火电机组协调控制系统优化策略.pdf

第 3 7卷 第 5期 2 0 1 5年 5月 华 电技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y Vo 1 ． 3 7 No ． 5 Ma v ． 2 01 5 火电机组协调控制系统优化策略 翁疆 福建华电电力工程公司， 福州3 5 0 0 0 3 摘要 为提高火电机组对煤种的适应性， 对原有的机组协调控制系统进行优化调整。采用先进的预估煤质控制策略， 对煤质进行修正， 同时对主蒸汽温度控制以及逻辑参数进行了优化。优化后， 机组能适应多煤种变化， 主要参数均控制 在较好的水平， 为机组的安全、 稳定运行提供了保障。 关键词 火电机组； 协调控制系统； 煤种； 逻辑； 优化 中图分类号 T K 3 2 1 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 1 5 0 5 0 0 2 7 0 3 0 引言 福建华 电可门发 电有 限公司 2锅炉采用 中速 磨煤机冷一次风直吹制粉系统。每台锅炉配 6台中 速磨煤机 ， 其中 1台备用。每 台磨煤机引出 4根煤 粉管道连接到锅炉四角同一层燃烧器。一次风经一 次风机升压后一部分进入三分仓空气 预热器 ， 经空 气预热器加热后进入磨煤机， 另一部分直接进入磨 煤机前冷风母管 。磨煤机进 口的风量及热风温度 由 支管上的热风调节门和冷风调节 门来调节。在原煤 仓、 给煤机 、 磨煤机出口设有动力操作隔离门。为使 各燃烧器进 口处的一次风流量趋于一致 ， 在磨煤机 出口隔离阀后的煤粉管道上装设可调缩孔。磨煤机 密封风采用母管制密封风系统 ， 每台锅炉设置 2台 1 0 0 ％容量的密封风机， 1 台运行， 1台备用， 其密封 风从一次风机出口冷风母管上接出， 给煤机密封风 亦从一次风机出口冷风母管上接 出。汽轮机是上海 汽轮机有限公司引进美 国西屋公司技术生产的 6 0 0 MW 超临界 、 中间再热、 四缸 四排汽、 单轴凝汽式汽 轮机。 超超临界机组具有投资性价 比高 、 煤耗低、 热效 率高等优点， 国内新建的机组基本都以超临界 、 超超 临界机组为主 ， 甚至 3 0 0 M w 等级的机组也出现 了 超临界机组 。超临界、 超超临界机组的协调控制系 统和亚临界机组类似 ， 不同之处在于给水的控制 ， 亚 临界给水是汽包水位 、 蒸汽流量 、 给水流量的三冲量 控制 ， 超临界直流锅炉 的给水是通过煤水 比例 以及 过热度进行控制的， 因此存在煤水耦合 问题。超临 界锅炉主控除了作为总煤量给定外 ， 还通过煤水 比 控制给水量以及总风量 ， 比亚临界机组的锅炉主控 更为重要和复杂 。锅炉主控将负荷指令 函数 其实 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 0 3 ； 修 回 日期 2 0 1 5 0 3 3 0 就是负荷对应 的设计煤种 的煤量 作 为前馈 ， 通过 主蒸汽压力偏差修正煤量 ， 机组实际运行时很难保 证所投入煤种的发热量与设计煤种相同 ， 因此 ， 负荷 指令函数很难较准确地给定需求煤量 ， 从 而导致压 力偏差修正量较大 ， 可能会 出现锅炉主控指令波动 较大的现象 ， 导致主蒸汽压力波动大 。因为还涉及 煤水 、 总风量 ， 有可能会造成主蒸汽温度、 氧量 、 炉膛 负压等波动较大。 最好 的煤种用 1 8 0 t ／ h的煤量即能保证 6 0 0 M W 满负荷发电， 而最差 的煤种满负荷 6 0 0 M W 发 电却 需要 3 3 0 t ／ h的煤量。因此 ， 自动发电控制 A G C 系 统要 自动适应多煤种是 比较 困难的 ， 最大的问题是 煤质较差 的煤根据煤水 比算 出的给水前馈量较大 ， 需要通过过热度进行修正 ， 同时 比例 一积分 一微分 P I D 调节也需要一定 的反应时问 ， 因而在煤质 变 化时容易出现主蒸汽温度控制不稳定、 品质不佳 的 情况。 煤种变化、 煤热值不稳定的情况致使电厂协调 控制和 A G C难 于投入 ， 给运行 人员 的操作 增加难 度 ， 同时也影响了机组 的安全。因此 ， 需要在电厂进 行 A G C系统优化 ， 通过计算煤 的热值来对不 同煤种 的发热量进行修正 ， 以增强 中速磨煤机直吹式制粉 系统对煤种的适应性 ， 提高燃水 比的控制精度 。 根据调查 ， 除了多煤质适应难之外 ， 还存在主蒸 汽温度 、 再热器温度控制效果不佳的问题 。 1 控制策略的优化 1 ． 1 针对多煤质适应的优化 单元机组协调控制系统承担着接受 电网负荷 、 协调机组出力的任务 ， 是燃煤发电机组模拟量控制 系统中最复杂的 系统 ， 影响整个 机组 的控制 品质 。 超临界机组协调控制系统基本都是锅炉跟随的协调 方式 ， 即锅炉主控维持汽轮机前压力 ， 汽轮机主控调 2 8 华 电技 术 第 3 7卷 节负荷。锅炉主控根据负荷指令计算机组需求的煤 量 ， 然后再根据压力偏差进行煤量的修正 ， 最终计算 出所需 要 的总给 煤量 ， 锅炉 主控 S A MA 图如 图 1 所示 。 主蒸汽压 主蒸汽 负荷 力设定 压力 给 定 死 图 1锅炉 主控 S A M A图 从图 1 可以看出 当煤的热值变化时， 无法进行 修正， 需要通过压力偏差修正最终给煤量。 增加了燃煤热值修正后的锅炉主控采用了乘法 环节对机组燃料需求量进行修正 如 图 2所示 ， 当 机组负荷变化时 ， 通过静态前馈厂 实时计算 出对 应 的燃料需求量 ， 再根据煤的热值对这一需求量进 行修正 ， 使其能接近设计煤种的发热量。当煤 的热 值稳定且与设计煤种 的热值相 当时 ， 则负荷指令静 态前馈量反映的是机组实际的燃料需求 ， 无需通过 热值的修正来改变燃料量； 当煤的热值与设计煤种 的热值相差较大时， 将 负荷指令的前馈量乘以煤 的 热值修正量 ， 得到新的机组燃料需求量。这一过程 ， 就是根据负荷变化量所需标准煤量产生修正值 ， 将 非设计煤种的煤量换算为标准煤量 ， 以提高机组对 煤种的适应性。 不管是图 1 还是图 2 ， 锅炉主控计算出煤量后 ， 通过燃料主控将煤分配到各个给煤机上 。为了克服 启 、 停机对燃料量造成的扰动 ， 燃料主控优化 时， 引 入启 、 停磨煤量补偿 ， 燃料主控 回路 S A MA图如图 3 所示 。 燃煤发电机组一般都有设计煤种 ， 即机组负荷 要求对应的标准煤量是一定 的， 当煤的热值低于标 准煤的热值时 ， 所需的煤量就多。相同的负荷指令 下， 热值较低的煤种需要更多的煤量， 若不进行修 死 图 2 煤量修正后的锅炉主控 锅炉主磨煤机运行 给煤机 自 动 总煤量 控指令 数量总和 运行数量 A给煤机给煤量 F给煤机给煤量 图 3燃 料 主 控 S AMA 图 正 ， 势必不能满足机组发电负荷的要求 ， 造成给煤量 的不准确， 最终会从主蒸汽压力偏差上体现出来。 由于锅炉主控 P I D调节器对压力 的修 正具 有滞后 性 ， 会使压力波动比较大。若能直接计算出当前 的 燃煤热值 ， 提前进行修正 ， 则可以提高锅炉压力及机 组主要参数的稳定性。 目前 ， 很多电厂设置有煤量 修正系数 ， 由运行人员根据 当前的燃煤热值进行人 为修正。在此次优化中， 通过大量的分析和论证 ， 决 定将煤 的热值修正引入到协调控制系统 中， 在分散 控制系统 D C S 的算法逻辑中增加煤的热值智能计 算逻辑 ， 实时根据所使用煤种的热值 ， 对机组 的燃煤 需求量进行 自动修正和补偿 。 瞬时热值 c 计算如下 第5期 翁疆 火电机组协调控制 系统优化策略 2 9 C k ， g 式 中 Q为当前发 电负荷 ， MW； g 为瞬时煤量 ， t ／ h ； k 为系数 ， M J ／ k W h 。 根据福建华电可门发电有限公司长期 的煤耗情 况 ， 可值机组 发 1 k W h的电所消 耗 的标 准煤 为 0 ． 3 1 0 k g ， 据此可以确定系数 k 9 ． 0 7 M J ／ k W h 。 在实际应用中， 不能用瞬时的热值进行煤量修 正 ， 因为压力高时燃煤热值 的瞬时值低 ， 而压力低时 燃煤热值 的瞬时值高 ， 因此不能简单地把瞬时热值 作为当前燃煤热值的修正值。 对一段时间内煤 的总发电量和总煤量进行累计 计算 ， 则可以获得较准确的燃煤热值 ， 时间长度取值 要合适 ， 时间越长 ， 热值越稳定 ， 并更接近实际的平 均热值 ， 但是数值除了需要准确外还要求能够显示 出近期燃煤的热值变化。经过现场测试 ， 1 h的时间 段能够比较合理地反映近期燃煤的热值 ， 并且也具 有时效性。具 体做法是每 4 m i n取 1次热值的平均 值 ， 然后建立一个 1 5个栈 区的堆栈 ， 采用先进先 出 的处理方法 ， 最终取栈内数值的平均值 ， 即为 1 h的 平均燃煤热值 ， 根据这个燃煤热值对煤量进行修正 ， 其算法原理的 S A MA图如图 4所示 。 脉冲 发生器 图4 燃煤 热值计算原理 图 图 4中 I 为积分模块 ； R为复位端 ； T为切换 块 ， 切换条件为每 4 ra i n发 1个 0 ． 1 s的 O N P脉 冲， s 0时取 2值 ， 8 1时取 1值 ； O N P为上升沿 ； O F P 为下降沿 ； F i F o 为先进先出堆栈。 需要注意的是 F i F o堆栈在脉 冲上升沿时进行 堆栈 ， 其余时间不进行堆栈 ， 所取的平均值就是给煤 量的修正系数。 采取在锅炉主控 中引入燃煤热值智能计算来实 时修正修机组燃料需求量 的优化措施后 ， 经过组态 和调试 ， 机组已投入运行。热值较低的煤种 ， 通过热 值修正 ， 对机组负荷所需煤量进行 了补偿 ， 有效克服 了锅炉主控 P I D调节滞后造成 的主蒸汽压力波动 ， 提高了机组对煤种的适应性。 1 ． 2主蒸汽温度控制优化 主蒸汽温度调节 由两级喷水减温组成 ， 第 1级 和第 2级喷水减温均有 2个喷水减温阀和阀前的 1 个截止阀。第 1 级喷水减温的被调量是第 2级喷水 减温器的入 口温度 t ， 第 2级喷水减温被调量是末 级过热器出 口温度 t 如图 5所示 。第 2级喷水减 温的调节原理和第 1级喷水减温原理相同 ， 控制策 略相同 ， 不 同的是被调量为主蒸汽温度。第 1级喷 水减温的被调量 一般是根 据机组 负荷 主蒸汽 流 量 自动计算的， 运行人员可以进行手动偏置 ， 主蒸 汽温度可以由运行人员设定 。 一 级喷水 二级喷水 图 5 过热蒸汽简 图 主蒸汽温度调节采用前馈 P I D算法 ， 前馈量还 增加了预估算法 ， 取消原有的串级 P I D算法 ， 具体控 制策略如图 6所示 。 1 流 生 壁 堂 网． ⑤ I H 卜 进 口温度微分 一 - 一D L ／ ／ 圭 苤 远 量． ／ 出 口 温度 图 6蒸汽温度控制策略 1 锅炉主控微分前馈。 目的是超前加 、 减水 ， 在锅炉主控增加时适当增加水量 ， 避免增加燃料 时 蒸汽温度来不及调节 ， 造成温度过高， 锅炉主控减少 时可提前减水 ， 避免蒸汽温度过低。 2 启 、 停磨补偿。实际运行中发现 ， 启动磨煤 机对蒸汽温度有较大影响， 将影 响的这个部分作为 前馈量去抵消启 、 停磨对主蒸汽温度的补偿。 3 进 口温度微分。进 口温度提升就需要提前 喷水 ， 避免蒸汽温度过高 ； 反之需要减水 ， 防止温度 过低。 4 主蒸汽流量的函数前馈。将不同负荷下的 设计喷水量作为前馈。 5 空间状 态预估 A S T E C 。 下转 第 6 9页 第5期 夏金玲， 等 基于 S P S S的电厂脱硫 系统厂用电率模型 6 9 按照入炉煤硫分 1 ％对应脱硫系统入 口 S O 质 量浓度 2 2 0 0 mg ／ m 计算 ， 应用数学模型 ， 综合考虑 脱硫成本中石灰石石子耗量、 脱硫系统厂用 电量 的 因素 ， 分析人炉煤硫分变化 0 ． 1 ％对 电厂脱硫成本 的影响情况 ， 分析结果见表 6 当天平均负荷为 9 0 0 M W 。 表 6 数学模型在脱硫成 本分析中的应 用 通过计算分析 ， 在 日平均负荷 9 0 0 MW 的情况 下 ， 人炉煤硫分升高 0 ． 1 ％， 导致脱硫成本升高 0 ． 2 MW h 。 4 结论 本文以华 电莱州发电有 限公 司 1 0 0 0 MW 机组 脱硫系统为研究对象 ， 利用 S P S S分析 软件 ， 建立 了 脱硫系统厂用电率的数学模型 ， 并将数学模 型应用 于脱硫系统生产指标管理 与脱硫生产 的成本控制。 经过实践检验 ， 该模型具有较强的指导性 ， 与生产实 际高度吻合 。该数学模型建立后 ， 应随着设备 的改 造、 运行时间的延长定期进行校验和修正 ， 使数学模 型与生产实际相符。 参考文献 [ 1 ] 夏恒严 ， 王灵梅， 孙林旺． 基于 S P S S建立 电站锅炉效率 模型的研究[ J ] ． 电力学报， 2 0 1 0 5 3 0 9 4 0 1 ． [ 2 ] 吴广． S P S S 统计分析与应用[ M] ．北京 电子工业 出版 社 ， 2 0 1 3 ． [ 3 ] 陈超 ， 邹滢． S P S S 1 5 ． 0中文版常用功能与应用实例精讲 [ M] ． 西安 电子工业出版社， 2 0 0 9 ． [ 4 ] 王子杰， 李健， 孙万云． 基于神经网络和遗传算法的锅炉 燃烧优化方法 [ J ] ． 华北电力大学学报 自然科学版， 2 0 0 8 ， 3 5 1 1 41 7 ． 本文责编 刘芳 作者简介 夏金玲 1 9 7 5 一 ， 女， 山东济南人， 工程师， 从事电厂统 计管理与分析等方面的工作 E ma i l 5 1 7 2 6 3 8 6 0 q q ． c o rn 。 宋吉虎 1 9 7 4 一 ， 男 ， 山东聊城 人 ， 高级工程 师 ， 从事 电 厂生产管理与节能管理等方面的工作 E ma i l 2 6 6 3 2 1 5 7 2 0 q q ． c o rn 。 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ●● ● ● ● ● ● 上接第 2 9页 主蒸汽温度难以调节是因为惯性 时 间比较长， 若能降低惯性时间则调节就相对容易， 空 间状态预估就是利用这个原理， 根据受热面的入 口 温度、 出 口温度 、 蒸汽 流速 通过蒸 汽量的 函数得 出 预估 中间 4个点的温度， 根据设定值计算出这 4 个 中间点温度应该控制在哪个设定值上 ， 并和实际 的估算值进行 比较 ， 用差值进行加权 ， 预估 出喷水 量 ， 相当于将惯性时间降为原来 的 1 ／ 4 ， 从而实现对 主蒸汽的预估前馈控制。 1 ． 3 再热器温度控制优化 再热器喷水配一级喷水减温 ， 为事故喷水 ， 正常 情况下不喷水 。再热器温度调节是 由调节燃烧器倾 角实现的， 其事故喷水调节阀控制思路和过热器一 致 ， 只是设定值比燃烧器倾角的设定值高些 ， 优先 由 燃烧器倾角进行调节。 2 优化效果 采用先进 的预估煤质控制策略进行煤质修正 后 ， 2机组 的 A G C协调改造效果明显 ， 机组能适应 多煤种变化 ， 主蒸汽压力 、 主蒸汽温度、 再热器温度 、 炉膛负压 、 氧量等主要参数控制在较好水平 ， 为机组 的安全、 稳定运行提供 了保障。 3 结束语 火力发电厂的主要成本是煤， 按设计煤种运行 ， 机组的 自动投入率较高 ， 但很少有机组能按设计煤 种运行 ， 电厂为了降低成本会进行不同煤种的掺烧 ， 因此要求机组能使用宽煤种。 此次协调优化就是进行了机组的多煤种适应优 化 ， 并且在喷水减温上采用了预估的算法 ， 替代了原 有的串级算法 ， 增加 了机组的适应性 ， 可为火力发电 厂提供借鉴。 参考文献 [ 1 ] 王淼婺． 火 电机组协调控制对 A G C的适应性分析 [ J ] ． 中国电力， 1 9 9 9 6 4 5 4 7 ． [ 2 ] 林文孚， 胡燕． 单元机组 自动控制技术[ M] ． 北京 中国 电力出版社 ， 2 0 0 8 ． 本文责编 刘芳 作者简介 翁疆 1 9 7 6 一 ， 男 ， 福建莆田人， 工程师 ， 从事热控 自动 控制方面的工作 E m a i l 8 9 5 4 8 8 3 q q ． c o rn 。