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大型火電機組變負荷特性及優(yōu)化控制系統(tǒng)研究
摘 要 目前，我國大型火電機組經(jīng)常處于低負荷工況運行，在此狀況下機組的能耗特性和控制特性發(fā)生顯著變化，原有的運行方式及控制系統(tǒng)已不能適應(yīng)長時間在較低負荷下的變工況安全經(jīng)濟運行的需要。針對這種情況，建立高精確度機組耗差分析模型，有效地解決火電廠熱力系統(tǒng)經(jīng)濟性分析中的主要難題，保證各項經(jīng)濟指標在線計算的準確性和機組能耗偏差的找出率。開發(fā)出汽輪機最優(yōu)運行初壓計算模型和鍋爐經(jīng)濟性分析模型，為實現(xiàn)機組低負荷經(jīng)濟運行奠定理論基礎(chǔ)。在機組耗差分析的基礎(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，提出魯棒性指標應(yīng)介于3～5之間以取得較好的魯棒性，實現(xiàn)寬負荷范圍內(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)裝機容量的增加和用電側(cè)負荷峰谷差的增大，大型火電機組經(jīng)常處于低負荷工況下運行。隨之而來的問題是：變負荷工況下機組的能耗特性和控制特性發(fā)生了顯著變化，以機組額定工況條件為主設(shè)計的運行及控制系統(tǒng)不能適應(yīng)長時間在較低負荷下的變工況安全經(jīng)濟運行的需要。當前火電機組的自動控制一般是基于給定的參數(shù)定值和跟蹤負荷指令運行的，因此機組變負荷運行時不一定處于最優(yōu)狀態(tài)。研究機組在當前較寬變工況范圍(100%~40%額定負荷)內(nèi)的能耗特性與節(jié)能優(yōu)化控制方法，設(shè)計機組在更寬負荷范圍內(nèi)的在線性能分析系統(tǒng)和節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)具有深遠的理論意義和應(yīng)用價值。
為此，我們承擔了國家電力公司的重大科技項目“火電機組變負荷特性及優(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組變負荷工況下的內(nèi)在特性變化規(guī)律，并以此為依據(jù)，監(jiān)測其能耗經(jīng)濟性，設(shè)計和選擇最佳運行方式，確定相應(yīng)的節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)，以達到機組能夠在更寬負荷范圍內(nèi)安全經(jīng)濟運行的要求。
2 當前研究現(xiàn)狀及存在的問題
隨著國內(nèi)用電市場的變化，各研究機構(gòu)開始重視火電機組節(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一步的工作：
1)研究都是定性的，還不能定量描述。在實用負荷范圍內(nèi)，運行方式對能耗影響的規(guī)律尚無準確的方法確定。
2)機組額定初壓不同，運行方式對能耗影響的規(guī)律就不同。一般來說超臨界機組滑壓運行的優(yōu)勢較明顯。機組初壓越低，定壓運行的優(yōu)勢越明顯。不同設(shè)計參數(shù)的機組運行方式對能耗的影響需要定量研究[1]。
3)滑壓運行優(yōu)勢的另一方面在于汽輪機的內(nèi)效率能保持較高的數(shù)值，但不同的機組、不同負荷其內(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)當前機組控制設(shè)備性能已經(jīng)大大提高，廣泛使用集散控制系統(tǒng)(DCS)，為機組優(yōu)化控制提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。如何將機組能耗分析結(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)。如何準確辨識被控對象特性，并進行控制器參數(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)濟影響的原因
在同一負荷下，以較低初壓運行方式對熱經(jīng)濟性影響為例[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。并由此使汽輪機排汽干度增加，使汽輪機尾部內(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 高準確度機組耗差分析模型建立
由于傳統(tǒng)火電機組節(jié)能在線監(jiān)測系統(tǒng)存在流量參數(shù)測量不準、修正曲線準確性差、以靜態(tài)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的火電機組節(jié)能在線監(jiān)測不適用寬負荷調(diào)峰等不足[4] [5] [6]，我們新開發(fā)了如下三個數(shù)學模型：
1)電廠熱經(jīng)濟性狀態(tài)方程包括三個基本方程[7]：電廠熱力系統(tǒng)汽水分布標準方程、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)的能耗率只與當前的熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運行狀態(tài)下的熱力學參數(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)凝汽式汽輪機末級流動狀態(tài)判別定理及弗留格爾公式的改進[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”，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]。當前運行狀態(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確度。
3.3 汽輪機及熱力系統(tǒng)最優(yōu)運行數(shù)學模型建立
在任意負荷下總存在著某一蒸汽初壓和調(diào)節(jié)汽門開度滿足當前負荷，即。若機組達到設(shè)計要求，在設(shè)計工況下，kF)(0kFPfN?=)(0kdddFPfN?=，若機組沒有達到設(shè)計要求或運行時其它參數(shù)偏離設(shè)計值，則有。當負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，稱為純定壓運行;若保持調(diào)節(jié)門開度不變，即，稱為純滑壓運行。當純定壓運行降低到某一負荷時，設(shè)其對應(yīng)的初壓為，從此狀態(tài)開始，當負荷再降低時，維持初壓)(''0kdddFPfN?=dPP00=''kdF''''kdkFF=sP0sPP00=不變，僅改變調(diào)節(jié)門開度，這種運行方式稱為定—滑方式運行。定—滑方式運行還存在從什么負荷開始滑和什么時候又開始定的問題�？傊�，對應(yīng)某一負荷，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，汽輪機的負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)地確定汽輪機的最優(yōu)初壓與負荷的關(guān)系曲線。
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