1 000MW超超臨界機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)優(yōu)化的探討

姚瑛瑛，艾春美，曹衛(wèi)峰

（上海上電漕涇發(fā)電有限公司，上海201507）

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是單元制發(fā)電機(jī)組的控制中樞，是現(xiàn)代電站自動(dòng)化系統(tǒng)中最為核心的組成單元?；痣姍C(jī)組熱控自動(dòng)化水平的高低，直接反映了企業(yè)的安全生產(chǎn)、技術(shù)管理水平的高低。隨著單元機(jī)組容量的增加和發(fā)電廠上網(wǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，發(fā)電廠對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性要求越來(lái)越高。如何優(yōu)化協(xié)調(diào)系統(tǒng)及各子系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)，保證機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行越來(lái)越受到人們重視。本文重點(diǎn)介紹上海上電漕涇電廠1 000MW超超臨界火電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)。

1 機(jī)組自動(dòng)化系統(tǒng)概況

1 000 MW超超臨界機(jī)組的塔式直流鍋爐采用Alstom Power公司Boiler GmbH的技術(shù)，根據(jù)燃煤特性、蒸汽參數(shù)特點(diǎn)以及相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)。該鍋爐采用單爐膛單切圓的燃燒方式，低NOx同軸燃燒系統(tǒng)（LNTFSTM），過(guò)熱器采用燃水比加兩級(jí)八點(diǎn)噴水，再熱器采用燃燒器擺動(dòng)、低負(fù)荷過(guò)量空氣系數(shù)調(diào)節(jié)和在進(jìn)口裝設(shè)事故緊急噴水和兩級(jí)再熱器中間裝設(shè)微量噴水。汽輪機(jī)為一次中間再熱，單軸，四缸四排汽，雙背壓凝汽式八級(jí)回?zé)岢槠渲昧?00%高壓旁路及50%低壓旁路，旁路閥門(mén)由B＆R制造并供貨。DCS采用OVATION系統(tǒng)，DEH采用SPPAT3000系統(tǒng)。

1 000 MW超超臨界機(jī)組的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、鍋爐主控、汽輪機(jī)主控及相關(guān)子系統(tǒng)。鍋爐主控包括以下主要子系統(tǒng)：燃料控制系統(tǒng)、過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)、風(fēng)量控制系統(tǒng)等；汽輪機(jī)主控主要包括高、中壓調(diào)門(mén)的控制等。機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化

2.1 鍋爐超調(diào)策略

2.1.1 優(yōu)化前超調(diào)策略

圖2為優(yōu)化前超調(diào)策略。

圖2 優(yōu)化前超調(diào)策略

隨著電力體制的改革，各發(fā)電公司之間的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，電網(wǎng)對(duì)電廠的負(fù)荷響應(yīng)速度要求越來(lái)越高。為了提高機(jī)組的響應(yīng)速度，鍋爐主控采用前饋指令與閉環(huán)校正相結(jié)合的控制模式，即鍋爐側(cè)的控制指令以負(fù)荷前饋為主導(dǎo)，鍋爐指令（煤量、風(fēng)量和水量）跟隨負(fù)荷指令變化而同步變化，以反饋控制作為穩(wěn)態(tài)時(shí)的偏差修正。這樣，在負(fù)荷指令發(fā)生變化時(shí)，提前給鍋爐主控發(fā)一個(gè)超調(diào)信號(hào)，增加超調(diào)環(huán)節(jié)，可以有效地克服鍋爐慣性控制對(duì)象的特性。機(jī)組最初使用的超調(diào)量是根據(jù)負(fù)荷變化的慣性延遲環(huán)節(jié)的時(shí)間參數(shù)，來(lái)設(shè)定超調(diào)的量及超調(diào)復(fù)位的時(shí)間。

2.1.2 運(yùn)行中遇到的問(wèn)題

采用這種控制策略，超調(diào)量以及超調(diào)復(fù)位的時(shí)間都只跟負(fù)荷指令的變化有關(guān)，當(dāng)負(fù)荷指令達(dá)到要求不再變化時(shí)，超調(diào)就復(fù)位了；但當(dāng)時(shí)的實(shí)際負(fù)荷有可能還沒(méi)達(dá)到要求，所以有時(shí)會(huì)發(fā)生超調(diào)不夠的情況，使機(jī)組響應(yīng)電網(wǎng)的速度達(dá)不到既定的要求。

2.1.3 解決方案

為了解決這一問(wèn)題，引入了負(fù)荷偏差、主汽壓力偏差等信號(hào)，將負(fù)荷指令與負(fù)荷偏差和主汽壓力偏差結(jié)合起來(lái)，合成新的超調(diào)曲線；并根據(jù)當(dāng)時(shí)的負(fù)荷偏差和主汽壓力偏差以及負(fù)荷與壓力的變化趨勢(shì)確定超調(diào)的復(fù)位時(shí)間（見(jiàn)圖3）。經(jīng)過(guò)超調(diào)策略的優(yōu)化，機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)得到了有效提高［1］。

圖3 優(yōu)化后超調(diào)策略

2.2 給水控制系統(tǒng)

2.2.1 給水控制策略

1 000 MW超超臨界直流鍋爐的全程給水控制主要分成三個(gè)不同階段方式［2］：A方式為啟動(dòng)及低負(fù)荷運(yùn)行階段，是鍋爐未點(diǎn)火時(shí)的給水控制方式；B方式為亞臨界直流爐運(yùn)行階段，是鍋爐濕態(tài)運(yùn)行下的給水控制方式，即在機(jī)組點(diǎn)火3min后到帶部分負(fù)荷階段（即分離器濕態(tài)運(yùn)行階段）；C方式為超臨界直流爐運(yùn)行階段，是鍋爐直流方式下的給水控制，此時(shí)鍋爐的進(jìn)水流量大于水冷壁最小流量設(shè)定值，且分離器出口已微過(guò)熱，機(jī)組進(jìn)入干態(tài)，一般情況下機(jī)組運(yùn)行在這種模式。

C方式的控制策略如下：

（1）給水控制切換到正常的焓（溫度）的控制，由給水泵控制分離器出口焓值。直流方式下給水指令由如下幾部分組成：

① 給水指令的前饋是給水指令的主導(dǎo)部分，由總?cè)剂狭空鬯愠鼋o水指令，即穩(wěn)態(tài)的煤／水比。為了補(bǔ)償燃料對(duì)熱負(fù)荷的遲延，給水指令前加了二階慣性環(huán)節(jié)，其中慣性時(shí)間T是鍋爐負(fù)荷的函數(shù)［3］。

② 過(guò)熱器進(jìn)口的焓值控制（反饋修正部分）是閉環(huán)的修正回路，過(guò)熱器進(jìn)口的焓控設(shè)定值等于正常焓值（主導(dǎo)）加上焓值修正，其中正常焓值是分離器壓力的函數(shù)，焓值修正根據(jù)水冷壁出口溫度或減溫水流量在一定范圍內(nèi)修正。

當(dāng)水冷壁出口溫度＞MAX SETP.2，焓控設(shè)定值等于分離器壓力對(duì)應(yīng)下的最小焓值，快速加水。

③ 給水指令的限制，包括最小流量限制和煤水交叉限制（燃料對(duì)給水的高限和低限）。

（2）再循環(huán)泵出口調(diào)門(mén)全關(guān)，再循環(huán)泵停。

（3）至疏水?dāng)U容箱的調(diào)門(mén)1和調(diào)門(mén)2控制分離器水位的高限，調(diào)門(mén)1水位定值＝25m，調(diào)門(mén)2水位定值＝28.5m，但當(dāng)分離器壓力＞20MPa時(shí)禁開(kāi)。

2.2.2 運(yùn)行中遇到的問(wèn)題

給水系統(tǒng)的這種控制策略能較好地滿足負(fù)荷變化的響應(yīng)要求，但是在運(yùn)行中發(fā)生了一次水冷壁超溫未能快速加水的現(xiàn)象，此時(shí)水冷壁出口溫度大于480℃，焓值偏差增加大于280kJ／kg，但是給水流量仍然是緩慢上升，快速加水沒(méi)有動(dòng)作，后由運(yùn)行人員手動(dòng)快速加水，降低了水冷壁出口溫度。

2.2.3 解決方案

經(jīng)分析，當(dāng)時(shí)沒(méi)有快速加水的原因是：PID入口沒(méi)有進(jìn)行百分化處理，而PID入口偏差不能超過(guò)100%，即使超過(guò)后比例和積分都只響應(yīng)到100%的偏差。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，對(duì)PID入口進(jìn)行百分化處理，同時(shí)調(diào)整了相應(yīng)PID參數(shù)。另外，考慮溫度的慣性特性，可以考慮提前加水，因此對(duì)快速加水邏輯進(jìn)行了優(yōu)化：原先只有當(dāng)溫度超Tmax2時(shí)才會(huì)快速加水，現(xiàn)增加一種快速加水處理方式，即當(dāng)溫度超Tmax1，且溫度上升速率快時(shí)也會(huì)快速加水，以免發(fā)生超溫的現(xiàn)象。邏輯修改后，又碰到一次特殊工況：1號(hào)鍋爐磨煤機(jī)液壓加載故障造成大量煤粉吹入爐膛，致使分離器出口溫度快速上升（約22K／min），當(dāng)其達(dá)到464℃（當(dāng)時(shí)Tmax1為460℃，Tmax2為480℃）時(shí)快速加水，焓值偏差增加280kJ／kg，給水增加280×0.2×3.5＝196t／h，有效控制了溫升，避免了事故的發(fā)生。

2.3 低壓旁路及再熱器安全門(mén)壓力曲線

2.3.1 控制策略

低壓旁路（以下簡(jiǎn)稱低旁）控制分為鍋爐有火模式（FIRING＝ON）和鍋爐無(wú)火模式（FIRING＝OFF）兩種。

（1）鍋爐無(wú)火模式（FIRING＝OFF）：

①鍋爐停運(yùn)，在凝汽器備好的情況下，通過(guò)低旁控制末級(jí)再熱器壓力。鍋爐正常停運(yùn)時(shí)，低旁關(guān)閉保持再熱器壓力。如果通過(guò)打開(kāi)高壓旁路（簡(jiǎn)稱高旁）來(lái)降低過(guò)熱器壓力時(shí)，低旁的設(shè)定值為高壓旁路設(shè)定值的一半，再熱器壓力通過(guò)低旁控制。

②鍋爐準(zhǔn)備啟動(dòng)時(shí)，在凝汽器備好的情況下再熱器壓力通過(guò)低旁進(jìn)行控制。在吹掃前，低旁壓力設(shè)定值降為汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)壓力設(shè)定值，壓力下降的最大速度約為0.5MPa／min。如果再熱器壓力大于汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)壓力設(shè)定值，再熱器壓力降低至汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)壓力。其余情況下低旁關(guān)閉保持再熱器壓力。

③ 如果再熱器壓力超過(guò)設(shè)計(jì)壓力（7.5MPa），再熱器安全閥打開(kāi)。

（2）鍋爐有火模式（FIRING＝ON）：

①啟動(dòng)階段，鍋爐準(zhǔn)備啟動(dòng)前低旁關(guān)閉。只要高旁開(kāi)度大于3%，低旁切換至壓力控制。壓力設(shè)定值設(shè)置為切換時(shí)的壓力值。低旁打開(kāi)約10%為最小開(kāi)度。當(dāng)汽輪機(jī)同步完成或鍋爐熄火時(shí)，低旁最小開(kāi)度限制取消。低旁逐步打開(kāi)，再熱器壓力隨鍋爐負(fù)荷增加而上升達(dá)到汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)壓力。當(dāng)超過(guò)汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)壓力，或者未超過(guò)沖轉(zhuǎn)壓力但低旁達(dá)到最大開(kāi)度超過(guò)5min，低旁壓力設(shè)定值設(shè)置為再熱器壓力值。低旁設(shè)定值開(kāi)始從實(shí)測(cè)值增加至汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)值。當(dāng)汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)壓力達(dá)到后，低旁在壓力控制下關(guān)閉，汽輪機(jī)能夠接受所有蒸汽。

② 連續(xù)運(yùn)行階段，低旁壓力設(shè)定值根據(jù)負(fù)荷壓力關(guān)系曲線控制。在正常連續(xù)運(yùn)行時(shí)，低旁保持關(guān)閉。當(dāng)汽輪機(jī)發(fā)生擾動(dòng)或汽輪機(jī)跳閘，再熱器壓力超過(guò)低旁設(shè)定值曲線，低旁打開(kāi)。通過(guò)低旁設(shè)定值曲線來(lái)控制再熱器壓力。

③ 再熱器安全閥控制有兩種方式，一種是安全功能，一種是控制功能。再熱器安全閥安全功能打開(kāi)設(shè)定值為7.5MPa，該設(shè)定值為再熱器設(shè)計(jì)壓力，當(dāng)再熱器壓力達(dá)到7.5MPa時(shí)，全部再熱器安全閥均打開(kāi)?？刂乒δ艿脑O(shè)定值為負(fù)荷壓力關(guān)系曲線。如果汽輪機(jī)和低旁均故障時(shí)，再熱器安全閥1和3，打開(kāi)；如果同時(shí)鍋爐負(fù)荷大于50%時(shí)，再熱器安全閥2和4也打開(kāi)。鍋爐滿負(fù)荷、汽輪機(jī)故障時(shí)，再熱器安全閥1和3，以及低旁會(huì)打開(kāi)；如果有必要，再熱器安全閥2和4也會(huì)臨時(shí)打開(kāi)。壓力曲線按照100%負(fù)荷工況下的主蒸汽流量設(shè)計(jì)。

2.3.2 運(yùn)行中遇到的問(wèn)題

由機(jī)組調(diào)試期間的RB、FCB等試驗(yàn)的曲線發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生異常工況時(shí)低旁和再熱器安全門(mén)動(dòng)作并不理想，再熱器安全門(mén)有反復(fù)全開(kāi)的現(xiàn)象發(fā)生，未能最大限度地利用低旁。

2.3.3 解決方案

一方面，核對(duì)低旁及再熱器安全門(mén)的壓力設(shè)定曲線，發(fā)現(xiàn)前者控制的是機(jī)側(cè)的壓力，后者控制的是爐側(cè)的壓力，兩者需進(jìn)行管道壓降的修正；另一方面，當(dāng)發(fā)生FCB時(shí)，將低旁壓力設(shè)定值按一定速率降到2.5MPa，以便低旁能盡快、盡可能地接受更多蒸汽，并根據(jù)凝汽器的最大接收流量，及當(dāng)時(shí)閥前蒸汽的溫度壓力，自動(dòng)計(jì)算低旁的Cv值和閥門(mén)開(kāi)度，作為低旁的最大開(kāi)度限定值，從而保證凝汽器的安全。

2.4 節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

2.4.1 協(xié)調(diào)控制策略

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)有以下控制模式：BF（鍋爐跟隨方式）、TF（汽輪機(jī)跟隨方式）、CBF（以鍋爐跟隨為主的協(xié)調(diào)控制方式）、CTF（以汽輪機(jī)跟隨為主的協(xié)調(diào)控制方式）；爐跟機(jī)或爐跟機(jī)為主導(dǎo)的協(xié)調(diào)控制，指汽輪機(jī)主控控制負(fù)荷，鍋爐主控控制主汽壓力；機(jī)跟爐或機(jī)跟爐為主導(dǎo)的協(xié)調(diào)控制，指鍋爐主控控制負(fù)荷，汽輪機(jī)主控控制壓力［23］。

2.4.2 運(yùn)行中遇到的問(wèn)題

這種控制策略下，汽輪機(jī)調(diào)門(mén)未全開(kāi)，存在節(jié)流損失，為了進(jìn)一步貫徹節(jié)能減排，考慮機(jī)組最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性，機(jī)組在正常運(yùn)行范圍內(nèi)使汽輪機(jī)調(diào)門(mén)始終全開(kāi)，以減少節(jié)流損失［4］；但是汽輪機(jī)調(diào)門(mén)全開(kāi)，機(jī)組就失去了快速響應(yīng)的主要手段，就不能滿足電網(wǎng)快速負(fù)荷響應(yīng)的要求。

2.4.3 解決方案

要實(shí)現(xiàn)節(jié)能的協(xié)調(diào)控制，其關(guān)鍵是解決負(fù)荷指令變化時(shí)，由于汽輪機(jī)調(diào)門(mén)不能利用機(jī)組蓄熱，而鍋爐的慣性特性造成的負(fù)荷響應(yīng)慢的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，應(yīng)用了凝結(jié)水節(jié)流的控制策略，通過(guò)凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷的特性試驗(yàn)，找到凝結(jié)水流量變化引起的負(fù)荷變化量，設(shè)計(jì)出基于凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷的新型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，使機(jī)組能夠在沒(méi)有任何汽輪機(jī)調(diào)門(mén)節(jié)流損失（調(diào)門(mén)全開(kāi)）的工況下，仍然滿足電網(wǎng)快速的變負(fù)荷需求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合漕涇電廠1 000MW超超臨界火電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化項(xiàng)目，從安全的角度對(duì)鍋爐水冷壁超溫和旁路及再熱器安全門(mén)壓力曲線進(jìn)行了優(yōu)化，從經(jīng)濟(jì)的考量對(duì)機(jī)組的鍋爐超調(diào)和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，確保了機(jī)組在滿足電網(wǎng)快速變負(fù)荷的要求下，更經(jīng)濟(jì)、安全地運(yùn)行。

［1］姚峻，祝建飛，金峰.1 000MW機(jī)組節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.中國(guó)電力，2010，43（6）：79-84.

［2］林文孚，胡燕.單元機(jī)組自動(dòng)控制技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2004：56-78.

［3］沙友平，呂劍虹，張斌，等.直流爐一次調(diào)頻控制策略研究與應(yīng)用［J］.中國(guó)電力，2003，36（1）：67-70.

［4］國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).DL／T 657—2006火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗(yàn)收測(cè)試規(guī)程［S］.北京：中國(guó)電力出版社，2007.