大型火电机组变负荷特性及优化控制系统研究

摘 要 目前，我国大型火电机组经常处于低负荷工况运行，在此状况下机组的能耗特性和控制特性发生显著变化，原有的运行方式及控制系统已不能适应长时间在较低负荷下的变工况安全经济运行的需要。针对这种情况，建立高精确度机组耗差分析模型，有效地解决火电厂热力系统经济性分析中的主要难题，保证各项经济指标在线计算的准确性和机组能耗偏差的找出率。开发出汽轮机最优运行初压计算模型和锅炉经济性分析模型，为实现机组低负荷经济运行奠定理论基础。在机组耗差分析的基础上，针对串级控制系统不确定性模型研究鲁棒整定问题，提出鲁棒性指标应介于3～5之间以取得较好的鲁棒性，实现宽负荷范围内控制的稳定性与快速性。介绍优化控制系统的实现方案。

关键词耗差分析火电机组变工况优化控制鲁棒性

1 引言

随着我国电力工业装机容量的增加和用电侧负荷峰谷差的增大，大型火电机组经常处于低负荷工况下运行。随之而来的问题是：变负荷工况下机组的能耗特性和控制特性发生了显著变化，以机组额定工况条件为主设计的运行及控制系统不能适应长时间在较低负荷下的变工况安全经济运行的需要。当前火电机组的自动控制一般是基于给定的参数定值和跟踪负荷指令运行的，因此机组变负荷运行时不一定处于最优状态。研究机组在当前较宽变工况范围(100%~40%额定负荷)内的能耗特性与节能优化控制方法，设计机组在更宽负荷范围内的在线性能分析系统和节能优化控制系统具有深远的理论意义和应用价值。

为此，我们承担了国家电力公司的重大科技项目“火电机组变负荷特性及优化控制系统研究”的研究任务，项目的意义在于深入揭示火电机组变负荷工况下的内在特性变化规律，并以此为依据，监测其能耗经济性，设计和选择最佳运行方式，确定相应的节能优化控制系统，以达到机组能够在更宽负荷范围内安全经济运行的要求。

2 当前研究现状及存在的问题

随着国内用电市场的变化，各研究机构开始重视火电机组节能耗差及优化控制的研究，但这个领域中仍存在一些问题或需要做进一步的工作：

1)研究都是定性的，还不能定量描述。在实用负荷范围内，运行方式对能耗影响的规律尚无准确的方法确定。

2)机组额定初压不同，运行方式对能耗影响的规律就不同。一般来说超临界机组滑压运行的优势较明显。机组初压越低，定压运行的优势越明显。不同设计参数的机组运行方式对能耗的影响需要定量研究[1]。

3)滑压运行优势的另一方面在于汽轮机的内效率能保持较高的数值，但不同的机组、不同负荷其内效率也不同，这不仅需要理论分析，而且需要实验才能测定。

4)运行方式不同，还会影响再热汽温。再热器欠温、再热器喷水减温对能耗的影响较大。此项能耗偏差仍属运行方式对能耗影响，但是再热汽温特性是锅炉设备的固有特性，理论分析非常困难，只能对具体机组用实验方法解决，在目前的一些分析中该项能耗偏差未计入运行方式对能耗率影响的因素，因此，得出的结论是不全面的。

5)当前机组控制设备性能已经大大提高，广泛使用集散控制系统(DCS)，为机组优化控制提供了物质基础[1]。如何将机组能耗分析结果与控制相结合，如提供合理的控制定值等，是节能优化控制的目的之一。

6)当前控制系统还广泛采用PID控制方式，但研究表明，很多控制回路都处于非优化整定状态。如何准确辨识被控对象特性，并进行控制器参数优化整定，是提高控制系统性能的有效途径 [2]。

3 关键问题的研究及处理

3.1 蒸汽初压对热经济影响的原因

在同一负荷下，以较低初压运行方式对热经济性影响为例[3]：

1)选用较低初压，使理论循环热效率降低，热耗率增大。

2)选用较低的初压，调节级压比变化较小，使调节级能保持较高的内效率，使热经济性提高。

3)选用较低的初压，使高压缸排汽温度降低不多，再热器不容易欠温，可使中低压缸保持较高的效率。并由此使汽轮机排汽干度增加，使汽轮机尾部内效率提高。

4)选用较低的初压，使给水泵压升减小，节省泵功。

3.2 高准确度机组耗差分析模型建立

由于传统火电机组节能在线监测系统存在流量参数测量不准、修正曲线准确性差、以静态系统为基础的火电机组节能在线监测不适用宽负荷调峰等不足[4] [5] [6]，我们新开发了如下三个数学模型：

1)电厂热经济性状态方程包括三个基本方程[7]：电厂热力系统汽水分布标准方程、系统内部功率输出方程和锅炉吸热量方程，能耗指标是这三个方程联合求解的结果。系统的能耗率只与当前的热力系统结构、运行状态下的热力学参数和辅助系统的小汽水流量份额有关，与主蒸汽流量的绝对值并无直接关系。由于热经济状态方程是解析的，它为系统节能分析提供了新的有力工具。

2)凝汽式汽轮机末级流动状态判别定理及弗留格尔公式的改进[8]。用我们课题组研究的“斯陀托拉流量实验部分结论的证明和弗留格尔公式的改进”，可迅速判别末级所处的流动状态，在变工况理论基础上对处于湿蒸汽区末一、末二级进行变工况计算，无需迭代可一次算出处于湿蒸汽区的抽汽焓和排汽焓值(保证误差在0.5%以内)。

3)耗差分析中的顺序扰动解除法[9]。当前运行状态可以看作是系统由设计工况经一系列扰动得到的，因而可以按一定顺序逐渐解除扰动。每解除一个扰动重新进行变工况计算，扰动解除后，计算其能耗率。解除前后能耗率之差即为该项扰动造成的能耗差。该方法保证了能损原因查找率和单项能损偏差准确度。

3.3 汽轮机及热力系统最优运行数学模型建立

在任意负荷下总存在着某一蒸汽初压和调节汽门开度满足当前负荷，即。若机组达到设计要求，在设计工况下，kF)(0kFPfN?=)(0kdddFPfN?=，若机组没有达到设计要求或运行时其它参数偏离设计值，则有。当负荷从额定出力逐渐降低时：若保持蒸汽初压不变，仅改变(减小)调节汽门开度，称为纯定压运行;若保持调节门开度不变，即，称为纯滑压运行。当纯定压运行降低到某一负荷时，设其对应的初压为，从此状态开始，当负荷再降低时，维持初压)(''0kdddFPfN?=dPP00=''kdF''''kdkFF=sP0sPP00=不变，仅改变调节门开度，这种运行方式称为定—滑方式运行。定—滑方式运行还存在从什么负荷开始滑和什么时候又开始定的问题。总之，对应某一负荷，可选择的蒸汽初压在很大范围内可供选择。根据以上的原则，汽轮机的负荷与新蒸汽压力的最优值的关系应该由(1)式来dPP00≤确定，从而动态地确定汽轮机的最优初压与负荷的关系曲线。