空冷機組背壓變化對系統參數及協調控制影響

周忠偉，王利濤，懷玉明，劉月正，邱敬國，李華東

（1.陜西德源府谷能源有限公司，陜西榆林719407；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250002）

空冷機組背壓變化對系統參數及協調控制影響

周忠偉1，王利濤1，懷玉明1，劉月正1，邱敬國1，李華東2

（1.陜西德源府谷能源有限公司，陜西榆林719407；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250002）

隨著空冷技術在發電機組的廣泛應用，其控制系統的研究越來越重要。以直接空冷為研究對象，重點闡述空冷背壓的控制，尤其背壓變化時，對系統參數以及協調控制所造成的影響。結合實際運行機組的背壓控制特點，從背壓影響因素出發，逐一分析其控制難點，探討相應控制策略。表明可以通過各因素分析，制定措施，最終消除背壓變化對系統的影響。

空冷機組；背壓控制；協調控制

0 引言

隨著電力工業的快速發展和節約水資源的考慮，我國600～1000 MW空冷火力發電機組在電網中所占的比例愈來愈大，機組控制系統的穩定與可靠成為機組應用的關鍵環節。空冷機組的特點是真空系統容積非常龐大，背壓普遍比濕冷機組高約10～20 kPa。空冷機組的背壓由于受環境因素，如環境溫度、風速和風向、灰塵等影響，非常難于控制。尤其在夏季，背壓會因環境溫度及風向、風速的變化而變得不穩定，成為制約直接空冷機組正常帶滿負荷運行的重要因素。在協調控制系統自動方式下，背壓的變化會造成主汽壓力、負荷、汽溫及氧量等較大波動。需要找到參數影響規律，才能做好直接空冷機組系統控制。

1 外界環境對背壓變化影響

直接空冷機組的背壓控制主要是依靠變頻器調整運轉風機轉速，通過風機轉速變化調整背壓。轉速增加會使背壓降低，反之亦然。需要限制背壓差變化率以避免背壓控制器輸出過快變化。

以某電廠亞臨界600 MW直接空冷機組為例，機組共配備7排8列共56臺風機控制背壓，分A、B兩側。根據不同工況不斷地改變運轉風機的數量，通過14個步序調整背壓。

由于風機設備及控制影響因素較多，會直接對背壓參數影響，導致背壓變化，主要表現在以下幾方面。

1）環境溫度。散熱效率直接影響風機效率與背壓值，環境溫度越高，散熱效率相對差，背壓容易惡化。溫度過低會影響設備安全，要通過防凍保護措施，保證設備可靠穩定。溫度控制一般分夏季工況與冬季工況，設置以環境溫度30℃和3℃為界，30℃以上為夏季工況，環境溫度3℃以下為冬季工況。冬季工況背壓控制9～16 kPa，夏季工況時，背壓控制25～40 kPa。環境溫度在一定時間內的過快變化也會造成背壓波動，如晝夜溫差大的區域或時段在一天之內的變化會造成背壓不穩定，從而對系統造成影響。在夏季工況時，背壓在35 kPa以上，會造成整個控制系統不穩定，運行人員必須密切關注，有時不得不采取降負荷方式保證機組安全穩定運行。

2）風向。直接作用在風機的風會嚴重影響風機效率，從而影響背壓。凡是在風機周圍產生對流的橫向風或爐后風，都會對風機產生影響，更為嚴重的是熱風回流造成背壓急劇升高。

3）風速。風速大小會直接影響風機效率，并造成背壓不穩定。風速在4 m/s以下時影響較小，但大于此值，影響較明顯。

4）粉塵。灰塵、煤粉造成散熱設備的臟污會影響散熱器散熱效果，從而影響背壓，尤其在春季風沙天氣或揚塵大的區域，對背壓的影響較明顯。

5）空冷散熱器設備質量的好壞會直接影響散熱效果，散熱效果差直接影響背壓。

2 背壓變化對系統效率和蒸汽參數影響

外界環境對背壓的影響是難以控制的，而背壓變化對系統供電煤耗及主蒸汽參數影響較大，從而影響系統的效率與運行穩定。

1）對效率影響。根據初步估算空冷機組背壓每變化1 kPa約影響供電煤耗率1.52 g/kWh［1］。

2）對蒸汽參數影響。背壓變化會對蒸汽流量、主汽壓力等參數造成影響。

以600 MW亞臨界空冷機組為例，額定負荷600 MW，最大連續蒸發量（BMCR）為2 070 t／h，額定蒸發量（THA）為1 852.7 t/h。在500 MW、550 MW、600 MW 3種不同負荷下蒸汽流量隨背壓的變化如表1所示。

表1 不同負荷蒸汽流量隨背壓的變化

通過表1可以看出，在高于額定背壓的狀態下，背壓的變化與功率、流量曲線并非直線［2］。背壓變化時，蒸汽流量隨之變化，機組背壓升高，蒸汽流量在不同負荷下呈現不均勻變化，其影響較為明顯。

需要注意的是，夏季工況高溫天氣時，在所有風機額定轉速時，背壓難以穩定的情況下，加上其他因素的耦合影響，會造成蒸汽流量大幅變化。

3 背壓變化對協調控制及機組安全影響

空冷機組背壓變化對機組自動控制，特別是對協調控制的子系統控制影響非常大。協調控制投入情況下，機爐參數互相影響。背壓變化會對蒸汽流量產生較大影響，而蒸汽流量變化勢必引起主汽壓力波動。主汽壓力變化，對于煤量、調速汽門直接產生影響，從而影響風、煤、水各子系統的穩定。主要包括以下幾個方面。

1）背壓變化影響到協調調節品質。對于亞臨界機組、蓄熱量相對較小的超臨界和超超臨界機組來說，背壓變化會直接影響到蒸汽流量變化，從而引起主汽壓力變化。

2）背壓變化對送風控制不利。常規的控制方案是風量設定取自負荷的函數。但在負荷不變背壓變化時，會引起煤量變化，而風量不變，送風調整就出現滯后問題。

另外，背壓對空冷機組安全也會造成直接影響。

背壓瞬時的大幅度變化直接影響機組安全。背壓影響機組的理想焓降、機組效率和帶負荷能力。背壓參數過于頻繁的變化，嚴重影響機組安全［3］。直接空冷機組由于空冷島的運行效率與環境溫度密切相關，在夏天晝夜溫差大時，機組背壓可由10 kPa變化至40 kPa，背壓的瞬間劇烈變化會造成機組參數劇烈波動，甚至引起機組跳閘［4］。以上舉例的空冷機組曾因風速較大，造成背壓不穩定（風速達到10 m/s以上），最終引起機組跳閘。

4 控制策略

根據背壓影響因素及對系統影響的分析，對于背壓的精確控制，在環境溫度變化時是可行的，但在環境風速、風向劇烈變化時，不可能實現。針對空冷機組控制的難點，提出了解決方法。

4.1 保證最小背壓

為最大限度保證機組安全，必須保證背壓一定的限度值。以在難以排除外界因素干擾背壓控制的情況下，維持機組的最低控制低限。同時可提高發電機組經濟性，降低供電煤耗。

控制系統將保持背壓設定點在一定的范圍內，最小背壓設定點可手動（由操作員）選擇或經一個系統內的運算法則自動選擇。

最小背壓設定值算法，不同的設備及使用條件會有個別差異，以下是某600 MW亞臨界機組采用德國SPX空冷設備的廠家提供的最小背壓設定算法公式

式中：X為系數，一般取值0.4～1.2；Y為最小背壓設定值，范圍為-10.026 24～27.978 24 kPa。

由于設備及使用環境條件不同，具體設定范圍及算法要根據具體機組情況或調整經驗確定。

以600 MW亞臨界機組為例，在系統達到阻塞背壓工況（一般為5.5～6 kPa）時，蒸汽流量達到阻塞狀態工況參數，按T-MCR工況考慮［5］。為了確保真空系統有效地移走空氣，背壓最低限則設置比阻塞背壓高出6～8 kPa，即大于阻塞背壓6～8 kPa。夏季高溫時段，需將設定最小背壓值要比實際值低3～5 kPa，即小于實際值3～5 kPa。

4.2 空冷系統散熱器定期清洗

為防止空冷系統散熱器被粉塵污染，采用定期清洗的方式，可有效降低因粉塵污染造成對散熱效果的影響。

4.3 在協調控制中增加背壓補償

鑒于背壓對協調控制系統各參數的影響，在協調控制系統中加入背壓的控制邏輯，在協調控制系統中減少背壓變化對主汽壓力的影響，從而保證協調控制系統的穩定并提高系統抗干擾能力。

1）由于蒸汽流量與背壓是相互影響的參數，且對協調控制影響較大，如果補償不當會造成較大誤差，必須采用合適的補償方式，將誤差消除或降低［6］。在協調控制系統中采用公式進行蒸汽流量補償

式中：K為補償系數；Q為實際背壓所對應的機組滿負荷時的蒸汽流量，為背壓的函數；Qe為額定背壓所對應的機組滿負荷時的蒸汽流量，Qe為定值，Q和Qe的確定以汽輪機廠家的熱力計算書或性能試驗測得的數值為準。

2）實現背壓的閉環調節。在滿足變頻調節速率限制的前提下，盡量提高背壓的控制速度，將背壓控制在一定范圍之內。

3）消除背壓控制對送風控制不利影響。常規的控制方案是風量設定取負荷的函數。在負荷不變背壓變化時，只有煤量的變化而風量不變。只有氧量變化時，送風指令才改變。為此，我們將風量的設定改為DEB指令的函數。

4）邏輯實現。根據以上情況，在原協調控制邏輯中進行以下模塊完善，主要有以下內容：設置鍋爐主控PID1，其設定值是壓力設定，被調量是主汽壓力；設置鍋爐主控前饋1為壓力偏差的微分；設置鍋爐主控前饋2為負荷設定的微分；設置鍋爐主控前饋3為負荷設定；將負荷設定用公式K＝Q／Qe進行背壓修正，以克服背壓變化對協調控制系統的影響；設置煤質校正回路PID3，其設定值為當前負荷所對應的蒸汽流量經公式K=Q／Qe修正后的值，其被調量為實際燃料量乘以PID3的輸出值；設置燃料主控PID2，其設定值為鍋爐主控PID1的輸出，其被調量為實際燃料量乘以PID3的輸出值；將送風自動的設定值設為DEB指令的函數乘以氧量校正的輸出。

完善后的系統控制圖如圖1所示。

圖1 完善后控制邏輯圖

4.4 消除背壓劇變的影響

背壓的瞬間劇烈變化會造成機組參數劇烈波動，甚至引起機組跳閘。通過增加一級報警、空冷RB邏輯防范大風天氣空冷背壓波動造成機組跳閘。背壓變化一般設置55 kPa報警，65 kPa機組跳閘。根據此情況，改為45 kPa報警，設計55 kPa空冷RB，65 kPa跳機值不變。空冷RB雖然不是常規試驗項目，對此也未見有關規定，但對于防止機組機組跳閘是非常有用的。

5 結語

就直接空冷機組的背壓參數變化對系統其他參數及協調控制影響展開分析，證明背壓變化對機組負荷、蒸汽流量等系統參數及協調控制子系統都會產生直接影響，說明在運行機組中系統任何參數都不是孤立獨島，而是互相牽涉影響的。需通過現象，找出主要因素，制定出相應的控制策略。根據背壓影響作用的一般規律分析，制定了最小背壓控制策略，在協調控制中增加背壓補償，增加一級報警、空冷RB邏輯等一系列措施，通過方案實施，解決了空冷機組安全、經濟運行的難題。

［1］孫克學.直接空冷機組背壓影響因素分析及其處理措施［J］.山東電力技術，2010（1）：25-27.

［2］楊海生，郭江龍.汽輪機背壓修正曲線計算的簡化方法［J］.汽輪機技術，2007，49（1）：32-34.

［3］王利杰，曹穎.超臨界機組背壓變化引起協調控制調節品質變差問題的優化［J］.科技信息，2010（35）：244-245.

［4］李海濤，寧國睿.背壓變化對國產600 MW汽輪機組經濟性與安全性的影響［J］.中國電力，2007，40（9）：73-75.

［5］王佩章.國產600 MW空冷汽輪機與直接空冷系統現代技術［J］.山西電力，2003（1）：54-57.

［6］汪里邁，紀綱.蒸汽流量測量中溫壓補償實施方案的討論［J］.石油化工自動化，1998（3）：5-7.

式中：ω（FCd）為干基灰分質量分數，%；其余字母意義同式（1）。

表10 干基灰分、干基揮發分、干基固定碳對干基高位發熱量逐步回歸分析結果（Vd＞15.60%,N=107）

5 結語

對2009—2012年期間山東省內燃煤電廠1 898個煤質樣本進行工業分析，統計水分、灰分、揮發分及固定碳等指標的分布情況，通過相關性分析以及采用回歸分析方法進行理論研究，得出了灰分、揮發分、固定碳與發熱量的計算規律，從而發現了可以采用工業分析來預測煤質發熱量的方法。采用煤質工業分析方法來預測發熱量具有簡單、可行，試驗條件要求相對較低的優勢，可以實現與熱量計測定方法的相互驗證。為煤質監督與檢測提供了一種簡單、快捷的驗證方法，對于指導燃煤電廠安全經濟運行具有重要的參考價值。

參考文獻

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［8］盧紋岱，吳喜之.SPSS for Windows統計分析（第三版）［M］.北京：電子工業出版社，2006.

收稿日期：2014-01-13

作者簡介：

李莉（1977—），女，工程師，從事火力發電廠水質、煤質分析工作。

Effects of ACC Back Pressure on the System Parameters and Coordination Control

With the wide application of ACC in power units，the research on the control system becomes more and more important.This paper focuses on the control of air cooling back pressure，especially when the pressure changes，the effects on the system parameter and coordinated control.According to the actual control characteristics and influence factors of back pressure，difficulty and corresponding cortrol strategy are analyzed.The influence of the change of back pressure on the system can be eliminated by analyzing the influencing factors and making measures.

ACC unit；back pressure control；coordination control

TM621.3

：B

：1007-9904（2014）03-0074-04

2013-10-29

周忠偉（1973—），男，高級工程師，從事電廠熱工管理工作。