火电机组启动优化控制技术研究

摘要：大型火电机组启动过程极为复杂，而且风险较大，火电机组启动过程中的控制技术是决定机组是否能够成果启动的关键。本文从机组启动路径智能规划、汽轮机自启动智能控制、故障智能剔除和蒸汽管道自动暖管五个方面对火电机组启动优化控制技术展开了分析，对汽轮机启动过程进行风险预估，实现了一种不依赖于热应力模型的汽轮机自启动控制方式，提出了故障智能剔除方法、蒸汽管道自动暖管方法。

关键词：火电机组;启动;控制技术

中图分类号：TM621    文献标识码：A    文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00

0 引言

随着智能控制和数据挖掘技术的深入发展和应用，在电力工业中，该技术也起到了重要的助推作用。例如，京东集团利用数据挖掘技术对燃煤机组进行了运行优化并取得了较好的效果。从国家层面的发展导向来看，电力工业中智能化趋势也十分明显，不仅智能电网已初步建成，智能电厂也逐渐成为火电机组的主流。这些技术发展的关键在于智能控制技术和数据挖掘技术。

火电机组由于系统庞大且复杂，机组启动过程中面临着各种各样的风险，这对启动过程中的控制系统提出了极为苛刻的要求。目前，为了实现精准控制，确保顺利启机，机组自启停控制技术根据火电机组的启动顺序，将启动过程细分为多个环节进行控制。虽然随着技术的日益成熟，火电机组启动的成功率明显提高，但是仍存在不少问题。因此，仍需要對火电机组启动过程的控制进行优化研究。相关学者围绕这一问题也展开了大量研究，例如，张建玲^[1]等在常规控制技术的基础上，结合机组自启停控制系统，构建了一套火电机组启动的智能控制系统。王志杰^[2]等为了改善机组启动过程中锅炉过热蒸汽气温控制效果，提出了一种增量式自适应逆控制系统。王志杰^[3]等针对制粉系统启停时机选择和启停顺序，利用已有机组启动过程中积累的实践数据建立了火电机组制粉系统的启停专家知识库，能够有效指导火电机组的启动。这些研究围绕火电机组启动过程中面临的种种问题，运用智能控制技术和数据挖掘技术展开了深入分析并进行了案例阐述。

针对当前火电机组启动过程的控制优化，本文利用智能规划、模糊相似度等智能算法进行了探索性分析，旨在找出当前火电机组启动过程中控制优化的主要方向和可采取的措施，为火电机组的启动提供参考。

1 机组启动路径智能规划

机组自启停控制技术是在设定的启动步骤下，按照断点依次运行对应功能组，从而完成整个火电机组的启动。在这种启动方式下，每个启动步骤都需要在上一步骤成功完成以后才能够执行，虽然这一技术能够有效提高机组的启动成功率，但启动时间则被相应的延长。因此，可以尝试在现有启动技术的基础上，深入分析各步骤启动的条件和特点，对各环节的启动顺序和启动时机进行合理规划，以优化启动过程，缩短启动时间，降低启动成本^[4]。以典型的600MW等级超临界机组的启动过程为例，现有机组自启停控制技术将启动过程划分为33个功能组，启动过程中各功能组相对独立。下面将尝试运用智能规划算法，在确保机组启动成功率的基础上，以最小化启动时间为目标进行优化分析。

目标函数即为整个启动过程所耗费的时间最短。同时，为了确保火电机组启动的成功率，需要设定以下约束条件：

（1）启动方式。对于火电机组的启动，分为冷态启动、温态启动、热态启动和极热态启动四种方式。对于自启停技术，需要首先根据机组启动时的相关参数确定合适的启动方式，以配套合适的启动条件。（2）功能组关联性。为了确保所有启动环节都能够顺利启动，在启动过程中需要明确各功能组之间的关联系。对于关联系较强的功能组，需要明确哪些功能组应先启动，哪些功能组应后启动。对于关联性较弱的功能组，需要明确合适的启动时机，对于启动时间相近的功能组可以考虑进行并行启动，以节省启动时间。（3）设备状态。为了应对各种复杂情况，并且实现动态优化。在启动过程中，需要对功能组的设备进行实时监测，对于已经启动完成的功能组，则不需要再执行启动程序，而应将对应的决策变量置为0。

2 汽轮机自启动智能控制

在火电机组的启动过程中，汽轮机启动过程时间相对较常，而且对启动条件要求较为苛刻。尤其是汽轮机的冷启动，启动过程中，暖机过程不仅耗时长而且需要严格控制热应力问题。目前，国内引进的启动技术中，汽轮机热力应问题仍较为突出，通常只能通过牺牲启动时间为代价。针对这一问题，本文将汽轮机的启动过程划分为多步骤进行，并运用模糊数相似度算法对各启动步骤的风险进行预估和管控，从而有效控制了汽轮机启动过程的热应力问题，减少了汽轮机启动过程所消耗的时间。

（1）启动步序设计。从启动顺序来看，汽轮机的启动步骤大同小异，但因机组类型不同也略微存在一定差异。以哈汽设计和生产的典型600MW等级汽轮机为例，该汽轮机的启动过程可分为挂闸、运行、一次升速、摩擦检查、二次升速、中速暖机、三次升速、阀切换、四次升速等步骤。为了进行界定，为每个启动步骤都设定了严格的启动条件和完成指标。在启动过程中，各步骤根据监测参数判断是否满足启动条件，如果满足则执行启动操作，判断是否达到了启动完成指标，如果达到则依次启动下一步骤。（2）安全风险分析。结合汽轮机的启动特性，启动过程中的风险主要包括主蒸汽温度偏低、轴向位移大、超速、凝汽器真空低、轴承温度高、抗燃油压力低、排汽温度高、轴振大等12类主要风险。为了对这些风险实现提前预估，需要利用现有机组大量的实践数据进行建模分析，找出各启动状态下发生各类风险的概率。在这个过程中，重在积累实践数据和建立智能分类模型，当建立好智能分类模型后，可以利用该模型实时监测汽轮机启动过程中发生各类风险的概率，当预估的启动风险在设定的阈值之内时，可以按照设定程序依次进行启动操作，当预估的启动风险超出设定的阈值时，则提出警告并给出操作建议，操作人员则需要根据风险情况采取对应措施。

3 故障智能剔除

机组自启停控制技术在正常的启动过程中，一般按照设定的顺序对相应设备进行动作控制，即设备的每个动作都需要在控制设备接收到正确的反馈信号之后再进行动作。但由于火电机组启动过程环节众多，设备众多，而且还面临各种不确定因素，因此，在实际启动过程中，常常会出现设备动作不到位，信号反馈不准确等问题，这些都会对正常的机组自启停控制带来严重干扰，甚至导致机组自启停控制过程不能正常运行。为了消除这些因素的影响，需要增大机组自启停控制技术的鲁棒性，而简单增加鲁棒性会导致启动风险上升，因此，可以尝试运用仿人智能控制方法，通过对实践运行数据的深入挖掘，对启动过程中设备动作不到位或者信号反馈不准确等问题进行智能识别。例如，对于未能在设定时间内接收到正确反馈信号的问题，可以启动智能识别程序，通过监测的相关设备参数判断该问题是由于设备故障还是反馈信号故障导致的。对于反馈信号提前存在的问题，则需要通过相关设备的监测参数判断对应的动作是已经完成了还是反馈信号有误。通过故障的智能剔除，可以有效增强机组启动过程中的容错率，从而更好地指导火电机组的启动。

通过增加故障智能剔除环节，可以智能识别出大量信号故障和设备故障，减少各种不确定因素对火电机组启动过程的干扰，避免启动过程中因某些故障导致启动中断等问题的发生，提高火电机组的启动效率。

4 蒸汽管道自动暖管

随着火电机组容量和参数的日益提高，机组的热力系统日益复杂，热力系统中包含了大量的管道，而且相当对的管道都工作在高温高压的环境下，为了确保启动安全，需要提前对热力系统的管道进行暖管处理，以减少受热不均导致的管路损坏等问题。由于热力系统管道错综复杂，目前对于这部分的工作仍较多的由人工进行操作，包括管路的疏水，进气阀门的开度很多都是依靠工作人员的经验进行控制，这使得暖管工作不仅需要消耗大量的热力，而且耗时较长。另外，暖管工作对工作人员的经验要求较高，而实际操作过程中，经常会由于人工的操作不当导致管路损坏的情况。针对人工暖管存在的种种问题，在充分梳理热力系统中管路暖管要求的基础上，提出了一套智能暖管方案。首先整理大量暖管过程中的监测数据，并利用智能算法对这些数据进行挖掘，找出各启动参数下合理的暖管操作。通过智能暖管控制，不仅可以节省大量人力物力，而且还能够实时监控管暖状态。具体的蒸汽管道自动暖管控制流程如下：

（1）监测相应的启动参数，判断是否启动待暖管蒸汽管道的疏水阀门。当条件满足时，启动暖管程序，打开疏水阀门。（2）监测对应蒸汽管道的出口温度，根据出口温度的变化速率给出蒸汽管道进汽阀门开度控制信号，实现对管路进气阀门的控制。（3）根据出口温度的变化速率和进汽阀门开度确定暖管需要等待的时长，然后进行相应的暖管操作。（4）监测暖管的相应指标，判断暖管指标是否已经达到完成条件，如果达到则完成暖管动作，如果仍未达到，则执行步骤（5）。（5）根据蒸汽管道出口温度的变化速率确定下一步动作，如果变化速率平缓，则跳转到步骤（2），加大进气阀门开度，然后再进行一段时间的暖管操作;如果变化速率不平缓，则跳转到步骤（4），不进行阀门开度动作，继续监测暖管的相应指标是否达到了完成条件。

5 结语

火电机组启动控制是火电机组的核心技术之一。本文围绕当前火电机组启动过程中耗时偏长的问题，进行启动控制优化分析。一方面，对于关联性较弱而且启动时机相近的启动环节进行并行动作，以节省启动时间;另一方面，通过剔除启动过程中因信号故障或设备故障而导致的启动延时或者启动中断，提高启动效率。另外，重点分析了火电机组启动过程中耗时较长的汽轮机启动环节和热力管道暖管环节，这些都为火电机组启动优化提供了新的思路。研究过程中利用了智能控制技术和大数据挖掘技术，能够有效地指导火电机组启动过程中的控制优化。

参考文献

[1] 张建玲，朱晓星，寻新，等.超（超）临界机组智能控制系统设计[J].热力发电，2015（5）：59-63.

[2] 王志杰，寻新，刘武林，等.增量式自适应逆控制及在过热汽温中的应用[J].控制工程，2015（3）：470-474.

[3] 王志杰，彭梁，朱曉星，等.基于专家知识库的双进双出制粉系统自启停技术[J].中国电力，2018（1）：133-138.

[4] 赵俊杰，田景奇，侯奇，等.上海汽轮机厂1000 MW汽轮机启动时的各项准则分析[J].热力透平，2014（3）：167-171.

收稿日期：2019-07-10

作者简介：韩洛奇（1974—），男，河北保定人，本科，毕业于西安电子科技大学，高级工程师，研究方向：热力工程自动化。

?（1986—），男，汉族，广东河源人，工程师，本科，研究方向：输配电运行与检修。