樓哲夫

（國家能源集團(tuán)北侖第一發(fā)電有限公司,浙江 寧波 315800）

20世紀(jì)以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，各行各業(yè)的技術(shù)均呈快速增長趨勢(shì)[1]。我國在生產(chǎn)及生活中對(duì)電量的需求日益增加，是促進(jìn)電力行業(yè)發(fā)展的主要因素，且隨著發(fā)電技術(shù)的不斷改進(jìn)，發(fā)電機(jī)組也在逐漸向多元環(huán)保、節(jié)能高效的方向發(fā)展[2]。近年來隨著人們對(duì)可再生能源發(fā)電技術(shù)的不斷研究，在以往火力發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)上，積極對(duì)太陽能光伏發(fā)電、核能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電以及水力發(fā)電等進(jìn)行研究，可再生能源發(fā)電量在總發(fā)電量中的占比逐年遞增，使火力發(fā)電量在總發(fā)電量中的占比逐年遞減，目前已降低至60%左右。這一情況，推動(dòng)了630 MW火電機(jī)組的生成。本文旨在通過探究四角切圓燃燒鍋爐的低負(fù)荷控制優(yōu)化路徑，對(duì)630 MW亞臨界火電機(jī)組低負(fù)荷控制進(jìn)行優(yōu)化，以再次優(yōu)化630 MW亞臨界火電機(jī)組運(yùn)行適應(yīng)性的方案。

1 我國火電機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀

隨著我國電力體系的不斷改革，電力行業(yè)發(fā)電環(huán)節(jié)在市場上的應(yīng)用范圍越來越廣，可以說基本實(shí)現(xiàn)了市場多元化。建設(shè)新發(fā)電機(jī)組一直以來都是五大發(fā)電集團(tuán)的核心競爭策略，積極的競爭關(guān)系促進(jìn)了我國在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)電機(jī)組在發(fā)電量以及裝機(jī)容量上的顯著增加。2015年我國全國用電量增速為近40年最低，雖然在此情況出現(xiàn)后，我國立即下發(fā)針對(duì)煤電裝機(jī)的嚴(yán)格把控文件，全國用電量有所增加，同比增長5%，但該文件未能對(duì)在建項(xiàng)目進(jìn)行管控，僅僅能夠?qū)σ押藴?zhǔn)項(xiàng)目進(jìn)行把控?？傮w來看，火電設(shè)備平均利用小時(shí)數(shù)還是呈顯著降低的趨勢(shì)。這種情況持續(xù)存在，會(huì)引發(fā)其他問題的產(chǎn)生，即變負(fù)荷工況下機(jī)組的控制特性以及能耗特性會(huì)出現(xiàn)較大程度的改變。以機(jī)組額定工況為基礎(chǔ)建立的控制系統(tǒng)，無法滿足現(xiàn)役火電機(jī)組長期在低負(fù)荷變工況條件下經(jīng)濟(jì)、安全地運(yùn)行的需求。故對(duì)于當(dāng)前狀態(tài)下的火電機(jī)組，需要及時(shí)對(duì)其協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

在火電單元機(jī)組機(jī)爐方面，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是將汽輪機(jī)以及鍋爐這兩種特性相差較大的系統(tǒng)組成一個(gè)整體對(duì)其進(jìn)行控制，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)送負(fù)荷需求指令時(shí)，單元機(jī)組能夠及時(shí)對(duì)負(fù)荷改變情況做出反應(yīng)，并將機(jī)組內(nèi)部運(yùn)行參數(shù)偏差控制在相應(yīng)值內(nèi)，對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定地運(yùn)行起到維持作用。受協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的主要控制方向影響，整個(gè)單元機(jī)組運(yùn)行的耗費(fèi)情況以及安全性均與控制水平有關(guān)。目前，直吹式送粉技術(shù)是我國超過630 MW的火電機(jī)組的主要應(yīng)用技術(shù)，而此種火電機(jī)組的主要被控對(duì)象的特點(diǎn)為：其所對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)需具有較高的效率，能夠快速做出反應(yīng)，并在完成控制任務(wù)的過程中，確保機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性以及安全性；汽輪機(jī)以及鍋爐屬于一個(gè)緊密結(jié)合的整體，其所具備的耦合性較強(qiáng)，需能夠協(xié)調(diào)優(yōu)化控制整體；被控對(duì)象系統(tǒng)多規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。結(jié)合被控對(duì)象特點(diǎn)能夠看出，單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)屬于多變量控制系統(tǒng)，復(fù)雜度較高，其主控系統(tǒng)包含了鍋爐控制子系統(tǒng)以及汽機(jī)控制子系統(tǒng)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)、汽機(jī)控制子系統(tǒng)、鍋爐控制子系統(tǒng)、機(jī)爐協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)以及負(fù)荷指令處理部分構(gòu)成了整個(gè)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。其中，重要的子控制系統(tǒng)包括主蒸汽壓力控制系統(tǒng)、爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)、風(fēng)量控制系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)、燃燒控制系統(tǒng)等，可以看出，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)變量較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。眾多控制系統(tǒng)在對(duì)變量的傳輸過程中存在相互耦合、相互影響的關(guān)系，故在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，可獨(dú)立控制關(guān)系相對(duì)較小的子控制系統(tǒng)。

3 參與優(yōu)化改造機(jī)組的基本情況

本文選用的四角切圓燃燒鍋爐為亞臨界2×630 MW機(jī)組鍋爐，是由美國燃燒工程公司（CE）制造和設(shè)計(jì)的，為CC+RR 2008型號(hào)，其汽包爐屬于一次中間再熱，并對(duì)循環(huán)有所控制。采用平衡通風(fēng)的單爐膛，爐膛容積、深度、寬度分別為18 309 m3、17.448.5 m、18.542 m，結(jié)構(gòu)屬于全鋼構(gòu)架，采取固態(tài)排渣方式。在六層往上有24個(gè)燃燒器分布，全部為低氮燃燒器，布置在四個(gè)角落，以11.5 t/h為單個(gè)出力最大值。以正壓直吹四角切圓燃燒為燃燒方式，有上下擺動(dòng)的燃燒器噴口，以±30 °為最大擺角，并在擺動(dòng)的過程中對(duì)再熱氣溫進(jìn)行調(diào)節(jié)。燃燒器的頂、末兩個(gè)噴口中心標(biāo)高分別為35 470 mm、26 170 mm，與冷灰斗轉(zhuǎn)角和分隔屏底的距離分別為5 969 mm、201 300 mm，每個(gè)層一次風(fēng)噴嘴間隔1 860 mm。

4 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化方案

為了方便系統(tǒng)優(yōu)化分析，本章對(duì)630MW亞臨界火電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的邏輯圖進(jìn)行了簡化處理，除去非正常運(yùn)行工況下的保護(hù)邏輯，只對(duì)鍋爐主控和汽機(jī)主控閉環(huán)邏輯的主體部分進(jìn)行研究，簡化后的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方框圖

4.1 鍋爐主控結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鍋爐對(duì)機(jī)組負(fù)荷變化的響應(yīng)具有較大的慣性，從燃燒指令改變到蒸汽壓力變化有較大的滯后和遲延。為了提高鍋爐側(cè)的響應(yīng)速度，使機(jī)組跟蹤外界負(fù)荷變化的同時(shí)，保證主蒸汽壓力穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，并使主蒸汽壓力快速跟蹤主蒸汽壓力設(shè)定值，可在原有鍋爐主控控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加部分前饋。

（1）增加負(fù)荷設(shè)定值經(jīng)過微分環(huán)節(jié)再經(jīng)過折線塊折算后作為前饋。這一路前饋的作用是在負(fù)荷增加或減小時(shí)，起超前調(diào)節(jié)作用，使鍋爐能夠預(yù)先動(dòng)作，能一定程度克服鍋爐側(cè)的大慣性、大遲延特性，提高主蒸汽壓力的穩(wěn)定性。

（2）增加主蒸汽壓力設(shè)定值微分前饋，當(dāng)壓力變化時(shí)，鍋爐側(cè)能夠快速改變煤量，以穩(wěn)定主蒸汽壓力。由機(jī)組負(fù)荷指令、壓力設(shè)定值的微分組成一個(gè)綜合的補(bǔ)償信號(hào)疊加在原鍋爐主控前饋上，在變負(fù)荷時(shí)根據(jù)鍋爐的蓄放熱過程進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高機(jī)組響應(yīng)負(fù)荷變化的能力。以機(jī)組負(fù)荷前饋為核心多種前饋并行加壓力反饋修正的控制策略，可以有效保持機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4.2 汽機(jī)主控結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

雖然汽機(jī)調(diào)門變化能使機(jī)組負(fù)荷快速跟蹤設(shè)定值，但由于主蒸汽壓力的牽制，汽機(jī)調(diào)門開度變化不宜過快。根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，本文在原有汽機(jī)主控控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了負(fù)荷修正系數(shù)。負(fù)荷修正系數(shù)的工作原理如下：主蒸汽壓力設(shè)定值除以選擇后主蒸汽壓力，經(jīng)過高低限制器（高限值為1.1，低限值為0.9）作為負(fù)荷修正系數(shù)，與機(jī)組負(fù)荷相乘后再與負(fù)荷設(shè)定值相減，作為PID控制器的輸入。升負(fù)荷過程中，由于機(jī)組負(fù)荷設(shè)定值與機(jī)組負(fù)荷差值增大，汽機(jī)調(diào)門開度增大，主蒸汽壓力出現(xiàn)變化，當(dāng)主蒸汽壓力設(shè)定值高于選擇后主蒸汽壓力時(shí)，高低限制器會(huì)輸出一個(gè)處于1～1.1之間的數(shù)值，此時(shí)機(jī)組負(fù)荷乘以這個(gè)數(shù)值后得到的數(shù)值會(huì)高于機(jī)組實(shí)際負(fù)荷，即機(jī)組負(fù)荷設(shè)定值與乘以負(fù)荷修正系數(shù)后的機(jī)組負(fù)荷的差值會(huì)減小，導(dǎo)致汽機(jī)調(diào)門開度變化減慢，減小了汽機(jī)調(diào)門開度對(duì)主蒸汽壓力的影響。鍋爐側(cè)對(duì)主蒸汽壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到主蒸汽壓力與主蒸汽壓力設(shè)定值相等，高低限制器輸出為1，不再對(duì)機(jī)組負(fù)荷產(chǎn)生影響。降負(fù)荷時(shí)負(fù)荷修正系數(shù)的工作原理與上述情況類似。

4.3 優(yōu)化后仿真實(shí)驗(yàn)與對(duì)比

在350～400 MW低負(fù)荷之間，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主蒸汽壓力設(shè)定值處于恒定狀態(tài)。下述在主蒸汽壓力設(shè)定值不變的情況下驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制效果的仿真實(shí)驗(yàn)，是在主蒸汽壓力設(shè)定值保持在13.8 MPa，負(fù)荷從350 MW升至400 MW（升負(fù)荷過程），升負(fù)荷速率為6 MW/min和負(fù)荷從400 MW降至350 MW（降負(fù)荷過程），降負(fù)荷速率為6 MW/min兩種條件下進(jìn)行的，由于還沒有進(jìn)行控制器參數(shù)的優(yōu)化，所以本實(shí)驗(yàn)控制器參數(shù)與原控制器參數(shù)相同。通過查閱ABB功能碼介紹，了解機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制器工作原理，如下所示。

鍋爐主控制器參數(shù)為K=5，Kp=1.06，Ki=0.08/分，Kd=1.19，Ka=10.600 1；汽機(jī)主控制器參數(shù)為K=0.17，Kp=0.45，Ki=2，Kd=0，Ka=10。按照協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)原控制結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)以及控制器結(jié)構(gòu)編寫MATLAB仿真程序，仿真曲線如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可知，機(jī)組在350～400 MW低負(fù)荷范圍的升負(fù)荷和降負(fù)荷過程中，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，負(fù)荷響應(yīng)速度變快，穩(wěn)定時(shí)間變短。升負(fù)荷過程中，由于汽機(jī)調(diào)門開度的變化使得主蒸汽壓力先下降，后又穩(wěn)定到13.8 MPa；降負(fù)荷過程中，汽機(jī)調(diào)門先關(guān)小，主蒸汽壓力先上升，后又由于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的作用穩(wěn)定到13.8 MPa。由圖2和圖3的主蒸汽壓力的仿真曲線可以看出，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后主蒸汽壓力變化幅度變小，穩(wěn)定時(shí)間明顯縮短。經(jīng)驗(yàn)證，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化后的控制結(jié)構(gòu)在機(jī)組主蒸汽壓力設(shè)定值不變的情況下控制效果良好，達(dá)到了控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

圖2 機(jī)組負(fù)荷和主蒸汽壓力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后對(duì)比圖（升負(fù)荷過程）