超(超)临界火电机组全程给水智能控制研究

刘文丰，王伯春，寻新

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙410007)

持续推进节能减排仍是电力行业的工作重点，目前，火电机组的启停过程操作复杂、故障几率高、油耗高、污染物排放浓度大;湖南省内各火电厂绝大部分机组的制粉系统采用直吹式双进双出磨煤机系统，运行人员对燃料把握不准很容易对给水控制出现误操作，导致锅炉管壁超温，进而缩短设备寿命，甚至威胁到机组主设备安全。

超(超)临界火电机组全程给水智能控制研究即是针对这种现状，根据运行人员经验及运行规程，致力于将手动的控制流程人工智能化，重点对火电机组双进双出钢球磨直吹式制粉系统燃料控制与超(超)临界机组给水调节系统的匹配关系进行研究，并结合运行人员操作习惯和机组实际运行特点，最终实现全程给水智能控制。项目的实施将大幅度降低运行人员劳动强度，减少人为误操作风险，满足机组节能优化运行的要求，满足火电机组调峰的负荷范围要求，对发电企业的安全、稳定、经济运行具有重大意义。

1 全程给水智能控制流程及研究关键

全程给水智能控制系统包括机组从锅炉上水、点火启动、升温升压、开始带负荷阶段、由低负荷逐渐升至满负荷、或由高负荷降到低负荷运行，以及锅炉灭火后冷却降温降压等全过程给水调节均能自动智能实现。

直流锅炉全程给水控制包括给水调节回路、锅炉启动系统控制回路和给水泵顺控回路。给水调节回路完成给水流量的调节，在低负荷时，维持水冷壁具有流速稳定的最小给水流量，保持锅炉启动流量和启动压力;在高负荷时维持一定的水煤比，修正中间点温度。锅炉启动系统控制回路完成锅炉启动过程中的开放式冲洗、循环冲洗、热态冲洗、分离器水位控制等。给水泵控制回路完成各个泵组的启动/停止以及汽动给水泵、电动给水泵的并泵/退泵等顺序控制。全程给水系统的组成如图1 所示。

图1 全程给水系统组成

全程给水智能控制研究的关键在于将运行人员模糊的人工判断思维过程进行提炼，使其具体、准确;并将全程给水自动控制策略与双进双出钢球磨直吹式燃料控制特性进行有机结合。研究的难点在于人工智能的实现，以及找到合适的切入点进行控制、调节，从而在保证安全的前提下尽可能快地完成全程给水自动控制的过程。

2 项目研究的创新点

2.1 给水控制自适应燃料主控方式的切换

在基于双进双出磨煤机系统的全程给水智能控制实现过程中，为了达到节能优化运行的目的，电厂倾向于在机组运行稳定时，采用一次风机动叶(或一次风变频器指令)调节为主控的方式，调整进入炉膛的动态总燃料量，同时将各双进双出磨煤机制粉系统的容量风门维持在一个较大的开度，减少容量风门的节流损失，从而降低一次风机运行的平均电流;在机组燃烧不稳定或局部工况恶化的情况下，因容量风门的燃料调节具有响应快、精度较高的优点，又需要将锅炉燃料调节由一次风方式快速切换为容量风门主控方式。

由此出现一个新的研究方向，即如何实现一次风燃料主控与容量风燃料主控的平稳无扰切换，从而达到全程给水智能自适应调节的目的。由于双进双出磨煤机系统具有适应煤种变化大、一次风风量(小风量)测量线性度差等特性，这直接导致进入炉膛的动态燃料量无法精确测量计算得出，进一步会影响到锅炉主参数的调节品质。为了实现2 种燃料主控方式的在线无扰切换，要求将容量门的调节参数(容量风量或风门开度)与一次风调节参数(一次风母管压力或磨煤机入口一次风压)耦合成燃料主控的一个综合被调对象，在实现燃料方式的切换过程中，给水前馈指令(燃水比前馈)智能跟踪燃料主控的综合被调量，再通过合理整定自动调节参数等，最终实现给水智能自适应调节。

2.2 给水控制智能匹配磨煤机启/停操作

双进双出直吹式磨煤机系统的启、停操作，对超(超)临界机组的燃烧、给水调节扰动非常大，其根本原因还是与动态燃料量的不可精确测量性质有关，给煤机给煤量只能用于在线调节磨煤机料位控制，但不能真实反映入炉煤量;加上一次风负荷风量的测量不准确性，一般用容量风门模糊调节动态燃料量。

而在磨煤机系统的启、停操作过程中，从磨煤机送至炉膛的燃料量就极难把握，这直接影响到给水过热度修正和主汽温度的调节品质。通过总结实际运行经验和现场大量试验数据分析，采用磨煤机料位的函数关系以及启、停磨煤的判定程序来对参数燃料量限速处理后，再送至给水前馈系统进行平稳处理;另外，采用过热度偏差去燃料控制系统拉回环节，进行一级智能控制，过热度偏差至燃料拉回函数曲线如图2 所示;采用过热度变化速率及偏差过大去给水控制回路快速动作给水流量环节，进行二级智能控制，从而达到稳定过热度、避免主汽温超温的目的，运行效果良好。

图2 过热度偏差至燃料拉回函数

2.3 用于给水前馈的燃料仿真模型

基于双进双出磨煤机系统的动态燃料特性，设计采用容量风门开度反馈和磨煤机入口一次风压力耦合计算出动态仿真燃料量，用于线性实现在变燃料(变负荷)工况下给水主控自适应优化调节，以及AGC 方式下的给水对功率跟随与非协调方式下的给水对燃料跟随的智能无扰切换。其中，容量风门开度反馈去仿真燃料计算模型函数曲线如图3所示。

图3 容量风门开度去燃料计算曲线

基于动态总燃料仿真计算模型的设计实现，成功解决了锅炉主控总燃料量去给水主控前馈的线性调节问题，显著缓解了由启/停磨煤机、AGC 频繁变负荷引起的过热度大幅扰动问题，使给水主控智能适应动态燃料的变化。

2.4 用于给水加速的热负荷突变预测环节

通过用AGC 指令变化幅度和变负荷速率积算算法，线性表征机组变负荷所需冲击燃料量，用于在机组变负荷初期实现主汽压力和给水控制的迅速适应热负荷能量需求;另外，在机组变负荷的末端，将冲击燃料量进行减速率回调，实现过热度修正环节的平稳过渡。该热负荷突变预测算法的设计实现，成功解决了以前协调变负荷初期的燃料加速模块带来的给水主控回路的大幅度冲击问题。

另外，作为给水主控过热度修正回路的一种后备保护手段，设计了过热度偏差喷水回路计算模型，过热度偏差至喷水计算系数的关系曲线如图4所示。

图4 过热度偏差至喷水模型计算关系曲线

热负荷突变预测智能控制的技术创新实现，解决了超(超)临界机组入炉动态燃料剧变引起的中间点温度陡变问题。在磨煤机启/停过程中，有效管控了因运行人员随机操作带来的锅炉主汽温度超高温(或低温)风险，但在实际运用该预测模型算中，须注意喷水回调过程中的速率限制，以避免给水主控回路的振荡。

2.5 燃料主控回调死区在线消除技术

基于预估调节的AGC 方式下，双进双出制粉系统(动态校正后)燃料加速控制策略以及给水随动控制技术研究，对燃料主控大惯性方式下回调死区在线消除技术攻关。重点解决稳态方式下(燃料突变回路未动作)一次风燃料主控回调死区问题，主要指的是一次风机主调燃料过程中，因动叶调节死区导致的燃料回调耽误的空行程时间。

锅炉燃料主控回调死区智能在线消除技术的应用，有效减少了因燃料调节引起给水主控惯性时间，提高了过热度及主汽压力的调节品质。但在实际运用中，应谨慎整定调节参数，特别是对惯性时间常数的整定，否则容易引起燃料主控环节发散，甚至因燃料调节振荡带来锅炉灭火风险。

3 现场实施情况

本项目在某厂2 ×660 MW 机组DCS 上组态及应用实施，根据2 台机组的实际运行情况，有针对性的对部分燃烧预判参数和策略进行了深入研究和分析。在本项目应用的1 号机组DCS 上，采用基于温控策略的给水智能控制系统，通过实际AGC负荷扰动和磨煤机启/停操作试验，对历史数据分析，检验全程给水智能控制系统现场应用效果。

该厂1 号机组给水智能控制系统改造完成后，于2014年10月23日16:50 开始，进行AGC 多次变负荷及启(停)磨煤机考核试验，AGC 随动过程曲线如图5 所示。由图5 分析，16:50:48，机组进行第1 次变负荷试验，AGC 指令由494.3 MW 增负荷至518.5 MW，变负荷幅度24.8 MW，16:54:28，实际负荷达到目标值，试验中关键点数据记录表1 所示。17:08:45，该机组进行第2 次变负荷试验，AGC 指令由518.5 MW 增负荷至546.5 MW，变负荷幅度28.0 MW，17:13:20，实际负荷达到目标值。之后，在17:15:28 制粉系统完成了1 台磨煤机的启动操作，各主要调节参数调节品质指标如表1 所示。

图5 基于温控策略给水智能控制的AGC 变负荷曲线

表1 试验品质指标

在整个AGC 负荷跟随考核试验过程中，机组处于全程滑压方式，且经过了连续多次AGC 变负荷及启磨机等操作。由上述AGC 考核试验数据分析可知，机组主汽压力、主汽温度、功率等主调参数调节效果均达到优良指标。经优化整定后的给水主控智能调节系统，能很好地适应磨煤机启动以及AGC 变负荷扰动。

4 结束语

本项目利用实验室的机组智能启停仿真平台，成功实现超(超)临界火电机组全程给水智能控制系统的仿真应用;依托协助单位，在电厂2 ×660 MW 机组上成功进行基于双进双出磨煤机直吹式制粉系统的全程给水智能控制系统的现场实施。科研成果的成功应用解决了长期困扰协助电厂的锅炉频繁超温、超压的安全隐患，显著降低了运行人员的劳动强度，验证了本项目各相关技术的可靠性、实用性。

本课题研究成果将与其它成果一起，实现整台机组的智能化控制，最终达到提高整台机组启停和运行过程安全性、缩短机组启停和变负荷时间的目的，使机组采用最优、最经济的启停参数运行，对从整体上提高火电机组安全经济性能、自动控制水平和管理水平、扩大机组调峰的安全范围、减少污染物排放、降低劳动强度、创建本质安全型和本质经济型发电企业、促进“低碳经济”和“两型社会”建设有着重要的意义。

〔1〕国家发展和改革委员会． DL/T 774—2004 火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程〔S〕． 北京:中国电力出版社，2005．

〔2〕陈博川，张建玲，刘武林，等． 火力发电厂热工控制技术〔M〕． 长沙:湖南科学技术出版社，2001．

〔3〕潘凤萍，陈世和，陈锐民，等． 火力发电机组自启停控制技术及应用〔M〕． 北京:科学出版社，2011．

〔4〕宋兆星，王玉山． 600 MW 超临界机组给水控制系统的设计及应用〔J〕． 华北电力技术，2007(1):46-49．

〔5〕韩忠旭，潘钢，邱忠昌，等． 直流炉机组给水控制系统的设计与应用〔J〕． 中国电机工程学报，2010，30(2):7-16．

〔6〕肖大雏． 国产600 MW 超临界火力发电机组技术丛书 控制设备及系统分册〔M〕． 北京:中国电力出版社，2006．