600 MW超臨界W火焰鍋爐機(jī)組協(xié)調(diào)及主汽溫度控制優(yōu)化

劉波(大唐華銀金竹山火力發(fā)電分公司，湖南婁底417505)

金竹山火力發(fā)電分公司3號機(jī)組為雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)配“W”火焰鍋爐超臨界機(jī)組，鍋爐燃燒難于控制，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)不理想，特別是難以滿足電網(wǎng)快速負(fù)荷調(diào)度的要求，使用過各種傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，但一直不能滿足AGC調(diào)節(jié)要求，經(jīng)常受到調(diào)度部門考核。因此，研究開發(fā)新的協(xié)調(diào)及主汽溫度控制策略非常有必要。

國內(nèi)有利用焓值計(jì)算進(jìn)行主汽溫度調(diào)節(jié)的研究，卻沒有利用焓值計(jì)算協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)工作的先例。通過試驗(yàn)研究、摸清運(yùn)行規(guī)律、完善協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，率先實(shí)現(xiàn)利用主汽溫度焓值計(jì)算，進(jìn)行協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)品質(zhì)達(dá)到優(yōu)良水平，成功解決了雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)配“W”火焰鍋爐超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和主汽溫度調(diào)節(jié)難題。

1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)策略設(shè)計(jì)

1.1 優(yōu)化給水控制策略，提高汽溫調(diào)節(jié)能力

在超臨界機(jī)組汽溫調(diào)節(jié)過程中，往往出現(xiàn)減溫水調(diào)門全關(guān)的情況下主汽溫度仍然偏低、減溫水調(diào)門全開的情況下主汽溫度仍然偏高的情況，其中有受熱面設(shè)計(jì)問題、煤質(zhì)變化問題，但是往往忽視了調(diào)節(jié)策略設(shè)計(jì)問題。調(diào)節(jié)減溫水流量是快捷、有效的主汽溫度調(diào)節(jié)手段，在減溫水有調(diào)節(jié)余量的情況下一般能夠滿足要求。經(jīng)過對超臨界機(jī)組汽溫調(diào)節(jié)過程的長期分析，認(rèn)為應(yīng)將給水流量控制作為汽溫調(diào)節(jié)的粗調(diào)，通過改變給水流量控制策略，使汽溫調(diào)節(jié)長期處于減溫水的可調(diào)范圍，以提高汽溫調(diào)節(jié)品質(zhì);通過增加中間點(diǎn)焓值控制、噴/水比調(diào)節(jié)等手段，對給水自動(dòng)控制系統(tǒng)的總給水指令進(jìn)行修正，以提高主汽溫度調(diào)節(jié)效果。

1)微過熱蒸汽焓值修正

對于超臨界直流爐，給水控制的主要目的是保證燃/水比，同時(shí)實(shí)現(xiàn)過熱汽溫的粗調(diào)，用分離器出口微過熱蒸汽焓對燃/水比進(jìn)行修正。

2)中間點(diǎn)溫度

本項(xiàng)目采用中間點(diǎn)溫度 (即分離器出口溫度)對微過熱蒸汽焓定值進(jìn)行修正。當(dāng)中間點(diǎn)溫度過高，微過熱蒸汽焓定值立即切到最低焓，快速修改燃/水比、增加給水量。當(dāng)中間點(diǎn)溫度低于過熱度，表明分離器處于濕態(tài)運(yùn)行，此時(shí)焓值修正切為手動(dòng)。

3)噴/水比

如果噴/水比過大 (或過小)，即流過水冷壁的給水量過小 (或過大)，用噴/水比修正微過熱蒸汽焓定值 (即修正燃/水比)，改變給水流量，使過熱減溫噴水處于良好的控制范圍內(nèi)。

1.2 設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)燃料超前調(diào)節(jié)策略

1)未經(jīng)限速負(fù)荷指令與實(shí)際負(fù)荷的偏差對燃料的提前干預(yù)

燃煤火電機(jī)組變負(fù)荷初期，由于鍋爐燃燒滯后的原因，往往造成壓力波動(dòng)。負(fù)荷增加的時(shí)候因汽輪機(jī)調(diào)節(jié)速度快，鍋爐燃燒響應(yīng)相對較慢，蒸汽消耗大于鍋爐熱負(fù)荷供給，主蒸汽壓力一般都會降低;反之負(fù)荷減小的時(shí)候主汽壓力會上升。往往鍋爐燃燒的調(diào)節(jié)效果還沒有得到體現(xiàn)的時(shí)候，壓力偏差已經(jīng)超過了規(guī)程要求，由于PID調(diào)節(jié)參數(shù)的原因，壓力偏差過大又造成燃燒超調(diào)，等到因變負(fù)荷增加的燃料充分燃燒，鍋爐熱負(fù)荷供應(yīng)大于汽輪機(jī)蒸汽消耗，又會造成壓力反向超調(diào)，導(dǎo)致變負(fù)荷過程中或變負(fù)荷結(jié)束后主汽壓力反復(fù)波動(dòng)。

經(jīng)過分析運(yùn)行人員操作習(xí)慣，了解鍋爐燃燒特性，確認(rèn)在變負(fù)荷初期，超前增加燃料是必要的，因此提出“未經(jīng)限速負(fù)荷指令與實(shí)際負(fù)荷的偏差對燃料的超前調(diào)節(jié)策略”，限幅以后未經(jīng)限速的負(fù)荷指令減去實(shí)際負(fù)荷產(chǎn)生負(fù)荷偏差信號，經(jīng)過函數(shù)運(yùn)算，產(chǎn)生對入爐燃料指令的前饋信號，SAMA圖見圖1。

圖1 未經(jīng)限速負(fù)荷指令形成燃料指令前饋

該前饋?zhàn)饔玫膬?yōu)點(diǎn)是變負(fù)荷前期能夠加快鍋爐燃燒調(diào)節(jié)過程，變負(fù)荷后期前饋?zhàn)饔弥饾u減少，最終回歸到0，不會對穩(wěn)態(tài)的燃料調(diào)節(jié)造成干擾。

2)限速以后負(fù)荷指令對燃料的預(yù)估調(diào)節(jié)

鍋爐燃燒調(diào)節(jié)要求穩(wěn)定精確，這樣能夠減少燃料波動(dòng)，也可減小爐膛壓力的波動(dòng)，有效避免因?yàn)槿剂线^度調(diào)節(jié)造成滅火，防止機(jī)組非正常停機(jī)，有利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，避免機(jī)組非正常停機(jī)造成電網(wǎng)頻率波動(dòng)。

具體策略是限幅、限速且未疊加一次調(diào)頻信號的負(fù)荷指令，經(jīng)過函數(shù)運(yùn)算以后作為燃料指令的前饋。在實(shí)際應(yīng)用中，函數(shù)的設(shè)置需要查看機(jī)組負(fù)荷和燃料總指令的歷史運(yùn)行情況，記錄各種穩(wěn)定負(fù)荷工況下的燃料總指令的數(shù)據(jù)，通過綜合分析，估算各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的燃料總指令。

設(shè)計(jì)限速以后的負(fù)荷指令對燃料的預(yù)估調(diào)節(jié)，就是考慮穩(wěn)定燃料的供給。經(jīng)限幅限速以后的負(fù)荷指令信號性能穩(wěn)定、無反復(fù)波動(dòng)和毛刺，不容易出現(xiàn)壞質(zhì)量情況。

2 新協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)試驗(yàn)過程

在生產(chǎn)現(xiàn)場熱工自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入的情況下，通過外擾作用和定值擾動(dòng)作用，人為地改變系統(tǒng)工況，以考驗(yàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作質(zhì)量和整定調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)，改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。調(diào)節(jié)品質(zhì)用以衡量和評價(jià)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作的質(zhì)量優(yōu)劣、高低，可以歸納為穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性3個(gè)方面。協(xié)調(diào)變負(fù)荷，就是通過CCS系統(tǒng)人為地以一定的變負(fù)荷速率來增加或減少負(fù)荷，通過一定的負(fù)荷擾動(dòng)量檢驗(yàn)給水、主汽溫、再熱汽溫、燃燒和爐膛壓力等主要調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)是否符合要求。

在機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式下，600 MW等級直吹式機(jī)組在70%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)，負(fù)荷指令以2%Pe/min的變化速率、負(fù)荷變動(dòng)量為ΔP=15%Pe進(jìn)行負(fù)荷單向變動(dòng)試驗(yàn)，機(jī)組各主要被調(diào)參數(shù)的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)品質(zhì)合格指標(biāo)，如表1。

表1 機(jī)組各主要被調(diào)參數(shù)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)品質(zhì)指標(biāo)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及檢查

課題組人員對3號機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括穩(wěn)態(tài)偏差試驗(yàn)、主汽壓力定值擾動(dòng)試驗(yàn)和協(xié)調(diào)變負(fù)荷試驗(yàn)。

對新協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了檢查，將原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)切換到新的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，切換過程沒有產(chǎn)生擾動(dòng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。新協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)燃燒調(diào)節(jié)采用單PID調(diào)節(jié)，機(jī)、爐主控PID參數(shù)記錄如下:

燃燒主調(diào):K=1;Kp=2;Ki=1.5。

汽機(jī)主調(diào):K=0.13;Kp=0.8;Ki=1.3。

2.2 主汽壓穩(wěn)態(tài)偏差試驗(yàn)

維持機(jī)組穩(wěn)定，燃燒自動(dòng)投入，維持主汽壓在設(shè)定值22.5 MPa左右穩(wěn)定運(yùn)行15 min，記錄主汽壓變化，穩(wěn)態(tài)偏差為-0.22 MPa。

2.3 主汽壓力定值擾動(dòng)試驗(yàn)

1)主汽壓力定值增試驗(yàn)

機(jī)組負(fù)荷調(diào)度處于AGC狀態(tài)，維持機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，燃燒自動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)，主汽壓力處于定壓運(yùn)行狀態(tài)，壓力約為22.5 MPa，由運(yùn)行人員在操作員站將設(shè)定值增加至23 MPa，維持穩(wěn)定運(yùn)行20 min，壓力穩(wěn)定時(shí)間約為3 min。

2)主汽壓力定值減試驗(yàn)

機(jī)組負(fù)荷調(diào)度處于AGC狀態(tài)，維持機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，燃燒自動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)，主汽壓力處于定壓運(yùn)行狀態(tài)，壓力約為23 MPa，由運(yùn)行人員在操作員站將設(shè)定值減少至22.5 MPa，維持穩(wěn)定運(yùn)行20 min，壓力穩(wěn)定時(shí)間約為8 min。

2.4 協(xié)調(diào)變負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)

1)協(xié)調(diào)減負(fù)荷試驗(yàn)

退出AGC狀態(tài)，機(jī)組維持協(xié)調(diào)運(yùn)行狀態(tài)，維持鍋爐負(fù)荷在490 MW左右穩(wěn)定運(yùn)行，協(xié)調(diào)、給水、汽溫、引風(fēng)等主要自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入自動(dòng)。主汽溫度設(shè)定值為568℃，爐膛壓力設(shè)定值為-50 Pa。由運(yùn)行人員進(jìn)行協(xié)調(diào)減負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)的操作，將機(jī)組負(fù)荷從490 MW減少到410 MW，指令變化時(shí)間大約為7.5 min，然后維持穩(wěn)定20 min左右。由于運(yùn)行人員設(shè)置的負(fù)荷下限限制，負(fù)荷指令在450 MW保持了100 s。記錄負(fù)荷指令、機(jī)組功率、主汽壓力、主汽壓力設(shè)定、主汽溫度、給水流量、爐膛壓力等主要參數(shù)變化趨勢。機(jī)組負(fù)荷及主要參數(shù)穩(wěn)定后結(jié)束試驗(yàn)。

負(fù)荷指令變化時(shí)間為9 min，扣除負(fù)荷指令保持時(shí)間，實(shí)際變化時(shí)間約為440 s，實(shí)際負(fù)荷變化量為77 MW。不扣除指令保持時(shí)間，實(shí)際負(fù)荷變化率為8.6 MW/min;剔除負(fù)荷指令保持時(shí)間，實(shí)際負(fù)荷變化率為1.05 MW/min，平均變負(fù)荷速率為9.3 MW/min。

2)協(xié)調(diào)增負(fù)荷試驗(yàn)

退出AGC狀態(tài)，機(jī)組維持協(xié)調(diào)運(yùn)行狀態(tài)，維持鍋爐負(fù)荷在420 MW左右穩(wěn)定運(yùn)行，協(xié)調(diào)、給水、汽溫、引風(fēng)等主要自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入自動(dòng)。主汽溫度設(shè)定值為568℃，爐膛壓力設(shè)定值為-50 Pa。由運(yùn)行人員進(jìn)行協(xié)調(diào)增負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)的操作，將機(jī)組負(fù)荷從420 MW增加到510 MW，指令變化時(shí)間大約為7.5 min，然后維持穩(wěn)定20 min左右。記錄負(fù)荷指令、機(jī)組功率、主汽壓力、主汽壓力設(shè)定、主汽溫度、給水流量、爐膛壓力等主要參數(shù)變化趨勢。機(jī)組負(fù)荷及主要參數(shù)穩(wěn)定后結(jié)束試驗(yàn)。

負(fù)荷指令實(shí)際變化時(shí)間為7.5 min，負(fù)荷實(shí)際變化量為70 MW，實(shí)際變負(fù)荷速度為9.3 MW/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差試驗(yàn)的主要性能指標(biāo):被調(diào)量與給定值的最大偏差Ymax=-0.22 MPa，在考核指標(biāo)0.3 MPa之內(nèi)。

壓力定值擾動(dòng)試驗(yàn)指標(biāo):主汽壓力設(shè)定值增試驗(yàn)中，壓力穩(wěn)定時(shí)間約為3 min;主汽壓力設(shè)定值降試驗(yàn)中，壓力穩(wěn)定時(shí)間約為8 min;平均穩(wěn)定時(shí)間約為5.5 min。

協(xié)調(diào)變負(fù)荷試驗(yàn)主要參數(shù)的數(shù)據(jù)分析:協(xié)調(diào)變負(fù)荷指標(biāo)分析見表2。

根據(jù)DL/T 774—2004《火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)檢修運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》的相關(guān)要求，3號機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)合格。

表2 協(xié)調(diào)變負(fù)荷指標(biāo)分析

4 結(jié)束語

通過課題組成員對火電機(jī)組的鍋爐燃燒特性、煤質(zhì)變化情況進(jìn)行分析研究，對火電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)運(yùn)行特性進(jìn)行理論分析，深入研究主蒸汽焓值與鍋爐燃燒的關(guān)系，通過焓值計(jì)算快速、準(zhǔn)確控制鍋爐燃燒，減少鍋爐熱力供應(yīng)滯后對負(fù)荷調(diào)節(jié)的影響。在此基礎(chǔ)上，提出和完善自適應(yīng)煤種變化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制策略，并進(jìn)行應(yīng)用和研究，設(shè)計(jì)了基于主蒸汽焓值計(jì)算、快速響應(yīng)的新協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，使其最終成為國內(nèi)領(lǐng)先的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，可以在國內(nèi)同類型火電機(jī)組上推廣應(yīng)用。

〔1〕湖南省電力公司科學(xué)研究院.大唐華銀金竹山火力發(fā)電分公司3號機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化后變負(fù)荷試驗(yàn)報(bào)告〔R〕.2012.