330MW机组控制系统的节能优化设计

陈彦桥，张芬芳

(国电科学技术研究院北京电力技术分院，北京市 100081)

0 引言

解决能源矛盾的可行方法之一就是“节能降耗”，提高化石能源利用效率。目前，我国约有70%的发电量是由燃煤电厂提供的，到2020年，这一比例仍将维持在65%左右［1］，因此对现有火电机组节能优化显得尤为必要。

机组节能改造不仅涉及到工艺流程和设备优化，控制优化也是必不可少的部分［2］。控制优化就是利用优化控制策略对复杂多变的生产过程进行及时的控制，以达到提高机组安全性和经济性的目的。文献［3］针对排灰和炉渣中可燃物含量高、排烟温度偏高的问题，提出了典型负荷下锅炉的优化运行方式，使其对氧量、一次风压、二次配风方式以及投磨煤机方式等因素进行优化调整。超超临界火电机组大都采用滑压运行，为了提高超超临界机组在汽机调门节流很小甚至调门全开、无锅炉蓄热可利用工况下机组负荷响应能力，文献［4］设计了1套全新的基于凝结水节流调节负荷的节能型机组协调控制系统，有效利用了机组凝结水和回热系统中的蓄能，并与锅炉燃烧率控制相配合，降低了供电煤耗。文献［5］对3个典型除尘系统的通风风机做了详细的数据处理，分析了除尘系统运行节能的情况。对于运行时偏离设计状态不大的系统，需要对风机进行调整;对于偏离设计状态较大的系统，需要对其风机进行更换。经过这些改造，减少了除尘系统对资源的浪费。文献［6］对中储式制粉系统进行了节能优化控制，根据磨煤机料位控制给煤量，根据出口温度和系统风压调整热风门、再循环风门或冷风门。在各控制回路之间引入协调控制，从而使制粉系统始终控制在最佳运行状态。文献［7］根据电厂运行的历史数据，分析了协调控制系统产生问题的原因，修改了逻辑组态中阀门的流量特性曲线，并提出了分段负荷定压的方案，每年减少节流损失数百万元。

本文对驻马店热电有限公司330MW单元机组的协调控制系统、送风控制系统、一次风控制系统、加热器疏水系统等进行优化，以达到提高机组安全性和经济性的目的。

1 机组现状和问题

国电驻马店热电有限公司共有2台330MW亚临界机组，单机配备5台双入双出钢球磨煤机，分散控制系统(distributed control system，DCS)采用EDPF NT+控制系统。2台机组自投产以来，控制品质较差，主要问题如下:

(1)机组原控制逻辑存在较大缺陷，协调控制系统常常退出运行。有时，1天之内退出好几次，严重影响了机组的运行安全和自动控制品质。

(2)协调控制系统负荷跟踪品质较差，主蒸汽压力波动大。

(3)送风控制系统无法投自动。

(4)原高、低压加热器(下称高加、低加)疏水控制系统存在逻辑缺陷，本级高加(低加)水位高，没有检测下一级高加(低加)水位是否有裕量，就打开本级紧急疏水门，不仅损失了疏水蕴含的热量，还造成了凝汽器内过多的冷源损失、增加了凝结水泵出力［8］。

2 控制系统优化方案

2.1 协调控制系统优化

2.1.1 协调控制系统退出逻辑缺陷

通过对机组运行历史数据和协调控制逻辑的分析，确定燃料主控切手动是协调控制系统退出的原因，而引起燃料主控切手动的原因有2点:燃料偏差大是主因，总燃料量品质坏是次因。机组运行状况的实时曲线如图1所示。

图1 机组运行历史曲线Fig.1 Units'operation curves

由图1可知，“燃料偏差报警”最早发生，进而触发了燃料主控退到手动状态，其控制逻辑如图2所示。

从图2可看出，燃料主控切手动的主要原因来自于“燃料偏差报警”和“总燃料量品质坏”这2条逻辑。

图2 燃料主控切手动逻辑Fig.2 Logic principle of main fuel control changed to manual

进一步分析历史趋势发现，锅炉主控输出在容量风指令≥100%时，由于积分作用其输出指令还在增加，从而造成总燃料量和锅炉主控输出指令(总燃料量指令)之间的燃料偏差大。因此，对锅炉主控增加了“容量风指令≥85%，闭缩增”的逻辑，从而消除了燃料偏差大造成协调控制退出的隐患。同时，将“总燃料量品质坏”信号延时5 s，若该信号为真，燃料主控才跳到手动。

经过更改上述逻辑，1、2号机组协调控制系统不再发生燃料主控切手动的现象，有效提高了协调控制系统的可用性。

2.1.2 负荷跟踪品质优化

原控制逻辑中，一次风变频器主要控制一次风压。新增逻辑主要包含:(1)在根据负荷定值折算一次风压定值的基础上，增加根据负荷定值计算的动态微分前馈，加快负荷定值动态变化时一次风压的变化;(2)将主蒸汽压力偏差引入一次风压力定值计算中，让一次风机变频器对主蒸汽压力偏差进行粗调。同时，将设定值部分主蒸汽压力的死区设定为0.15，避免了主蒸汽压力小幅波动对一次风变频控制的影响。一次风变频风压定值控制逻辑如图3所示。图3中原负荷定值信号与其经过滤波的信号求差值构成了一次风压的动态微分前馈信号，主蒸汽压力偏差的死区在分段函数发生器f1(x)中设定。

图3 一次风压定值设计逻辑Fig.3 Design logic of fixed value of primary air pressure

针对机组负荷跟踪品质低的问题，增加了负荷定值到容量风控制器的动态前馈，主要包括比例和微分控制器，容量风的快速响应使得炉侧的燃料量供给能够及时满足负荷的需要。锅炉主控前馈控制逻辑修改如图4所示，原负荷控制指令信号与其滤波信号的差值构成了微分控制器，比例控制可以由分段函数发生器f2(x)实现。

图4 锅炉主控前馈控制逻辑Fig.4 Feedforward control logic of boiler main control

负荷上升的时候，如果汽轮机侧主汽门开得过快，会导致机前压力下降过快，造成汽包水位波动过于剧烈。设置压力拉回回路，适当控制压力变化的速度，以维持负荷变动时工况的稳定性是必要的。将原主蒸汽压力设定值与实际值的偏差，反映到主蒸汽调节门的函数输出值( －2，－2，－1，0，1，0，2，2)修正为( －2，－2，－0.6，0，0.6，0，2，2)，减小了主蒸汽压力的波动幅度。

将原负荷控制函数输出值( －50，－50，0，0，50，50)修改成( －50，－50，－1，0，1，0，50，50)，使负荷控制函数具有死区，减少主蒸汽调门的抖动，延长了执行机构的寿命。

2.2 送风系统投自动

经检查，送风系统无法投自动的主要原因是锅炉主控经折算函数后的总风量和测量的总风量不一致。进行了如下修改:

(1)使用负荷指令代替锅炉主控输出，通过对折算函数进行修正，使折算函数输出保持基本稳定。

(2)对总风量测点进行校正，发现风量测点的变送器设置量程与DCS软件组态模块量程不一致，对此进行了修改。

(3)对送风控制器参数进行了优化。送风比例积分微分 (proportion integration differentiation，PID)控制器积分参数由200修正为100;比例增益由0.026修正为0.025，积分时间常数由560修正为400;送风自动时两侧动叶左侧最小开度由30修正为10，右侧最小开度由30修正为15。

修改后，氧量修正函数的输出保持在0.8～1.2。由于运行人员反映A送风机送风挡板的零点没有校准，在低负荷手动时挡板开度甚至出现7%左右的数值，因此重新设定了A送风机送风挡板手操器自动时的下限值，把下限值30修正为5。送风指令的逻辑如图5所示，负荷指令的折算函数由f3(x)实现。

图5 送风指令生成逻辑Fig.5 Command generation logic of air supply

2.3 疏水系统优化

对疏水系统逻辑作了如下修改:本级高加或低加水位高，先检测下一级高加或低加水位是否有调节裕量，若有调节裕量，先将向下一级的排水门强制开到最大;之后数s，若本级高加或低加水位仍高，再打开本级紧急疏水门。修改后，高、低加的紧急疏水门动作次数显著减少，减少了热量损失。以7号低压加热器为例进行说明。图6是7号低加正常疏水阀手操部分的逻辑图，即当7号低加水位高二值或高三值且8号低加水位不高时，强开7号低加向下一级正常疏水的阀门至100%;图7是7号低加紧急疏水阀手操部分的逻辑图，即当7号低加水位高二值或高三值5 s后仍在报警，则强开7号低加紧急疏水阀至100%，若报警信号消失且7号低加正常疏水阀门开度大于90%时，则强关7号低加紧急疏水阀。

3 结论

国电驻马店热电有限公司机组协调控制系统频繁退出且负荷响应性能差，送风系统不能投自动，疏水系统逻辑有缺陷。经过对控制逻辑进行修改和优化，目前1、2号机组自动投入率在95%以上，自动发电量控制实际负荷变化速率在6 MW以上，主蒸汽压力偏差在0.7 MPa以下，与机组经济指标密切相关的送风、再热减温水系统均投入自动且运行良好，紧急疏水门开启次数大大减少，有效提高了机组运行的安全性和经济性。

［1］王汝武.电厂节能减排技术［M］.北京:化学工业出版社，2008:2-50.

［2］中国电力企业联合会科技服务中心.节能与控制［M］.北京:中国电力出版社，2008:12-50.

［3］衡丽君，张永福，韦红旗.220 t/h锅炉燃烧调整试验分析及优化运行［J］.华北电力技术，2003(7):6-10.

［4］姚俊，祝建飞，金峰.1000MW机组节能型协调控制系统的设计与应用［J］.中国电力，2010，43(6):79-84.

［5］刘秋新.除尘系统的通风机故障诊断与节能运行分析［J］.风机技术，2005(2):38-42.

［6］赵国振，李民，付强.中储式制粉系统安装过程优化节能控制系统的可行性研究［J］.节能，2011(4):54-57.

［7］吉加勇.100MW等级发电厂自动发电控制节能调节［J］.电力设备，2006，7(7):81-83.

［8］巨林仓.电厂热工过程控制系［M］.西安:西安交通大学出版社，2009:179-180.

［9］黄兴德，游喆，赵泓，等.超(超)临界锅炉给水疏水系统流动加速腐蚀特征和风险辨识［J］.中国电力，2011(2):37-42.

［10］杨建平，赵作起.600MW机组凝结水泵变频改造及应用［J］.华电技术，2010，32(1):41-42.