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超超临界机组全负荷段再热汽温智能控制

信息来源:     发布时间:2018-07-30


孙伟鹏 林楚伟 江永 蔡纯 杨扬生 卢叙钿 华能海门电厂


摘要:通过寻找影响再热汽温变动的影响因素,并从汽温变化的内在机理,结合现场实际的特点辨识出烟气挡板、喷水与再热汽温的动态特性模型,依据对象特性设计出符合锅炉实际运行情况的控制方案,并通过现场调整试验,最终实现再热汽温智能控制的长期投运机组在动态变负荷下,再热汽温控制能够正确快速响应,使得变负荷过程再热汽温的能够平稳运行。在负荷稳定情况下,再热汽温控制回路可有效克服内外扰动,汽温波动较小,满足运行人员要求。另外系统优化后,管壁超温现象明显下降,喷水量明显下降,运行人员的操作强度也得到了较大的改善。

关键词:再热汽温  动态特性  先进控制策略  优化  智能控制




前言

 

在大型电站锅炉中,通常采用烟气挡板作为控制再热汽温的主要手段。然而,这种控制手段通过改变烟气流经低温再热器的流通量,改变再热器的吸热量,用以克服机组运行过程中烟气侧、工质侧的扰动量,以达到调整再热汽温的控制。在这种调整过程中,实际需经历烟气侧对流换热、金属管壁传热、工质侧对流传热动态变动等环节,是典型的慢动态过程,属于大惯性难控过程。

目前,大多数再热烟气挡板仍然采用的传统的PID控制策略,这种事后控制方法对于这种大滞后、纯迟延控制对象来说,控制品质很难满足机组变负荷过程中汽温的平稳控制。实际的运行结果带来了调节不及时、管壁超温、喷水量过多(喷水量每增加1%,机组循环效率降低0.1%-0.2%)、运行操作强度较大等现象[1]

 

1 再热汽温对象特点

 

华能海门电厂锅炉为东方锅炉制造的DG3000/26.15-Ⅱ1型锅炉,锅炉型式为高效超超临界参数变压直流炉、对冲燃烧方式、固态排渣、采用单炉膛、一次中间再热、平衡通风、露天布置、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。再热汽温采用尾部烟道的挡板进行调整,并配有危急时刻使用的微量喷水控制。

    锅炉燃烧与传热过程是一个复杂的动态过程,再热器受热面置身于锅炉之中,作为对流受热面的再热器,一方面自烟气侧吸收热量,另一方面不断由来自汽轮机高压缸来的再热冷蒸汽带走热量,加热了再热蒸汽。再热蒸汽流量、入口温度、烟气流量、管壁传热系数,烟气温度水平、再热减温水流量等因素直接影响再热器传热过程,最终势必影响再热器出口温度。随着烟气流量的增多,传热量将加大,将会使得再热器出口蒸汽温度上升。当烟气的热量经过管壁传热,管壁的导热与管壁厚度以及管子的内、外沾污程度有关,沾污越严重,出口温度降越低。即受热面吹灰后,使得传热效果变好,再热器出口蒸汽温度上升。当再热器入口工质流量增加后,一方面增大了传热效果,但是将会使得单位质量的工质吸热量下降,从而再热汽温下降。再热器入口工质变化往往在负荷变化初期即发生动态变化,给水流量变化后,导致高压缸抽汽量变化,致使再热蒸汽流量发生变化。


 

2 再热汽温控制现状及优化选择


目前用于大滞后再热汽温控制回路的先进控制策略包含有:状态预估与反馈控制、广义预测控制GPC、模型预测控制中的动态矩阵控制DMC、自抗扰控制ADRC等。这些先进控制策略,针对大滞后控制对象,已经有了较为丰富的理论论证与仿真验证成果。然而,以上策略应用到实际中时,却存在抗干扰能力弱、容易发生高频震荡等问题,无法满足再热汽温的全负荷段控制[2]

海门电厂选择了适合自身设备特点的内反馈(IFC)的高级过程控制策略,通过寻找影响再热汽温变动的影响因素,并从汽温变化的内在机理,结合现场实际的特点辨识出烟气挡板、喷水与再热汽温的动态特性模型。依据对象特性设计出符合锅炉实际运行情况的控制方案,并通过现场调整试验,最终实现再热汽温的自动控制的长期投运。

 

全负荷段再热汽温智能控制系统设计

3.1 智能控制平台硬件搭设

采用灵活方便的第三方控制系统(也称“外挂系统”)作为控制策略实施的平台。第三方控制系统采用工业控制系统中应用广泛的Schneider M340 PLC,并通过通讯电缆与现有机组控制系统DCS相连[3],如图1所示。


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 图1 外挂系统连接图


第三方控制系统能够方便在线修改控制方案,并可采用更高级的控制算法完成再热汽温的控制优化。

 

3.2 智能控制策略设计

3.2.1 再热汽温系统辨识方法建模

通过对再热烟气挡板的阶跃变化,观察动态过程,得出相关的特性参数,用传递函数近似描述对象的动态特性。试验过程数据如表1所示。


表1 再热烟气挡板动态特性


开始值

终值

变化量

开始

变化时刻

最大

稳定时刻

特征

时间tao

特征

时间TC

增益

烟气挡板

70

88.7

-18.7

15:37:07





再热汽温

599

579

20

15:39:48

15:48:18

0:02:41

0:08:30

-1.06952


再热蒸汽流量对汽温变化有着直接影响。当其他条件不变时,再热汽流量的增减会导致再热汽出口温度下降或上升。因此,研究机组稳态及机组变负荷期间再热蒸汽流量变化对再热汽温控制显得意义重大。

1)变负荷初期再热蒸汽流量变化分析

    当机组变负荷时,机组的风、煤、水立即变化。如果是考虑协调系统的特性,汽轮机在指令变化的初期,不会立即改变调门开度。这种动态现象持续的时间,与机组的协调控制系统策略、给水控制回路中的指令惯性,有直接的关系。

    如果在以BF为基础的CCS系统中,一般汽轮机的开度,在指令变化后,经过多阶惯性后才会开启调门,这样会使得再热蒸汽流量份额偏离设计值会长些时间[4]。同时,当给水指令的惯性延时时间较长时,就会削弱再热蒸汽份额偏离设计值的影响。

    总之,目前广东区域超临界机组,一般都会存在这种现象,再热份额动态变化其对温度的影响不可忽略。这样一来,通过比较各参数对再热汽温的影响,就可以获知机组变负荷初期锅炉再热汽温的动态特性的定性趋势[5]

 

    (2)变负荷初期再热温度的动态特性

    在变负荷初期,由于质量、能量之间存在短暂的失衡,再热汽温存在一个短暂的特殊动态过渡过程。可以由图2简单示意表示。


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 图2 变负荷初期再热汽温动态变化过程


    从图2可以看出,在某时刻,当机组负荷目标N发生变化后,并按照一定的变负荷速率影响机组的风、煤、水等参数。当机组负荷指令增加后(图1的曲线1),烟气流量Qk随着风、煤的增加将立即增大(图2的曲线2)。随后,锅炉给水将增加(图3的曲线3)。假定汽轮机调门进汽量是等待锅炉产汽量有明显变化后方改变,那么,再热蒸汽流量先减小后增大(图4的曲线4)。最后,在烟气流量与再热蒸汽流量的双重作用下,再热蒸汽温度呈现了一个逐渐增大,后面用回复的过程[6]

    图2再热蒸汽温度变化现象正好符合现场运行实际情况。即,当机组负荷增加时,开始阶段,再热汽温会有一个快速增大的过程,随后将回复。当机组负荷减少时,开始阶段,再热汽温会有一个快速下降的过程,随后将回复。这个短暂的过程采用烟气挡板调整烟气流量,可以起到削弱这种温度变化峰谷现象,但无法消除。原因在于烟气侧的扰动对于再热蒸汽温度的影响比工质侧的扰动慢。


3.2.2 减温水控制控制回路设计

    为了实现烟气挡板的先进控制,我们将在减温水系统也纳入了先控平台中进行控制,其目的是为了实现烟气挡板与减温水控制回路的协同控制,彻底将烟气挡板从两个控制回路的耦合关系解放出来[7]


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图3  减温水控制回路



    减温水控制系统采用了传统的PID控制策略。由于喷水后的温度波动较大,本控制回路未采用串级回路[8],仅仅采用了单回路的控制方案,如图3所示。


3.2.3 烟气挡板控制回路设计

烟气挡板控制再热汽温,是通过改变流过低温再热器的烟气流量,达到调整再热器出口温度。

烟气传热至再热汽温的变化是一个多阶惯性环节。这种调整方法形成的控制系统实际是一个大滞后的控制系统[9],需要采用先进控制方法实施控制。

该控制算法是在高增益控制器的基础上,通过辨识对象的模型,实现IFC的并联补偿[10]。在控制系统中,有设定值的轨迹规划模块、高增益控制器、IFC补偿回路等模块组成,如图4所示。


1111.png

图4 烟气挡板控制回路




3.2.4 再热喷水减温控制试验

为了验证控制系统的调节品质,对喷水减温控制系统进行设定值阶跃扰动试验,如图5所示。通过设定值扰动试验,再热喷水回路控制回路有较好的控制效果。系统调节平稳,反应快速,为紧急情况下,系统的保护提供了有效的保障措施。


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图5 再热减温控制系统设定值扰动试验趋势



3.2.5 再热喷水减温控制试验

通过实测典型负荷段的模型,采用变参数控制方法,取得了不错的效果。

机组稳定负荷试验,如图6所示。机组变负荷试验如图7所示。


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图6 机组负稳定期间投入再热汽温调节(红色为汽温,蓝色是设定)



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图7 变负荷期间(637MW→479MW)再热汽温调整趋势(红色为汽温,蓝色是设定)


对烟气挡板控制回路进行了设定值扰动试验与变负荷试验,再热汽温基本达到了预期效果,控制平稳,能有效克服外界扰动,实现了再热汽温的全负荷自动控制。

 

4 经济效益分析


从表2可以看出,海门电厂2号机组通过再热器烟气挡板全负荷自动控制,在降低运行人员操作强度时,还提高了再热汽温调整的及时性、有效性,有效提高机组再热汽温1.9℃,同时还达到进一步减少再热器降温水量0.8T/H,总计降低机组煤耗0.2g/KWH。按照机组年发电量45亿度,标煤价950元/吨计算:4500000000*0.2/1000000*950=855000元,每年每台机组实施再热器烟气挡板自动控制,可为电厂增加效益约85.5万元。


 表2 全负荷段再热汽温智能控制效益

 

序号

项目

效益&提升情况

1

提升再热汽温1.9℃

降低煤耗0.15g/KWH

2

减少再热器降温水量0.8T/H

降低煤耗0.05g/KWH

 

5 结语

 

该项目通过寻找影响再热汽温变动的影响因素,并从汽温变化的内在机理,结合现场实际的特点辨识出烟气挡板、喷水与再热汽温的动态特性模型,依据对象特性设计出符合锅炉实际运行情况的控制方案,并通过现场调整试验,最终实现再热汽温智能控制的长期投运。

该项目一方面通过有效控制再热汽温,减少机组喷水流量,可提高机组的运行经济性,另一方面可有效提升再热汽温控制回路的调节品质,可直接改善锅炉管壁超温现象的发生,从而提高机组运行的安全性。该项目的研究对大型火电机组的优化运行与自动控制将带来深远的意义。

 



参考文献

[1]阳光,黄焕袍,刘梦琼.基于PIDNN的二次再热机组汽温控制策略研究[J].热能动力工程,2017,32(11):86-90+133-134.

[2]牛海明,邱忠昌,黄焕袍.1000MW二次再热超超临界机组再热汽温控制策略及工程应用[J].中国电力,2017,50(09):138-142.

[3]何同祥,安少茹.基于支持向量机的再热汽温逆模型控制[J].仪器仪表用户,2016,23(08):13-15.

[4]程辉,苗国耀.基于大滞后控制技术的1000MW超超临界机组过热及再热汽温优化控制[J].自动化技术与应用,2016,35(07):9-13+18.

[5]龚诚.超(超)临界机组再热汽温优化控制策略研究与应用[J].机电信息,2015(36):74-75+77.

[6]贾月军. 模糊控制及其在再热汽温控制中的应用研究[D].华北电力大学,2014.

[7]于洋. 基于内模控制的再热汽温控制系统设计[D].华北电力大学,2012.

[8]庞占洲,张婷婷,安子健.大型火电机组再热汽温控制策略和逻辑分析[J].发电设备,2011,25(06):437-439.

[9]杨红月,谷俊杰.再热汽温控制系统数学模型的建立与实验分析[J].电力科学与工程,2011,27(06):51-56.

[10]杨红月. 基于动态特性机理分析的再热汽温状态变量控制系统研究[D].华北电力大学,2011.

 

作者简介

孙伟鹏:高级工程师,华能海门电厂生产厂长,从事大型火力发电机组生产管理及其优化工作。

 



来源:华能海门电厂 2018-06-15

本文收入广东省电力行业协会2018年6月《节能专刊》




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