600MW亚临界机组再热汽温控制优化

张祺

（上海交通大学电子信息与电气工程学院自动化系，上海 200240）

600MW亚临界机组再热汽温控制优化

张祺

（上海交通大学电子信息与电气工程学院自动化系，上海 200240）

某电厂600MW亚临界燃煤机组，锅炉的汽温控制分为过热汽温控制和再热汽温控制。其再热汽温控制，主要采用减温水控制配合摆动燃烧器的调节方式进行调节。减温水喷水点布置在再热器进口管道上，减温水来自给泵的中间抽头，经隔绝门后分为两路，分别控制两侧的再热汽温。摆动燃烧器，通过调节炉膛内燃烧火焰的位置，以达到控制汽温的目的。实际运行中，再热汽温自动控制存在控制不稳定的情况，影响了锅炉运行的经济性和稳定性。本文对其原因进行分析，并提出采用总能量平衡的优化控制策略，对原控制系统进行改进，取得了较好的控制效果。

再热汽温 串级控制 总能量平衡

1 再热汽温原控制方式

机组再热器减温控制的原设计方式主要采用减温水配合摆动燃烧器的调节方式，机组的主蒸汽压力和负荷作为前馈调节，再热器出口汽温作为被调量，炉膛分为两侧且分别控制。

实际运行中，发现燃烧器摆动控制再热汽温并非呈现线性变化，且经常摆动燃烧器易导致四个角的燃烧器摆动范围和同步性能产生偏差以及损坏燃烧器执行机构。因此，燃烧器摆动控制汽温并未投入自动运行。

机组的再热蒸汽压力和负荷的前馈调节，由于使用中产生的扰动较大，也并未投入使用。

因此，再热减温水原控制策略采用传统的以减温器出口汽温作为导前信号的串级控制方法。此控制方法的最大优点为控制对象直接，控制逻辑简单明了。但再热减温器不同于过热减温器的布置，其位于再热器的进口，而控制对象是再热器出口温度，因此存在以下几个问题：

（1）再热汽温调节控制对象是再热器出口温度，存在一定的延时和惯性，如无合适的辅助控制，易造成再热汽温控制不稳定。（2）当机组稳态运行时，再热汽温产生波动，此控制方式能够有效的控制再热汽温。但当机组运行工况产生波动时，由于其并未考虑其他因素（如负荷与压力变化），易造成减温水汽温与流量随压力波动，形成调节振荡。而当负荷与压力变化较大时，其振荡不易收敛，造成系统不稳定。这也是常规串级控制系统的特性：对于内扰（被调量的变化扰动）能够很好的进行调节，而对于外扰（压力、负荷变化等）调节的作用有限。（3）再热减温水流量随机组负荷和压力的频繁波动，影响再热汽进入汽轮机中低压缸的蒸汽流量，造成机组的热经济性降低。（4）减温水流量频繁波动后进入再热蒸汽管道，造成再热蒸汽温度变化过大，当这些蒸汽流入再热器后，导致再热器管壁产生氧化皮，长时间流量大幅度波动，易造成氧化皮脱落堵塞蒸汽管道，因此这对锅炉的安全运行是一个隐患。以上问题的存在，对于机组的安全运行和经济运行都有一定的影响。基于此，机组需进一步优化再热汽温的控制策略。

图1 再热气温变化情况（负荷稳定）

2 再热汽温优化控制

2.1 优化控制改进设想

原控制方案是一个常规的单回路控制系统加上导前汽温的串级控制系统。由于再热减温控制系统是一个大惯性的控制系统，单回路控制系统是不易获得好的控制品质的。原因在于对于大惯性系统，调节器需快速和及时动作才能使系统具有好的控制品质，但另一方面，维持大惯性控制系统的稳定又必须把调节器整定得很慢（比例和积分时间均需放大），可见这两方面明显是一对矛盾。加上了导前汽温的串级控制系统，对控制品质是有改善作用的，但其只对引起被调量变化的内扰有提前调节作用，而对于外扰（如汽压、烟气流量变化等）并未起到提前的调节作用，即对于外扰，串级控制系统依然是滞后调节，仍会造成系统调节的缓慢和不稳定。

由于串级控制系统具有抗内扰性强的优点，且具有一定的自适应能力，因此，在控制方案的改进过程中，仍将继续沿用串级控制系统。对于其抗外扰较差的特点，考虑将具有迟延时间的控制对象进行更换，用具有抗干扰性的参数进行代替。此外，选择合适的导前信号，也将有利于改善系统调节的速度和稳定。

2.2 优化方案的制定

再热汽温变化主要是由于蒸汽流量变化与烟气流量变化的不平衡引起的，特别是在机组负荷快速变化的情况下，由于炉膛吸（放）热有一定的延迟，导致蒸汽流量的变化滞后于烟气流量的变化，从而引起了汽温的波动。在这汽温的波动过程中，再热蒸汽的比焓是没有变化的。

根据以上分析，又由于原串级控制系统的缺陷，因此决定采用蒸汽的比焓代替原再热器出口汽温作为减温水的控制对象，这样能有效地减少汽温与锅炉负荷控制互相影响的问题，有利于机组的稳定控制。通过这一改进，将可以基本消除锅炉负荷变化与再热汽温之间的相互影响，增强了汽温控制的稳定性，克服了原控制系统快速和稳定不可兼得的问题。

此外，在控制系统中加入前馈信号，通过机组多次性能试验计算得出锅炉总能量平衡所对应的减温水量，作为锅炉再热减温控制的前馈。原因如下：机组在增加负荷时，炉膛内燃煤量增加，炉内热负荷增加，此时炉膛内的烟气热量先上升，汽温受此影响将上升，由于需要燃烧时间，锅炉的蒸发量有一定的延迟才会上升，因此在汽温刚上升时并不需要喷入减温水，因为当锅炉蒸发量与烟气流量平衡后，汽温自然会下降。如在汽温刚上升时就喷入减温水，势必对汽温控制系统构成扰动，造成蒸发量与烟气流量的热能不平衡，形成波动。反之在降低负荷时，也是如此。此前馈信号的加入，使汽温控制系统根据燃煤量和蒸汽流量的变化情况，提前对减温水量进行控制，减小外扰对控制系统的扰动。

根据以上的控制方案对原控制方式进行修改：将原串级控制系统中PID的设定值SP改为目标温度设定值与其对应的再热蒸汽压力值结合所计算出的焓值。PID的实际值PV改为此时所对应的再热蒸汽的实际焓值与焓值设定值经过一组滞后校正环节计算后得出的修正值。前馈环节是通过锅炉总能量平衡计算得出的减温水量修正值。以上这些要素构成了新的控制逻辑来控制再热汽温。

2.3 优化效果

经过优化后的再热汽温控制系统投运一段时间以来，控制效果明显优于原系统。

当机组负荷稳定时，再热汽温控制稳定，变化幅度基本能控制在小于3℃的范围内，如图1所示。

当机组负荷变化较大时（±10MW），再热汽温能维持在10℃以内变化，且能快速地恢复稳定，如图2所示。

当机组负荷振荡时，其依然可以快速恢复且不会发生反复振荡。

3 结语

再热汽温控制不稳定是许多燃煤机组普遍存在的问题，本文对其原因进行了分析，用锅炉总能量平衡对减温水进行预测作为PID的前馈，并将蒸汽比焓作为调节依据，对原再热汽温的串级控制系统进行了优化。通过优化后的系统，能满足系统快速响应的要求且能使系统较之以前更稳定，解决了原系统需经常退出自动控制进行手动干预和控制的问题，从而提高了机组的运行效率。

图2 再热气温变化情况（负荷变化10MW时）