簡介
目前火力發電占我國總發電量70%以上,主力為300～600MW級機組。電網要求機組具有更高的負荷調整範圍和調整速率。機組參與電網一次調頻,負荷變化頻繁,導致機組更多處於動態工況下。快速的負荷變化易導致過熱器、再熱器超溫。燃料性質不穩定、磨煤機啟/停操作影響機組負荷、壓力、汽溫的控制品質。汽溫波動及大量減溫水噴入都影響機組經濟性。許多機組存在低負荷再熱汽溫偏低、高負荷再熱器減溫水噴入量大的問題,嚴重降低機組熱效率。影響再熱器減溫水量的原因多而複雜,如火焰中心、煤質、風煤配比、爐膛結焦等。過量再熱汽減溫水導致再熱器導前汽溫進入飽和區,系統無法投入自動。再熱器管道因結垢、交變熱應力發生損壞 。
對於中小型火電機組而言,再熱汽溫控制系統的研究已經很完善了,許多先進的控制理論和工程方法獲得了套用,一般可以滿足控制品質的要求。但是,許多大容量、高參數火電機組參與一次調頻並且承擔起電網調峰任務,受煤質變化較大的影響,在調節系統的可控性上存在著一些問題,加大了再熱汽溫系統的控制難度。甚至有些問題不僅影響著自動調節的正常投入,而且還制約著機組的出力,甚至會影響機組的安全運行。針對這種情況,本文將從影響大型火電機組再熱汽溫系統的主要擾動和現場普遍採用的串級控制系統的頻域特性方面入手,分析造成再熱汽溫系統控制品質下降的原因。
再熱汽溫控制的特點和要求
這種中間再熱方式的系統,其再熱汽溫控制的特點和要求如下 。
a.控制範圍大,要求高。再熱器進口汽溫取決於汽機高壓缸排汽,它是隨負荷降低面降低的,因此再熱汽溫特性也隨負荷而變化,要求溫度控制的設定值也隨負荷而變化。由於再熱蒸汽壓力低,比熱較過熱蒸汽小,在機組燃燒工況變化時,再熱汽溫的變化較為敏感,面且變化幅度也較過熱蒸汽大。再熱蒸汽對管壁的冷卻能力比過熱蒸汽差(再熱汽放熱係數僅為過熱汽的五分之一左右),因此要求再熱蒸汽溫控制範圍大,動作快。
b.再熱汽溫A、B二路的溫度偏差較大,需要在控制中彌補。為了減少再熱器系統的蒸汽流動阻力,提高機組熱效率,再熱汽沒有採用A、B兩路交叉混合的方法,因此由蒸汽流量和煙氣溫度、通流量不均造成的偏差溫。再熱器系統中減溫噴水的多少直接影響再熱蒸汽量的多少,從面影響中壓缸的出力。在機組負荷不變的情況下,由此影響了高壓缸的出力。中壓蒸汽作功的熱效率較低,中壓缸多作功,整個機組循環熱效率降低。計算表明,少用1%蒸發量的再熱減溫噴水,機組循環熱效率可提高0.2%以上。為使機組經濟運行,要儘量少用再熱減溫噴水。
再熱汽溫控制方法
基於H 理論的狀態變數控制
將大慣性大滯後對象等效成為多容的慣性環節，在此基礎上設計無靜差的狀態反饋控制，針對部分狀態不可測的問題，設計魯棒性較強的狀態觀測器，觀測出這些狀態變數，從結構上說，相當於在系統內部增加了若干個軟測點，使系統能夠快速地檢測到系統內部擾動，及時發出控制信號，維持出口汽溫 。
智慧型控制控制算法
常用的有專家系統、模糊控制、人工神經網路控制以及基於現場套用的仿人工智慧的控制方法。這些算法是根據某個領域一個或多個專家提供的知識和經驗，進行推理和判斷，模擬人腦的智慧型識別和智慧型決策過程，對複雜不確定系統進行有效控制。
套用預測控制方法
比較經典的方法有基於前饋補償解耦設計思想的預測控制和預測函式直接算法。它們都是使用單值預測思想，通過最佳化輸出性能指標，並參考Smith預估思想，在控制律中加入時滯補償來消除時滯和解耦。
套用自適應控制理論的方法
自適應系統能相應的改變和調整控制器的參數，以適應系統特性的變化，保證整個系統的性能指標達到令人滿意的結果，主要有模型參考自適應控制系統、自校正控制系統、自整定PID調節器三種。這些控制方法提高了系統抗外擾的自適應能力，有效地克服了對象的大滯後特性。
套用自抗擾控制技術的方法
自抗擾技術由PID思想發展而來，吸收了現代控制理論的信號處理思想，凡是能用常規PID的場合，就可以採用自抗擾控制器，提高了系統的控制品質和控制精度，具有更強的抗干擾能力和魯棒性 。
先進控制算法與傳統控制方法相結合
如專家PID控制、模糊自整定PID控制、自適應預估等控制方法。這些方法繼承了傳統方法實現簡單，易於調整的優點，又兼顧了系統的快速性、魯棒性等性能要求，利用較先進的思想來輔助控制最佳化控制系統，得到了比較好的控制效果。
先進控制算法之間的結合
如模糊控制與自適應控制相結合，針對不同對象，模糊控制器線上判斷對象特徵，變動模糊集合的劃分，對較大範圍的對象都能取得良好的控制品質；模糊自適應控制與神經網路相結合，利用神經網路強大的學習能力，尋找最優的性能指標，同時用模糊邏輯來調整學習過程，最佳化系統性能；還有預測控制與自適應控制相結合、預控制與神經網路相結合，利用預測控制的先驗性和快速性取得很好的控制效果 。
再熱汽溫的調節方法
汽溫的調節方法很多，可以歸納為蒸汽側調節和煙氣側調節兩大類。蒸汽側調節是指通過改變蒸汽的焓值來調節汽溫，煙氣側調節是指通過改變鍋爐內輻射換熱面和對流受熱面的吸熱量比例或通過改變流經受熱面的煙氣量來調節。對於再熱器有以下幾種常用的汽溫調節方法 ：
（1）噴水減溫法
噴水減溫是將水直接噴入蒸汽中，水被加熱、汽化和過熱，吸收蒸汽中的熱量，達到調節汽溫的目的。噴水減溫法操作方便，調節靈敏，但是向再熱蒸汽噴水會降低機組的熱經濟性，故不作為主要的調節方法，只作為再熱器的事故噴水，少數情況下與其他調溫方式相結合，作為再熱蒸汽的微調方法。
（2）汽-汽熱交換器法
汽-汽熱交換器法是利用高溫高壓的過熱蒸汽來加熱再熱蒸汽，達到調節再熱汽溫的目的，有布置在煙道外和煙道內兩種類型。
（3）煙氣再循環法
煙氣再循環是將省煤器後溫度為 250-350℃的一部分煙氣，利用再循環風機送入爐膛，改變各受熱面的吸熱比例，以調節汽溫。煙氣再循環法要增設再循環風機，使廠用電及維護費用增加，還會使排煙溫度有所增加而使鍋爐熱效率略微降低。
（4）分隔煙道擋板調溫法
當再熱器布置在鍋爐尾部煙道內時，為了調節再熱汽溫，把尾部煙道用隔牆分開，分別將再熱器和低溫過熱器布置在兩個並聯的煙道內，在它們後面布置省煤器，在出口處設有可調煙氣擋板。調節煙氣擋板，可以改變流經兩個煙道的煙氣流量，從而調節再熱汽溫。採用分隔煙道擋板調溫，結構簡單，操作方便，已被許多大型電站鍋爐採用。
（5）調節燃燒火焰中心位置法
擺動式燃燒器多用於燃燒器四角布置鍋爐，調節擺動式燃燒器噴嘴的上下傾角，可以改變爐內高溫火焰中心的位置，從而改變爐膛出口煙氣溫度，達到調節汽溫的目的。這種調溫方法對在爐膛上部和出口附近布置有較多受熱面的再熱器的汽溫調節非常有利，且有很大的靈敏度，但是調節幅度較小，一般與其他調溫方法配合使用。
再熱汽溫系統擾動的特點
影響再熱器出口汽溫的因素很多，鍋爐負荷、受熱面積灰、給水溫度變化、燃料改變和過量空氣係數的變化都會影響再熱汽溫。歸納起來，主要為蒸汽流量、煙氣傳熱量和減溫水量三方面的擾動 。
（1）蒸汽流量的擾動：當機組瞬間發生較大幅度的負荷變動時，由於汽輪機出力變化，蒸汽流量也將發生變化。而蒸汽流量的變化與壓力的變化是耦合的，即流量增大，壓力上升；流量減少，壓力下降。過熱與再熱蒸汽側擾動(如鍋爐與汽機負荷變化所引起的蒸汽流量與溫度的變化)可能導致再熱汽溫的波動達到約士 30℃。
（2）減溫水流量的擾動：減溫水的溫度和流量等變化都會引起汽溫變化。噴水側的擾動可能導致再熱汽溫的波動達到約士 20℃。
（3）煙氣流量的擾動：煙氣的流量和流速發生變化時，對流傳熱量改變了，再熱器內介質吸熱量也相應地改變了，引起再熱汽溫變化。
再熱汽溫受負荷、燃燒、減溫水等多種因素的影響，如果再熱汽溫控制不好，會降低熱效率，造成資源浪費，而且也會出現安全問題。再熱器溫度過高會使金屬管強度的安全係數下降，過高的再熱汽溫還將導致不得不噴入更多的減溫水，增加再熱蒸汽流量，使汽輪機的中、低壓部分功率比例增大，降低機組的熱循環效率。而如果再熱汽溫偏低，不僅會降低機組的熱循環效，過低的再熱汽溫還會造成汽輪機末幾級濕度增加，影響機組的運行安全。因此，了解再熱汽溫在各個典型負荷下對擾動的特點和特性，對控制再熱器出口汽溫的穩定有著重要意義。
