華電國(guó)際十里泉發(fā)電廠 張 博 劉會(huì)陽(yáng)

通過(guò)研究華電國(guó)際電力股份有限公司十里泉發(fā)電廠的超超臨界汽輪機(jī)組的中壓缸冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程，提出如下優(yōu)化措施：在輔汽母管加熱汽源并對(duì)預(yù)暖邏輯進(jìn)行優(yōu)化以合理提高冷態(tài)啟動(dòng)高壓缸溫度，縮短啟動(dòng)時(shí)間；對(duì)沖轉(zhuǎn)過(guò)程中高壓缸正暖邏輯進(jìn)行優(yōu)化，控制沖轉(zhuǎn)期間高壓缸溫度平穩(wěn)上升并達(dá)到滿足切缸要求的金屬溫度，高排溫度不超限；優(yōu)化切缸邏輯，確定機(jī)組冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)合理的切缸速度，實(shí)現(xiàn)高、低壓旁路減壓閥關(guān)閉及高排逆止門開(kāi)啟平穩(wěn)切換，保證切缸過(guò)程中機(jī)組負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定，高壓缸金屬溫升率、高排溫度、振動(dòng)等參數(shù)在正常范圍；通過(guò)開(kāi)發(fā)預(yù)警、異常分析及優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)狀態(tài)診斷與故障分析，進(jìn)行東汽超超臨界機(jī)組中壓缸啟動(dòng)的技術(shù)積累和不斷優(yōu)化。

1 技術(shù)方案

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)改造及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。新增一路輔汽聯(lián)箱母管蒸汽至高排逆止門管道、閥門、疏水門，沖轉(zhuǎn)前開(kāi)啟此閥門對(duì)高壓缸加熱；增加高排管道疏水門，保證疏水充分；開(kāi)展暖缸、切缸邏輯優(yōu)化研究。對(duì)切缸過(guò)程中高調(diào)門、高排逆止門、高低壓旁路減壓閥、VV 閥等切換進(jìn)行研究，確定冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)切缸速度及最佳自動(dòng)切換邏輯。設(shè)計(jì)邏輯算法首先通過(guò)汽機(jī)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

開(kāi)發(fā)啟動(dòng)預(yù)警、異常分析及優(yōu)化系統(tǒng)。結(jié)合非線性狀態(tài)估計(jì)模型和深度學(xué)習(xí)方法建立故障預(yù)警模型，并通過(guò)優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)模型的自學(xué)習(xí)功能，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)過(guò)程中的超前預(yù)警；利用機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)的分布式特性、并發(fā)計(jì)算和流式數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行高效率診斷和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的計(jì)算頻率達(dá)到秒級(jí)，診斷結(jié)果及優(yōu)化頻率達(dá)到秒級(jí)；建立高讀寫(xiě)速率和高性價(jià)比的時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)每次啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析研究并不斷完善、優(yōu)化啟動(dòng)控制邏輯[1]。

2 詳細(xì)實(shí)施內(nèi)容

2.1 高壓缸預(yù)暖氣源改造

首先實(shí)現(xiàn)預(yù)暖汽源改造。目前8、9號(hào)機(jī)組輔汽聯(lián)箱通過(guò)母管連接，輔汽聯(lián)箱汽源穩(wěn)定，其工作壓力為0.5～1.2MPa、工作溫度為320～370℃，因此高壓缸預(yù)暖系統(tǒng)進(jìn)行如下改造:從輔汽聯(lián)箱備用接口引一路管道接至高壓缸預(yù)暖調(diào)節(jié)電動(dòng)門前管道并增加一個(gè)手動(dòng)、電動(dòng)隔離門、逆止門，作為高壓缸預(yù)暖汽源,在隔離門前后增加疏水手動(dòng)門、氣動(dòng)門；將原再熱蒸汽冷段至高壓缸倒暖電動(dòng)門增加一個(gè)手動(dòng)門、電動(dòng)門作為高壓缸預(yù)暖備用汽源；高排逆止門前、后增加疏水管道、閥門，消除切缸時(shí)因排水不暢造成的管道振動(dòng)。改造方案見(jiàn)圖1，紅色為增加部分。

圖1 改造方案圖

2.2 DCS 邏輯改造完善

系統(tǒng)改造后暖缸汽源參數(shù)穩(wěn)定，不受鍋爐再熱蒸汽冷段參數(shù)的限制。預(yù)暖調(diào)節(jié)門實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，控制金屬溫升率為1℃/min。為提高暖缸效果，高壓缸第一級(jí)金屬溫度目標(biāo)由150℃改為180℃，預(yù)暖結(jié)束進(jìn)行悶缸，預(yù)暖控制通過(guò)修改DCS 控制組態(tài)邏輯實(shí)現(xiàn)；開(kāi)展冷態(tài)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)時(shí)高調(diào)門閥位開(kāi)度優(yōu)化試驗(yàn)，確定高調(diào)門的合理開(kāi)度范圍及加熱蒸汽流量。對(duì)正暖沖轉(zhuǎn)時(shí)的高調(diào)門控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，保證高壓缸金屬溫度平穩(wěn)上升、加熱均勻，并達(dá)到機(jī)組帶負(fù)荷切缸時(shí)高壓缸金屬溫度要求。

2.3 啟動(dòng)過(guò)程故障預(yù)警

實(shí)現(xiàn)機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中設(shè)備故障和異常事件的超前預(yù)警（對(duì)啟動(dòng)過(guò)程中的監(jiān)控參數(shù)再進(jìn)行明確下，如振動(dòng)大、瓦溫超限、上下缸溫差大、切缸過(guò)程水沖擊及高排逆止門頻繁開(kāi)關(guān)等問(wèn)題）。利用歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從狀態(tài)特征信息的復(fù)雜性和不確定性出發(fā)，采用定性和定量特征相結(jié)合的思想，充分利用各種監(jiān)測(cè)、診斷、試驗(yàn)系統(tǒng)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)特征證據(jù)，對(duì)汽輪機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行參數(shù)預(yù)警和故障預(yù)警。故障預(yù)警是根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)所獲得的信息,結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)特性和參數(shù)，對(duì)可能要發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)報(bào)、分析和判斷，確定故障的類別、部位、程度和原因，并根據(jù)專家知識(shí)提出可行的解決方案，由監(jiān)控人員決策并處理。

數(shù)據(jù)模型預(yù)警：通過(guò)分析啟動(dòng)過(guò)程中歷史故障記錄分析故障發(fā)生特點(diǎn)，使用預(yù)警模型的方法對(duì)不同的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷這些數(shù)據(jù)是否正常，并通過(guò)挖掘各種數(shù)據(jù)之間的關(guān)系在故障征兆發(fā)生的前期發(fā)現(xiàn)各個(gè)故障，發(fā)出預(yù)警信號(hào)；專家模型預(yù)警：結(jié)合歷史故障對(duì)故障進(jìn)行定性和定量分析。利用歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從狀態(tài)特征信息的復(fù)雜性和不確定性出發(fā)，采用定性和定量特征相結(jié)合的思想，充分利用各種監(jiān)測(cè)、診斷、試驗(yàn)系統(tǒng)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)特征證據(jù)，根據(jù)中壓缸啟動(dòng)的歷史經(jīng)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)異常變化的狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)警。

2.4 切缸關(guān)鍵控制要點(diǎn)異常診斷

切缸是中壓缸啟動(dòng)機(jī)組一項(xiàng)獨(dú)有的啟動(dòng)和操作流程，切缸過(guò)程中對(duì)關(guān)鍵控制要點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)預(yù)判和異常診斷，從而合理調(diào)整高、低壓旁路系統(tǒng)，選擇合適的切缸主再熱參數(shù)和負(fù)荷，果斷、快速切缸，避免切缸過(guò)程中負(fù)荷波動(dòng)或反切缸動(dòng)作，成功實(shí)現(xiàn)中壓缸啟動(dòng)，有效的縮短啟動(dòng)時(shí)間，降低啟動(dòng)能耗[2]；切缸主蒸汽參數(shù)預(yù)控診斷。對(duì)主蒸汽參數(shù)控制值和過(guò)熱度等狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)預(yù)控，合理控制主蒸汽與高壓缸金屬之間溫差和主蒸汽參數(shù)的過(guò)熱度。考慮鍋爐啟動(dòng)特性能夠達(dá)到并維持的合理主蒸汽壓力控制值。

切缸再熱參數(shù)預(yù)控診斷。研究中調(diào)門開(kāi)度與負(fù)荷的調(diào)節(jié)特性，再熱溫度、再熱壓力和中調(diào)門通流量之間的特性變化關(guān)系。綜合考慮高壓缸末級(jí)葉片過(guò)熱、中調(diào)門特性規(guī)律實(shí)現(xiàn)再熱溫度和再熱壓力的預(yù)控診斷；切缸負(fù)荷預(yù)控診斷。機(jī)組切缸負(fù)荷的大小由進(jìn)入中壓缸的流量決定，研究主蒸汽參數(shù)、再熱蒸汽參數(shù)、高旁流量、中調(diào)門開(kāi)度和軸向推力等因素對(duì)切缸負(fù)荷的影響程度，進(jìn)行切缸負(fù)荷的合理優(yōu)化；切缸后升負(fù)荷率預(yù)控診斷。切缸后升負(fù)荷率直接影響鍋爐和汽機(jī)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，根據(jù)高排逆止門前后壓力情況和高排逆止門狀態(tài)進(jìn)行升負(fù)荷率的優(yōu)化控制。

2.5 組啟動(dòng)過(guò)程優(yōu)化改進(jìn)

對(duì)于所設(shè)定的故障，提供超前趨勢(shì)預(yù)報(bào)。分析引起該故障征兆的可能原因，指導(dǎo)運(yùn)行人員調(diào)整，避免故障發(fā)生。對(duì)于突發(fā)故障，提供黑匣子功能并提出該故障的分析診斷意見(jiàn)。判別汽輪機(jī)是否具備啟動(dòng)條件，并指導(dǎo)干預(yù)運(yùn)行人員按運(yùn)行規(guī)程要求正確啟動(dòng)機(jī)組。分析并提出啟停過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況，全程跟蹤機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行，記錄、分析、挖掘設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的規(guī)律，分析機(jī)組故障發(fā)生的特性和數(shù)據(jù)變化規(guī)律，推送預(yù)警提示和操作建議。

將每次啟動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的大量的歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成知識(shí)，同時(shí)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和利用，對(duì)高壓缸倒暖、沖轉(zhuǎn)正暖及切缸邏輯進(jìn)行對(duì)比、分析，提出優(yōu)化指導(dǎo)建議并進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)；完善平臺(tái)評(píng)價(jià)分析和數(shù)據(jù)應(yīng)用功能，為機(jī)組啟動(dòng)期間的設(shè)備壽命管理、減人增效等提供支持?jǐn)?shù)據(jù)和理論知識(shí)，并具備推廣到別的機(jī)組的價(jià)值。

3 項(xiàng)目預(yù)期效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)與自動(dòng)化指標(biāo)

利用綜合控制優(yōu)化技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法及大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)優(yōu)化啟動(dòng)過(guò)程、縮短啟動(dòng)時(shí)間，每次啟動(dòng)可節(jié)省費(fèi)用45.8萬(wàn)元。高壓缸預(yù)暖汽源改造和啟動(dòng)邏輯優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)東汽超超臨界機(jī)組的中壓缸啟動(dòng)過(guò)程中自動(dòng)倒暖、自動(dòng)正暖、自動(dòng)切缸。開(kāi)發(fā)機(jī)組啟動(dòng)故障預(yù)警、異常診斷、優(yōu)化改進(jìn)系統(tǒng)，進(jìn)行啟動(dòng)過(guò)程故障超前預(yù)警和特性挖掘，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)控制邏輯等持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。

3.2 性能指標(biāo)

倒暖優(yōu)化指標(biāo)：系統(tǒng)改造后暖缸汽源參數(shù)穩(wěn)定，不受鍋爐再熱蒸汽冷段參數(shù)的限制。為了提高暖缸效果，高壓缸第一級(jí)金屬溫度目標(biāo)由150℃改為180℃，倒暖調(diào)節(jié)門實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，控制金屬溫升率為1℃/min；沖轉(zhuǎn)高壓缸正暖指標(biāo)：冷態(tài)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)時(shí)優(yōu)化控制主汽調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，適當(dāng)提高高壓缸沖轉(zhuǎn)時(shí)加熱蒸汽流量，保證高壓缸金屬溫度平穩(wěn)上升、加熱均勻，保證機(jī)組并列切缸前高壓內(nèi)缸金屬溫度達(dá)到320℃及以上。

切缸保護(hù)邏輯指標(biāo)：增加切缸前高壓缸金屬溫度閉鎖功能。當(dāng)切缸前高壓缸第一級(jí)金屬溫度＜320℃，自動(dòng)切缸無(wú)法進(jìn)行。將切缸時(shí)間改為≤2min，控制高壓缸金屬溫升率不超限值；完善切缸保護(hù)邏輯。高調(diào)門開(kāi)啟、高低壓旁路關(guān)閉過(guò)程實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)自動(dòng)控制，保證切缸過(guò)程中負(fù)荷穩(wěn)定、高壓缸排汽溫度不超限值，高排逆止門平穩(wěn)打開(kāi)。