摘要：以廣州旺隆熱電廠110MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為例，分析了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組電負(fù)荷與熱負(fù)荷的藕合關(guān)系。在該機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略中，增加了前饋回路，使機(jī)組既能很好地適應(yīng)熱負(fù)荷和電負(fù)荷的變化，達(dá)到在最大經(jīng)濟(jì)效益下的安全運(yùn)行，并改善了機(jī)組重要參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能。
作為熱電聯(lián)產(chǎn)的抽汽供熱機(jī)組除了控制機(jī)組電負(fù)荷參數(shù)外，還應(yīng)保證工業(yè)或民用抽汽的熱負(fù)荷穩(wěn)定。然而，基于普通協(xié)調(diào)控制策略的機(jī)組控制方法并未考慮到抽汽機(jī)組電負(fù)荷與熱負(fù)荷之間存在的藕合關(guān)系，因此難以避免機(jī)組電負(fù)荷受熱負(fù)荷變化的影響，而電負(fù)荷變化又影響供熱參數(shù)，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行狀況的惡化[1.2]。鑒于抽汽機(jī)組控制參數(shù)的特殊性，有必要對(duì)抽汽機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行完善以減弱電負(fù)荷與熱負(fù)荷之間的耦合關(guān)系，從而改善機(jī)組的動(dòng)態(tài)性能，保障機(jī)組的安全運(yùn)行。
本文以廣州旺隆熱電廠110MW抽汽供熱機(jī)組為例，介紹了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，以及如何改善熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組電負(fù)荷與熱負(fù)荷存在的藕合關(guān)系。
一、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)節(jié)原理
根據(jù)能量平衡式：
Qr=Dex+Pgen (1)
式中：Qr為鍋爐釋放的總熱量；Dex為熱負(fù)荷(即抽汽量)；Pgen為電負(fù)荷(即發(fā)電有功功率) [3,4]。
由式(l)可見，當(dāng)鍋爐提供的熱能一定時(shí)，Pgen隨著Dex的增加而減??；反之，若改變機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷值，主蒸汽調(diào)節(jié)閥將根據(jù)目標(biāo)值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而引起Dex的變化。
(l) 熱電分離調(diào)節(jié)方式下，機(jī)組既要滿足協(xié)調(diào)控制中的電負(fù)荷目標(biāo)值，同時(shí)也要通過抽汽回路自動(dòng)閉環(huán)’調(diào)節(jié)以保證抽汽壓力的恒定。該調(diào)節(jié)方式的前提條件是鍋爐側(cè)出力一定能夠滿足汽輪機(jī)側(cè)的能量需求，即Qr未達(dá)到其能量輸出的最大值Qr,max這樣整個(gè)機(jī)組才能具有調(diào)節(jié)余量來保證機(jī)組在可控工況下的運(yùn)行。
(2) 以熱定電調(diào)節(jié)方式下，機(jī)組首先要確保抽汽的熱負(fù)荷，鍋爐出力維持在Qr,max狀態(tài)后，此時(shí)無法實(shí)時(shí)保證汽輪機(jī)側(cè)的能量需求，這樣電負(fù)荷與熱負(fù)荷之間表現(xiàn)為一種互易關(guān)系。當(dāng)抽汽熱負(fù)荷變化時(shí)，電負(fù)荷轉(zhuǎn)隨著熱負(fù)荷的變化而反向變化。在該調(diào)節(jié)方式下，雖然以犧牲機(jī)組的電負(fù)荷來保證抽汽熱負(fù)荷，但是由于鍋爐側(cè)出力保持在Qr,max狀態(tài)下運(yùn)行，使機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大化運(yùn)行方式，因此大多數(shù)電廠都采用以熱定電的調(diào)節(jié)方式。
二、機(jī)組協(xié)調(diào)控制存在問題和解決方法
由于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組電負(fù)荷與熱負(fù)荷存在著耦合關(guān)系，具體表現(xiàn)為當(dāng)機(jī)組功率改變時(shí)會(huì)引起抽汽壓力的波動(dòng)進(jìn)而影響到抽汽量。反之，當(dāng)抽汽量變化時(shí)又會(huì)影響電功率的穩(wěn)定。因此，僅僅通過主蒸汽調(diào)節(jié)閥控制跳負(fù)荷，再熱調(diào)節(jié)閥控制抽汽壓力的隔離調(diào)節(jié)，難以避免參數(shù)間的相互干擾，機(jī)組功率不穩(wěn)定和抽汽壓力頻繁，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。對(duì)此，可采用協(xié)調(diào)控制策略來減弱電功率參數(shù)和抽汽參數(shù)之間的耦合關(guān)系，以改善機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性。
熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組以直接能量平衡構(gòu)建協(xié)調(diào)控制框架，其中鍋爐主控的熱量信號(hào)以及熱量指令的關(guān)鍵參數(shù)仍與普通機(jī)組整定方法類似，汽輪機(jī)側(cè)的汽輪機(jī)主控需要控制負(fù)荷功率和抽汽壓力2個(gè)主要參數(shù)(比)普通機(jī)組多了熱負(fù)荷參數(shù)）。由于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組要保證用汽熱負(fù)荷，大多數(shù)電廠均采用以熱定電的運(yùn)行方式，因此需要區(qū)分2種情況進(jìn)行處理。
(1)當(dāng)鍋爐側(cè)出力未達(dá)到最大(Qr
改進(jìn)后的協(xié)調(diào)控制策略如圖1所示，主要通過前饋回路的作用使熱負(fù)荷和電負(fù)荷2個(gè)參數(shù)同時(shí)聯(lián)動(dòng)，以減弱2個(gè)參數(shù)之間的耦合關(guān)系，改善機(jī)組的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)鍋爐出力達(dá)到最大時(shí)通過閉鎖增信號(hào)限制電負(fù)荷的調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)犧牲電負(fù)荷確保熱負(fù)荷的目標(biāo)，具體調(diào)節(jié)過程為：當(dāng)熱負(fù)荷需求量增加時(shí)會(huì)引起抽汽壓力的變化，抽汽閉環(huán)調(diào)節(jié)回路將通過開啟低壓調(diào)節(jié)閥來自動(dòng)穩(wěn)定抽汽壓力，此時(shí)隨著抽汽量的增加汽輪機(jī)的做功能量減少，導(dǎo)致電負(fù)荷的減少，但由于有前饋f(x)函數(shù)的作用預(yù)先增大汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開度，以補(bǔ)充損失的蒸汽流量，而汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥能否繼續(xù)增大開度則取決于鍋爐出力狀況。
綜上所述，通過前饋回路的預(yù)先動(dòng)作和PID的無差調(diào)節(jié)使機(jī)組在出力允許的條件下同時(shí)保證電負(fù)荷和熱負(fù)荷的穩(wěn)定。當(dāng)機(jī)組出力不允許時(shí)，以熱定電使機(jī)組既能確保熱負(fù)荷又能以最大經(jīng)濟(jì)效益方式運(yùn)行。其中，需要從蒸汽流量與電功率之間的歷史趨勢(shì)曲線中找出f(x)函數(shù)映射關(guān)系和匹配好汽輪機(jī)主控 PID與抽汽壓力PID的參數(shù)。
三、應(yīng)用實(shí)例
在廣州旺隆熱電廠2×ll0MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行的自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)變負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的協(xié)調(diào)控制策略不僅能使機(jī)組達(dá)到普通機(jī)組的快速響應(yīng) AGC 變負(fù)荷試驗(yàn)的指標(biāo)要求，而且還能夠兼顧汽輪機(jī)側(cè)熱負(fù)荷和電負(fù)荷2個(gè)重要參數(shù)的不同要求，機(jī)組各主要參數(shù)波動(dòng)范圍都優(yōu)于普通機(jī)組，大大改善了機(jī)組運(yùn)行狀況。圖2為機(jī)組分別在1.65 MW/min和2.2MW/min速率下的AGC變負(fù)荷試驗(yàn)。
由圖2可見，機(jī)組在變負(fù)荷過程中響應(yīng)迅速，實(shí)際負(fù)荷變化率幾乎等同于給定速率，而且變負(fù)荷過程中機(jī)組功率和主蒸汽壓力動(dòng)態(tài)偏差均很小(主蒸汽壓力最大偏差為0.2MPa，功率最大偏差為1MW)。
圖3為鍋爐出力達(dá)到最大時(shí)抽汽量擾動(dòng)曲線。
由圖3可見，當(dāng)機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行(目標(biāo)負(fù)荷定值保持不變)且鍋爐出力達(dá)到最大時(shí)，若用汽量發(fā)生變化，則閉鎖汽輪機(jī)主控輸出，機(jī)組實(shí)際功率將隨著抽汽量的變化而反向變化(曲線3和曲線1)。圖4為鍋爐出力未達(dá)到最大時(shí)抽汽量擾動(dòng)曲線。
由圖 4 可見，當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行且鍋爐出力未達(dá)到編大時(shí)，若用汽量發(fā)生變化（40 t/h ，曲線8）將使汽輪機(jī)主控迅速響應(yīng)并穩(wěn)定負(fù)荷，由于前饋回路的作用使得機(jī)組動(dòng)態(tài)過程更加穩(wěn)定，負(fù)荷波動(dòng)很小。圖 5 為機(jī)組穩(wěn)定工況曲線。
由圖5可見，當(dāng)熱負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)機(jī)組的主蒸汽壓力和負(fù)荷都很平穩(wěn)。
4 結(jié)論
在廣州旺隆熱電廠2×ll0MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的協(xié)調(diào)控制中采用了前饋回路，從而減弱了熱負(fù)荷與電負(fù)荷的藕合關(guān)系，使得機(jī)組電負(fù)荷和熱負(fù)荷相互影響導(dǎo)致的波動(dòng)頻繁、調(diào)節(jié)頻繁的現(xiàn)象有了很大改善，在保證熱負(fù)荷需求的前提下最大限度地提高了發(fā)電負(fù)荷，使機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到了最大化。
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