大型火電機(jī)組變負(fù)荷特性及優(yōu)化控制系統(tǒng)研究

摘 要 目前，我國大型火電機(jī)組經(jīng)常處于低負(fù)荷工況運(yùn)行，在此狀況下機(jī)組的能耗特性和控制特性發(fā)生顯著變化，原有的運(yùn)行方式及控制系統(tǒng)已不能適應(yīng)長時間在較低負(fù)荷下的變工況安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需要。針對這種情況，建立高精確度機(jī)組耗差分析模型，有效地解決火電廠熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析中的主要難題，保證各項經(jīng)濟(jì)指標(biāo)在線計算的準(zhǔn)確性和機(jī)組能耗偏差的找出率。開發(fā)出汽輪機(jī)最優(yōu)運(yùn)行初壓計算模型和鍋爐經(jīng)濟(jì)性分析模型，為實現(xiàn)機(jī)組低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行奠定理論基礎(chǔ)。在機(jī)組耗差分析的基礎(chǔ)上，針對串級控制系統(tǒng)不確定性模型研究魯棒整定問題，提出魯棒性指標(biāo)應(yīng)介于3～5之間以取得較好的魯棒性，實現(xiàn)寬負(fù)荷范圍內(nèi)控制的穩(wěn)定性與快速性。介紹優(yōu)化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞耗差分析火電機(jī)組變工況優(yōu)化控制魯棒性

1 引言

隨著我國電力工業(yè)裝機(jī)容量的增加和用電側(cè)負(fù)荷峰谷差的增大，大型火電機(jī)組經(jīng)常處于低負(fù)荷工況下運(yùn)行。隨之而來的問題是：變負(fù)荷工況下機(jī)組的能耗特性和控制特性發(fā)生了顯著變化，以機(jī)組額定工況條件為主設(shè)計的運(yùn)行及控制系統(tǒng)不能適應(yīng)長時間在較低負(fù)荷下的變工況安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需要。當(dāng)前火電機(jī)組的自動控制一般是基于給定的參數(shù)定值和跟蹤負(fù)荷指令運(yùn)行的，因此機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時不一定處于最優(yōu)狀態(tài)。研究機(jī)組在當(dāng)前較寬變工況范圍(100%~40%額定負(fù)荷)內(nèi)的能耗特性與節(jié)能優(yōu)化控制方法，設(shè)計機(jī)組在更寬負(fù)荷范圍內(nèi)的在線性能分析系統(tǒng)和節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)的理論意義和應(yīng)用價值。

為此，我們承擔(dān)了國家電力公司的重大科技項目“火電機(jī)組變負(fù)荷特性及優(yōu)化控制系統(tǒng)研究”的研究任務(wù)，項目的意義在于深入揭示火電機(jī)組變負(fù)荷工況下的內(nèi)在特性變化規(guī)律，并以此為依據(jù)，監(jiān)測其能耗經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計和選擇最佳運(yùn)行方式，確定相應(yīng)的節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)，以達(dá)到機(jī)組能夠在更寬負(fù)荷范圍內(nèi)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。

2 當(dāng)前研究現(xiàn)狀及存在的問題

隨著國內(nèi)用電市場的變化，各研究機(jī)構(gòu)開始重視火電機(jī)組節(jié)能耗差及優(yōu)化控制的研究，但這個領(lǐng)域中仍存在一些問題或需要做進(jìn)一步的工作：

1)研究都是定性的，還不能定量描述。在實用負(fù)荷范圍內(nèi)，運(yùn)行方式對能耗影響的規(guī)律尚無準(zhǔn)確的方法確定。

2)機(jī)組額定初壓不同，運(yùn)行方式對能耗影響的規(guī)律就不同。一般來說超臨界機(jī)組滑壓運(yùn)行的優(yōu)勢較明顯。機(jī)組初壓越低，定壓運(yùn)行的優(yōu)勢越明顯。不同設(shè)計參數(shù)的機(jī)組運(yùn)行方式對能耗的影響需要定量研究[1]。

3)滑壓運(yùn)行優(yōu)勢的另一方面在于汽輪機(jī)的內(nèi)效率能保持較高的數(shù)值，但不同的機(jī)組、不同負(fù)荷其內(nèi)效率也不同，這不僅需要理論分析，而且需要實驗才能測定。

4)運(yùn)行方式不同，還會影響再熱汽溫。再熱器欠溫、再熱器噴水減溫對能耗的影響較大。此項能耗偏差仍屬運(yùn)行方式對能耗影響，但是再熱汽溫特性是鍋爐設(shè)備的固有特性，理論分析非常困難，只能對具體機(jī)組用實驗方法解決，在目前的一些分析中該項能耗偏差未計入運(yùn)行方式對能耗率影響的因素，因此，得出的結(jié)論是不全面的。

5)當(dāng)前機(jī)組控制設(shè)備性能已經(jīng)大大提高，廣泛使用集散控制系統(tǒng)(DCS)，為機(jī)組優(yōu)化控制提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。如何將機(jī)組能耗分析結(jié)果與控制相結(jié)合，如提供合理的控制定值等，是節(jié)能優(yōu)化控制的目的之一。

6)當(dāng)前控制系統(tǒng)還廣泛采用PID控制方式，但研究表明，很多控制回路都處于非優(yōu)化整定狀態(tài)。如何準(zhǔn)確辨識被控對象特性，并進(jìn)行控制器參數(shù)優(yōu)化整定，是提高控制系統(tǒng)性能的有效途徑 [2]。

3 關(guān)鍵問題的研究及處理

3.1 蒸汽初壓對熱經(jīng)濟(jì)影響的原因

在同一負(fù)荷下，以較低初壓運(yùn)行方式對熱經(jīng)濟(jì)性影響為例[3]：

1)選用較低初壓，使理論循環(huán)熱效率降低，熱耗率增大。

2)選用較低的初壓，調(diào)節(jié)級壓比變化較小，使調(diào)節(jié)級能保持較高的內(nèi)效率，使熱經(jīng)濟(jì)性提高。

3)選用較低的初壓，使高壓缸排汽溫度降低不多，再熱器不容易欠溫，可使中低壓缸保持較高的效率。并由此使汽輪機(jī)排汽干度增加，使汽輪機(jī)尾部內(nèi)效率提高。

4)選用較低的初壓，使給水泵壓升減小，節(jié)省泵功。

3.2 高準(zhǔn)確度機(jī)組耗差分析模型建立

由于傳統(tǒng)火電機(jī)組節(jié)能在線監(jiān)測系統(tǒng)存在流量參數(shù)測量不準(zhǔn)、修正曲線準(zhǔn)確性差、以靜態(tài)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的火電機(jī)組節(jié)能在線監(jiān)測不適用寬負(fù)荷調(diào)峰等不足[4] [5] [6]，我們新開發(fā)了如下三個數(shù)學(xué)模型：

1)電廠熱經(jīng)濟(jì)性狀態(tài)方程包括三個基本方程[7]：電廠熱力系統(tǒng)汽水分布標(biāo)準(zhǔn)方程、系統(tǒng)內(nèi)部功率輸出方程和鍋爐吸熱量方程，能耗指標(biāo)是這三個方程聯(lián)合求解的結(jié)果。系統(tǒng)的能耗率只與當(dāng)前的熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行狀態(tài)下的熱力學(xué)參數(shù)和輔助系統(tǒng)的小汽水流量份額有關(guān)，與主蒸汽流量的絕對值并無直接關(guān)系。由于熱經(jīng)濟(jì)狀態(tài)方程是解析的，它為系統(tǒng)節(jié)能分析提供了新的有力工具。

2)凝汽式汽輪機(jī)末級流動狀態(tài)判別定理及弗留格爾公式的改進(jìn)[8]。用我們課題組研究的“斯陀托拉流量實驗部分結(jié)論的證明和弗留格爾公式的改進(jìn)”，可迅速判別末級所處的流動狀態(tài)，在變工況理論基礎(chǔ)上對處于濕蒸汽區(qū)末一、末二級進(jìn)行變工況計算，無需迭代可一次算出處于濕蒸汽區(qū)的抽汽焓和排汽焓值(保證誤差在0.5%以內(nèi))。

3)耗差分析中的順序擾動解除法[9]。當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)可以看作是系統(tǒng)由設(shè)計工況經(jīng)一系列擾動得到的，因而可以按一定順序逐漸解除擾動。每解除一個擾動重新進(jìn)行變工況計算，擾動解除后，計算其能耗率。解除前后能耗率之差即為該項擾動造成的能耗差。該方法保證了能損原因查找率和單項能損偏差準(zhǔn)確度。

3.3 汽輪機(jī)及熱力系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行數(shù)學(xué)模型建立

在任意負(fù)荷下總存在著某一蒸汽初壓和調(diào)節(jié)汽門開度滿足當(dāng)前負(fù)荷，即。若機(jī)組達(dá)到設(shè)計要求，在設(shè)計工況下，kF)(0kFPfN?=)(0kdddFPfN?=，若機(jī)組沒有達(dá)到設(shè)計要求或運(yùn)行時其它參數(shù)偏離設(shè)計值，則有。當(dāng)負(fù)荷從額定出力逐漸降低時：若保持蒸汽初壓不變，僅改變(減小)調(diào)節(jié)汽門開度，稱為純定壓運(yùn)行;若保持調(diào)節(jié)門開度不變，即，稱為純滑壓運(yùn)行。當(dāng)純定壓運(yùn)行降低到某一負(fù)荷時，設(shè)其對應(yīng)的初壓為，從此狀態(tài)開始，當(dāng)負(fù)荷再降低時，維持初壓)(''0kdddFPfN?=dPP00=''kdF''''kdkFF=sP0sPP00=不變，僅改變調(diào)節(jié)門開度，這種運(yùn)行方式稱為定—滑方式運(yùn)行。定—滑方式運(yùn)行還存在從什么負(fù)荷開始滑和什么時候又開始定的問題�？傊�，對應(yīng)某一負(fù)荷，可選擇的蒸汽初壓在很大范圍內(nèi)可供選擇。根據(jù)以上的原則，汽輪機(jī)的負(fù)荷與新蒸汽壓力的最優(yōu)值的關(guān)系應(yīng)該由(1)式來dPP00≤確定，從而動態(tài)地確定汽輪機(jī)的最優(yōu)初壓與負(fù)荷的關(guān)系曲線。