火电机组变负荷运行特性及节能优化控制系统分析

国电怀安热电有限公司运行部 吴启光

调查研究表明，现阶段多数火电机组都是根据所给定参数、跟踪负荷进行自动运转，变负荷运行状态无法得到保证。针对电力体制展开的改革，将电厂划分至独立经济实体的阵营，只有根据变负荷运行的特性，从节能的角度出发，对变负荷运行进行优化，才能降低生产成本，最大程度增加电厂所获经济效益。

1 火电机组变负荷运行现状

不断增加的电力装机容量和用电负荷峰谷差，导致多数火电机组在日常工作中均处于低负荷运行状态，在变负荷工况下，机组控制特性、能耗特性均会发生变化，基于机组额定工作所设计的控制和运行系统，无法满足安全经济运行所提出的要求。由此可见，在较宽变工况的范围内综合考虑能耗特性，对优化控制系统进行研究，具有突出的理论价值与应用价值。

首先，在市场经济不断发展的背景下电力市场发生转变是必然选择，虽然围绕火电机组所展开的研究正在向着更广、更深的方向发展，但仍旧存在尚未解决的问题，如发电设备种类多样、系统复杂，运行负荷、方式和环境都会给能耗带来一定影响，现有测量技术在测量给水流量、蒸汽流量时，难以保证测量结果的准确性，不同初压和运行方式往往会给能耗规律带来不同影响等，其中能够直接影响能耗的因素为喷水减温[1]。

其次，由于再热汽温是锅炉设备所固有的特性，因此，从理论角度对其进行分析的难度较大，应当引起重视。而不断提升的自动化程度为DCS的应用提供了广阔空间，如何将能耗分析结构与控制进行结合获得准确的控制定制，也是需要解决的问题。

最后，滑压运行的优势主要是具有良好的内效率，不同火电机组和负荷所对应内效率往往存在显著差异，也就是说，仅仅凭借传统的PID控制方式无法保证控制回路始终处于优化整定状态下，对被控对象的特性进行辨识自然很有必要，换言之，要想提高控制系统所具有性能，关键是鉴定并优化控制器参数。

2 节能优化控制系统的设计

热能动力领域的研究内容，始终集中在发电机组调峰运行、变工况计算等方面，远离设计工况后，对系统热经济性进行分析，提供相应的运行指导，对工程实践具有突出的意义。

2.1 建立模型

精准机组耗差。传统监测系统存在修正曲线不准确、流量参数测量难度大等问题，因此应针对上述情况对如下数学模型进行开发：首先，由于系统能耗率与小汽水流量、热力学参数、热力系统结构有关，主蒸汽流量带来的影响微乎其微，因此对热经济状态方程进行开发很有必要，这样做可以使系统节能分析效率得到提高；其次，以弗留格尔公式、斯陀托拉实验为依据对末级流动状态进行判别，以变工况理论为参考对湿蒸汽区进行计算，这样做的好处是无需迭代便可获得准确的抽汽焓、排汽焓值；最后，由于运行状态是系统扰动所得，因此可按照特定顺序逐一将扰动解除，再对能耗率进行计算。实践证明，这样做可提高能损偏差具有的准确度。

锅炉经济分析。以负荷相同为前提，低负荷运行给热经济带来的影响需要引起重视，虽然降低初压能够降低热效率却会增加热耗率，另外降低排汽温度能够使低压缸效率始终维持在较高的水平，汽轮机排汽干度也会有所增加，这十分有利于尾部内效率的增加。传统反平衡方法的参考依据主要是运行结果，在此基础上通过测定运行参数、计算损失的方式确定出锅炉热效率，但所得出结果既无法对损失出现的原因进行反映，又不利于耗差分析、优化控制等工作的开展。设计人员深入研究燃烧理论、锅炉运行原理，综合考虑工况变化与锅炉效率的关系、煤质特性，最终开发出以下模型：解析评估不完全燃烧所带来损失；解析评估排烟应达温度；过量空气系数的最佳值；在线计算锅炉效率的方法[2]。

汽轮机最优运行。任意负荷都有蒸汽初压、调节汽门开度与之对应，计算公式为N=f（PO-Fk），其中PO对应蒸汽初压，Fk对应调节汽门开度；如果机组能够满足设计要求，计算公式为Nd=f（POd-Fkd），在负荷逐渐降低的前提下，如蒸汽初压保持不变仅对调节汽门开度进行改变，则为“纯定压运行”，如果调节门开度保持不变，则为“纯滑压运行”。待纯定压运行的机组负荷降低到特定数值后，用POS表示初压，随后无论负荷降低与否初压PO始终与POS持平，只需对调节门开度进行改变即可，这种方式即为“定-滑运行”。在特定运行环境下，对可行压力区间加以确定，再综合考虑其他因素完成试算区间压力的任务，确定作为比较基准的热经济指标，获得与之相符的主蒸汽压力，此压力不仅是最佳压力还是最优运行初压，在此基础上方可对负荷与最优初压的关系进行确定。

机组控制模型。运用机理法，对热力设备、系统所适用动态数学模型进行建立，对自定义函数进行编制，建立以除氧器、炉膛换热、汽机本体等为主要内容的模型算法库。运用机理法所建立的模型，可对机组非线性进行直观反映，其优势主要体现在更接近实际的方面，这也为设计先进控制算法及相关工作的开展提供了通用平台，设计人员若想保证所设计模型符合特定机组的特点和需求，应根据现场运行数据对修正数据的方法进行开发，在完成建模工作后，以设计参数为依据对热力设备、模型系统进行计算，组建子系统模型，为整体动态模型的形成提供帮助。

图1 系统方案

鲁棒性的分析。由于模型的精确性难以得到保证，因此所设计控制系统具有鲁棒性很有必要，如何提高控制系统鲁棒性同样是研究的主要方向，常规控制所强调的主要是优化单一控制系统的性能指标，节能优化的重要性始终没有得到重视，这就要求设计人员定义对鲁棒性加以表示的指标用来反映环路鲁棒性、系统相互作用，实践证明，分别整定能够使回路灵活性得到显著提高。如果对串级控制整定进行评价的指标存在高频峰值过大的问题，应将内环鲁棒性调低，如果指标高频峰值过小，则应将外环鲁棒性调低，一般来说指标在3～5的范围内所取得鲁棒性更加符合预期。

2.2 系统运行

某电厂所运用机组为300MW，控制系统为Symphony，多数机组参数都已经进入了DCS，但以主要辅机的功率信号为代表的部分参数尚未进入，需要运用电能变送器采集，再通过通信线路进行传送。

2.2.1 实现方案

该机组是由多个子系统和设备共同组成的生产系统，因此对其优化需涉及多方面内容，其中需要引起重视部分是机组启停、变负荷运行，另外，受控对象的特点主要为耦合、非线性和时变性，只有充分运用鲁棒控制、时延补偿等方式才能提高基础控制的有效性，在此基础上对人工智能进行有选择地运用，可以得到事半功倍的效果[3]。

实现本系统的前提是对机组运行数据进行实时获取，如温度、流量等过程参数，煤发热量等离线分析数据，如何可靠、准确地将数据向计算机进行传送，为分析、运算等工作的开展提供依据，自然成为设计人员考虑的首要问题。综合多方因素，最终确定实现方案见图1，该方案将所获得实时数据应用在了以下领域：耗差分析、优化控制系统；向分析耗差的服务器进行上传，为分析结果的查询及显示提供便利。实践证明，该分析器的引进使系统与实时数据的隔离成为现实，应当引起重视，只有以SIS为平台将WinIS与分析系统进行连接，才能保证操作员、工程师及时获得操作指导信息和计算分析结果。

2.2.2 方案特点

网络结构十分合理，将SIS加设在MIS和控制网络之间，在满足耗差分析系统对数据采集所具有实时性要求的基础上，有效规避了MIS稳定性差给系统带来的影响；现阶段将自动化系统分为MIS和SIS的方法在电力领域已经得到了推广和运用，其中SIS的作用主要是处理实时数据、监管生产过程、分析故障原因、调度经济负荷等；可根据使用者需求有选择性地提供操作界面，如操作员、工程师对操作界面的需求主要是可靠、实时且内容详实，管理员对操作界面的需求则是简洁、使用简单。

2.2.3 应用分析

建立精准机组耗差的分析模型，使电厂对热力系统所具有经济性进行监测时面临的问题得到了有效解决，提高了在线计算经济指标的准确性、找出能耗偏差的效率；在对变负荷特性进行研究时，根据蒸汽初压与热经济性的关系，对锅炉经济分析模型、汽轮机运行模型进行了建立，为机组优化运行目标的实现提供了理论依据；运用机理法对机组控制模型进行了建立，使热工过程所对应非线性关系以更直观的方式加以呈现；深入研究鲁棒整定的问题，确定取得良好鲁棒性所对应鲁律性指标，为控制的快速性、稳定性提供保证；分析变负荷特性、优化控制系统，根据工程机组实况对实施控制系统的方案进行了提出，充分结合耗差节能分析和优化控制，保证火电机组既能够以电网需求为依据展开运行，又具备提高电厂经济效益的价值，另外人员劳动强度也可以得到相应的减轻。