朱劍英
(上海電力股份有限公司吳涇熱電廠,上海 200241)
上海電力股份有限公司吳涇熱電廠(以下簡稱吳涇熱電廠)8號、9號機(jī)組分別于2010年2月和10月投產(chǎn)。鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界一次中間再熱控制循環(huán)汽包爐(SG-1125/17.50-M737)。汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的引進(jìn)型330 MW亞臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、一次調(diào)整工業(yè)抽汽凝汽式汽輪機(jī)(C330/310-16.7/0.981/538/538)。
8號、9號機(jī)組作為目前華東地區(qū)供熱容量較大的抽汽供熱燃煤機(jī)組,為保障周邊化工園區(qū)高質(zhì)量的供熱需求,機(jī)組控制策略犧牲了變負(fù)荷調(diào)節(jié)性能而換取穩(wěn)定供熱運行,日常采用鍋爐主控開環(huán)控制、汽機(jī)主控控制機(jī)前壓力的機(jī)跟爐(TF)控制方式,造成負(fù)荷調(diào)節(jié)性能差,響應(yīng)延遲長,負(fù)荷波動范圍大,不能適應(yīng)電網(wǎng)自動增益控制(AGC)及一次調(diào)頻要求。通過改進(jìn)8號、9號機(jī)組協(xié)調(diào)及變負(fù)荷控制策略,優(yōu)化機(jī)組AGC變負(fù)荷性能,完善機(jī)組一次調(diào)頻能力,使機(jī)組滿足了電網(wǎng)AGC及一次調(diào)頻性能要求。
機(jī)組抽汽供熱投入后,原有冷凝工況下的機(jī)組調(diào)節(jié)特性明顯不能適應(yīng)機(jī)組日常運行,為保障供熱抽汽品質(zhì),機(jī)組退出協(xié)調(diào)控制轉(zhuǎn)為采用鍋爐主控開環(huán)控制、汽機(jī)主控控制機(jī)前壓力的TF控制方式。機(jī)組負(fù)荷由運行人員通過手動增減煤量實現(xiàn),動態(tài)過程實際負(fù)荷變化延遲時間長,穩(wěn)態(tài)階段機(jī)組負(fù)荷與設(shè)定值偏差較大,不能滿足機(jī)組AGC要求。
為使機(jī)組盡快投入?yún)f(xié)調(diào)控制,汽機(jī)調(diào)門由單閥控制改為順序閥控制后,隨即進(jìn)行各類試驗,觀察機(jī)組負(fù)荷、主汽壓力、抽汽流量、各級汽溫參數(shù)等變化,了解機(jī)組各子系統(tǒng)工作情況、機(jī)組實際負(fù)荷變化速率及主汽壓力變化速率。在此基礎(chǔ)上,針對各系統(tǒng)的相應(yīng)分析實施優(yōu)化。
1.1.1 試驗一
以階躍方式改變機(jī)組燃燒率,用以了解鍋爐出力最大變化速度。鍋爐主控擾動試驗分汽機(jī)主控自動和手動控制兩種,前者汽機(jī)主控保持機(jī)組主汽壓力不變,避免機(jī)組壓力變化影響負(fù)荷變化;后者維持主汽調(diào)門開度不變,通過鍋爐主汽壓力變化,用以觀察機(jī)組主汽壓力和機(jī)組負(fù)荷的自然變化速度。
1.1.2 試驗二
在汽機(jī)主控保持自動且機(jī)組處于穩(wěn)態(tài)工況下,手動將鍋爐主控指令由104 t/h,增至109 t/h,機(jī)組主汽壓力保持恒定,并以滑壓方式與負(fù)荷匹配。此時,機(jī)組負(fù)荷在鍋爐主控變化2 min 12 s后開始上升,經(jīng)過14 min 22 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)260 MW,實測變負(fù)荷速率為1.8 MW/min,整個變化過程中,抽汽流量基本保持穩(wěn)定。
1.1.3 試驗三
在汽機(jī)主控保持手動且機(jī)組處于穩(wěn)態(tài)工況下,手動將鍋爐主控指令由102 t/h,減至99 t/h,機(jī)組負(fù)荷和主汽壓力恢復(fù)穩(wěn)定時間明顯增大。機(jī)組負(fù)荷在鍋爐主控變化4 min 45 s后開始下降,經(jīng)過16 min 21 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)236.5 MW,實測變負(fù)荷速率為-0.83 MW/min,整個變化過程中,抽汽流量基本保持穩(wěn)定。
1.1.4 試驗四
機(jī)組鍋爐主控變化反映至主汽壓力和負(fù)荷純延時基本超過2 min,主汽壓力和負(fù)荷達(dá)到穩(wěn)定需要超過10 min。整個過程為二階慣性環(huán)節(jié)。原有的協(xié)調(diào)控制邏輯采用常規(guī)的PID控制規(guī)律,調(diào)節(jié)效果欠佳,機(jī)組投入?yún)f(xié)調(diào)后,變負(fù)荷及其穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)為主汽壓力靜態(tài)偏差維持在0.4 MPa左右,機(jī)組負(fù)荷靜態(tài)偏差為4 MW左右,變負(fù)荷過程中主汽壓力動態(tài)偏差最大為0.5 MPa,負(fù)荷偏差最大為8 MW,品質(zhì)指標(biāo)不能令人滿意。
1.2.1 汽機(jī)主控策略
1)問題分析 汽機(jī)主控的任務(wù)是通過改變主汽調(diào)門開度實現(xiàn)機(jī)組變負(fù)荷要求。與鍋爐主控前饋不同之處在于,汽機(jī)負(fù)荷指令的函數(shù)轉(zhuǎn)換與鍋爐主控不同。機(jī)組負(fù)荷指令增加后,汽機(jī)主控經(jīng)過前饋和主控PI調(diào)節(jié)共同作用,加快汽機(jī)主汽調(diào)門開啟,滿足變負(fù)荷需求,但主汽調(diào)門開啟過快,會引起機(jī)組主汽壓力急劇降低,增加鍋爐主控調(diào)節(jié)幅度,對機(jī)組穩(wěn)定不利。為此,汽機(jī)主控設(shè)定值在負(fù)荷指令后增加一個慣性延遲,即機(jī)組負(fù)荷指令變化并不直接作用于PI調(diào)節(jié),而是經(jīng)過20 s的慣性延遲再作為汽機(jī)主控指令,雖然在一定程度上緩解了機(jī)組負(fù)荷指令變化速度,減少了汽機(jī)主汽調(diào)門初期變化幅度,從而使主汽壓力在負(fù)荷變化初期波動范圍變窄,但20 s的延遲導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷不能有效地跟隨機(jī)組指令,反而使機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)特性變差。
2)改進(jìn)措施 在汽機(jī)主控指令上刪去原有延遲環(huán)節(jié),加快機(jī)組變負(fù)荷響應(yīng)速度。
1.2.2 鍋爐主控策略
1)問題分析 鍋爐主控的主要任務(wù)是通過改變機(jī)組燃燒率(穩(wěn)定機(jī)組主汽壓力)的同時將機(jī)組負(fù)荷指令經(jīng)過函數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入鍋爐主控前饋。也就是說,機(jī)組在加負(fù)荷過程中,倘若主汽壓力高于設(shè)定值,則鍋爐主控輸出信號不能及時反應(yīng)。在增加前饋作用后,鍋爐主控對負(fù)荷變化要求跟隨性能增加。原邏輯中使用經(jīng)過速率限制后的負(fù)荷指令,面對大范圍負(fù)荷變動,主汽壓力波動范圍擴(kuò)大,使得鍋爐主控PI調(diào)節(jié)作用大于前饋變化,導(dǎo)致燃燒率超調(diào)。
2)改進(jìn)措施 適當(dāng)提高前饋變化速率,有效抑制主汽壓力波動對鍋爐主控影響,使機(jī)組燃燒率以機(jī)組負(fù)荷為主,主汽壓力為輔,著力提高機(jī)組負(fù)荷跟隨性。
1.2.3 制粉系統(tǒng)一次風(fēng)控制策略
1)問題分析 由于鍋爐原磨煤機(jī)入口的一次風(fēng)量測量偏差較大以及測量裝置容易發(fā)生堵塞,使得磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量不能準(zhǔn)確測量,導(dǎo)致熱風(fēng)門只能以煤量指令決定開度,不能有效調(diào)高機(jī)組燃燒效率。
2)改進(jìn)措施 通過改進(jìn)磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量測量裝置,使得一次風(fēng)量值能夠滿足控制要求。將原有控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化并對磨煤機(jī)風(fēng)量系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后,機(jī)組變負(fù)荷時能夠明顯調(diào)高磨煤機(jī)出力速度。制粉系統(tǒng)一次風(fēng)控制策略優(yōu)化前后對比圖,如圖1所示。
圖1 制粉系統(tǒng)一次風(fēng)控制邏輯
1.2.4 熱量修正控制策略
1)問題分析 基建調(diào)試結(jié)束后,熱量修正是通過主汽流量和燃煤量比例的不同,引導(dǎo)機(jī)組制粉系統(tǒng)根據(jù)煤質(zhì)變化改變?nèi)剂狭?,造成機(jī)組主汽流量不能很好地表達(dá)機(jī)組輸出能量。
2)改進(jìn)措施 改為機(jī)組負(fù)荷疊加抽汽流量,采取這一措施后,機(jī)組當(dāng)前熱量修正后能夠較好地反映煤質(zhì)波動情況。
1.2.5 氧量控制策略
1)問題分析 送風(fēng)控制采用氧量信號校正送風(fēng)給定值的控制策略?;ㄕ{(diào)試結(jié)束后,風(fēng)量控制指令一直偏大,機(jī)組投運后即影響了協(xié)調(diào)控制又降低了效率。
2)改進(jìn)措施 通過鍋爐燃燒優(yōu)化試驗,對氧量設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整,提高了風(fēng)量控制品質(zhì)。優(yōu)化前后對應(yīng)負(fù)荷的氧量設(shè)定值,如表1所示。
表1 優(yōu)化前后對應(yīng)負(fù)荷的氧量設(shè)定值 %
1.2.6 滑壓定值控制策略
1)問題分析 基建調(diào)試結(jié)束,機(jī)組主汽壓力設(shè)定采用定—滑—定方式運行。為了避免機(jī)組抽汽供熱不足,汽輪機(jī)廠家不推薦在230 MW以下工況運行。因而,在230~300 MW區(qū)間,主汽壓力設(shè)定為滑—定方式。負(fù)荷指令為230 MW時,主汽壓力設(shè)為15.54 MPa;負(fù)荷指令為247 MW時,主汽壓力設(shè)為16.70 MPa;負(fù)荷指令為360 MW時,主汽壓力設(shè)為16.70 MPa。
若負(fù)荷指令從230 MW增加至247 MW,則增加的17 MW負(fù)荷,其對應(yīng)的主汽壓力也要增加至1.16 MPa。由于負(fù)荷變化對應(yīng)的主汽壓力變化需經(jīng)過二階慣性環(huán)節(jié),因而主汽壓力設(shè)定也需相應(yīng)延遲,才能匹配實際壓力變化。
AGC運行過程中,負(fù)荷指令可能在230~250 MW區(qū)間往返波動,此時主汽壓力設(shè)定值不僅不能有效跟蹤當(dāng)前負(fù)荷指令,而且由于變化幅度超過1 MPa,容易使鍋爐主控壓力調(diào)節(jié)過調(diào),對安全運行不利。
為此,在260 MW和230 MW負(fù)荷下,分別測定汽輪機(jī)不同進(jìn)汽壓力下的機(jī)組熱耗率,確定機(jī)組定—滑壓優(yōu)化運行方式以及較佳進(jìn)汽壓力參數(shù),為機(jī)組定—滑壓運行時的優(yōu)化控制提供技術(shù)依據(jù)。在定壓運行方式下,機(jī)組負(fù)荷為260 MW,主蒸汽壓力為16.7 MPa,得到修正后的運行熱耗率為7698.6 kJ/(k W·h)。在滑壓運行方式下,機(jī)組負(fù)荷為260 MW,主蒸汽壓力為16.1 MPa,得到運行熱耗率為7699.9 kJ/(k W·h),與定壓運行方式下修正后的運行熱耗率基本相同。同樣,負(fù)荷為260 MW,主蒸汽壓力為15.1 MPa,得到運行熱耗為7758.3 kJ/(k W·h),相比前兩者運行經(jīng)濟(jì)性要差一些。負(fù)荷為230 MW,主蒸汽壓力為16.2 MPa,得到運行熱耗為7832.2 kJ/(k W·h);當(dāng)主蒸汽壓力為15.1 MPa時,得到運行熱耗為7829.6 kJ/(k W·h),兩者熱耗率接近。
2)改進(jìn)措施 通過試驗結(jié)果的分析和比較,機(jī)組負(fù)荷在260~230 MW區(qū)間,汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力設(shè)定在約16.2 MPa,機(jī)組運行經(jīng)濟(jì)性相對較好。綜合機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮,最終確定在300~230 MW負(fù)荷指令變動區(qū)間,主汽壓力設(shè)定為定壓方式,定值為16 MPa。
1.2.7 抽汽變化對機(jī)組負(fù)荷控制策略
1)存在問題 通過相鄰機(jī)組抽汽流量變化,觀察機(jī)組負(fù)荷、主汽壓力、抽汽流量各級汽溫參數(shù)等變化。檢測抽汽流量變化對實際負(fù)荷和主汽壓力影響。鍋爐主控保持手動不變,汽機(jī)主控保持自動維持機(jī)組主汽壓力穩(wěn)定,相鄰機(jī)組抽汽減少10 t/h,機(jī)組參數(shù)變化情況為即便抽汽流量緩慢變化,10 t/h抽汽也可以0.54 MW/min變化速率影響機(jī)組6 MW,而且容易引起機(jī)組主汽壓力波動,影響機(jī)組穩(wěn)定運行。
在加負(fù)荷過程中,汽機(jī)調(diào)門加大開度增加汽輪機(jī)進(jìn)汽流量,抽汽聯(lián)通閥壓力調(diào)節(jié)器因閥前壓力上升而開大抽汽聯(lián)通閥,維持抽汽流量不變?;ㄕ{(diào)試期間,由于工業(yè)抽汽并未投運,因此抽汽聯(lián)通閥壓力調(diào)節(jié)器作用較弱,機(jī)組升降負(fù)荷時,抽汽聯(lián)通閥壓力調(diào)節(jié)器不能及時跟隨調(diào)門開度變化,導(dǎo)致進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量一部分分配至工業(yè)抽汽,沒有轉(zhuǎn)化為電負(fù)荷,減緩機(jī)組負(fù)荷變化速率,也造成汽機(jī)主控和抽汽聯(lián)通閥壓力調(diào)節(jié)存在一定程度共振,影響了機(jī)組變負(fù)荷性能。
2)改進(jìn)措施 加大抽汽聯(lián)通閥壓力調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用,使機(jī)組負(fù)荷變化過程中,抽汽聯(lián)通閥壓力調(diào)節(jié)器及時跟隨汽機(jī)調(diào)門變化,用以減少工業(yè)抽汽對機(jī)組電負(fù)荷影響。
1.2.8 變負(fù)荷控制策略
1)問題分析 基建結(jié)束后,所構(gòu)筑的變負(fù)荷控制策略,由負(fù)荷指令變化的微分、經(jīng)過主汽壓力定值與實際主汽壓力偏差的修正,再疊加主汽壓力設(shè)定值變化的微分而成。原變負(fù)荷控制策略簡圖如圖2所示。
圖2 原機(jī)組協(xié)調(diào)及變負(fù)荷控制策略圖
由圖2可以看出,機(jī)組變負(fù)荷控制策略是以負(fù)荷指令微分和主汽壓力設(shè)定微分為主。為避免機(jī)組增加負(fù)荷時,主汽壓力高于設(shè)定值而使機(jī)組燃燒率超調(diào),在負(fù)荷指令微分中輔以主汽壓力偏差修正,增負(fù)荷主汽壓力高于定值時,超調(diào)修正值減少,負(fù)荷指令微分?jǐn)?shù)值不變的情況下,乘以一個小的修正值,使總體超調(diào)減弱,達(dá)到智能調(diào)整超調(diào)的效果。
在基建調(diào)試階段,機(jī)組滑壓特性曲線設(shè)置在230~247 MW范圍內(nèi)變化,其壓力定值相應(yīng)在15.4~16.7 MPa區(qū)間內(nèi)變化。一旦機(jī)組負(fù)荷指令高于247 MW,機(jī)組處于定壓運行,此時主汽壓力設(shè)定值微分為0,不再起作用;與此同時,負(fù)荷指令在230~247 MW范圍內(nèi)波動,受設(shè)定值延遲時間影響,設(shè)定值微分作用不能真實同步于機(jī)組能量缺失。因而,此刻主汽壓力定值微分對機(jī)組超調(diào)的作用可以忽略。
由圖2可以看出,汽機(jī)主控設(shè)有壓力“拉回”回路F5(X)。當(dāng)主汽壓力波動超過設(shè)定值±0.5 MPa時,汽機(jī)主控設(shè)定值增加壓力修正。即主汽壓力小于設(shè)定值0.5 MPa后,汽機(jī)主控設(shè)定值減少一定數(shù)值,使汽機(jī)主控輸出增方向速度減弱甚至反向,通過主汽調(diào)門關(guān)來減輕主汽壓力向下趨勢。也就是說,通過犧牲負(fù)荷調(diào)節(jié)品質(zhì),換取機(jī)組主汽壓力的穩(wěn)定。
在基建調(diào)試階段,該超調(diào)控制策略基本能滿足冷凝工況下AGC需要。機(jī)組實行抽汽供熱后,在變負(fù)荷過程中,機(jī)組調(diào)門開啟并不能同步增加負(fù)荷,而是一部分分配至供熱,因而變負(fù)荷速度相比原先冷凝工況慢,主汽壓力波動幅度隨著放大,汽機(jī)主控“拉回”回路頻繁動作,機(jī)組負(fù)荷和負(fù)荷指令偏差擴(kuò)大,導(dǎo)致機(jī)組AGC性能變差。機(jī)組變負(fù)荷初期,實際負(fù)荷不隨負(fù)荷指令上升,主要受汽機(jī)主控壓力“拉回”回路的影響。
2)改進(jìn)措施 在鍋爐超調(diào)部分,由于機(jī)組對滑壓曲線進(jìn)行了優(yōu)化,機(jī)組AGC工作范圍變?yōu)?6 MPa定壓運行,因而,主汽壓力定值微分失去意義,故刪去此部分邏輯。同時,原有的超調(diào)修正由乘法改為加法,提高了主汽壓力在原先超調(diào)中的權(quán)重,機(jī)組增加負(fù)荷時,若主汽壓力過高,機(jī)組超調(diào)修正可能出現(xiàn)負(fù)數(shù),以使機(jī)組更智能地修正變負(fù)荷過程中的壓力變化。
汽機(jī)主控部分則增加汽壓“拉回”回路控制邏輯,機(jī)組變負(fù)荷工況,取消“壓力”拉回回路的影響,使機(jī)組負(fù)荷完全跟隨機(jī)組負(fù)荷指令,做到及時響應(yīng),并在動態(tài)過程消除控制偏差。優(yōu)化后機(jī)組協(xié)調(diào)及變負(fù)荷控制策略原理圖,如圖3所示。
采取優(yōu)化措施后,機(jī)組以3 MW/min實際變負(fù)荷速率變化40 MW負(fù)荷的AGC運行。機(jī)組穩(wěn)態(tài)時,主汽壓力靜態(tài)偏差維持在0.2 MPa之內(nèi),機(jī)組負(fù)荷靜態(tài)偏差2 MW之內(nèi),變負(fù)荷過程主汽壓力動態(tài)偏差最大為0.57 MPa,負(fù)荷偏差最大為2 MW,品質(zhì)指標(biāo)令人滿意,完全能夠滿足電網(wǎng)調(diào)度AGC要求。
圖3 優(yōu)化后機(jī)組協(xié)調(diào)及變負(fù)荷控制策略圖
通過改變汽機(jī)主控(調(diào)門開度)輸出指令,觀察機(jī)組負(fù)荷、主汽壓力、抽汽流量各級汽溫參數(shù)等變化。在類似一次調(diào)頻動作工況下,機(jī)組可反映出實際負(fù)荷和主汽壓力變化。
在汽機(jī)主控保持手動工況且機(jī)組處于穩(wěn)態(tài)工況下,手動將主控指令在207 MW和215 MW間變化。在主控手動增減5 MW情況下,機(jī)組負(fù)荷延遲6 s左右開始變化,變化幅度為4~5 MW。抽汽流量延遲12 s變化,變化幅度約3 t/h。
在汽機(jī)主控手動增減8 MW情況下,機(jī)組負(fù)荷延遲4 s開始變化,變化幅度為4~6 MW。抽汽流量延遲6 s變化,變化幅度約為3 t/h。隨著汽機(jī)主控變化幅度增加,主汽壓力變化幅度增大,抽汽流量波動幅度也相應(yīng)變大,機(jī)組穩(wěn)定性變差。汽機(jī)調(diào)門動作幅度過大過快,抽汽聯(lián)通閥不可能同步變化以保證抽汽流量一成不變。因而,若電網(wǎng)一次調(diào)頻動作幅度達(dá)到上限,機(jī)組調(diào)門瞬間大幅開啟的情況下,不可避免地會影響供熱抽汽品質(zhì),引發(fā)系統(tǒng)震蕩,造成機(jī)組不能安全穩(wěn)定運行。
抽汽供熱機(jī)組汽機(jī)調(diào)門開啟的邊界條件,使得一次調(diào)頻調(diào)節(jié)參數(shù)不能等同于冷凝工況運行機(jī)組。基建調(diào)試結(jié)束后,原定協(xié)調(diào)側(cè)和DEH側(cè)一次調(diào)頻的參數(shù)設(shè)置如表2所示。
經(jīng)過一系列汽機(jī)主控調(diào)門試驗調(diào)整后,在確保機(jī)組一次調(diào)頻功能最大程度滿足調(diào)度要求的前提下,兼顧機(jī)組安全,重新設(shè)置機(jī)組一次調(diào)頻參數(shù),優(yōu)化后協(xié)調(diào)側(cè)和DEH側(cè)一次調(diào)頻的參數(shù)設(shè)置,如表2所示。
表2 協(xié)調(diào)側(cè)和DEH側(cè)一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置
2011年底,上海電網(wǎng)2臺1000 MW機(jī)組接連跳閘,吳涇熱電廠8號和9號機(jī)組一次調(diào)頻動作正常,電廠各參數(shù)運行平穩(wěn),沒有出現(xiàn)大范圍震蕩現(xiàn)象,達(dá)到了電網(wǎng)調(diào)度要求。
目前,吳涇熱電廠8號和9號機(jī)組在抽汽供熱工況下,負(fù)荷范圍在230~300 MW內(nèi),具有以3 MW/min負(fù)荷變化速率參與電網(wǎng)調(diào)度AGC的能力,并能根據(jù)上海市電力公司調(diào)度通信中心對調(diào)速系統(tǒng)整定單的要求,滿足轉(zhuǎn)速不等率為4%,幅度為±6 MW的一次調(diào)頻動作要求。機(jī)組穩(wěn)態(tài)運行時,主汽壓力靜態(tài)偏差維持在0.2 MPa之內(nèi),機(jī)組負(fù)荷靜態(tài)偏差維持在2 MW之內(nèi),變負(fù)荷過程中主汽壓力動態(tài)偏差最大為0.57 MPa,負(fù)荷偏差最大為2 MW,達(dá)到火電廠模擬量控制系統(tǒng)驗收測試規(guī)程中優(yōu)良品質(zhì)指標(biāo),為電廠穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)運行奠定了良好的基礎(chǔ)。