抽汽供熱機組RB控制邏輯優化研究

吳水龍,曹鵬飛，楊子江

(1.華能國際電力股份有限公司德州電廠，山東 德州 253024;2.山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

0 引言

在大型火力發電機組運行中，輔機故障減負荷(runback control，RB)控制對保護鍋爐具有重要意義[1-2]。當機組某些重要輔機設備(主要包括送風機、引風機、一次風機、磨煤機等)出現跳閘退出運行等情況時，會導致機組運行輔機的最大允許出力小于機組當前實際出力的要求，機組根據RB控制邏輯，自動地將鍋爐出力穩定在輔機故障后所允許的最大負荷上。此時，機組不再響應外界負荷要求，通過RB控制邏輯使得機組實際負荷與鍋爐出力相適應[3-4]。

伴隨新能源發電的快速發展，火力發電市場競爭加劇，同時煤炭價格居高不下，火電機組的盈利空間大幅縮小。為了提高競爭力，現在大部分純凝發電機組進行了抽汽供熱改造、高背壓供熱改造以及工業供汽改造。然而，大量純凝發電機組抽汽供熱改造后，RB控制邏輯卻沒有進行相應改進，依然采用機組實際負荷作為觸發RB控制的條件。由于抽汽改造后，鍋爐負荷一部分用來供熱，另一部分用來發電，因此機組負荷和鍋爐負荷出現嚴重偏離，導致機組實際負荷低于純凝方式下應有的實際出力。即使出現了輔機故障，由于實際發電負荷低，也無法觸發RB控制，進而極大可能地導致非停事故的發生。同時，供熱抽汽量也會發生變化，相應的鍋爐最大發電負荷也會改變，使得觸發RB控制的條件因素更加復雜。因此，需要研究科學合理的RB控制邏輯觸發條件，實現對RB控制的優化，使其能夠適應供熱和非供熱，及供汽量變化等各類生產情況。

為此，本文提出發電負荷實時預測方案，即建立蒸汽能量與發電負荷的等式，通過計算當前進入汽輪機蒸汽的能量來實時預測發電負荷。用預測推薦到的發電負荷替代機組實際發電負荷，來判定是否觸發RB控制，且不改變原有的控制功能。本文所提出的方法可以同時適用于供熱和非供熱機組，且在一定范圍內不受供汽量影響，具有普適性。通過對某火力發電機組進行RB功能試驗，驗證了本文方法的有效性。

1 RB過程與存在的問題

1.1 RB控制過程

當鍋爐主要輔機發生故障時，協調控制系統(coordinated control system，CCS)判斷當前機組實際發電負荷是否大于當前機組最大理論出力。若滿足該條件則觸發RB控制，機組控制方式由協調控制切換到汽機跟隨方式。鍋爐決定機組發電負荷，汽機主控由負荷控制方式轉為壓力控制方式，并將主要控制回路(鍋爐主控、汽機主控、燃燒控制、給水控制、風量控制、負壓控制、一次風控制、汽溫控制、除氧器水位控制等)閉鎖切手動控制。將CCS產生的動作信號發送給模擬量控制系統(modulating control system，MCS)。MCS計算目標負荷，發電機組按照速率要求快速降低發電負荷到目標負荷值。與此同時，鍋爐爐膛安全監控系統(furnace safety supervision system，FSSS)切粉減風和投入油槍，在保證鍋爐穩定燃燒的同時，將鍋爐負荷控制在允許的范圍之內。當機組負荷降低到RB目標負荷的某個范圍之內，并持續一段時間后，自動復位RB控制，同時執行相關復位邏輯[5-8]。

1.2 RB控制存在的主要問題

根據RB過程的描述可知，RB控制觸發的前提條件是機組實際發電負荷大于機組最大理論出力[7-9]。這對于非供汽純凝機組來說是合理的。然而經過供汽改造后，由于部分鍋爐負荷用來供汽，機組的實際發電負荷較純凝方式偏低，即使機組主要輔機發生故障，也有可能無法及時觸發RB控制，導致機組非停事故的發生。

以某300 MW亞臨界濕冷發電機組為例。某時刻機組的實際發電負荷是220 MW，對應風量為890 T/h；此時供汽量為96.2 T/h，鍋爐的實際出力換算成電負荷應是263 MW，鍋爐所需總風量為1 040 T/h。機組實際負荷偏低43 MW。此外，欠風1 040-890=150 T/h，導致入爐煤粉無法到達最佳燃燒位置，燃燒不充分，且燃燒點距離水冷壁太近，受熱面嚴重結焦也就在所難免了；而且連續欠風運行導致燃燒不穩、爐膛結焦等異常工況的發生，會影響生產安全。

因此，需要對RB控制邏輯進行優化，給出供熱改造后準確的RB邏輯觸發條件，為安全生產提供可靠的保障。

⑩《初夏懷故山》“淹泊蠻荒感慨多”；《寒食》“又向蠻方作寒食”；《久病灼艾后獨臥有感》“臥聞鳶墮嘆蠻煙”；《林亭書事》“約束蠻僮收藥富”；《謝張廷老司理錄示山居詩》“憔悴經年客瘴鄉”。

2 發電負荷在線預測方案

在供汽方式下，實際機組發電負荷已嚴重偏離鍋爐實際負荷。只有預測出機組實際發電負荷，才能準確判定是否應觸發RB控制。在此給出一種機組發電負荷在線預測方案，用預測發電負荷取代機組當前實際發電負荷來判定是否觸發RB邏輯。

2.1 發電負荷在線計算

汽輪機發電過程的實質是具有一定壓力、溫度和流速的過熱蒸汽進入汽輪機并對汽輪機做功。根據能量守恒，過熱蒸汽減少的能量等于鍋爐所提供的發電負荷，有如下公式：

ΔQ=Q-Q0=P-P0=ΔP

(1)

式中：ΔQ為過熱蒸汽的能量的增量;ΔP為發電負荷增量；Q為當前過熱蒸汽的能量;Q0為過熱蒸汽起始能量；P為機組當前發電負荷;P0為起始發電負荷。

若以沒有過熱蒸汽經過汽輪機為起始，即Q0=0、P0=0，則式(1)可改寫為:

Q=P

(2)

那么，當機組在額定負荷下運行時滿足:

Qe=Pe

(3)

式中：Pe為機組額定發電負荷;Qe為對應的過熱蒸汽能量。

根據能量守恒，過熱蒸汽經過汽輪機減少的能量轉化為機組發電負荷，且任意時刻過熱蒸汽能量在額定能量所占比重與對應機組發電負荷占額定發電負荷比重相等，即：

(4)

那么，在任意時刻機組應具有的最大發電負荷的計算模型為：

(5)

考慮到式(5)以能量守恒為基礎，即認為過熱蒸汽的能量全部轉化為機組的最大發電負荷，忽略部分過熱蒸汽能量轉化為其他能量的損失。根據過熱蒸汽能量計算可知，關于主汽流量和焓的通過近似估計得到。綜上所述，根據式(5)得到的結果與實際機組最大發電負荷是有偏差的。為此，引入增益系數K和偏置量b對發電負荷的計算進行修正，使修正后的發電負荷估計盡可能逼近實際發電負荷。修正后最大發電負荷為：

(6)

2.2 過熱蒸汽能量計算

為了計算機組任意時刻應該具有的發電負荷P，需要首先計算過熱蒸汽的能量Q。Q的計算如下所示：

Q=F×H

(7)

式中：F為過熱蒸汽流量(即主汽流量)；H為過熱蒸汽焓值。

額定負荷下過熱蒸汽能量可按式(8)計算：

Qe=Fe×He

(8)

式中：Qe為額定負荷下過熱蒸汽的能量；Fe、He為對應的等效主汽流量和焓值。

由于無法直接測量主汽流量，這里采用弗留格爾公式計算等效主汽流量：

(9)

式中：pim為調節級壓力;pime為額定調節級壓力;pt為主汽壓力;pte為額定負荷時主汽壓力。

焓值H是關于主汽壓力pt和主汽溫度T的函數值，即H=f(pt,T)。H的計算通常根據給定的pt和T在《水蒸汽熱力學性質表》上進行區域搜索，然后根據特定區域的計算公式得到對應的焓值H。

根據式(6)、式(7)、式(8)，得到最終機組最大發電負荷為：

(10)

2.3 增益系數K和偏置量b的估計

y=gTθ+e

(11)

式中：e為誤差；g=[x1]T；θ=[Kb]T。

Y=Gθ+E

(12)

式中：Y=[y(1)y(2) …y(N)]T；E=[e(1)e(2) …e(N)]T；G=[gT(1)gT(2) …gT(N)]T；Y、G為相關信息矩陣。

定義準則函數：

(13)

將準則函數寫成二次型的形式為：

J(θ)=(Y-Gθ)T(Y-Gθ)

(14)

極小化J(θ)，可求得參數θ的最小二乘估計值使模型的輸出最好地預報輸出。令：

(15)

計算得到使J(θ)為最小的參數估計為：

(16)

3 應用驗證

模型估計誤差如圖2所示。最大的誤差為6.02 MW，估計精度為2.0%。另外，采用辨識得到的模型結果對0點20分至0點40分的負荷進行估計，機組實際負荷與模型估計如圖3所示。最大誤差為5.85 MW，估計精度為5.85/300×100%=1.95%。由此說明式(10)所示的模型可以較為準確地估計機組負荷。因此，采用本文提出的機組發電負荷的估計方法是有效的，RB邏輯能提供可靠的觸發條件。

圖1 機組實際負荷與模型估計圖Fig.1 Unit load and the model estimation

圖2 模型估計誤差圖Fig.2 Model estimation error

圖3 機組實際負荷與模型估計圖Fig.3 Unit load and the model estimation

4 結論

RB控制是在主要輔機故障時保障火力發電機組安全運行的重要手段。在冷凝機組供汽改造后，多數RB控制邏輯并沒有得到相應的修改和完善，其RB邏輯的觸發條件依舊以機組實際負荷是否大于機組最大理論出力來進行判定。由于此時鍋爐負荷同時用于供熱和發電，因此，即使出現主要輔機故障，原有RB觸發條件不能滿足，導致無法觸發RB控制，容易造成機組非停等生產事故。本文提出在線計算鍋爐用于發電的負荷計算方法。該方法可實時估計機組的最大發電負荷，進而根據機組實際負荷和機組最大理論出力大小比較來判定是否觸發RB控制，解決了由于供汽改造導致RB控制無法觸發的問題。同時，這種方法可以應用在非供熱、抽汽供熱和背壓供熱等多種場合，以及良好的普適性和抗干擾性，以及較強的實際應用價值。