕩時(shí)，其依然可以快速恢復(fù)且不會(huì)發(fā)生反復(fù)振蕩。

3 結(jié)語(yǔ)

再熱汽溫控制不穩(wěn)定是許多燃煤機(jī)組普遍存在的問(wèn)題，本文對(duì)其原因進(jìn)行了分析，用鍋爐總能量平衡對(duì)減溫水進(jìn)行預(yù)測(cè)作為PID的前饋，并將蒸汽比焓作為調(diào)節(jié)依據(jù)，對(duì)原再熱汽溫的串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)優(yōu)化后的系統(tǒng)，能滿足系統(tǒng)快速響應(yīng)的要求且能使系統(tǒng)較之以前更穩(wěn)定，解決了原系統(tǒng)需經(jīng)常退出自動(dòng)控制進(jìn)行手動(dòng)干預(yù)和控制的問(wèn)題，從而提高了機(jī)組的運(yùn)行效率。

圖2 再熱氣溫變化情況（負(fù)荷變化10MW時(shí)）