火电机组变负荷运行特性及节能优化控制系统分析

神华国华寿光发电有限责任公司 肖 峰

随着我国经济的不断发展，电力资源已然成为了保障人们正常生活与生产的基本能源，我国大力建设基础电力设施设备以完善各地的电力资源配置，促进各地经济与基础事业的建设与发展。火电机组就是电力生产之中必不可少的组成内容，其负荷的优化分配能够有效提升整个机组的生产效率，起到节约能源与资源的效用，同时还能够降低发电的成本，提升电力工业装机容量，改善火电机组的能耗特性与控制特性，优化其控制系统功能。

经过多年的研究与发展，当前我国火电机组已经实现自动化控制与生产，其能够在特定的系统中进行自主运行，并根据技术人员给定的参数定制以及跟踪负荷值开展工作。当前的工作运行状态同时也存在一定的问题，即火电机组难以在变负荷运行状态中达到最优效果。再加上我国电力体制改革的影响，各电厂应当积极参与到市场竞争中去，关注生产技术的创新与发展，优化火电机组变负荷优化控制系统，在保障生产效率的同时降低电力生产的成本，进而实现生产效益的最大化，促进电厂的现代化发展。本文将分析火电机组变负荷运行现状，并提出火电机组变负荷运行节能优化控制系统设计的策略，以供参考。

1 火电机组变负荷运行现状分析

伴随着我国经济的不断发展，生活与生产对于电力资源的需求量不断增加，在这样的发展背景之下电厂只能够不断增加电力装机的容量以及用电负荷峰谷差，可以应对日益增加的电力需求。但是这样的处理方法还会导致很多火电机组出现了低负荷运行的状态，而且长期处于这样的变负荷运行状态之下，火电机组的能耗特性与控制特性都会发生了相应的变化，影响其系统定额控制能力，难以满足安全经济运行的系统需求。因此，火电机组变负荷运行节能优化控制已经成为了电力生产工作中较为重要的研究课题，具有较强的研究价值与应用价值。

首先，受到我国社会经济体制变革的影响，电力企业与传统电厂势必会发生体制以及生产方面的转变。就目前的情况来看，尽管很多电厂已经围绕火电机组展开改革与研究，但依旧存在设备多样、系统复杂等问题，再加上系统运行负荷以及环境对能耗的影响，电厂在进行给水流量、蒸汽流量等数据测量的时候难免会出现数据不准的现象。此外不同的初压以及运行的方式还会影响到系统的能耗规律，最终影响到了系统控制的能力。

除此之外，锅炉设备还具有再热汽温的特性，这也是其应用于火电机组运行的重要特性，但在对其再热汽温进行理论方面的研究时却存在较大的困难，只有突破该性能研究困境，才能够实现整体系统的优化设计。而信息化技术以及自动化技术在此方面显示出了较为广阔的应用前景与应用空间，有效支持DCS的创新应用，并为系统能耗分析结构以及控制结构的结合提供了条件，实现系统准确的控制性能，最终促进整个系统功能的优化发展。

最后，滑压运行的方式也体现出较为明显的应用优势，能够有效改善系统的内效率。但在技术应用过程中应注意，不同火电机组及其负荷情况对应的内效率并不一致，因此如果只是借助PID控制方式则很难保障整个控制系统处于优化的状态中，技术人员有必要采取相应的措施对被控对象的特性进行辨识，实现对相关性能的检定及控制器参数的优化处理。

2 火电机组变负荷运行节能优化控制系统设计

2.1 构建模型

2.1.1 精准机组耗差

要想实现对火电机组变负荷运行节能优化控制，技术人员应将目光放在热能动力领域方面，重视发电机调峰的运行以及变负荷工况计算等内容，之后再对于系统的热经济性进行整体性的分析，给予科学的运行指导，开展工程实践。明确机组耗差是建立优化控制系统模型的第一步，经过上文的分析可知，当前监测系统存在着修正曲线不准确、各种流量的参数不精准等问题，技术的人员则需要从参数监测方面入手调整系统模型。

首先，能够影响到控制系统能耗率的因素包括了汽水的流量、热力学的参数以及热力系统的结构等，主蒸汽流量对于系统的影响也较小，因此技术的人员则需开发热经济状态的方程，从而进一步改良了系统中的节能效率。另外还需关注到系统末级流动状态的判别工作，经过多项的技术实验对比可知，弗留格尔的公式与斯陀托拉实验原理中的应用情况也是比较好的，也能够支持科学、有效的状态辨别。在此基础之上，还需利用变工况理论计算系统湿蒸汽区的参数与相关的数据，保障了系统软件能够在不迭代的前提下计算出较为精准的排汽焓值。

2.1.2 锅炉经济分析

在相同负荷的基本条件下，低负荷运行状态将会对热经济带来损耗与影响。换句话说，当排汽温度受到影响降低的时候，那么低压缸的整体工作效率也会受到影响，最终导致系统汽轮机组排汽干度有所增加，实现系统尾部内效率的提升。传统的反平衡方法主要依据系统运行的结果，通过参数测定、损失计算等等方式明确出了锅炉的热效率，但是这样得出的结果难以显示系统出现损失的原因，无法为耗差分析提供了依据，也就无法支持优化控制工作当中的开展。

针对以上情况，技术人员应抓住燃烧的理论及锅炉运行基本原理的相关知识，同时将系统实际的工况、煤质特性等条件进行整合，最终得出系统优化的模型，本文分析得到的系统模型如下：评估不完全燃烧产生的损失-评估排烟应达温度-确定过量空气系数的最佳值-得到计算锅炉效率的方法[1]。

2.1.3 汽轮机最优运行设计

火电机组的不同负荷值都对应一个特定的蒸汽初压与调节汽门开度，而且几个参数之间存在着一定的函数关系，可以通过计算的公式进行其计算：N=f(PO-Fk)。经过实践来总结可以得到火电机组满足了设计要求时的计算公式：Nd=f(POd-Fkd)。公式显示，当系统负荷不断降低而且蒸汽初压不变的情况之下，当技术的人员调节汽门开度之时就会产生“纯定压运行”的状态，如果单独调节蒸汽初压则出现了“纯滑压运行”的状态。

在纯定压运行的状态当中，火电机组负荷降低到了特定数值之后可以用POS表示其状态初压，而在其之后的负荷降低的情况当中都只需要改变调节门开度就可以满足系统工作的需求，此时也被称为“定-滑运行”。技术的人员需针对火电机组实际运行的情况来确定其可行压力区间，从而进一步明确了基准热经济的指标，并且获取了相对应的主蒸汽压力，这就是系统的最佳压力以及最优运行初压，在这个压力基础之上就能够确定相关负荷，以及其与最优初压之间的关系[2]。

2.1.4 机组控制模型构建

机组控制模型就是控制系统功能的重要结构，技术人员应该从机理法的角度入手构建热力设备及其控制系统动态的数学模型，根据系统功能的要求编制了对应的函数，将除氧器、炉膛换热以及汽机本体等纳入到模型算法库当中。机理法构建的模型能够实现对于机组非线性数据的直观反映，体现出了实际的负荷状态，该方法也为先进控制算法的应用提供了基础与平台。技术的人员在设计模型时，应充分考虑到现场运行数据对于修正数据的方法，并在建模完成之后计算了热力设备、模型系统的相关系数，构建对应的子系统模型，帮助建立了系统整体动态的模型[3]。

2.1.5 鲁棒性分析

考虑到以上系统模型的精准性问题，如系统具备鲁棒性就能有效解决该问题，因此技术人员还需关注系统鲁棒性的提升方法。在传统的系统控制优化工作中，技术的人员主要强调了单一控制系统性能指标的优化、并未关注节能性能的优化，对此技术人员需明确有关鲁棒性的指标，也采取了分别整定的方式提升其回路的灵活性。

2.2 系统运行

2.2.1 方案介绍

本案例中电厂使用的机组为1000MW，控制系统则为HOLLiAS MACS，其中大多数机组的参数已经进入DCS，除了以主要辅机功率的信号为代表的部分参数，对此技术人员应使用电能变送器进行数据的采集，之后利用系统通信的线路进行传送。考虑到该机组有多个子系统以及电力的设备共同构成，因此其系统控制的优化涉及到比较多的内容，其中比较重要的包括机组的启停、变负荷的运行。

基本设计思路，则是采取鲁棒控制以及时延补偿的方式提升基础控制效率，同时利用智能技术与自动化技术提升整个系统的工作效率。该系统需要实时采集各项参数，实现参数的准确计算与快速传递，因此技术人员需优化通信系统功能，获取系统实时数据，快速得到耗差分析、控制系统参数等，并且实现数据的快速上传，以SIS为平台连接WinIS与分析系统，为技术人员提供实时信息以及计算分析结果[4]。

2.2.2 方案特点

以上设计方案具有优化的网络结构，SIS在MIS中的应用不仅能够采集系统的实时数据，同时还能够有效规避MIS稳定性差带来的不利影响。MIS以及SIS系统应用方法已经得到广泛应用，其中SIS能够帮助系统实时处理数据，监管整个生产过程，分析出现故障的原因，并协助系统进行经济负荷的调度与调整，同时还能够为操作人员提供可靠的操作信息，保障生产效率。

2.2.3 应用分析

构建以精准机组耗差为核心的分析模型能够有效提升电力系统的经济性，同时还能够作用于热力系统的监测工作，进一步提高了经济指标与能耗偏差的精准性。对于系统变负荷特性来说，技术人员应抓住蒸汽初压及其经济性的联系，构建经济分析模型，改善火电机组系统性能，促进机组系统优化设计。机理法的应用帮助构建了机组控制模型，以直观的展示方式显示了热工过程中的非线性关系。鲁棒整定问题的研究则得到了系统运行的鲁律性指标，为控制的快速性、稳定性提供保证。最后技术人员根据工程机组实际情况提出了具体的控制系统方案，满足火电机组科学运行的要求，同时提高了电厂的经济效益，解决了人力资源，有效实现了节能优化。

3 分析火电厂机组环保技术改造的策略分析

汽轮机与热力系统的优化。空气温度和压力对火电机组的能耗有很大的影响。一般来说，空气温度和压力的在线运行将大大降低火电机组的能耗。对于两个研究机组，工作人员可以先改变火电机组的总负荷而不改变其他参数，从而测量不同负荷值对应的主蒸汽压力，选择能耗最低的情况；然后可以加强火电机组的密封性，保证安装间隙在规定的范围内，最后减少汽轮机内部的蒸汽泄漏，从而提高火电机组的能效。在这些优化中第三种优化无疑更简单，执行成本更低。

辅助机组的改进。辅助机组系统节能优化的主要措施包括三方面：一是循环水泵运行的改善，冷端系统的改善可以通过泵的停开机来实现。当汽轮机功率增加且大于水泵功率时应启动循环水泵，否则应关闭循环水泵；二是调整水轮机轴间隙给水泵，调整系统泄漏，减少工件的损耗，进一步提高机组的效率；三是通过对高耗能辅机的变频控制，降低设备的能量损失和电厂的功率损失。通过冷凝水泵运行频率与变频运行的对比，冷凝水泵变频节能效果明显。

综上，火电机组变负荷运行节能优化的控制系统设计工作，对于电厂经济效益的提升具有重要的意义，技术人员应当明确额定负荷机组性能参数，融合多种建模思想与方法，结合实际工况需求与运行现状，积极开展火电机组节能优化设计与探究工作，有效降低火电机组能耗率，提升电厂的经济效益与生产效率，从而促进电厂的现代化发展。