控制系统节能优化技术研究与应用探讨

控制系统节能优化技术研究与应用探讨

许明阳朱秀春

(华润电力（贺州）有限公司广西贺州542709)

摘要：燃煤电厂在生产过程中一般通过运行操作优化（运行调度）、主辅机设备节能改造来提高机组经济性，本文通过分析火电厂节能降耗管理措施现状及发展趋势，提出了通过控制系统节能优化技术降低机组能耗的思路，为热控技术管理提供新的理念和方向。

关键词：控制系统节能优化、自动寻优控制、机组协调控制、自动控制节能化

1.概述

在传统燃煤电厂的生产运营管理中，降低机组能耗的措施主要通过运行操作调整、主辅机设备节能改造来实现，然而工艺设备节能改造需要投入大量的改造费用，且经过多年设备优化、调整优化，机务设备、运行调整在节能方面各种方式似乎已用尽，电厂生产运营节能管理该朝哪个方向发展成为了电厂经营管理日夜思索的问题。

2.控制系统节能技术研究探讨

对于火力发电厂来说，考核机组节能降耗关键指标为发电煤耗、厂用电率，要确保上述2个指标处于最低值，机组必须稳定在最佳经济工况运行。

2.2火电厂关键控制系统节能技术概述

2.2.1协调控制系统节能优化

2.2.1.1协调控制系统优化节能优化之“稳”、“准”原则

只要确保控制系统“稳”、“准”即可达到机组节能效果，因此机组协调控制系统需要不断持续改进，提高控制系统稳定性、准确性，将相关控制对象参数控制在机组最佳经济运行工况即可获得巨大的节能效果。

2.2.1.2协调控制系统优化节能优化之“细”原则

2.2.2送风控制系统

笔者所在电厂机组配置双进双出磨煤机制粉系统，根据其制粉系统特点，风量指令是通过负荷指令-风量函数F(x)后，进入超前滞后、惯性环节得到初始的送风指令，回路中的超前滞后环节的采用是为了满足先加风后加煤设置，以满足炉膛的燃烧过程。

对于送风控制系统优化相对比较简单，只需通过试验摸索最佳负荷指令-风量函数F(x)，并结合氧量校正回路优化即可将风量需求控制更加精准，达到降低送、引风机电耗，降低排烟损失和减少NOx排放。

2.2.3氧量自动寻优校正回路

负荷指令产生的风量指令还需考虑到实际煤种的变化情况，常规处理在控制回路中增加氧量校正的环节，以确保燃烧的稳定性和经济性，过高氧量会造成送、引风机电耗增加，锅炉排烟损失增大，同时NOx含量升高，增加下游脱硝设备运行损耗及液氨投量；过低氧量会造成锅炉燃烧不充分、烟气飞灰含碳及COe等不完全燃烧损失增大，同时燃烧产生大量COe对炉膛炉管有腐蚀作用，因此，合适氧量校正曲线对机组运行的稳定性和经济性尤为重要，氧量校正曲线优化对于机组节能具有重要作用。

2.2.4一次风压自动寻优

一次风压控制回路策略一般采用定压或者根据机组负荷滑压方式，然而不管哪一种都是不经济的。

对于一次风压控制系统节能优化，可通过磨煤机入口风压、风量变化，结合机组负荷指令，在线计算一次风压目标值，实现一次风压自动寻优控制。

2.2.5加热器水位自动寻优控制

由于部分机组的水位给定值不科学，需要进行水位调整试验，确定合理的运行水位。试验方法很简单，机组运行平稳后，保持各参数不变，逐步提高加热器水位，观察疏水温度下降情况，当水位提高到疏水温度不再降低时，说明此时已无蒸汽进入水封，然后再考虑适当裕量即为最低水位值，而高水位则以不淹没排空气管为限。同时可在此基础上引入加热器端差等有关运行参数，在线修正加热器运行水位定值，实现自动寻优控制。

3.控制系统节能技术实例

贺州电厂先期于2014年展开“协调控制节能优化技术”、“氧量手动寻优控制”的研究，对相关控制回路进行了初步节能优化，从数据统计看取得了非常可观节能成果，主要优化内容如下：

3.1通过试验寻找锅炉最佳氧量控制模型，对燃烧控制系统氧量动态数学模型进行修正；优化后锅炉燃烧过剩空气系数控制更加精确，提高燃烧效率，降低送、引风机厂用电，使控制系统更佳节能。

3.2贺州电厂制粉系统配置了双进双出磨煤机，入炉煤量无法直接测量，因此采用了软测量模型计算入炉煤量；本次优化对双进双出磨煤机料位与入炉煤量的动态特性数学模型进行深度优化，为负荷风挡板控制系统、协调控制系统控制模型优化提供新的理论依据。使用新模型后，提高入炉煤软测量的准确性，使原软测量偏差30~50吨降低至5~13吨，使控制系统入炉煤量控制更加精准。

3.3对协调控制系统子系统“锅炉主控”比例、积分实施变参数控制策略，解决了原控制系统周期性波动问题；在主汽压力控制回路中增加变负荷过程中压力设定值的自适应产生算法回路，以改善机组变负荷过程中的压力调节品质。

3.4对协调控制汽机指令进行相应的修改，增加机组负荷指令对应函数的前馈量；增加压力解耦控制回，提高主要压力控制品质。

3.5根据南方电网两个考核细则标准，结合机组运营现状，优化一次调频控制回路模型，提高一次调频动作合格率。

3.6优化后降低了送、引风机厂用电率

2014年3月、9月分别对贺州电厂#2、1机组氧量控制动态数学模型进行优化设计后，对锅炉燃烧过剩空气系数控制更加精确，送、引风机电耗大幅降低。

4.优化后控制系统调节品质指标

贺州电厂在对协调控制系统进行节能优化后，各主要技术考核指标均优于1000MW级机组调节系统动、稳态偏差行业标准优良指标。

表一：调节品质对比表

5.优化后效益的分析

5.1产生直接经济效益项目

应用深度优化控制技术后，降低送风机、引风机厂用电量，节约用电成本；机组并网辅助补偿金额增加，提高两个细则考核补偿金额；提高控制系统调节品质，确保机组主要参数在最佳经济工况运行，降低煤耗和环保费用。

5.2节约厂用电量收益

以年发电量85亿kwh计算，优化后送、引风机每年节电量：85亿kwh*(1.12%-0.99%)=1088.1832万kwh；以上网电价0.45元/kwh计算，年节约用电成本：1088.1832万kwh*0.45元/kwh≈489.7万元。

5.3并网考核与补偿方面的经济效益

5.3.1贺州电厂两台1000MW机组协调控制系统进行节能优化技术后，控制系统调节品质大幅提高，确保机组运行各阶段都能投入AGC，因而在每天调峰过程中，投入AGC获得相应补偿。按照南方电网的补偿方式2014年全年AGC补偿费用14万元。

5.3.2本次优化了一次调频控制回路模型，提高一次调频动作合格率，2014年一次调频未因控制原因导致考核；以一次调频考核的概率为50%来计，由于采用本优化技术后，一次调频的考核量将下降，按照南方电网一次调频考核办法、机组可利用小时数5000小时、上网电价0.45元/kwh计算，对应一次调频考核金额：0.05%×200万kwh×5000×50%×0.45元/kwh=112.5万元。

5.3.3并网补偿与考核经济收益=14万+112.5万=126.5万元。

6.控制系统调节品质的提高带来的经济效益

实施本节能优化技术研究成果之后，参数的调整更为精细，可以明显提高机组的经济效益。保守估计可使得机组发电煤耗至少减少0.5g/kwh。按照年发电量85亿kwh计算，两可增加的直接经济效益为：

85亿kwh*0.5g/（kwh）=4250吨

按照每吨煤单价550元计算，年节约支出：

4250万吨*550元/吨≈234万元

另外，节煤后，脱硫与脱销系统消耗的氨气与石灰石减少，根据2014年环保消耗石灰石、液氨、厂用电运行成本按照每万吨煤的耗材、耗电成本大约10.4万元，两台机组年可增加利润为：

0.425万吨*10.4万元/万吨=4.4万元

控制系统调节品质产生收益=234万元+4.4万元=238.4万元

7.不可量化收益

良好的控制系统调节品质增强了机组调度的灵活性，赢得了电网公司的充分信任，这种效应采用经济效益难以衡量。协调控制系统进行节能技术优化前，在煤质较差情况下调节品质较差，容易造成控制系统切除自动，增加运行人员的劳动强度和调高机组安全运行风险，优化后协调控制系统煤种适用性能更强、更稳定。实施该优化技术后锅炉燃烧NOx排放量将降低，因未收集排放量变化数据，暂不做直接效益分析。引领火电厂热控技术管理向节能技术研究方向转换，热控节能技术将在电厂生产管理中取到举足轻重的作用。

8.直接增收节支费用

综上所述，本技术创新项目的年增收、节支费用如下：节约厂用电量收益+两个细则收益+降低供电煤耗收益+环保费用收益+技术服务费=489.7+126.5+234+4.4=854.6万元/年。

结语

在电厂日常运作中，热控技术管理主要停留确保“三率”，即热工自动调节系统、热工主要仪表、热工保护装置投入率及热工保护动作正确率，控制系统节能潜力并没有被大力挖掘，因此进行控制系统节能优化技术的研究意义是重大，只要广大热控技术人员持续探索、创新，即可创造出一套完整控制系统节能技术体系，充分发挥控制系统巨大节能作用，引领电厂节能管理向新方向发展。

参考文献：

1、《信号与线性系统分析》第三版吴大振

2、《热工控制系统》边立秀、周俊霞、赵劲松、杨建蒙

作者简介：

许明阳（1981-），男，工程师，本科，现任华润电力（贺州）有限公司技术支持部副部长

朱秀春（1981-），女，助理工程师，大专。