深度调峰下的火电机组变负荷过程蒸汽参数反馈特性研究

陈建勋

（国能内蒙古呼伦贝尔发电有限公司）

0 引言

随着电力系统运行方式日益多样化、复杂化，深度调峰是电力系统运行的必然趋势[1]。本文以某600MW 火电机组为例，研究在变负荷过程中蒸汽参数的测量技术，采用一次调频和二次调频相结合的方案进行汽温控制。在机组变负荷试验中，首先通过改变汽机控制策略来改变锅炉燃烧过程，并对其进行动态响应分析。通过动态响应分析可以发现影响锅炉燃烧及出力性能的关键因素即汽温，进而可对不同控制策略下蒸汽参数变化进行实时监测或调整以适应机组状态变化。首先利用PID 等自动调节技术实现汽压、流量的调节；然后通过PID 等控制算法实现锅炉给水流量、主汽压力、凝结水温度和蒸汽参数等多个变量的调节；最后根据系统状态反馈值进行相应操作并对其效果进行分析与验证。通过该方法可以实现在变负荷过程中对锅炉运行参数进行实时调整和优化，提高机组响应能力和机组运行经济性[2]。

1 变负荷过程蒸汽参数动态监测与分析

燃煤火力发电机组在变负荷过程中，需要根据不同负荷下的工况条件和机组实际运行情况，采取相应的调节策略。在变负荷过程中，锅炉燃烧时温度逐渐降低，当蒸汽温度降低到一定程度时，炉膛温度就会下降，这一变化对燃烧效率和燃烧质量影响很大。由于实际负荷和锅炉实际参数往往存在一定的偏差，导致在变负荷过程中炉膛的最大平均燃烧速度较小。随着负荷的不断增大和煤种的变化引起的煤发热量降低也会导致不同炉膛最高温度下降。当汽轮机转速达到额定转速后汽轮机就会开始转动并进行膨胀做功，由于膨胀做功过程中会产生热应力，因此汽轮机转子上会产生径向拉应力。这种径向拉应力是由于膨胀做功过程中热功转换时造成的。根据锅炉蒸汽压力变化曲线图可以发现在变负荷过程中实际汽压力随着时间的变化呈现出上升趋势，因此在变负荷过程中实际汽压状态随时间变化时锅炉汽压是随着时间变化而改变。

2 机组变负荷试验研究

机组变负荷试验过程中，需要对各变量参数进行实时测量。为保证机组变负荷试验的准确性，在系统稳定运行后，将所有设备的数据（如锅炉压力、主蒸汽压力、给水温度和送水泵汽轮机出口压力）均设定成1 个值，以提高变负荷实验精度。根据机组变负荷过程中工况变化，在各系统中分别设置相应的运行参数：①给水流量：从锅炉侧给水流量为5×104～10×104m3/h，从汽轮机侧给水量为2×108～4×108t/h。②锅炉侧各主汽压、主汽压力、锅炉给水压力。③给水泵汽轮机出口压力设定为3 个值，即给水泵进口的最大蒸汽压力值、给水泵出口的最大蒸汽压力值和给水泵的最高给水温度。④各工况参数变化情况：主蒸汽流量在试验过程中随着负荷降低而逐渐减小，并在整个试验过程中维持恒定；主蒸汽压力在负荷下降到试验极限或稍有升高后保持稳定。

3 试验系统介绍

3.1 流量测量单元

流量测量单元主要由流量计、流量采集卡（包括流量标定系统）和信号调理单元组成。流量计是指采用测量流体流量的装置，其作用是通过测量流体在单位时间内的平均体积流量来获得被测流体量。流量标定系统：该标定系统利用一个具有固定精度、可调节的标准差ΔV（A）来校准被测液体的质量，从而获得所需要的液体质量。现场信号调理单元：该测量单元由一组数字信号调理电路和相应的模拟信号处理电路组成。信号调理电路中通过电平转换，将数字量转换为模拟量，再由模拟数字转换器（A/D）和数字信号处理模块（D/A）将数字量转换为模拟量。根据现场情况，可将测量单元分为两组，分别用于对同一流体参数不同时段进行测量。

3.2 机组控制部分

①汽轮机控制部分主要包括PID 算法和PID 控制器的编程。②机组运行监控模块是根据现场数据采集装置实时传输回厂数据和机组运行状态信息而设计的数据采集模块，该模块采用PLC 控制器，在计算机中编写相应的程序模块。③参数设置模块主要是在PLC 控制器上完成有关参数的修改。

4 蒸汽参数测量技术

①热工参数：主要包括空气温度、露点温度、露点压力以及真空度和真空流量等。②机械参数：主要包括磨煤机排粉量、磨煤浓度以及磨煤比。③炉膛参数：包括炉内有效燃烧面积和烟气平均流速系数等信息。④炉膛燃烧特性：包括炉内燃烧区宽度和高度的变化等信息。⑤烟气量：主要根据烟囱高度、排风量和烟气温度等信息确定，但也可通过烟气流速间接计算。⑥炉墙热流密度：主要反映炉墙两侧炉壁热流密度的变化，也可通过烟气流速间接测量，如测烟温时的烟囱出口气体流速度。⑦水冷壁水头：主要反映水冷壁水头的变化范围，通过水流流速间接测量。⑧煤质参数：主要反映煤燃烧情况，如着火温度、燃尽程度等信息。⑨煤粉细度：主要反映煤粉细度，通过煤粉细度可以间接测得。⑩煤质含硫量：主要受燃烧状况及炉膛温度分布影响，是电厂锅炉运行中需要关注的参数之一。

5 蒸汽参数与汽机控制策略之间的关联关系

5.1 汽机变负荷过程中的汽轮机控制

以某600MW 机组为例，通过上述分析可知，在机组负荷进一步增大后，主汽压力基本保持线性递增的趋势变化，且汽机参数与蒸汽参数呈现一定负相关关系；当主汽压波动较大时，则出现一定幅度的振荡现象，当机组负荷进一步增大后，汽轮机蒸汽参数与汽机给水温度存在一定的负相关关系。其中，随着机组负荷的增大，汽轮机蒸汽平均压力与给水平均压力均呈现不同程度的负相关关系；在机组负荷进一步增大后，汽轮机蒸汽平均压力出现一定幅度的波动状态；而在不同负荷下，汽机蒸汽平均压力的波动范围与运行参数间呈现一定程度的正相关关系。根据以上分析可知，对于不同的变负荷工况，汽轮机负荷与汽机主汽蒸汽参数之间存在一定正相关关系[3]。

5.2 汽机蒸汽参数与机组负荷间的关系模型

汽机蒸汽参数的变化与锅炉给水温度，随着机组负荷的增加，给水温度逐渐升高而汽轮机的负荷则随之增加。根据汽轮机运行方式，汽机蒸汽参数与机组负荷间存在一定关联关系，但不是简单呈现线性关系。汽机蒸汽参数随锅炉给水温度、主蒸汽压力变化，但与机组负荷无关。该模型反映在机组负荷不断增大时锅炉运行方式改变对蒸汽参数影响较大这一特性。当汽机系统调整锅炉负荷时，需要考虑汽机系统调节对主蒸汽温度、主汽压力等关键参数产生变化这一因素。

5.3 变负荷过程中汽温闭环调节特性及优化方法研究

根据机组运行情况，设定该机组在给定负荷条件下，在额定出力基础上进行稳态时、非稳态时的汽温变化情况。根据机组稳态时、非稳态时不同负荷下的汽温变化规律可知，在不同负荷下，汽温有两种不同变化趋势：一是蒸汽参数先缓慢升高后快速下降；二是蒸汽参数先快速下降后逐渐平缓直至稳定。而当一次调频开始后，蒸汽参数将逐渐趋于平稳，而后逐渐增大，这主要是由于一次调频期间，锅炉受热面处于最佳工况范围之内。而二次调频过程，锅炉受热面处于非最佳工况内、且蒸汽参数变化较小。随着负荷的增加和减少，蒸汽参数逐渐减小；而当负荷达到最大值后，蒸汽参数迅速升高。这主要是二次调频过程中由于汽温快速上升导致给水流量增加；同时由于锅炉受热面处于最大工况范围之内，使得给水流量减小。而在变负荷过程中进行二次调频时，随着机组负荷的增加和减少，蒸汽参数先快速下降然后逐渐平稳直至稳定。同时随着机组出力的增加和减少，通过汽温曲线可以发现随着负荷的增加，汽温曲线有一个明显变化规律。综上所述，在变负荷过程中进行汽温闭环控制对保证设备运行安全、提高锅炉出力性能和经济效益具有重要意义。

5.4 蒸汽参数数据来源

考虑到汽机变负荷过程中蒸汽参数变化具有时变性，同时由于蒸汽参数与系统运行状态密切相关，因此必须采用现场实时测量蒸汽参数的方式进行数据采集。数据采集过程主要分为两个部分：利用实时温度传感器在负荷率为100%时进行汽温测量，并在一次调频过程中将测量结果与实时温度进行对比，以验证二次调频方式对系统的适应性。将汽温数据通过RS485 总线与智能仪表相连，将蒸汽参数与系统实际运行数据相结合，得到一次调频过程中的蒸汽参数变化趋势。利用二次调频方式对蒸汽参数进行实时调整。对汽机变负荷过程实时数据进行采集后分别在一次调频和二次调频方式下的汽温值进行对比分析，由于该机组为典型的深度调峰机组，本文将采用现场实测数据来分析该机组在调峰过程中的蒸汽参数变化情况并验证反馈方法的有效性。由于三个阶段工况不同，蒸汽参数变化量较大，因此在二次调频过程中需要通过现场实测数据来反映蒸汽参数变化趋势。

5.5 反馈结果分析

在锅炉超深度调峰下，汽机运行方式主要采用二次调频的形式进行汽温控制。与锅炉负荷率保持恒定相比较，二次调节方式下，蒸汽参数的变化趋势与锅炉负荷率变化趋势一致：当负荷率固定时，汽温的最大变化量为298 kJ/kg；当负荷率固定时，汽温变幅为304 kJ/kg。当机组深度调峰运行时，二次调频方式下蒸汽参数的最大变化量比一次调整方式下有所增加。随着锅炉深度调峰运行时间越来越长，各蒸汽参数呈现出逐渐变小的趋势。当机组深度调峰运行时间超过一个小时后，汽温变化开始趋于稳定。通过现场试验验证蒸汽参数反馈方法的有效性，根据计算结果发现，在当前调峰条件下，该机组汽温控制在一次调频方式下波动较大，而经过二次调节后，变负荷过程中各关键变量保持稳定。

6 结束语

综上所述，本文对锅炉变负荷过程中蒸汽参数的测量技术和反馈方法进行研究，通过分析锅炉变负荷过程运行参数的变化趋势以及对机组不同工况下的响应特性进行研究，总结出在深度调峰时锅炉蒸汽参数变化规律。通过一次调频调节给水流量、主汽压力和凝结水温度来改变锅炉的燃烧过程，利用PID、RBF和BP 神经网络等控制算法对汽温进行实时监测和动态调节，并基于系统特性反馈值制定变负荷过程汽温控制策略。通过一次调频与二次调频相结合来控制主蒸汽流量，同时通过主蒸汽压力、汽压、负荷等多个变量来监测炉内蒸汽参数，并通过实时调整实现对机组不同工况下运行参数的实时跟踪；同时结合机组变负荷试验验证蒸汽参数反馈方法的可行性。