660MW超臨界機組深度調峰自動控制技術研究

韓院臣

（國電建投內蒙古能源有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209）

火力發電廠的深度調峰用于穩定電網，這一操作對系統中各個設備的運行提出了考驗，鍋爐的循環水管路、給水泵、汽輪機等都會受到很大的影響。基于DCS和現代化傳感器的自動控制技術可提高深度調壓的控制能力，減少人為監護時的風險和難度，研究自動化控制技術在深度調峰中的應用具有重要的工程意義。

1 深度調峰面臨的主要難點

1．1 對鍋爐循環水管路的影響

鍋爐的水循環系統工作在高溫、高熱環境之下，只有不斷實施低溫水循環，才能確保這些管路的安全性，通過其水循環系統的冷卻水必須達到足夠的流量，否則冷卻效果難以保障。在深度調峰的過程中，機組負荷會發生變化，一旦其負荷值降低到正常水平的30%，循環水系統中個別管路的水流量就會有所下降，且水的分布也是不均衡的，鍋爐系統中的換熱管道在這種情況下可能因為溫度過高而爆管，換言之，深度調峰時爆管的風險將大幅度上升。此外，在深度調峰時，鍋爐燃燒室的供熱量并沒有出現大幅度下降，但供給鍋爐的水量卻可能出現顯著的下降，由此帶來的風險是鍋爐中部分受熱面不能獲得有效的水冷降溫，進而產生大面積的過熱現象，典型的位置如水冷壁[1]。

1．2 對給水泵的影響

超臨界機組的給水泵用于給系統中的鍋爐供水，如果系統僅僅采用單臺給水泵的配置方案，一旦其出現故障，鍋爐給水將中斷，可靠性和安全性都很差。鑒于此，在工程實踐中一般采用雙給水泵的配置方案，單臺供水能力即可滿足系統需求，配置兩臺給水泵時，每一臺僅僅使用50%的額定流量。并聯運行的兩臺給水泵在深度調峰的情況下會出現給水量顯著下降的情況，而給水泵中設置有專門的再循環保護閥。為了有效避免這兩臺給水泵爭奪水資源，當水量下降到一定程度時，需打開再循環保護閥，但是給水流量經過這一操作，可能產生波動，鍋爐系統對給水流量設置了安全保護值，深度調峰操作也可能引發機組跳閘[2]。

1．3 對汽輪機葉片的影響

火電廠汽輪機低壓缸末級葉片的工作環境相對比較苛刻，其動力來自于濕熱高溫的蒸汽，在其推動之下高速旋轉，將機械能轉化成電力能源。高溫蒸汽作用于金屬材料，可產生一定的腐蝕作用，而汽輪機高速運轉的過程中會產生非常劇烈的離心作用力。深度調峰操作會大幅度減少蒸汽量，進而在個別部位產生回流，水沖蝕作用會因此而作用在末級葉片上，進而導致其按照一定的周期，反復地震顫。葉片的邊緣部位在這種作用之下會產生變形，造成其邊緣部位呈現出凹凸不平的特點，葉片的使用壽命會因此而大幅降低[3]。

1．4 對機組壽命的影響

汽輪機的使用壽命主要決定于其轉子，從汽輪機投產運行開始算起，轉子受到各種因素的影響，第一次出現了肉眼可見的裂縫，整個過程經歷的時間長度就是汽輪機的使用壽命。造成汽輪機受損的原因主要包括兩大類，第一類是蠕變耗損，第二類是疲勞耗損。造成蠕變耗損的主要原因是轉子的工作過程中會受到長期的應力侵蝕，并且在熱蒸汽的高溫作用下，易產生熱脹冷縮效應。疲勞耗損的成因是轉子在運行過程中不斷地經歷開啟和停止，而這兩個階段性的過程很容易導致其產生機械疲勞。根據常用啟動方式及其在所有啟動次數中的占比，可計算出汽輪機組在特定時間內的總循環使用壽命，常見啟動方式包括冷態啟動、溫態啟動、熱態啟動等。機組在深度調峰狀態下的運轉會產生顯著的負荷波動，而這種波動增加了汽輪機組使用壽命的耗損速度[4]。

2 自動化控制技術在深度調峰中的應用

2．1 自動化調控的注意事項

第一，DCS系統的深度調峰基礎邏輯不完善。國內火力發電機組大多以啟停方式來控制，一般是在額定發電負荷50%以下時操作。DCS控制系統在這一負荷狀態下沒有實施過有效的連續控制，并且DCS在設計時也沒有充分考慮電力調峰方面的需求。回路的穩定會受到汽包水位以及給水流量等因素的影響。DCS系統通常在中高負荷情況下運行良好，但是深度調峰時，負荷水平大幅降低，給水、燃料、配風等運行條件都不易控制[5]。

第二，脫硝排放的控制問題。660MW火電機組在運行過程中要采用多種技術方式來去除氮氧化物，也就是脫硝。常用的技術方法為降低煤炭中的氮含量（低氮燃燒），另一種技術路線是SCR，通過催化還原的方式減少氮含量[6]。實現以上幾種工況，須加強鍋爐運行過程中的配風控制，當工況發生變換時，相應的配風也要隨之做出調整。深度調峰時，負荷變化范圍較大，相對于穩態燃燒過程，這一階段的氮氧化物排放量會顯著增加。在這種情況下，依靠人工方式來配風難以滿足不同工況切換時的需求，基于DCS自動化控制系統來實現這一功能，將更加科學有效。

第三，低負荷下的穩燃控制。深度調峰所造成的低負荷運行對鍋爐系統的穩態燃燒造成了很大的影響，給水量下降導致燃料供應也要隨之變化，由此將引發一系列變動。依靠人工管理模式控制時，難以做到及時、精確而有效地控制，在這樣的背景下，引入自動化控制方式[7]。在深度調峰的低負荷狀態之下，借助DCS自動化控制系統盡可能實現燃料、氧量、配風以及制粉等過程的精確控制，使系統中的各個環節實現有效的協調。

2．2 深度調峰的自動化控制策略

第一，優化DCS的基礎控制邏輯。1）優化連鎖保護。在660MW臨界機組開展深度調峰的操作時，機組中各個設備的運行狀態逐漸接近其臨界值，系統中原本就設置了一系列保護措施，在超過安全閾值的情況下會觸發這些保護動作，導致跳閘，造成深度調峰過程中斷，影響系統安全。為了避免這種問題，在調峰之前改變原有的保護設置，根據保護措施的作用，只要不威脅到安全，就可以在超過閾值后不觸發具體的操作，僅僅發出報警信息即可[8]。2）優化過程控制。深度調峰下的機組在安全運行的邊界稍有不慎就可能引發一定的安全風險，依靠人工管理模式來實現全面監控是難以滿足需求的。主要原因在于深度調峰時，系統運行負荷低于額定負荷，存在較多的非線性變化。所以在管理過程中借助DCS系統的優化來提升自動化監控，在技術條件允許的情況下可將現階段應用廣泛的人工智能算法以及預測算法等應用進去。3）測量校正的優化控制。系統在額定工況下運行時通常能有效控制氧量、配風、燃料以及水蒸汽的壓力等參數，但是在深度調壓的情況下，這些參數都不太穩定，并且負荷水平的下降導致這些參數的測量精度出現大幅下降。自動控制系統在運行過程中應該對這些重要的參數實施自動化監控，必要時對其進行一定的補償。

第二，低負荷條件下的穩態燃燒控制策略。負荷水平的降低造成火電系統安全風險上升，為了防止鍋爐爆管、局部過熱或者供能中斷等問題，全面提高低負荷條件下的穩態燃燒，圖1中展示了爐前穩燃－精細化燃燒的調優技術策略。在自動化深度調峰階段應該加強制煤系統的調控，煤粉的破碎程度、單位流量以及供氧量等參數都要進行嚴格的調控。同時還要關注以下問題：1）低負荷狀態下，煤粉的含量較低，此時要確保穩態燃燒，就應該精確掌握煤粉和配風參數，因此，安裝測量精度高的風粉檢測裝置是實現這一目標的關鍵措施，技術上推薦使用基于靜電感應原理的在線檢測裝置，已實現自動化監測的目的。2）優化一、二次配風。鍋爐系統的煤粉輸送主要依靠一次風來完成，因而一次風的煤粉含量要具備良好的工況適應性，在深度調峰時，工況切換較為頻繁，此時一次風應該適應這種變化。在深度調峰的低負荷條件之下，爐膛內的燃料、配風等分布不均勻，有些位置濃度高，有些位置濃度低，此時的二次配風應該根據鍋爐在低負荷條件下的燃燒特點合理控制其自身的分布。在自動化調控中應該引入智能化的調控技術，甚至可借助機器學習等方式，使用科學的數據訓練出自動化調控的模型。

圖1 爐前穩燃－精細化燃燒調優措施

第三，變負荷速率的調控。1）智能實時滑壓控制技術。機組負荷要實現快速的升降，就必須確保其蓄熱水平。在深度調峰時，應用智能實時滑壓控制技術可使鍋爐的蓄熱水平控制在良好的范圍之內，汽輪機組即可實現快速調壓。2）凝結水輔助負荷調節技術。這種技術的核心作用是根據汽輪機系統的做功需求和功率輸出需求，自動化地調節其凝結水流量，要么適當增加凝結水，要么適當減少凝結水。如圖1所示。

3 結論

基于DCS自動化控制技術開展660MW超臨界機組的深度調峰時，應該先去評估DCS在低負荷狀態下的適應性，然后根據評估結果優化其控制邏輯。重點優化汽輪機組的保護連鎖、過程控制、配風以及燃煤供應，借助DCS和人工智能技術來提高系統對各類參數的監控程度，減少對人員的依賴。