基于能量平衡的超临界机组控制系统的研究

2010-04-10段秋刚

山西电力 2010年6期

段秋刚,秦萍,钱昭

(1.山西电力科学研究院,山西太原 030001;2.山西和祥建通管理有限公司,山西太原 030006;3.河北省电力研究院,河北石家庄 050021)

0 引言

提高蒸汽参数、发展大容量机组是提高机组效率降低造价的有效途径,与同容量亚临界机组的热效率相比,采用超临界参数在理论上可提高效率2%以上。超临界机组以其较高的经济性已在目前新投产的火电机组中占有绝对的主导地位,尽管如此,对于超临界机组特性的认识还远远不够,超临界机组的控制方案因此也不尽完善,目前超临界机组的运行状况也不尽理想。特别是超临界空冷机组开始投运,在控制领域又面临新的难题。因此以稳定的初压模式为基础,从能量平衡的角度出发,对超临界空冷机组的控制系统进行研究和探讨具有重要的价值。

超临界机组初蒸汽参数超过汽水状态的临界点(压力22.115 MPa,温度374℃),由于在临界参数下汽水密度相等,因此在超临界压力下无法维持自然循环,不能采用汽包炉,直流炉成为唯一炉型。由于直流炉在汽水流程上一次性通过的特性,流程中每一段的长度都受到燃烧、给水、调门开度的扰动而发生变化,从而导致功率、压力、温度的变化。而且超临界机组实际上是运行在超临界和亚临界两种工况下,具有完全不同的控制特性,是特性复杂多变的被控对象。

空冷机组背压受季节、环境温度、风力、风向、湿度等因素的影响变化较大,引起机组的热耗率变化较大。协调控制系统CCS(Coordination Control System)方案宜有用DEB控制方案而采用直流炉的超临界机组,由于没有汽包,CCS无法采用直接能量平衡 (DEB)控制方案,但采用负荷指令间接平衡 (DIB),不能保证机炉之间的能量平衡,而超临界空冷机组如何保证能量平衡也是一个尤为突出的问题。

1 初压模式

超临界机组锅炉蓄热能力仅为亚临界汽包炉的1/3～1/4,锅炉可利用蓄热非常有限,汽机负荷响应能力远差于亚临界汽包炉,反而导致压力的大幅波动引起给水的扰动和燃水比的变化,使蒸汽温度剧烈变化。所以正如参考文献 [1]所提到的超临界机组CCS仍采用传统炉跟随控制方案是不可取的。实际上超临界机组锅炉水冷壁金属耗热少,工质储量也少,其热容量及惯性明显小于亚临界汽包炉,锅炉的负荷响应速率也明显快于亚临界汽包炉。初压控制模式是汽机控制主汽压力,锅炉控制负荷即以机跟随为基础的协调控制方式,采用这种控制方案不仅能够满足负荷响应速率的要求,更有利于稳定机组的运行参数。

文献 [2]中也提到在定压、滑压、初压控制模式中,初压控制模式是最稳定的,从锅炉的闭环控制观点分析,由于这种控制模式在负荷变化过程中,提供的能量既不超调,又不欠调,不仅稳定,而且快速。

SIEMENS的profi新型协调控制模块采用初压模式,并在控制中增加了蓄热预测功能,当负荷需要变动时,评估蓄热是否足够,如果够燃料无需超调,使系统运行更加平稳。目前国内已有多台机组采用profi新型协调控制模块,从运行情况来看,无疑极大地推动了火电机组控制技术的发展,但仍存在一些有待进一步改进的方面。第一,锅炉侧大辐扰动 (如磨煤机的启、停),引起机组负荷和主汽压力的剧烈波动,通过初压控制模式的控制作用能够抑制主汽压力的波动,但相应的会加剧机组负荷的波动,不能满足电网调度的要求;第二,在负荷动态响应过程中,profi反向改变主汽压力定值,以利用锅炉的蓄热,减小负荷的响应滞后,尽管取得了一定的效果,但由于蒸汽流量与蒸汽压力反向变化,加剧了蒸汽参数的不稳定;第三,基于初压控制模式,负荷响应仍存在较大的滞后,不能很好地适应AGC自动运行。

2 基于初压模式的能量控制

文献 [3]中提到的 “汽机能量需求信号”Qt=作为汽机主控的被调量,由于该信号只反应机组负荷要求的变化及汽机侧自身的扰动,间接反应汽机的节流变化,即主汽压力的变化,使在锅炉发生自发扰动的情况下,汽机不参与调节。即采用能量控制的理念实现了单向完全解耦,解决了锅炉侧扰动对汽机主控的影响,削弱了动态过程锅炉的过调和欠调,保证了静态过程汽机主控的相对稳定性,同时在动态过程中也能够起到有效利用锅炉有限蓄热的效果,理论上明显优于单纯的初压控制模式。

针对锅炉主控,由于采用直流炉的超临界机组没有汽包,CCS无法采用直接能量平衡 (DEB)控制方案,对空冷机组而言,背压受季节、环境温度、风力、风向、湿度等因素的影响变化较大,机组的热耗率变化较大,若采用负荷指令间接平衡(DIB),又不能保证机炉之间的能量平衡。结合DEB和DIB控制方案的特点,并应用在锅炉主控的前馈控制方案中,锅炉和汽机之间的能量需求平衡以及控制系统对外界负荷的响应,由 “汽机能量需求信号”作为锅炉主控静态前馈、负荷指令作为动态前馈来完成。负荷指令动态前馈模型建立的依据是,根据负荷变化的幅度和速率,确定机组在不同的运行工况 (定压或滑压)锅炉燃烧率变化的过调量和过调速率以及回调时间,动态过调量取决于锅炉的负荷响应特性。锅炉主控通过闭环控制回路调整机组负荷,克服来自锅炉侧由于燃烧变化等各种扰动因素,实现对机组能量输入的控制。原理图如图1所示。

图1 控制系统原理图

超临界空冷机组CCS采用基于初压模式的能量控制理念,借鉴了DEB控制方案的特点,将“汽机能量需求”应用在汽机主控的闭环控制和锅炉主控的前馈控制中,有效解决了超临界空冷机组锅炉和汽机之间的能量需求平衡以及控制系统对外界负荷的响应问题。而初压控制模式的稳定性是固有的,因此采用基于初压模式的能量控制理念更有利于机组运行参数的稳定。