[科普中国]-再热汽温控制

简介

目前火力发电占我国总发电量70%以上,主力为300～600MW级机组。电网要求机组具有更高的负荷调整范围和调整速率。机组参与电网一次调频,负荷变化频繁,导致机组更多处于动态工况下。快速的负荷变化易导致过热器、再热器超温。燃料性质不稳定、磨煤机启/停操作影响机组负荷、压力、汽温的控制品质。汽温波动及大量减温水喷入都影响机组经济性。许多机组存在低负荷再热汽温偏低、高负荷再热器减温水喷入量大的问题,严重降低机组热效率。影响再热器减温水量的原因多而复杂,如火焰中心、煤质、风煤配比、炉膛结焦等。过量再热汽减温水导致再热器导前汽温进入饱和区,系统无法投入自动。再热器管道因结垢、交变热应力发生损坏2。

对于中小型火电机组而言,再热汽温控制系统的研究已经很完善了,许多先进的控制理论和工程方法获得了应用,一般可以满足控制品质的要求。但是,许多大容量、高参数火电机组参与一次调频并且承担起电网调峰任务,受煤质变化较大的影响,在调节系统的可控性上存在着一些问题,加大了再热汽温系统的控制难度。甚至有些问题不仅影响着自动调节的正常投入,而且还制约着机组的出力,甚至会影响机组的安全运行。针对这种情况,本文将从影响大型火电机组再热汽温系统的主要扰动和现场普遍采用的串级控制系统的频域特性方面入手,分析造成再热汽温系统控制品质下降的原因。

再热汽温控制的特点和要求这种中间再热方式的系统,其再热汽温控制的特点和要求如下3。

a.控制范围大,要求高。再热器进口汽温取决于汽机高压缸排汽,它是随负荷降低面降低的,因此再热汽温特性也随负荷而变化,要求温度控制的设定值也随负荷而变化。由于再热蒸汽压力低,比热较过热蒸汽小,在机组燃烧工况变化时,再热汽温的变化较为敏感,面且变化幅度也较过热蒸汽大。再热蒸汽对管壁的冷却能力比过热蒸汽差(再热汽放热系数仅为过热汽的五分之一左右),因此要求再热蒸汽温控制范围大,动作快。

b.再热汽温A、B二路的温度偏差较大,需要在控制中弥补。为了减少再热器系统的蒸汽流动阻力,提高机组热效率,再热汽没有采用A、B两路交叉混合的方法,因此由蒸汽流量和烟气温度、通流量不均造成的偏差温。再热器系统中减温喷水的多少直接影响再热蒸汽量的多少,从面影响中压缸的出力。在机组负荷不变的情况下,由此影响了高压缸的出力。中压蒸汽作功的热效率较低,中压缸多作功,整个机组循环热效率降低。计算表明,少用1%蒸发量的再热减温喷水,机组循环热效率可提高0.2%以上。为使机组经济运行,要尽量少用再热减温喷水。

再热汽温控制方法基于H 理论的状态变量控制将大惯性大滞后对象等效成为多容的惯性环节，在此基础上设计无静差的状态反馈控制，针对部分状态不可测的问题，设计鲁棒性较强的状态观测器，观测出这些状态变量，从结构上说，相当于在系统内部增加了若干个软测点，使系统能够快速地检测到系统内部扰动，及时发出控制信号，维持出口汽温3。

智能控制控制算法常用的有专家系统、模糊控制、人工神经网络控制以及基于现场应用的仿人工智能的控制方法。这些算法是根据某个领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人脑的智能识别和智能决策过程，对复杂不确定系统进行有效控制。

应用预测控制方法比较经典的方法有基于前馈补偿解耦设计思想的预测控制和预测函数直接算法。它们都是使用单值预测思想，通过优化输出性能指标，并参考Smith预估思想，在控制律中加入时滞补偿来消除时滞和解耦。

应用自适应控制理论的方法自适应系统能相应的改变和调整控制器的参数，以适应系统特性的变化，保证整个系统的性能指标达到令人满意的结果，主要有模型参考自适应控制系统、自校正控制系统、自整定PID调节器三种。这些控制方法提高了系统抗外扰的自适应能力，有效地克服了对象的大滞后特性。

应用自抗扰控制技术的方法自抗扰技术由PID思想发展而来，吸收了现代控制理论的信号处理思想，凡是能用常规PID的场合，就可以采用自抗扰控制器，提高了系统的控制品质和控制精度，具有更强的抗干扰能力和鲁棒性4。

先进控制算法与传统控制方法相结合如专家PID控制、模糊自整定PID控制、自适应预估等控制方法。这些方法继承了传统方法实现简单，易于调整的优点，又兼顾了系统的快速性、鲁棒性等性能要求，利用较先进的思想来辅助控制优化控制系统，得到了比较好的控制效果。

先进控制算法之间的结合如模糊控制与自适应控制相结合，针对不同对象，模糊控制器在线判断对象特征，变动模糊集合的划分，对较大范围的对象都能取得良好的控制品质；模糊自适应控制与神经网络相结合，利用神经网络强大的学习能力，寻找最优的性能指标，同时用模糊逻辑来调整学习过程，优化系统性能；还有预测控制与自适应控制相结合、预控制与神经网络相结合，利用预测控制的先验性和快速性取得很好的控制效果5。

再热汽温的调节方法汽温的调节方法很多，可以归纳为蒸汽侧调节和烟气侧调节两大类。蒸汽侧调节是指通过改变蒸汽的焓值来调节汽温，烟气侧调节是指通过改变锅炉内辐射换热面和对流受热面的吸热量比例或通过改变流经受热面的烟气量来调节。对于再热器有以下几种常用的汽温调节方法6：

（1）喷水减温法

喷水减温是将水直接喷入蒸汽中，水被加热、汽化和过热，吸收蒸汽中的热量，达到调节汽温的目的。喷水减温法操作方便，调节灵敏，但是向再热蒸汽喷水会降低机组的热经济性，故不作为主要的调节方法，只作为再热器的事故喷水，少数情况下与其他调温方式相结合，作为再热蒸汽的微调方法。

（2）汽-汽热交换器法

汽-汽热交换器法是利用高温高压的过热蒸汽来加热再热蒸汽，达到调节再热汽温的目的，有布置在烟道外和烟道内两种类型。

（3）烟气再循环法

烟气再循环是将省煤器后温度为 250-350℃的一部分烟气，利用再循环风机送入炉膛，改变各受热面的吸热比例，以调节汽温。烟气再循环法要增设再循环风机，使厂用电及维护费用增加，还会使排烟温度有所增加而使锅炉热效率略微降低。

（4）分隔烟道挡板调温法

当再热器布置在锅炉尾部烟道内时，为了调节再热汽温，把尾部烟道用隔墙分开，分别将再热器和低温过热器布置在两个并联的烟道内，在它们后面布置省煤器，在出口处设有可调烟气挡板。调节烟气挡板，可以改变流经两个烟道的烟气流量，从而调节再热汽温。采用分隔烟道挡板调温，结构简单，操作方便，已被许多大型电站锅炉采用。

（5）调节燃烧火焰中心位置法

摆动式燃烧器多用于燃烧器四角布置锅炉，调节摆动式燃烧器喷嘴的上下倾角，可以改变炉内高温火焰中心的位置，从而改变炉膛出口烟气温度，达到调节汽温的目的。这种调温方法对在炉膛上部和出口附近布置有较多受热面的再热器的汽温调节非常有利，且有很大的灵敏度，但是调节幅度较小，一般与其他调温方法配合使用。

再热汽温系统扰动的特点影响再热器出口汽温的因素很多，锅炉负荷、受热面积灰、给水温度变化、燃料改变和过量空气系数的变化都会影响再热汽温。归纳起来，主要为蒸汽流量、烟气传热量和减温水量三方面的扰动7。

（1）蒸汽流量的扰动：当机组瞬间发生较大幅度的负荷变动时，由于汽轮机出力变化，蒸汽流量也将发生变化。而蒸汽流量的变化与压力的变化是耦合的，即流量增大，压力上升；流量减少，压力下降。过热与再热蒸汽侧扰动(如锅炉与汽机负荷变化所引起的蒸汽流量与温度的变化)可能导致再热汽温的波动达到约士 30℃。

（2）减温水流量的扰动：减温水的温度和流量等变化都会引起汽温变化。喷水侧的扰动可能导致再热汽温的波动达到约士 20℃。

（3）烟气流量的扰动：烟气的流量和流速发生变化时，对流传热量改变了，再热器内介质吸热量也相应地改变了，引起再热汽温变化。

再热汽温受负荷、燃烧、减温水等多种因素的影响，如果再热汽温控制不好，会降低热效率，造成资源浪费，而且也会出现安全问题。再热器温度过高会使金属管强度的安全系数下降，过高的再热汽温还将导致不得不喷入更多的减温水，增加再热蒸汽流量，使汽轮机的中、低压部分功率比例增大，降低机组的热循环效率。而如果再热汽温偏低，不仅会降低机组的热循环效，过低的再热汽温还会造成汽轮机末几级湿度增加，影响机组的运行安全。因此，了解再热汽温在各个典型负荷下对扰动的特点和特性，对控制再热器出口汽温的稳定有着重要意义。