百萬千瓦機(jī)組汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)的控制策略

趙志丹，高奎，閆旭彥，王宏杰，陳浩

(西安熱工研究院有限公司，西安市，710032)

0 引言

隨著國家對(duì)節(jié)能減排力度的逐步加大，火電機(jī)組的廠用電率指標(biāo)已成為影響電廠發(fā)電經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要因素。因此，燃煤電廠將鍋爐引風(fēng)機(jī)與脫硫系統(tǒng)的增壓風(fēng)機(jī)合并，并對(duì)合并后的引風(fēng)機(jī)采用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的引風(fēng)機(jī)具有運(yùn)行安全，結(jié)構(gòu)緊湊，自動(dòng)化程度高，節(jié)能效果顯著等特點(diǎn)，是一種比較優(yōu)化的能源利用方式。

某電廠1 036 MW機(jī)組的鍋爐為東方鍋爐廠制造的超超臨界參數(shù)變壓直流鍋爐，鍋爐的2臺(tái)引風(fēng)機(jī)與脫硫系統(tǒng)的2臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)合并，由2臺(tái)汽輪機(jī)(以下的汽輪機(jī)稱作小汽機(jī))驅(qū)動(dòng)的引風(fēng)機(jī)替代。引風(fēng)機(jī)由成都電力機(jī)械廠生產(chǎn)，型號(hào)為HA47436－8Z可調(diào)軸流式;小汽機(jī)由杭州汽輪機(jī)股份有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為NK63/71/0。正常工作汽源采用四段抽汽，啟動(dòng)及調(diào)試用汽為輔助蒸汽。小汽機(jī)設(shè)置獨(dú)立的軸封、真空系統(tǒng)(配置水環(huán)式真空泵3臺(tái))以及獨(dú)立的凝汽器和凝結(jié)水泵。小汽機(jī)控制上采用數(shù)字電液(micro electro hydraulic，MEH)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)用油及潤滑油均來自獨(dú)立的小汽機(jī)供油裝置。

本文僅對(duì)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制策略及順序控制加以論述，而相關(guān)小汽機(jī)輔助系統(tǒng)的控制與給水泵小汽機(jī)的控制基本相同。

1 小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式

如圖1所示，在風(fēng)煙系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上，引風(fēng)機(jī)的入口增加入口吸氣門連通大氣;出口增加啟動(dòng)用調(diào)節(jié)門及啟動(dòng)用循環(huán)煙道插板門，與另1臺(tái)引風(fēng)機(jī)的入口相連接。

(1)引風(fēng)機(jī)調(diào)試期間的啟動(dòng)。

機(jī)組在基建過程或大、小修過程煙道未完全建立的情況下，通過打開入口吸氣門，利用大氣進(jìn)入引風(fēng)機(jī)來對(duì)引風(fēng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)調(diào)試。

(2)機(jī)組啟動(dòng)過程引風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)。

圖1 機(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of fuel-air system

機(jī)組正常啟動(dòng)過程，可同時(shí)建立兩側(cè)煙道的通風(fēng)，同時(shí)對(duì)2臺(tái)引風(fēng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng);也可以在到達(dá)一定負(fù)荷后啟動(dòng)第2臺(tái)引風(fēng)機(jī)，然后并列運(yùn)行。

(3)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，引風(fēng)機(jī)檢修后的啟動(dòng)。

機(jī)組正常運(yùn)行過程，由于小汽機(jī)或引風(fēng)機(jī)出現(xiàn)問題需要檢修，在恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，先打開引風(fēng)機(jī)出口煙氣擋板，入口擋板及靜葉處于關(guān)閉狀態(tài)，啟動(dòng)用調(diào)節(jié)門處于某一位置、啟動(dòng)用循環(huán)煙道插板門處于全開狀態(tài)。引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 000 r/min時(shí)，開啟引風(fēng)機(jī)入口擋板，關(guān)閉啟動(dòng)用調(diào)節(jié)門及啟動(dòng)用循環(huán)煙道插板門。連續(xù)提高引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速至正常運(yùn)行引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速后，調(diào)節(jié)2臺(tái)引風(fēng)機(jī)的靜葉開度，當(dāng)2臺(tái)引風(fēng)機(jī)出力一致后，并列運(yùn)行2臺(tái)引風(fēng)機(jī)，啟動(dòng)過程完成。

2 小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)的順序控制策略

2．1 引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)順序控制

順序啟動(dòng)允許條件見圖2(所有條件相“與”，以B引風(fēng)機(jī)為例)。

(1)引風(fēng)機(jī)A停運(yùn)或“引風(fēng)機(jī)A運(yùn)行且任1臺(tái)送風(fēng)機(jī)運(yùn)行”;

(2)無鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(furnace safety supervision system，F(xiàn)SSS)通風(fēng)請(qǐng)求;

(3)引風(fēng)機(jī)B停運(yùn);

(4)引風(fēng)機(jī)B小汽機(jī)進(jìn)汽壓力、溫度正常;輔汽或四段抽汽供汽門開啟;

圖2 引風(fēng)機(jī)順序啟動(dòng)允許邏輯Fig.2 Permissive logic for sequence starting of ID fan

(5)引風(fēng)機(jī)B小汽機(jī)軸封及真空系統(tǒng)正常運(yùn)行;

(6)引風(fēng)機(jī)B小汽機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)及油系統(tǒng)正常運(yùn)行;

順序啟動(dòng)步序見圖3(執(zhí)行下一步序前，當(dāng)前步序反饋條件相“與”)。

2．2 引風(fēng)機(jī)停止順序控制

順序停止允許條件見圖4(所有條件相“或”)。

(1)少于4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行且冷風(fēng)聯(lián)絡(luò)門全開且送風(fēng)機(jī)A運(yùn)行;

(2)磨煤機(jī)全停。

順序停止步序見圖5。

圖3 引風(fēng)機(jī)順序啟動(dòng)步序Fig.3 Sequence starting procedure of ID fan

圖4 引風(fēng)機(jī)順序停止允許邏輯Fig.4 Permissive logic for sequence stop of ID fan

3 爐膛負(fù)壓控制策略

在自動(dòng)控制上，小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的引風(fēng)機(jī)同樣用于調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓在允許范圍內(nèi)，控制上引風(fēng)機(jī)靜葉調(diào)節(jié)和小汽機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)存在變結(jié)構(gòu)的雙回路控制。引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，小汽機(jī)沖轉(zhuǎn)至200 r/min后，靜葉開至5%并保持;小汽機(jī)沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min后，遙控投入并保持轉(zhuǎn)速不變，此時(shí)，靜葉投入自動(dòng)維持爐膛負(fù)壓。當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)過程隨負(fù)荷的不斷增加，引風(fēng)機(jī)的出力不斷增大，當(dāng)2臺(tái)引風(fēng)機(jī)的靜葉開度均大于70%開度后，爐膛負(fù)壓的靜葉控制回路切至轉(zhuǎn)速控制回路并自動(dòng)投入轉(zhuǎn)速自動(dòng)，靜葉開度保持不變;在單臺(tái)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行的情況下，切至轉(zhuǎn)速控制回路的判斷條件為運(yùn)行引風(fēng)機(jī)靜葉的開度大于70%;在機(jī)組停機(jī)降負(fù)荷過程中，當(dāng)2臺(tái)引風(fēng)機(jī)中任意1臺(tái)轉(zhuǎn)速小于2 650 r/min后，控制回路切至靜葉調(diào)節(jié)并自動(dòng)投入自動(dòng)，引風(fēng)機(jī)維持當(dāng)前轉(zhuǎn)速不變。因此，在控制上機(jī)組正常運(yùn)行為轉(zhuǎn)速控制，啟/停過程會(huì)切至靜葉控制。此外，轉(zhuǎn)速控制回路上具有快速降負(fù)荷(run back，RB)控制的平衡回路。

圖5 引風(fēng)機(jī)順序停止步序Fig.5 Sequence stop procedure of ID fan

(1)靜葉調(diào)節(jié)。此控制回路采用常規(guī)的單回路比例+積分控制，同時(shí)引入送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉的開度指令作為引風(fēng)機(jī)靜葉指令的前饋，在恒定轉(zhuǎn)速3 000 r/min的條件下調(diào)節(jié)負(fù)壓。此回路僅用于機(jī)組啟/停過程的低負(fù)荷階段。

根據(jù)2.1可以，挖掘出的每個(gè)頻繁項(xiàng)集都有一個(gè)鍵鏈表，規(guī)則前件與規(guī)則后件的鍵鏈表相同，同一張表的關(guān)聯(lián)規(guī)則，其置信度計(jì)算是針對(duì)單張表的，多表見的關(guān)聯(lián)規(guī)則，其置信度的計(jì)算是針對(duì)多張表的連接的。因此，可以最大限度地避免統(tǒng)計(jì)偏斜。

(2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。當(dāng)2臺(tái)引風(fēng)機(jī)的靜葉開度均大于70%開度后，爐膛負(fù)壓的控制切至轉(zhuǎn)速控制回路，此回路采用串級(jí)控制，主調(diào)節(jié)器用于控制爐膛負(fù)壓的偏差，調(diào)節(jié)器的輸出指令作為MEH中小汽機(jī)轉(zhuǎn)速副回路的設(shè)定，在主調(diào)節(jié)器中引入送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度指令的函數(shù)作為引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定的前饋，此回路用于機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的調(diào)節(jié)。控制框圖見圖6(轉(zhuǎn)速單位為r/min)。

(3)引風(fēng)機(jī)RB控制策略。在引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制回路中，存在引風(fēng)機(jī)跳閘狀態(tài)下的平衡回路，考慮送風(fēng)機(jī)RB或引風(fēng)機(jī)RB發(fā)生時(shí)，均保留單側(cè)的送、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行，此時(shí)，運(yùn)行的引風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)上(伺服閥)應(yīng)與送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉的調(diào)節(jié)速度(快開)同步。因此，在送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉聯(lián)開的情況下，運(yùn)行引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化率為600 r/min，以保證爐膛負(fù)壓的穩(wěn)定。

4 控制策略的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)

采用汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)的機(jī)組，其控制策略的關(guān)鍵點(diǎn)在于:控制上不僅存在引風(fēng)機(jī)的靜葉調(diào)節(jié)，而且存在小汽機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，控制上的變結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜;2個(gè)控制結(jié)構(gòu)必須通過圖3中的判斷邏輯才能保證相互跟蹤和無擾切換。在自動(dòng)方式下，2個(gè)控制回路中的調(diào)節(jié)器只有1個(gè)處于調(diào)節(jié)狀態(tài)。此外，轉(zhuǎn)速控制方式下的調(diào)節(jié)器參數(shù)整定是一個(gè)串級(jí)控制方式，主回路控制爐膛負(fù)壓必須確保穩(wěn)定性，副回路的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)必須確?？焖傩?。

實(shí)現(xiàn)上述控制策略的難點(diǎn)在于:首先運(yùn)行工況的多變性，包含的運(yùn)行方式如啟動(dòng)過程、單側(cè)運(yùn)行、并列運(yùn)行等，對(duì)機(jī)組的控制提出相關(guān)的要求;其次，2臺(tái)引風(fēng)機(jī)出力的均衡性，要求檢修時(shí)必須保證靜葉的開度指示與機(jī)械角度的相互對(duì)應(yīng)，在機(jī)組運(yùn)行中所要求的75%開度位置上，2臺(tái)引風(fēng)機(jī)的出力是一致的，這樣才能保證上述控制結(jié)構(gòu)切換的正確合理。否則，不能確保在50% ～100%負(fù)荷運(yùn)行區(qū)間引風(fēng)機(jī)一直處于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式。此外，兩側(cè)引風(fēng)機(jī)出力的不平衡，還對(duì)機(jī)組兩側(cè)的排煙溫度產(chǎn)生影響。

在RB控制策略上，由于機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)引風(fēng)機(jī)處于轉(zhuǎn)速控制方式，調(diào)節(jié)較快;當(dāng)送風(fēng)機(jī)RB、引風(fēng)機(jī)RB發(fā)生時(shí)，控制上應(yīng)當(dāng)注意單側(cè)運(yùn)行的送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)快開過程的相互平衡，處于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的引風(fēng)機(jī)在其平衡結(jié)構(gòu)中應(yīng)增加1個(gè)指令的變化率，保證超馳狀態(tài)下，送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)的出力相一致。

圖6 引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制回路及切換邏輯框圖Fig.6 Speed control loop and switching logic diagram for ID fan

5 調(diào)試過程出現(xiàn)的問題及處理措施

(1)第2臺(tái)引風(fēng)機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)，因入口擋板未聯(lián)開而跳閘。

原設(shè)計(jì)中的引風(fēng)機(jī)跳閘條件為:“引風(fēng)機(jī)小機(jī)掛閘且轉(zhuǎn)速大于2 700 r/min延時(shí)60 s后，如果入口擋板關(guān)閉，跳引風(fēng)機(jī)”。而入口擋板的聯(lián)開邏輯為:“引風(fēng)機(jī)小機(jī)掛閘且轉(zhuǎn)速與第1臺(tái)引風(fēng)機(jī)小機(jī)轉(zhuǎn)速偏差小于200 r/min，延時(shí)10 s聯(lián)開入口擋板”。在已有1臺(tái)引風(fēng)機(jī)處于較高轉(zhuǎn)速運(yùn)行(例如3 500 r/min)的情況下，當(dāng)?shù)?臺(tái)引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)至2 700 r/min以上后，由于轉(zhuǎn)速偏差尚未滿足小于200 r/min的條件，故入口擋板不能聯(lián)鎖開啟，但引風(fēng)機(jī)小機(jī)掛閘且轉(zhuǎn)速大于2 700 r/min的條件滿足，因此60 s后引風(fēng)機(jī)跳閘。

針對(duì)以上問題，為保證第2臺(tái)引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)與已經(jīng)運(yùn)行的引風(fēng)機(jī)順利并列，對(duì)引風(fēng)機(jī)入口擋板關(guān)閉跳閘引風(fēng)機(jī)的邏輯進(jìn)行改進(jìn)，從而避免了第2臺(tái)引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)過程中發(fā)生的跳閘情況。

改進(jìn)后邏輯如圖7所示。

圖7 修改后的跳閘邏輯Fig.7 Modified tripping logic

(2)2臺(tái)引風(fēng)機(jī)控制方式不同步造成的爐膛負(fù)壓波動(dòng)。

引風(fēng)機(jī)靜葉調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)切換條件獨(dú)立設(shè)置，單臺(tái)引風(fēng)機(jī)切換條件滿足后即進(jìn)行調(diào)試方式的轉(zhuǎn)換。靜葉調(diào)節(jié)切換至轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的主要判斷條件為:靜葉指令大于70%;轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)切換至靜葉調(diào)節(jié)的主要判斷條件為:小機(jī)轉(zhuǎn)速小于2 650 r/min。為保證運(yùn)行過程中兩側(cè)引風(fēng)機(jī)出力平衡，引風(fēng)機(jī)靜葉及小機(jī)轉(zhuǎn)速可能存在偏差，由此在調(diào)節(jié)方式切換時(shí)，1臺(tái)引風(fēng)機(jī)首先進(jìn)行切換，造成兩側(cè)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方式不同步，一個(gè)在靜葉控制，另一個(gè)在轉(zhuǎn)速控制，引起爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)產(chǎn)生較大波動(dòng)。

針對(duì)這一問題，對(duì)調(diào)節(jié)方式切換條件進(jìn)行改進(jìn)，當(dāng)2臺(tái)引風(fēng)機(jī)靜葉指令均大于70%，靜葉調(diào)節(jié)切換至轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié);當(dāng)2臺(tái)小機(jī)轉(zhuǎn)速均小于2 650 r/min，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)切換至靜葉調(diào)節(jié)。確保2臺(tái)引風(fēng)機(jī)同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)方式切換，從而避免了兩側(cè)引風(fēng)機(jī)因調(diào)節(jié)方式不同造成的爐膛負(fù)壓波動(dòng)。

(3)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路改進(jìn)。

引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路采用單回路控制，通過PID對(duì)爐膛負(fù)壓偏差進(jìn)行運(yùn)算產(chǎn)生引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速指令。由于引風(fēng)機(jī)的出力隨轉(zhuǎn)速不斷改變，因此在不同轉(zhuǎn)速階段采用相同的調(diào)節(jié)參數(shù)已無法滿足調(diào)節(jié)品質(zhì)的要求，因此在不同轉(zhuǎn)速階段對(duì)PID調(diào)節(jié)器采用變參數(shù)控制以確保爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)品質(zhì)。

引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路僅設(shè)置了PID調(diào)節(jié)器，沒有送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令前饋?zhàn)饔?，因此變?fù)荷過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路響應(yīng)遲緩，爐膛負(fù)壓偏差大。針對(duì)這一問題，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路中增加送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令的前饋?zhàn)饔?，以達(dá)到變負(fù)荷過程中引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉間的平衡。

6 變負(fù)荷過程的爐膛負(fù)壓控制曲線

機(jī)組在正常運(yùn)行范圍，2臺(tái)引風(fēng)機(jī)投入轉(zhuǎn)速控制回路后，調(diào)節(jié)曲線見圖8。圖中右側(cè)縱坐標(biāo)數(shù)值從上至下分別代表曲線1—9所對(duì)應(yīng)的值。機(jī)組連續(xù)減負(fù)荷從1 000 MW降至700 MW，負(fù)荷變化率10 MW/min，整個(gè)過程爐膛壓力偏差在±80 Pa之內(nèi)，通過小汽機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓，在各工況下的調(diào)節(jié)品質(zhì)穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速，滿足機(jī)組運(yùn)行的要求。

圖8 機(jī)組爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)曲線Fig.8 Adjustment curves for furnace draft

7 結(jié)論

經(jīng)過汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)調(diào)試及帶負(fù)荷、滿負(fù)荷試運(yùn)，特別是負(fù)荷變動(dòng)試驗(yàn)、自動(dòng)發(fā)電量控制考核試驗(yàn)以及機(jī)組的RB試驗(yàn)，汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)的控制策略滿足機(jī)組各種工況的運(yùn)行需求，不但確保了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且對(duì)提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性提供了新的思路。以電廠運(yùn)行報(bào)表統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，采用汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)的3號(hào)機(jī)組與1號(hào)機(jī)組(同類型機(jī)組采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的引風(fēng)機(jī)及脫硫增壓風(fēng)機(jī))相比較，在小汽機(jī)用的抽汽量未折算為低壓缸做功的情況下，月平均廠用電率分別為3.07%和4.34%。由此可見，采用小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)替代電動(dòng)引風(fēng)機(jī)和電動(dòng)脫硫增壓風(fēng)機(jī)，能獲得很好的經(jīng)濟(jì)效果。

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