空冷島溫度場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)最優(yōu)背壓控制實(shí)踐分析

李想，雷明遠(yuǎn)，韓孝軍

（吉林電力股份有限公司白城發(fā)電公司，吉林 白城 137000）

直接空冷機(jī)組在節(jié)水上顯著優(yōu)于濕冷機(jī)組，尤其在水資源稀缺的西北地區(qū)。這種節(jié)水優(yōu)勢(shì)有效緩解了該地區(qū)發(fā)電時(shí)水資源緊張的問(wèn)題，同時(shí)優(yōu)化了煤炭資源的利用。然而，實(shí)際運(yùn)行中，特別是在某些特定工況下，直接空冷機(jī)組面臨著氣流分配不均勻等挑戰(zhàn)，可能導(dǎo)致散熱器局部低溫甚至凍結(jié)，進(jìn)而影響機(jī)組性能，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致停機(jī)。因此，電廠需建立空冷島溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握溫度分布，并采用先進(jìn)控制策略和算法來(lái)優(yōu)化空冷系統(tǒng)，確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

1 空冷島溫度智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)要點(diǎn)分析

本次空冷島溫度智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)構(gòu)建期間，主要使用東方汽輪機(jī)廠的2×350MW 機(jī)組，融合亞臨界技術(shù)與一次中間再熱工藝，采用直接空冷與凝汽式設(shè)計(jì)。汽輪機(jī)排汽壓力為14.5kPa，確保高效穩(wěn)定發(fā)電。采用由首航艾啟威企業(yè)制造的空冷散熱器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成為6列冷凝器，每列配置有5個(gè)單元。為了提升蒸汽冷卻效果，該散熱器采用了翅片管換熱器和順流/混合流布局優(yōu)化。同時(shí)，為改善冷凝器冷卻效果，配備30套通風(fēng)系統(tǒng)。此外，該系統(tǒng)還集成了冷凝水收集、高壓水清洗、抽真空（包含3 個(gè)100%的真空單元）以及高壓噴霧降溫等子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水資源循環(huán)、維持真空、定期清洗和調(diào)節(jié)溫度。背壓變化影響給水泵汽輪機(jī)輸出和鍋爐給水量，對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。為評(píng)估控制系統(tǒng)在背壓變化時(shí)的適應(yīng)性，需進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分析背壓對(duì)直排汽輪機(jī)給水調(diào)節(jié)的影響。采用模塊化建模，將系統(tǒng)細(xì)分為多個(gè)子模型，分別建模、校驗(yàn)，最后聯(lián)合調(diào)試，提出適應(yīng)的背壓控制策略及運(yùn)行調(diào)節(jié)方式。

2 系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

本次模型建構(gòu)期間，主要是構(gòu)建輔助汽輪機(jī)系統(tǒng)及啟動(dòng)給水泵模型，具體建模流程如下。

2.1 輔助汽輪機(jī)

（1）計(jì)算汽輪機(jī)進(jìn)氣流量。對(duì)小型汽輪機(jī)調(diào)門(mén)特性進(jìn)行深入分析，可觀察到調(diào)節(jié)閥門(mén)前壓力與閥門(mén)開(kāi)度的乘積與其蒸汽流量之間存在比例關(guān)系。基于這一發(fā)現(xiàn)，計(jì)算小型汽輪機(jī)進(jìn)氣流量的方法，具體計(jì)算公式如下。

（2）計(jì)算小型汽輪機(jī)功率。系統(tǒng)仿真期間，小型汽輪機(jī)功率計(jì)算方法見(jiàn)式如下。

圖1 轉(zhuǎn)子仿真模型

圖2 背壓升高1kPa 引起的實(shí)際焓降變化量

2.2 給水泵

在構(gòu)建給水泵模型的過(guò)程中，泵功率的計(jì)算可依據(jù)揚(yáng)程、流量及效率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行。見(jiàn)式如下：

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在THA 工況條件下，為精確計(jì)算給水泵的揚(yáng)程、流量及效率等關(guān)鍵參數(shù)，需對(duì)額定轉(zhuǎn)速下的泵特性曲線進(jìn)行深入分析。換言之，在非額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，泵的流量、揚(yáng)程及效率等性能表現(xiàn)也需綜合考量。其相關(guān)規(guī)律見(jiàn)式如下：

輔助汽輪機(jī)模型及給水泵模型穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果受不同工況影響，具體結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同工況給水泵及輔助模型穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果分析

3 空冷島溫度場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)最優(yōu)背壓控制實(shí)踐分析

3.1 系統(tǒng)最優(yōu)背壓控制方案設(shè)計(jì)

給水流量的調(diào)控依賴(lài)負(fù)反饋控制，可通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整小機(jī)開(kāi)度來(lái)匹配設(shè)定值。但這種方式受背壓影響大，響應(yīng)慢。為了優(yōu)化控制，可引入前饋和轉(zhuǎn)速內(nèi)環(huán)串級(jí)控制，這不僅能加速響應(yīng)，還能降低背壓對(duì)流量的影響。將背壓作為前饋信號(hào)添加到小機(jī)流量指令中，可進(jìn)一步提高控制效果。然而，前饋量的最佳值需通過(guò)深入研究確定，以平衡背壓變化對(duì)小機(jī)做功能力的影響，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。因小機(jī)的主調(diào)閥開(kāi)度會(huì)隨著流量的增加而增加，所以背壓前饋出現(xiàn)的開(kāi)度標(biāo)準(zhǔn)值變化即為小機(jī)流量變化情況，應(yīng)滿足以下條件：

經(jīng)分析前饋量dG 計(jì)算方法見(jiàn)式（7）：

3.2 不同背壓優(yōu)化控制方案對(duì)比分析

在本次不同背壓優(yōu)化控制方案對(duì)比分析期間，主要分析背壓頻發(fā)變化、背壓突升等，結(jié)果如下。

（1）背壓頻繁變化。當(dāng)背壓頻繁發(fā)生變化時(shí)，特別是在THA 工況下，其對(duì)機(jī)組的影響尤為顯著。例如，當(dāng)背壓每分鐘變化1kPa、幅值為2kPa 時(shí)，這種周期性的頻繁波動(dòng)會(huì)對(duì)汽動(dòng)給水泵的穩(wěn)定運(yùn)行造成不利的影響。在仿真過(guò)程中，設(shè)定背壓以特定速率和幅值進(jìn)行周期性變化，旨在模擬實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的背壓波動(dòng)情況。針對(duì)這一情境，對(duì)比不同控制措施對(duì)汽動(dòng)給水泵的作用效果。主要包括串級(jí)（微分）+前饋控制、串級(jí)+前饋控制、負(fù)反饋+前饋控制、串級(jí)控制和負(fù)反饋控制。通過(guò)對(duì)比不同控制策略下的仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)串級(jí)（微分）+前饋控制的控制效果最佳，能有效降低背壓波動(dòng)對(duì)汽動(dòng)給水泵的影響，確保其穩(wěn)定運(yùn)行。其次，為串級(jí)+前饋控制，負(fù)反饋+前饋控制稍遜一籌。相比之下，僅使用串級(jí)控制或負(fù)反饋控制的控制效果相對(duì)一般。

（2）背壓突升。當(dāng)背壓在THA 工況下突然升高，尤其是短時(shí)間內(nèi)如30s 內(nèi)升高7.5kPa 時(shí)，會(huì)對(duì)汽動(dòng)給水泵產(chǎn)生顯著沖擊。為了評(píng)估不同控制策略的效果，進(jìn)行仿真研究?？刂撇呗灾饕ù?jí)（微分）+前饋控制、串級(jí)+前饋控制、負(fù)反饋+前饋控制等。經(jīng)對(duì)比分析，串級(jí)（微分）+前饋控制效果最佳，能迅速調(diào)整汽動(dòng)給水泵狀態(tài)，減少?zèng)_擊。其他策略效果依次遞減，僅使用串級(jí)或負(fù)反饋控制效果有限。這再次證明了前饋控制在改善系統(tǒng)性能中的重要性。因此，實(shí)際應(yīng)用中，推薦采用串級(jí)（微分）+前饋控制策略，以提高汽動(dòng)給水泵的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3 防凍保護(hù)優(yōu)化

針對(duì)空冷島在冬季低溫環(huán)境下的防凍保護(hù)，本系統(tǒng)進(jìn)行了以下優(yōu)化措施。

（1）設(shè)定冬季模式。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)環(huán)境溫度，自動(dòng)切換冬季模式：溫度持續(xù)低于5℃，系統(tǒng)將自動(dòng)激活冬季模式，啟動(dòng)防凍模式；環(huán)境溫度持續(xù)高于8℃，自動(dòng)退出防凍模式。為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，也可由監(jiān)控人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行手動(dòng)切換。

（2）觸發(fā)原空冷控制邏輯。在風(fēng)機(jī)溫度場(chǎng)監(jiān)控中，當(dāng)整列風(fēng)機(jī)的溫度持續(xù)低于預(yù)設(shè)的某一閾值，并在一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定時(shí)，可激活原空冷控制系統(tǒng)的“防凍保護(hù)1”邏輯；若溫度進(jìn)一步下降，低于另一預(yù)設(shè)閾值并持續(xù)穩(wěn)定，則觸發(fā)“防凍保護(hù)2”邏輯；當(dāng)溫度降低到第三個(gè)預(yù)設(shè)閾值并持續(xù)穩(wěn)定時(shí)，將啟動(dòng)“回暖保護(hù)”邏輯。該邏輯的設(shè)定，顯著提升了原空冷島在防凍保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行時(shí)的精準(zhǔn)度，從而增強(qiáng)了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

4 空冷島智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用分析

基于上述分析，本次350MW 超臨界機(jī)組主要采取串級(jí)前饋控制方式進(jìn)行，機(jī)組在典型極端工況下運(yùn)行情況如下。

4.1 背壓突升運(yùn)行情況

在夏季高溫日，環(huán)境溫度27.83℃，機(jī)組滿負(fù)荷310MW運(yùn)行，背壓36.48kPa，小機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，給水流量和主汽溫均正常。但在機(jī)組運(yùn)行期間，突如其來(lái)的強(qiáng)風(fēng)使背壓快速上升至45.98kPa，風(fēng)速高達(dá)12.89m/s。面對(duì)這種極端工況，機(jī)組展現(xiàn)出較為優(yōu)異的穩(wěn)定性，盡管負(fù)荷下降8MW，但給水量仍然保持正常水平。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行主要機(jī)組采用的串級(jí)（微分）+前饋控制策略，其快速響應(yīng)背壓變化，確保機(jī)組在各種復(fù)雜環(huán)境下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 高負(fù)荷極端工況運(yùn)行情況

經(jīng)實(shí)踐測(cè)量，在環(huán)境溫度為30.3℃的高溫環(huán)境下，機(jī)組能夠在滿負(fù)荷347MW 工況下穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)，測(cè)得背壓為25.69kPa，小機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，給水流量和主汽溫均正常。遭遇強(qiáng)風(fēng)時(shí)，背壓快速上升至44.12kPa，風(fēng)速達(dá)10.5m/s。然而，機(jī)組展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，小機(jī)維持穩(wěn)定給水流量，確保安全穩(wěn)定運(yùn)行。這歸功于機(jī)組采用的串級(jí)（微分）+前饋控制策略，其快速響應(yīng)背壓變化，確保機(jī)組在各種復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。強(qiáng)風(fēng)期間，給水流量穩(wěn)定，驗(yàn)證控制系統(tǒng)的可靠性和前饋控制的有效性和安全性。

經(jīng)分析，該機(jī)組采用串級(jí)前饋控制方式設(shè)計(jì)后，經(jīng)過(guò)一年的運(yùn)行時(shí)間，上述極端工況下的運(yùn)行狀態(tài)均能夠滿足機(jī)組的背壓要求，具有較強(qiáng)的適用性。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，背壓變化是影響水泵汽輪機(jī)輸出功率的主要因素，需對(duì)其進(jìn)行研究。本次空冷島智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采取優(yōu)化控制策略，通過(guò)串級(jí)前饋控制方式將背壓擾動(dòng)對(duì)鍋爐給水量的影響降到最低，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。