杨月明
（北方联合电力有限责任公司呼和浩特热电厂 内蒙古呼和浩特市 010020）
摘要：热力发电机组的调峰运行及热力系统的变工况分析计算一直是热能动力工程领域的研究课题。当火电机组运行远离设计工况时，分析系统的热经济性并给出恰当的运行指导在工程实践中有着十分重要的意义。本文以汽轮机变工况理论为基础，深入揭示了火电机组变负荷工况下的内在特性变化规律，结合优化理论和能耗指标的解析方程给出了机组的最优运行初压，并运用于先进的控制策略中，从而可以实现机组的智能优化控制，以满足机组在更宽的负荷范围内安全经济运行的需求。
关键词：火电机组；运行方式；优化控制
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态。研究机组在当前较宽变工况范围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。
一、研究及处理
1、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，新开发了3 个数学模型。
（1）电厂热经济性状态方程包括基本方程：电厂热力系统汽水分布标淮方程、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，所以为系统节能分析提供了新的有力工具。
（2）耗差分析中的顺序扰动解除法。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。
2、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Fk满足当前负荷，即N = f（P0-Fk）。若机组达到设计要求，在设计工况下，Nd = f（Pod－Fkd）；若机组没有达到设计要求或运行过程中其它参数偏离设计值，则有Nd = f（Pod－F'kd）。当负荷从额定出力逐渐降低时：若保持蒸汽初压Po = Pod不变，仅改变调节汽门开度F'kd，称为纯定压运行；若保持调节门开度不变，即F'k = F'kd，称为纯滑压运行。当纯定压运行机组负荷降低到某一值时，设其对应的初压为Pos，从此状态开始，当负荷再降低时，维持初压Po = Pos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Po≤Pod很大范围内可供选择。
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在给定的运行环境下，在确定了它的可行压力区间以后，可以综合考虑前面所述情况对可行压力区间的压力进行试算，确定一个热经济指标作为比较的基准，通过搜索可以得到一个使汽轮机整体经济性最佳的主蒸汽压力，这个压力也就是要寻找的最优运行初压，从而动态地确定汽轮机的最忧初压Poopt与负荷的关系曲线。
3、300 MW 机组控制用数学模型建立。采用机理法建立了常用热力设备及系统的通用动态数学模型，编制相应的Matlab 自定义函数，在Simulink 中建立了一套通用的热工过程动态模型算法库，包括汽机系统简化模型、汽机本体数学模型、除氧器数学模型、给水回热加热系统数学模型、锅炉系统蒸发区模型、炉膛换热模型等。由于模型是采用机理法建立的，从本质上反映了机组的非线性，较当前控制系统设计中常用的传递函数模型更接近机组实际，为先进控制算法的设计仿真提供了一个通用平台。为了使模型适用于特定机组，研究开发了通过现场运行数据对数据进行修正的方法。模型建好后，应根据设计参数计算各热力设备及系统动态模型的系数，逐步组态出各子系统的模型，并进一步连接成更大的模型，最终形成火电机组整体动态模型。
4、控制系统鲁棒性分析和参数整定。由于模型的不精确性，所以要求所设计的控制系统应具有一定的鲁棒性。为此，定义了一个表示鲁棒性的指标ε，它能够反映串级控制系统内环和外环的相互作用并清楚地表明每个环路的鲁棒性。与常规先内环后外环的整定方法不同，这里每个回路可以分别整定，因此更加灵活。在串级系统设计或整定中，给定一个鲁棒性限制条件γm，解决式（3）最优化问题：
鲁棒性指标μΔ（M）曲线可以作为串级控制整定的一个评价指标：如果高频峰值太大则调低内环的鲁棒性，反之则调高内环的鲁棒性；类似的，如果低频峰值太大则调低外环的鲁棒性，反之调高外环的鲁棒性。与传统反馈控制相似，鲁棒性指标应介于3 和5 之间以取得较好的鲁棒性。
二、系统实现方案
本系统需要实时获取机组运行数据，这些数据主要包括过程参数、辅机功率及离线分析数据。本系统中由于增加了独立的耗差分析服务器，有效地实现了实时数据与MIS 系统的隔离，办公室中的PC 机上单独安装耗差分析客户端程序。耗差分析系统与WinIS 通过SIS（网络相连，并通过SIS 网络将分析计算结果及操作指导信息提供给系统维护工程师及运行操作员。对于管理人员来说，耗差分析系统分析结果可以通过MIS 网络，以浏览器的方式观察。该方案的特点是：
（1）网络结构合理。在控制网络与MIS 网络之间增加监控网络SIS，既满足了耗差分析系统数据采集实时性的要求，又避免了MIS 网络稳定性差对系统的影响；
（2）便于为不同的使用者提供相应的显示操作界面。如工程师站、操作员站要求显示界面内容详实、实时性好、可靠性高，管理人员要求显示界面操作简洁、便于使用；
（3）将厂级自动化系统划分为SIS（监控信息系统）与MIS（管理信息系统）是当前被普遍认可的方式，SIS 主要处理全厂实时数据，完成厂级生产过程的监控和管理，厂级故障诊断和分析，厂级性能计算、分析和经济负荷调度等。
结论
（1）高精确度机组耗差分析模型的建立，有效地解决了火电厂热力系统经济性在线监测中的几个主要难题，保证了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。
（2）采用机理法建立的300 MW 机组控制用数学模型，充分反映了热工过程的各种非线性关系，具备宽负荷范围内的正确性。
（3）通过火电机组变负荷特性及优化控制系统研究，针对依托工程机组，提出了节能优化控制系统的实施方案，实现了机组耗差节能分析与优化控制的有力结合，这对满足火电机组在宽负荷范围内依据电网需求运行、提高发电厂经济性能和电力生产自动化水平、减轻运行人员劳动强度等方面具有深远的理论意义和应用价值。
参考文献：
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[2]曹先常． 火电机组热力系统能报分析与在线监测及指导系统［D］． 北京：华北电力大学，2013．
[3]王惠杰，马晓芳． 汽轮机变负荷运行时经济运行方式的探讨［J］． 能源研究与利用，2012（4）：4-8．
论文作者:杨月明
论文发表刊物:《河南电力》2018年6期
论文发表时间:2018/9/10
标签：机组论文; 负荷论文; 系统论文; 工况论文; 火电论文; 模型论文; 在线论文; 《河南电力》2018年6期论文;