1、大型火電機組變負荷特性及優化控制系統研究摘 要 目前，我國大型火電機組經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生顯著變化，原有的運行方式及控制系統已不能適應長時間在較低負荷下的變工況安全經濟運行的需要。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經濟性分析中的主要難題，保證各項經濟指標在線計算的準確性和機組能耗偏差的找出率。開發出汽輪機最優運行初壓計算模型和鍋爐經濟性分析模型，為實現機組低負荷經濟運行奠定理論基礎。在機組耗差分析的基礎上，針對串級控制系統不確定性模型研究魯棒整定問題，提出魯棒性指標應介于35之間以取得較好的魯棒性，實現寬負荷范圍內控制

2、的穩定性與快速性。介紹優化控制系統的實現方案。關鍵詞 耗差分析火電機組變工況優化控制魯棒性1 引言隨著我國電力工業裝機容量的增加和用電側負荷峰谷差的增大，大型火電機組經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生了顯著變化，以機組額定工況條件為主設計的運行及控制系統不能適應長時間在較低負荷下的變工況安全經濟運行的需要。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狀態。研究機組在當前較寬變工況范圍(100%40%額定負荷)內的能耗特性與節能優化控制方法，設計機組在更寬負荷范圍內的在線性能分析系統和節能

3、優化控制系統具有深遠的理論意義和應用價值。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化控制系統研究”的研究任務，項目的意義在于深入揭示火電機組變負荷工況下的內在特性變化規律，并以此為依據，監測其能耗經濟性，設計和選擇最佳運行方式，確定相應的節能優化控制系統，以達到機組能夠在更寬負荷范圍內安全經濟運行的要求。2 當前研究現狀及存在的問題隨著國內用電市場的變化，各研究機構開始重視火電機組節能耗差及優化控制的研究，但這個領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，運行方式對能耗影響的規律尚無準確的方法確定。2)機組額定初壓不

4、同，運行方式對能耗影響的規律就不同。一般來說超臨界機組滑壓運行的優勢較明顯。機組初壓越低，定壓運行的優勢越明顯。不同設計參數的機組運行方式對能耗的影響需要定量研究。3)滑壓運行優勢的另一方面在于汽輪機的內效率能保持較高的數值，但不同的機組、不同負荷其內效率也不同，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，得出的結論是不全面的。

5、5)當前機組控制設備性能已經大大提高，廣泛使用集散控制系統(DCS)，為機組優化控制提供了物質基礎。如何將機組能耗分析結果與控制相結合，如提供合理的控制定值等，是節能優化控制的目的之一。6)當前控制系統還廣泛采用PID控制方式，但研究表明，很多控制回路都處于非優化整定狀態。如何準確辨識被控對象特性，并進行控制器參數優化整定，是提高控制系統性能的有效途徑。3 關鍵問題的研究及處理3.1 蒸汽初壓對熱經濟影響的原因在同一負荷下，以較低初壓運行方式對熱經濟性影響為例3：1)選用較低初壓，使理論循環熱效率降低，熱耗率增大。2)選用較低的初壓，調節級壓比變化較小，使調節級能保持較高的內效率，使熱經濟性提

6、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，使汽輪機尾部內效率提高。4)選用較低的初壓，使給水泵壓升減小，節省泵功。3.2 高準確度機組耗差分析模型建立由于傳統火電機組節能在線監測系統存在流量參數測量不準、修正曲線準確性差、以靜態系統為基礎的火電機組節能在線監測不適用寬負荷調峰等不足，我們新開發了如下三個數學模型：1)電廠熱經濟性狀態方程包括三個基本方程：電廠熱力系統汽水分布標準方程、系統內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合求解的結果。系統的能耗率只與當前的熱力系統結構、運行狀態下的熱力學參數

7、和輔助系統的小汽水流量份額有關，與主蒸汽流量的絕對值并無直接關系。由于熱經濟狀態方程是解析的，它為系統節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判別定理及弗留格爾公式的改進。用我們課題組研究的“斯陀托拉流量實驗部分結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，在變工況理論基礎上對處于濕蒸汽區末一、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的抽汽焓和排汽焓值(保證誤差在0.5%以內)。3)耗差分析中的順序擾動解除法。當前運行狀態可以看作是系統由設計工況經一系列擾動得到的，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

8、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 汽輪機及熱力系統最優運行數學模型建立在任意負荷下總存在著某一蒸汽初壓和調節汽門開度滿足當前負荷，即。若機組達到設計要求，在設計工況下，kF)(0kFPfN=)(0kdddFPfN=，若機組沒有達到設計要求或運行時其它參數偏離設計值，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)調節汽門開度，稱為純定壓運行;若保持調節門開度不變，即，稱為純滑壓運行。當純定壓運行降低到某一負荷時，設其對應的初壓為，從此狀態開始，當負荷再降低時，維持初壓)(''0kddd

9、FPfN=dPP00=''kdF''''kdkFF=sP0sPP00=不變，僅改變調節門開度，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?，對應某一負荷，可選擇的蒸汽初壓在很大范圍內可供選擇。根據以上的原則，汽輪機的負荷與新蒸汽壓力的最優值的關系應該由(1)式來dPP00確定，從而動態地確定汽輪機的最優初壓與負荷的關系曲線。3.4 鍋爐部分經濟性分析模型建立傳統計算鍋爐效率的反平衡方法是從運行結果值出發，測定一系列運行狀態參數進而計算得出各項損失，最終得出鍋爐熱效率。通過傳統方法計算得出的最終結果

10、不能定量反映造成各項損失的原因，不利于在線耗差分析與優化控制。我們通過對燃燒理論及鍋爐運行原理的認真研究推理，綜合考慮煤質特性及運行工況變化對鍋爐效率的影響，推導出以下解析評估模型：1)鍋爐機械不完全燃燒損失解析評估模型; 4q2)鍋爐排煙溫度應達值解析評估模型;3)運用規劃數學原理確定最佳爐膛出口過量空氣系數;4)結合正、反平衡計算原理，經過推導驗證，提出一套新的計算鍋爐效率的計算方法，該方法只需根據DAS所采集的數據進行處理計算，從而實現了鍋爐效率在線計算。3.5 300MW機組控制用數學模型建立我們采用機理法建立了常用熱力設備及系統的通用動態數學模型，編制相應的Matlab自定義函數，在

11、Simulink中建立了一套通用的熱工過程動態模型算法庫，包括汽機系統簡化模型、汽機本體數學模型、除氧器數學模型、給水回熱加熱系統數學模型、鍋爐系統蒸發區模型、爐膛換熱模型等。由于模型是采用機理法建立的，從本質上反映了機組的非線性，較當前控制系統設計中常用的傳遞函數模型更接近機組實際，為先進控制算法的設計仿真提供了一個通用平臺。為了使模型適用于特定機組，我們研究開發了通過現場運行數據對數據進行修正的方法。模型建好后，應根據設計參數計算各熱力設備及系統動態模型的系數，逐步組態出各子系統的模型，并進一步連接成更大的模型，最終形成火電機組整體動態模型。3.6 控制系統魯棒性分析和參數整定由于模型的不

12、精確性，所以要求所設計的控制系統應具有一定的魯棒性。為此，我們定義了一個表示魯棒性的指標，它能夠反映串級控制系統內環和外環的相互作用并清楚地表明每個環路的魯棒性。與常規先內環后外環的整定方法不同，這里每個回路可以分別整定，因此更加靈活。在串級系統設計或整定中，給定一個魯棒性限制條件m，解決式(2)的最優化問題： 0)(min21dttedyts mM<)( (2)式(2)中是對象輸出由于內環擾動而產生的偏差，21dye1y2d)(M為魯棒性指標。魯棒性指標)(M曲線可以作為串級控制整定的一個評價指標：如果高頻峰值太大則調低內環的魯棒性，反之則調高內環的魯棒性;類似的，如果低頻峰值太大則調

13、低外環的魯棒性，反之調高外環的魯棒性。與傳統反饋控制相似，魯棒性指標應介于3和5之間以取得較好的魯棒性。4 系統實現方案本系統需要實時獲取機組運行數據，這些數據主要包括過程參數(流量、壓力、溫度等)、輔機功率及離線分析數據(如煤發熱量等)。如何將這些數據準確可靠地傳送到計算機系統中進行分析運算，是需要首先考慮的問題。根據項目依托工程單位300MW機組現狀，其控制系統采用Siemens的Telemerm Me集散控制系統和ABB的Symphony,大部分機組參數已經進入DCS，部分新加參數無法直接進入DCS的，如主要輔機功率信號等，則通過多功能電能變送器ZD405CT采集，經RS485通信線路送

14、往耗差分析計算機。實現方案如圖1所示。該方案分別通過WinIS及ZD405CT獲得機組實時數據，這些數據一方面供耗差分析與優化控制系統使用，另一方面上傳至耗差分析服務器，以便在MIS網上顯示耗差分析結果并提供查詢。本系統中由于增加了獨立的耗差分析服務器，有效地實現了實時數據與MIS系統的隔離，辦公室中的PC機上單獨安裝耗差分析客戶端程序。耗差分析系統與WinIS通過SIS(監控信息系統)網絡相連，并通過SIS網絡將分析計算結果及操作指導信息提供給系統維護工程師及運行操作員。對于管理人員來說，耗差分析系統分析結果可以通過MIS網絡，以瀏覽器的方式觀察。該方案的特點是：1)網絡結構合理。在控制網絡

15、與MIS網絡之間增加監控網絡SIS，既滿足了耗差分析系統數據采集實時性的要求，又避免了MIS網絡穩定性差對系統的影響;2)便于為不同的使用者提供相應的顯示操作界面。如工程師站、操作員站要求顯示界面內容詳實、實時性好、可靠性高，管理人員要求顯示界面操作簡潔、便于使用;3)將廠級自動化系統劃分為SIS(監控信息系統)與MIS(管理信息系統)是當前被普遍認可的方式，SIS主要處理全廠實時數據，完成廠級生產過程的監控和管理，廠級故障診斷和分析，廠級性能計算、分析和經濟負荷調度等。5 結論1)高精確度機組耗差分析模型的建立，有效地解決了火電廠熱力系統經濟性在線監測中的幾個主要難題，保證了各項經濟指標在線計算的準確性和機組能耗偏差的找出率。2)在火電機組變負荷特性研究中，分析了蒸汽初壓對熱經濟性影響的原因，建立了汽輪機及熱力系統最優運行模型和鍋爐部分經濟性分析模型，為實現機組優化運行奠定了理論基礎。3)采用機理法建立的300MW機組控制用數學模型，充分反