國電懷安熱電有限公司運(yùn)行部 吳啟光

調(diào)查研究表明，現(xiàn)階段多數(shù)火電機(jī)組都是根據(jù)所給定參數(shù)、跟蹤負(fù)荷進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，變負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)無法得到保證。針對電力體制展開的改革，將電廠劃分至獨(dú)立經(jīng)濟(jì)實(shí)體的陣營，只有根據(jù)變負(fù)荷運(yùn)行的特性，從節(jié)能的角度出發(fā)，對變負(fù)荷運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，才能降低生產(chǎn)成本，最大程度增加電廠所獲經(jīng)濟(jì)效益。

1 火電機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行現(xiàn)狀

不斷增加的電力裝機(jī)容量和用電負(fù)荷峰谷差，導(dǎo)致多數(shù)火電機(jī)組在日常工作中均處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，在變負(fù)荷工況下，機(jī)組控制特性、能耗特性均會發(fā)生變化，基于機(jī)組額定工作所設(shè)計(jì)的控制和運(yùn)行系統(tǒng)，無法滿足安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所提出的要求。由此可見，在較寬變工況的范圍內(nèi)綜合考慮能耗特性，對優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，具有突出的理論價(jià)值與應(yīng)用價(jià)值。

首先，在市場經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的背景下電力市場發(fā)生轉(zhuǎn)變是必然選擇，雖然圍繞火電機(jī)組所展開的研究正在向著更廣、更深的方向發(fā)展，但仍舊存在尚未解決的問題，如發(fā)電設(shè)備種類多樣、系統(tǒng)復(fù)雜，運(yùn)行負(fù)荷、方式和環(huán)境都會給能耗帶來一定影響，現(xiàn)有測量技術(shù)在測量給水流量、蒸汽流量時(shí)，難以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，不同初壓和運(yùn)行方式往往會給能耗規(guī)律帶來不同影響等，其中能夠直接影響能耗的因素為噴水減溫[1]。

其次，由于再熱汽溫是鍋爐設(shè)備所固有的特性，因此，從理論角度對其進(jìn)行分析的難度較大，應(yīng)當(dāng)引起重視。而不斷提升的自動(dòng)化程度為DCS的應(yīng)用提供了廣闊空間，如何將能耗分析結(jié)構(gòu)與控制進(jìn)行結(jié)合獲得準(zhǔn)確的控制定制，也是需要解決的問題。

最后，滑壓運(yùn)行的優(yōu)勢主要是具有良好的內(nèi)效率，不同火電機(jī)組和負(fù)荷所對應(yīng)內(nèi)效率往往存在顯著差異，也就是說，僅僅憑借傳統(tǒng)的PID控制方式無法保證控制回路始終處于優(yōu)化整定狀態(tài)下，對被控對象的特性進(jìn)行辨識自然很有必要，換言之，要想提高控制系統(tǒng)所具有性能，關(guān)鍵是鑒定并優(yōu)化控制器參數(shù)。

2 節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

熱能動(dòng)力領(lǐng)域的研究內(nèi)容，始終集中在發(fā)電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行、變工況計(jì)算等方面，遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)工況后，對系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，提供相應(yīng)的運(yùn)行指導(dǎo)，對工程實(shí)踐具有突出的意義。

2.1 建立模型

精準(zhǔn)機(jī)組耗差。傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)存在修正曲線不準(zhǔn)確、流量參數(shù)測量難度大等問題，因此應(yīng)針對上述情況對如下數(shù)學(xué)模型進(jìn)行開發(fā)：首先，由于系統(tǒng)能耗率與小汽水流量、熱力學(xué)參數(shù)、熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，主蒸汽流量帶來的影響微乎其微，因此對熱經(jīng)濟(jì)狀態(tài)方程進(jìn)行開發(fā)很有必要，這樣做可以使系統(tǒng)節(jié)能分析效率得到提高；其次，以弗留格爾公式、斯陀托拉實(shí)驗(yàn)為依據(jù)對末級流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判別，以變工況理論為參考對濕蒸汽區(qū)進(jìn)行計(jì)算，這樣做的好處是無需迭代便可獲得準(zhǔn)確的抽汽焓、排汽焓值；最后，由于運(yùn)行狀態(tài)是系統(tǒng)擾動(dòng)所得，因此可按照特定順序逐一將擾動(dòng)解除，再對能耗率進(jìn)行計(jì)算。實(shí)踐證明，這樣做可提高能損偏差具有的準(zhǔn)確度。

鍋爐經(jīng)濟(jì)分析。以負(fù)荷相同為前提，低負(fù)荷運(yùn)行給熱經(jīng)濟(jì)帶來的影響需要引起重視，雖然降低初壓能夠降低熱效率卻會增加熱耗率，另外降低排汽溫度能夠使低壓缸效率始終維持在較高的水平，汽輪機(jī)排汽干度也會有所增加，這十分有利于尾部內(nèi)效率的增加。傳統(tǒng)反平衡方法的參考依據(jù)主要是運(yùn)行結(jié)果，在此基礎(chǔ)上通過測定運(yùn)行參數(shù)、計(jì)算損失的方式確定出鍋爐熱效率，但所得出結(jié)果既無法對損失出現(xiàn)的原因進(jìn)行反映，又不利于耗差分析、優(yōu)化控制等工作的開展。設(shè)計(jì)人員深入研究燃燒理論、鍋爐運(yùn)行原理，綜合考慮工況變化與鍋爐效率的關(guān)系、煤質(zhì)特性，最終開發(fā)出以下模型：解析評估不完全燃燒所帶來損失；解析評估排煙應(yīng)達(dá)溫度；過量空氣系數(shù)的最佳值；在線計(jì)算鍋爐效率的方法[2]。

汽輪機(jī)最優(yōu)運(yùn)行。任意負(fù)荷都有蒸汽初壓、調(diào)節(jié)汽門開度與之對應(yīng)，計(jì)算公式為N=f（PO-Fk），其中PO對應(yīng)蒸汽初壓，F(xiàn)k對應(yīng)調(diào)節(jié)汽門開度；如果機(jī)組能夠滿足設(shè)計(jì)要求，計(jì)算公式為Nd=f（POd-Fkd），在負(fù)荷逐漸降低的前提下，如蒸汽初壓保持不變僅對調(diào)節(jié)汽門開度進(jìn)行改變，則為“純定壓運(yùn)行”，如果調(diào)節(jié)門開度保持不變，則為“純滑壓運(yùn)行”。待純定壓運(yùn)行的機(jī)組負(fù)荷降低到特定數(shù)值后，用POS表示初壓，隨后無論負(fù)荷降低與否初壓PO始終與POS持平，只需對調(diào)節(jié)門開度進(jìn)行改變即可，這種方式即為“定-滑運(yùn)行”。在特定運(yùn)行環(huán)境下，對可行壓力區(qū)間加以確定，再綜合考慮其他因素完成試算區(qū)間壓力的任務(wù)，確定作為比較基準(zhǔn)的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，獲得與之相符的主蒸汽壓力，此壓力不僅是最佳壓力還是最優(yōu)運(yùn)行初壓，在此基礎(chǔ)上方可對負(fù)荷與最優(yōu)初壓的關(guān)系進(jìn)行確定。

機(jī)組控制模型。運(yùn)用機(jī)理法，對熱力設(shè)備、系統(tǒng)所適用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建立，對自定義函數(shù)進(jìn)行編制，建立以除氧器、爐膛換熱、汽機(jī)本體等為主要內(nèi)容的模型算法庫。運(yùn)用機(jī)理法所建立的模型，可對機(jī)組非線性進(jìn)行直觀反映，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在更接近實(shí)際的方面，這也為設(shè)計(jì)先進(jìn)控制算法及相關(guān)工作的開展提供了通用平臺，設(shè)計(jì)人員若想保證所設(shè)計(jì)模型符合特定機(jī)組的特點(diǎn)和需求，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)對修正數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行開發(fā)，在完成建模工作后，以設(shè)計(jì)參數(shù)為依據(jù)對熱力設(shè)備、模型系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，組建子系統(tǒng)模型，為整體動(dòng)態(tài)模型的形成提供幫助。

圖1 系統(tǒng)方案

魯棒性的分析。由于模型的精確性難以得到保證，因此所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)具有魯棒性很有必要，如何提高控制系統(tǒng)魯棒性同樣是研究的主要方向，常規(guī)控制所強(qiáng)調(diào)的主要是優(yōu)化單一控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，節(jié)能優(yōu)化的重要性始終沒有得到重視，這就要求設(shè)計(jì)人員定義對魯棒性加以表示的指標(biāo)用來反映環(huán)路魯棒性、系統(tǒng)相互作用，實(shí)踐證明，分別整定能夠使回路靈活性得到顯著提高。如果對串級控制整定進(jìn)行評價(jià)的指標(biāo)存在高頻峰值過大的問題，應(yīng)將內(nèi)環(huán)魯棒性調(diào)低，如果指標(biāo)高頻峰值過小，則應(yīng)將外環(huán)魯棒性調(diào)低，一般來說指標(biāo)在3～5的范圍內(nèi)所取得魯棒性更加符合預(yù)期。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行

某電廠所運(yùn)用機(jī)組為300MW，控制系統(tǒng)為Symphony，多數(shù)機(jī)組參數(shù)都已經(jīng)進(jìn)入了DCS，但以主要輔機(jī)的功率信號為代表的部分參數(shù)尚未進(jìn)入，需要運(yùn)用電能變送器采集，再通過通信線路進(jìn)行傳送。

2.2.1 實(shí)現(xiàn)方案

該機(jī)組是由多個(gè)子系統(tǒng)和設(shè)備共同組成的生產(chǎn)系統(tǒng)，因此對其優(yōu)化需涉及多方面內(nèi)容，其中需要引起重視部分是機(jī)組啟停、變負(fù)荷運(yùn)行，另外，受控對象的特點(diǎn)主要為耦合、非線性和時(shí)變性，只有充分運(yùn)用魯棒控制、時(shí)延補(bǔ)償?shù)确绞讲拍芴岣呋A(chǔ)控制的有效性，在此基礎(chǔ)上對人工智能進(jìn)行有選擇地運(yùn)用，可以得到事半功倍的效果[3]。

實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的前提是對機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取，如溫度、流量等過程參數(shù)，煤發(fā)熱量等離線分析數(shù)據(jù)，如何可靠、準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)向計(jì)算機(jī)進(jìn)行傳送，為分析、運(yùn)算等工作的開展提供依據(jù)，自然成為設(shè)計(jì)人員考慮的首要問題。綜合多方因素，最終確定實(shí)現(xiàn)方案見圖1，該方案將所獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)用在了以下領(lǐng)域：耗差分析、優(yōu)化控制系統(tǒng)；向分析耗差的服務(wù)器進(jìn)行上傳，為分析結(jié)果的查詢及顯示提供便利。實(shí)踐證明，該分析器的引進(jìn)使系統(tǒng)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的隔離成為現(xiàn)實(shí)，應(yīng)當(dāng)引起重視，只有以SIS為平臺將WinIS與分析系統(tǒng)進(jìn)行連接，才能保證操作員、工程師及時(shí)獲得操作指導(dǎo)信息和計(jì)算分析結(jié)果。

2.2.2 方案特點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)十分合理，將SIS加設(shè)在MIS和控制網(wǎng)絡(luò)之間，在滿足耗差分析系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集所具有實(shí)時(shí)性要求的基礎(chǔ)上，有效規(guī)避了MIS穩(wěn)定性差給系統(tǒng)帶來的影響；現(xiàn)階段將自動(dòng)化系統(tǒng)分為MIS和SIS的方法在電力領(lǐng)域已經(jīng)得到了推廣和運(yùn)用，其中SIS的作用主要是處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、監(jiān)管生產(chǎn)過程、分析故障原因、調(diào)度經(jīng)濟(jì)負(fù)荷等；可根據(jù)使用者需求有選擇性地提供操作界面，如操作員、工程師對操作界面的需求主要是可靠、實(shí)時(shí)且內(nèi)容詳實(shí)，管理員對操作界面的需求則是簡潔、使用簡單。

2.2.3 應(yīng)用分析

建立精準(zhǔn)機(jī)組耗差的分析模型，使電廠對熱力系統(tǒng)所具有經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行監(jiān)測時(shí)面臨的問題得到了有效解決，提高了在線計(jì)算經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的準(zhǔn)確性、找出能耗偏差的效率；在對變負(fù)荷特性進(jìn)行研究時(shí)，根據(jù)蒸汽初壓與熱經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系，對鍋爐經(jīng)濟(jì)分析模型、汽輪機(jī)運(yùn)行模型進(jìn)行了建立，為機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)；運(yùn)用機(jī)理法對機(jī)組控制模型進(jìn)行了建立，使熱工過程所對應(yīng)非線性關(guān)系以更直觀的方式加以呈現(xiàn)；深入研究魯棒整定的問題，確定取得良好魯棒性所對應(yīng)魯律性指標(biāo)，為控制的快速性、穩(wěn)定性提供保證；分析變負(fù)荷特性、優(yōu)化控制系統(tǒng)，根據(jù)工程機(jī)組實(shí)況對實(shí)施控制系統(tǒng)的方案進(jìn)行了提出，充分結(jié)合耗差節(jié)能分析和優(yōu)化控制，保證火電機(jī)組既能夠以電網(wǎng)需求為依據(jù)展開運(yùn)行，又具備提高電廠經(jīng)濟(jì)效益的價(jià)值，另外人員勞動(dòng)強(qiáng)度也可以得到相應(yīng)的減輕。