深度調峰下的火電機組變負荷過程蒸汽參數反饋特性研究

陳建勛

（國能內蒙古呼倫貝爾發電有限公司）

0 引言

隨著電力系統運行方式日益多樣化、復雜化，深度調峰是電力系統運行的必然趨勢[1]。本文以某600MW 火電機組為例，研究在變負荷過程中蒸汽參數的測量技術，采用一次調頻和二次調頻相結合的方案進行汽溫控制。在機組變負荷試驗中，首先通過改變汽機控制策略來改變鍋爐燃燒過程，并對其進行動態響應分析。通過動態響應分析可以發現影響鍋爐燃燒及出力性能的關鍵因素即汽溫，進而可對不同控制策略下蒸汽參數變化進行實時監測或調整以適應機組狀態變化。首先利用PID 等自動調節技術實現汽壓、流量的調節；然后通過PID 等控制算法實現鍋爐給水流量、主汽壓力、凝結水溫度和蒸汽參數等多個變量的調節；最后根據系統狀態反饋值進行相應操作并對其效果進行分析與驗證。通過該方法可以實現在變負荷過程中對鍋爐運行參數進行實時調整和優化，提高機組響應能力和機組運行經濟性[2]。

1 變負荷過程蒸汽參數動態監測與分析

燃煤火力發電機組在變負荷過程中，需要根據不同負荷下的工況條件和機組實際運行情況，采取相應的調節策略。在變負荷過程中，鍋爐燃燒時溫度逐漸降低，當蒸汽溫度降低到一定程度時，爐膛溫度就會下降，這一變化對燃燒效率和燃燒質量影響很大。由于實際負荷和鍋爐實際參數往往存在一定的偏差，導致在變負荷過程中爐膛的最大平均燃燒速度較小。隨著負荷的不斷增大和煤種的變化引起的煤發熱量降低也會導致不同爐膛最高溫度下降。當汽輪機轉速達到額定轉速后汽輪機就會開始轉動并進行膨脹做功，由于膨脹做功過程中會產生熱應力，因此汽輪機轉子上會產生徑向拉應力。這種徑向拉應力是由于膨脹做功過程中熱功轉換時造成的。根據鍋爐蒸汽壓力變化曲線圖可以發現在變負荷過程中實際汽壓力隨著時間的變化呈現出上升趨勢，因此在變負荷過程中實際汽壓狀態隨時間變化時鍋爐汽壓是隨著時間變化而改變。

2 機組變負荷試驗研究

機組變負荷試驗過程中，需要對各變量參數進行實時測量。為保證機組變負荷試驗的準確性，在系統穩定運行后，將所有設備的數據（如鍋爐壓力、主蒸汽壓力、給水溫度和送水泵汽輪機出口壓力）均設定成1 個值，以提高變負荷實驗精度。根據機組變負荷過程中工況變化，在各系統中分別設置相應的運行參數：①給水流量：從鍋爐側給水流量為5×104～10×104m3/h，從汽輪機側給水量為2×108～4×108t/h。②鍋爐側各主汽壓、主汽壓力、鍋爐給水壓力。③給水泵汽輪機出口壓力設定為3 個值，即給水泵進口的最大蒸汽壓力值、給水泵出口的最大蒸汽壓力值和給水泵的最高給水溫度。④各工況參數變化情況：主蒸汽流量在試驗過程中隨著負荷降低而逐漸減小，并在整個試驗過程中維持恒定；主蒸汽壓力在負荷下降到試驗極限或稍有升高后保持穩定。

3 試驗系統介紹

3.1 流量測量單元

流量測量單元主要由流量計、流量采集卡（包括流量標定系統）和信號調理單元組成。流量計是指采用測量流體流量的裝置，其作用是通過測量流體在單位時間內的平均體積流量來獲得被測流體量。流量標定系統：該標定系統利用一個具有固定精度、可調節的標準差ΔV（A）來校準被測液體的質量，從而獲得所需要的液體質量。現場信號調理單元：該測量單元由一組數字信號調理電路和相應的模擬信號處理電路組成。信號調理電路中通過電平轉換，將數字量轉換為模擬量，再由模擬數字轉換器（A/D）和數字信號處理模塊（D/A）將數字量轉換為模擬量。根據現場情況，可將測量單元分為兩組，分別用于對同一流體參數不同時段進行測量。

3.2 機組控制部分

①汽輪機控制部分主要包括PID 算法和PID 控制器的編程。②機組運行監控模塊是根據現場數據采集裝置實時傳輸回廠數據和機組運行狀態信息而設計的數據采集模塊，該模塊采用PLC 控制器，在計算機中編寫相應的程序模塊。③參數設置模塊主要是在PLC 控制器上完成有關參數的修改。

4 蒸汽參數測量技術

①熱工參數：主要包括空氣溫度、露點溫度、露點壓力以及真空度和真空流量等。②機械參數：主要包括磨煤機排粉量、磨煤濃度以及磨煤比。③爐膛參數：包括爐內有效燃燒面積和煙氣平均流速系數等信息。④爐膛燃燒特性：包括爐內燃燒區寬度和高度的變化等信息。⑤煙氣量：主要根據煙囪高度、排風量和煙氣溫度等信息確定，但也可通過煙氣流速間接計算。⑥爐墻熱流密度：主要反映爐墻兩側爐壁熱流密度的變化，也可通過煙氣流速間接測量，如測煙溫時的煙囪出口氣體流速度。⑦水冷壁水頭：主要反映水冷壁水頭的變化范圍，通過水流流速間接測量。⑧煤質參數：主要反映煤燃燒情況，如著火溫度、燃盡程度等信息。⑨煤粉細度：主要反映煤粉細度，通過煤粉細度可以間接測得。⑩煤質含硫量：主要受燃燒狀況及爐膛溫度分布影響，是電廠鍋爐運行中需要關注的參數之一。

5 蒸汽參數與汽機控制策略之間的關聯關系

5.1 汽機變負荷過程中的汽輪機控制

以某600MW 機組為例，通過上述分析可知，在機組負荷進一步增大后，主汽壓力基本保持線性遞增的趨勢變化，且汽機參數與蒸汽參數呈現一定負相關關系；當主汽壓波動較大時，則出現一定幅度的振蕩現象，當機組負荷進一步增大后，汽輪機蒸汽參數與汽機給水溫度存在一定的負相關關系。其中，隨著機組負荷的增大，汽輪機蒸汽平均壓力與給水平均壓力均呈現不同程度的負相關關系；在機組負荷進一步增大后，汽輪機蒸汽平均壓力出現一定幅度的波動狀態；而在不同負荷下，汽機蒸汽平均壓力的波動范圍與運行參數間呈現一定程度的正相關關系。根據以上分析可知，對于不同的變負荷工況，汽輪機負荷與汽機主汽蒸汽參數之間存在一定正相關關系[3]。

5.2 汽機蒸汽參數與機組負荷間的關系模型

汽機蒸汽參數的變化與鍋爐給水溫度，隨著機組負荷的增加，給水溫度逐漸升高而汽輪機的負荷則隨之增加。根據汽輪機運行方式，汽機蒸汽參數與機組負荷間存在一定關聯關系，但不是簡單呈現線性關系。汽機蒸汽參數隨鍋爐給水溫度、主蒸汽壓力變化，但與機組負荷無關。該模型反映在機組負荷不斷增大時鍋爐運行方式改變對蒸汽參數影響較大這一特性。當汽機系統調整鍋爐負荷時，需要考慮汽機系統調節對主蒸汽溫度、主汽壓力等關鍵參數產生變化這一因素。

5.3 變負荷過程中汽溫閉環調節特性及優化方法研究

根據機組運行情況，設定該機組在給定負荷條件下，在額定出力基礎上進行穩態時、非穩態時的汽溫變化情況。根據機組穩態時、非穩態時不同負荷下的汽溫變化規律可知，在不同負荷下，汽溫有兩種不同變化趨勢：一是蒸汽參數先緩慢升高后快速下降；二是蒸汽參數先快速下降后逐漸平緩直至穩定。而當一次調頻開始后，蒸汽參數將逐漸趨于平穩，而后逐漸增大，這主要是由于一次調頻期間，鍋爐受熱面處于最佳工況范圍之內。而二次調頻過程，鍋爐受熱面處于非最佳工況內、且蒸汽參數變化較小。隨著負荷的增加和減少，蒸汽參數逐漸減小；而當負荷達到最大值后，蒸汽參數迅速升高。這主要是二次調頻過程中由于汽溫快速上升導致給水流量增加；同時由于鍋爐受熱面處于最大工況范圍之內，使得給水流量減小。而在變負荷過程中進行二次調頻時，隨著機組負荷的增加和減少，蒸汽參數先快速下降然后逐漸平穩直至穩定。同時隨著機組出力的增加和減少，通過汽溫曲線可以發現隨著負荷的增加，汽溫曲線有一個明顯變化規律。綜上所述，在變負荷過程中進行汽溫閉環控制對保證設備運行安全、提高鍋爐出力性能和經濟效益具有重要意義。

5.4 蒸汽參數數據來源

考慮到汽機變負荷過程中蒸汽參數變化具有時變性，同時由于蒸汽參數與系統運行狀態密切相關，因此必須采用現場實時測量蒸汽參數的方式進行數據采集。數據采集過程主要分為兩個部分：利用實時溫度傳感器在負荷率為100%時進行汽溫測量，并在一次調頻過程中將測量結果與實時溫度進行對比，以驗證二次調頻方式對系統的適應性。將汽溫數據通過RS485 總線與智能儀表相連，將蒸汽參數與系統實際運行數據相結合，得到一次調頻過程中的蒸汽參數變化趨勢。利用二次調頻方式對蒸汽參數進行實時調整。對汽機變負荷過程實時數據進行采集后分別在一次調頻和二次調頻方式下的汽溫值進行對比分析，由于該機組為典型的深度調峰機組，本文將采用現場實測數據來分析該機組在調峰過程中的蒸汽參數變化情況并驗證反饋方法的有效性。由于三個階段工況不同，蒸汽參數變化量較大，因此在二次調頻過程中需要通過現場實測數據來反映蒸汽參數變化趨勢。

5.5 反饋結果分析

在鍋爐超深度調峰下，汽機運行方式主要采用二次調頻的形式進行汽溫控制。與鍋爐負荷率保持恒定相比較，二次調節方式下，蒸汽參數的變化趨勢與鍋爐負荷率變化趨勢一致：當負荷率固定時，汽溫的最大變化量為298 kJ/kg；當負荷率固定時，汽溫變幅為304 kJ/kg。當機組深度調峰運行時，二次調頻方式下蒸汽參數的最大變化量比一次調整方式下有所增加。隨著鍋爐深度調峰運行時間越來越長，各蒸汽參數呈現出逐漸變小的趨勢。當機組深度調峰運行時間超過一個小時后，汽溫變化開始趨于穩定。通過現場試驗驗證蒸汽參數反饋方法的有效性，根據計算結果發現，在當前調峰條件下，該機組汽溫控制在一次調頻方式下波動較大，而經過二次調節后，變負荷過程中各關鍵變量保持穩定。

6 結束語

綜上所述，本文對鍋爐變負荷過程中蒸汽參數的測量技術和反饋方法進行研究，通過分析鍋爐變負荷過程運行參數的變化趨勢以及對機組不同工況下的響應特性進行研究，總結出在深度調峰時鍋爐蒸汽參數變化規律。通過一次調頻調節給水流量、主汽壓力和凝結水溫度來改變鍋爐的燃燒過程，利用PID、RBF和BP 神經網絡等控制算法對汽溫進行實時監測和動態調節，并基于系統特性反饋值制定變負荷過程汽溫控制策略。通過一次調頻與二次調頻相結合來控制主蒸汽流量，同時通過主蒸汽壓力、汽壓、負荷等多個變量來監測爐內蒸汽參數，并通過實時調整實現對機組不同工況下運行參數的實時跟蹤；同時結合機組變負荷試驗驗證蒸汽參數反饋方法的可行性。