(河北西柏坡发电有限责任公司 河北省石家庄市 050400)
【摘要】本文分析了当前我国深度调峰的紧迫形势，并简要的介绍了当前调峰技术的几种可行方案及限制因素，通过详细分析我厂采用的燃烧优化术这种解决方案，展现出该方案不需要对锅炉设备进行任何改造，能够充分利用锅炉的运行数据，在控制基础上，通过先进建模、优化、控制技术的应用，直接提高锅炉运行效率和稳定性，减低NOx的排放，具有投资少、风险小、效果明显的优点，以供大家分享参考。
【关键词】灵活性调峰技术 深度调峰 协调控制 燃烧优化；
1 引言
在未来, 火电产业将在产业需求的导向下继续演化。虽说火电产业即将进入衰退，但值得注意的是，在2030年以前, 我国火电产业仍处于成熟阶段, 装机容量占比仍在50%以上。随着我国经济的稳定增长, 电力需求也将进一步扩大, 火电产业仍有为经济增长提供电力保障的需求。在未来十二年内的火电成熟期里, 火电仍是我国的主力电源。然而不容置疑的是，由于资源枯竭和环境污染等问题日益突出, 火电作为传统高耗能、高污染产业, 亟待转型升级, 来提高能源利用效率, 减少污染物排放。针对当前火电产能严重过剩和电网对新能源大量吸纳的双重压力下，国家已出台火电运行灵活性的指导意见，并公布了22个电厂作为试点。可见，灵活性运行已成为火电行业的大势所趋，并且显得迫在眉睫。
截至2016年底，我国水电、风电和太阳能发电的装机规模分别达到33211万千瓦、14864万千瓦和7742万千瓦，均居世界第一位；可再生能源总发电量也位居世界第一。
据统计，全国6000千瓦及以上电厂发电设备平均利用小时从2011年5305小时下降到2015年3969小时，降幅达25%以上。2016年下降到3785小时，是1964年以来的最低水平。电网容量不断扩大，用电结构也发生变化，各大电网的峰谷差日趋增大，电网目前的调峰能力和调峰需求之间矛盾愈发尖锐，低谷时缺乏有效调峰手段。所谓灵活性就是更快的变负荷速率、更高的负荷调节精度及更短的启停时间，而深度则是更宽的负荷调节范围，负荷下限从原来的45%下调至30%,甚至更低。通俗的讲，当前火电机组的主要目标就是通过低负荷稳燃、热电解耦、燃料灵活性，增加10-20%额定容量的调峰能力，热电机组降至40-50%额定容量，纯凝机组降至40-45%额定容量，部分达到国际先进水平的机组在不投油稳燃、纯凝工况最小技术出力低达20-25%，从而实现负荷响应速率能力提升，有条件的机组实现快速启停。
2 深度调峰技术介绍
2.1 现状分析
火电机组分为热电机组和凝汽机组两大类，欧美多数广泛使用热电联产机组，但其中较大比重为大容量抽凝式机组。国内两类机组都普遍存在，热电机组装机容量大约为火电总装机容量的32%。火电机组灵活性主要包括机组的调峰深度，爬坡能力和启停速度等内容。调峰运行方式的优化和锅炉燃烧系统的优化改造是火电机组灵活性改造的主要手段。
提高火电灵活性, 包括改善机组调峰能力、爬坡速度、启停时间等多个方面。目前, 我国纯凝机组在实际运行中的调峰能力一般为额定容量的50%左右, 典型的抽凝机组在供热期的调峰能力仅为额定容量的20%。通过灵活性改造, 预期将使热电机组增加20%额定容量的调峰能力, 最小技术出力达到40%-50%额定容量;纯凝机组增加15%-20%额定容量的调峰能力, 最小技术出力达到30%-35%额定容量。然而灵活性运行甚至深度调峰将使机组长期处于低负荷状态，而在低负荷运行时，锅炉的燃烧稳定性是首要考虑的问题，其本质也是燃烧的温度问题。
大型化、高参数能从根本上提高机组的总效率，但由于机组容量及参数一旦确定，就无法轻易改变，若想进一步提高机组的效率，就要靠精细化的燃烧优化调整来实现。事实上，基于当前电厂煤质多变、辅机配置各不相同和运行工况的复杂性，这些特点制约了通过运行手段进一步提高效率，但同时也为通过燃烧优化的手段来进一步提高效率留下了空间。
2.2解决方案
针对以上的形势和当前的环境压力，目前存在这样一些解决方案。
2.2.1电极加热锅炉
利用电极加热水，当供热不足时，通过电极加热锅炉循环水继续保持供热需求。电极加热锅炉一般从发电机出口引接电源或从220kV引接1台蓄热变压器作为蓄热电源。
由发电机出口引接电源，整套供电系统均由厂内供电系统构成，如同厂内新增一个大功率用电设备，因此就其用电性质来说应视为厂用电，不足之处是新增设备的可靠性直接影响发电机的稳定运行，一旦出现故障则发电机需跳机，确保安全。由220kV出线侧引接电源，引接位置位于出口计量表内，此种接线方式对原有电气系统的影响小，即使出现故障并不影响电厂的稳定运行。
根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2015，第9.1.2条，“工业厂房及辅助建筑，除符合下列条件之一且无法利用热泵外，不得采用电直接加热设备作为供暖、空调热源”，其第3款，在电力供应充足和执行峰谷电价格的地区，在夜间低谷电时段蓄热，在供电高峰和平段不适用时；可采用直接电加热设备作为供暖和空调热源。因此认为采用直热式电极加热锅炉并不违反规范。
2.2.2储热罐
利用水的显热将热量存储到储热罐内，通常采用常压或承压式；一般情况，当热管网供水温度低于98℃时设置常压储热罐，高于98℃时设置承压储热罐，常压储热罐结构简单，投资成本相对较低，最高工作温度一般为95~98℃，储热罐内水的压力为常压，承压储热罐最高工作温度一般为110℃~125℃，工作压力与工作温度相适应，系统运行与控制相对简单，与热网循环水系统耦合性较好。（如图1所示）
图1储热罐原理图
2.2.3抽气减温减压
抽气减温减压将锅炉主蒸汽或再热蒸汽抽出经高低压两级减温减压器后进行热交换;在热电机组深度调峰时段，需将主蒸汽或再热蒸汽通过高低压两级减温减压器系统直接供至热网系统，该方式降低了机组热利用率，但投资成本相对较低，但是针对纯凝机组的灵活性改造还鲜见报道，目前的技术手段主要是针对磨煤机、燃烧器、送粉管道等系统来进行改造，以达到降低煤粉着火热，强化煤粉换热、提高SCR入口温度等目的。
2.3限制因素
技术上的可行性验证并不能代表实际可行，还要解决这些限制的问题：燃煤机组在超低负荷运行时，一次风量、一次风温度、一次风煤粉浓度（风煤比）的选取决定着锅炉能否实现稳定燃烧的关键。因此，需要在保证磨煤机安全、输粉管内不堵粉的前提下，尽量减少一次风量、降低一次风速、提高煤粉细度、提高磨煤机出口风温。这样当煤粉气流进入燃烧器后，加热煤粉气流所需的热量就会有所减少，煤粉气流着火所需要的热量也会有所降低。
在相同的卷吸对流换热量和辐射换热量下，煤粉气流能够达到更高的温度，能够起到加速和稳定着火的作用。
另一方面，锅炉低负荷运行时，由于投入燃料量少，炉膛温度低，燃烧工况相对来说比较恶劣。此时单个燃烧器的实际燃煤量与设计燃煤量存在明显的不匹配，单只燃烧器的设计热功率偏大，燃烧器出口一、二次风的气流厚度在低负荷下会有所增大；另一方面，低负荷下炉膛温度降低，单只燃烧器出口煤粉气流在着火热没变的条件下，从炉膛中获取的对流换热量和辐射换热量均有所降低，这不利于煤粉气流着火和稳燃。
2.4分析结论
进过上述分析，可以采取切实可行的、有效的不同措施方案，实现机组的深度调峰与稳定燃烧，其中主要包括以下方面：
可通过提高平均汽温，降低机组供电煤耗。对于600MW机组，过热汽温和再热汽温每提高5℃，供电煤耗可分别下降0.58g/kwh和0.28g/kwh。通过对协调中煤水比及汽温控制系统的优化，可大幅减小汽温波动，基本上从20℃以上减小到5℃左右，可提高汽温设定值。在超（超）临界机组的优化控制中，大多数汽温能提高5℃以上。
可通过减少再热喷水量，降低机组供电煤耗。对于600MW机组，每减少10t/h再热喷水量，供电煤耗可下降0.42g/kwh。很多超（超）临界机组无法投入烟气挡板对再热汽温的自动控制，只能依靠喷水调节，有时有几十吨的喷水量，对煤耗的影响很大。通过采用预测调节优化控制系统后，可投入烟气挡板对再热汽温的自动控制，基本将喷水阀关闭，明显降低机组供电煤耗。
通过开大汽机调门，减少调门节流损失； 通过对机组协调控制及滑压优化等措施，可以在保证协调控制系统性能的前提下，开大汽机调门，减少节流损失，从而降低机组供电煤耗。
3 燃烧优化技术的应用
2017年，我厂通过采用APC先进过程控制方案优化系统，用于解决在控制过程中出现的损耗问题；其中锅炉燃烧优化控制系统与机组协调、汽温控制系统优化不同，燃烧优化必须要针对锅炉燃烧过程中存在的问题，以“解决问题”为目标来设计控制策略，不同的锅炉应有不同的策略。
3.1先进控制的可行性
方案采用先进控制器，即多变量模型预测控制器。对于电厂生产过程的工艺参数，建立矩阵，通过矩阵计算，可以实现对系统内多个变量进行解耦，更好地实现优化控制。
APC控制器的优先级低于PID控制器和MA手操站，当手操站打到手动时，手操站可以自由手操，不受APC任何影响。必须在PID和MA站都在自动状态时，APC控制器才允许投入。
APC的操作变量以偏置量方式写入DCS逻辑，对每个偏置量都设有投切开关，在控制器，总投切开关切除和单个操作变量切除的情况下，都会将此偏置量切除，以设置速率回归到零，消除了对PID控制的干扰，保证了系统运行的可靠性。
工艺参数稳态优化的可行性。DCS中采用常规PID控制器，因为是单变量控制，未进行充分的多变量耦合，所以解耦效果差，控制品质一般，留给了APC较大的优化空间。对运行数据分析，在现有的协调系统调节下，机组变负荷时，压力波动较大。在现有减温PID自动调节下，尤其在增减燃料时，汽温的波动范围非常大，所以也有较大的优化空间。通过控制品质的优化，可以减小参数的波动范围。通过稳态优化，可以提高燃烧过程的效率，提高经济效益。
3.2技术方案
控制方案是基于DCS本身的基本控制策略和逻辑，对PID的逻辑进行优化。APC控制器只是提供偏置量写入DCS,与PID的设定值SP或PID的输出进行叠加，达到优化的目的。同时对这些偏置量进行上下限约束，确保安全性。
通讯方式及协议：软件通过OPC Client与OVATION的OPCServer通讯。Connoisseur软件运行后，与OPCClient通讯，配置相关的测点和通道后，OPCClient数据与Connoisseur软件实现双向通讯。WatchDog设置：在APC控制器与DCS之间设置WatchDog监视通讯， WatchDog通讯正常，是投入APC控制器的允许条件。
当通讯异常时，WatchDog逻辑可将APC控制器切除，并切断偏置回路，保证了系统的安全性；通讯异常包括下列情况：APC服务器系统关机或死机；APC服务器与DCS通讯中断或异常。
OPC Client与OVATION OPCServer通讯测点的读写属性配置：在OVATION OPCSERVER软件侧，与DCS通讯的测点的属性可以进行配置。对于只用于读入计算的过程量测点，属性设置为“只读”，保证了DCS的安全性；APC写入OVATION OPCSERVER的测点，属性设置为“读写”，保证双向通讯。这些测点包括APC输出的偏置量、操作变量投切使用到的中间点、操作变量及被控变量的约束高低限输入使用到的中间点。
APC控制器设计：我厂#5机组APC先进控制策略包括如下3个多变量控制器（MVC）以及LP优化器。MVC 和LP作为各自独立的控制器，将在功能上集成同一控制器运行。
RAMP: 协调先进控制器
TEMP: 温度先进控制器
COS : 燃烧先进控制器
下面分别给出了RAMP, TEMP, COS等APC控制器（如图2所示）的控制变量、操作变量以及干扰变量等；应当注意的是，表中所列的操作变量的上下限作用，需保证PID不应处于积分饱和；如果PID的输出已处于上下限，此时操作变量将以当前值为其上下限。
图2多变量控制器
APC控制器的偏置回路及跟踪设计
以锅炉主控偏置回路为例说明：上面有两个开关管脚“APCRAMP-ONOFF”、“A1000-ONOFF”。在第一次调试前，右上角加法器的管脚系数为0，确认偏置量合理，才可将系数“0”改为“1”。APC投入：当开关APCRAMP-ONOFF=0（协调APC控制器已投入）和开关A1000-ONOFF=0（锅炉主控操作变量已投入）时，APC 的偏置指令写入加法器块的引脚，以偏置形式叠加进入锅炉主控PID的输出。APC退出：当开关APCRAMP-ONOFF=1（协调APC控制器已退出）或开关A1000-ONOFF=1（锅炉主控操作变量退出）时，切换器的输出将跟踪，并以设定速率回归到0，实现了偏置量的跟踪和无扰切换。
DCS侧手动快速切APC偏置回路的逻辑：对控制器的投切逻辑在DCS侧，当DCS侧点击“切除”按钮后，DCS切除逻辑立刻将偏置回路切除，而不用等待APC控制器侧的响应。对操作变量的投切逻辑在DCS侧，当DCS侧点击“切除”按钮后，DCS切除逻辑立刻将偏置回路切除，而不用等待APC控制器侧的响应。APCRMAP-ONOFF和A1000-ONOFF就是DCS侧快速切除操作变量偏置回路的开关。
APC控制器的远程投切逻辑置于DCS侧，以协调APC控制器投切逻辑为例：SR块为控制器投入、切除功能块。当操作人员在HMI点击“投入”、“切除”按钮后，SR的输出变为“0”和“1”，至DCS投入和切除相应的偏置回路。APC控制器投入逻辑允许条件（与）：RB未发生；WatchDog通讯正常。
DCS中APC 控制器HMI和远程投切步骤：
在DCS HMI上可以实现对控制器的远程投切，也可以实现对操作变量、控制变量、干扰变量的远程投切，提供给运行人员与系统的交互界面；APC控制器和变量的自动切除。
APC控制器的自动切除条件（或）：
1)机组发生RB，WatchDog逻辑将自动切断偏置回路，同时将控制器切除；
2)当控制器所有操作变量被切除后，控制器会自动切除；
3)WatchDog 发生通讯错误后，控制器会自动切除；
APC操作变量、控制变量、干扰变量的自动切除条件（或）：
1)变量的质量已坏，自动切除；
2)控制器切除后，操作变量全部自动切除；
DCS中APC变量远程投切逻辑：通过HMI按钮的操作，并经由此逻辑，实现对Connoisseur服务器和操作变量的投切。运行单击操作按钮，点击“投入”、“切除”按钮后，逻辑SR块输入值相应变化。同时，输出信号去切除操作变量的偏置回路。
3.3实施效果
通过一段时间的使用，采用燃烧优化后的控制系统可以使以下参数得到有效的改善：降低烟气中飞灰含碳量、CO值；在不增加飞灰含碳量的前提下，减少NOx含量；消除或减少水冷壁、屏式过热器、末级过热器、再热器壁温超温；消除左右侧烟道烟温偏差问题。但是同样还有不适应的工况，例如机组供热期间主汽压滑压曲线改变后原模型不适用、某些调节回路调整幅度过小等问题，优化系统需持续改进。
4 结论
燃煤机组在进行深度调峰改造时，机组的最低稳定负荷主要受锅炉的燃烧稳定性、环保及辅机系统的安全性等因素的制约。针对热电联产机组，国外主要采用加装蓄热罐的方式来进行灵活性改造，包括蒸汽蓄热技术、熔盐蓄热技术、相变材料蓄热技术以及固体材料蓄热技术等，而对于国内主力火电机组，通过优化燃烧系统来保证机组在低负荷时的稳定，不失为一个既经济、又有效的手段。
参考文献:
[1] 英国英维斯过程系统控制燃烧优化培训资料。（invensys Operations Management），2017．
[2] 廖永浩.火电灵活性改造及运行优化总体构想。北京：华电电力科学研究院，2017.
[3] 吕剑虹，火电机组深度调峰及节能运行中的优化控制技术。东南大学 能源与环境学院 2017.
[4] 哈尔滨灵活性改造会议会议录，哈尔滨，2017.
作者简介：
党鹏飞，男，1986年出生，工科学士，工程师，一直从事热控专业的技术管理和火电厂热工设备的检修维护工作。
论文作者:党鹏飞,曹瑞奎,宋宝龙
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/9/12
标签：机组论文; 控制器论文; 变量论文; 火电论文; 锅炉论文; 操作论文; 灵活性论文; 《电力设备》2018年第13期论文;