國際電站超大區(qū)間負(fù)荷變動(dòng)試驗(yàn)研究及分析

代增麗 徐文武 劉偉

摘 要：文章以國外某電廠項(xiàng)目超臨界燃煤機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)試驗(yàn)為研究對象，總結(jié)和提煉25%Pe負(fù)荷變化范圍以上，實(shí)現(xiàn)CCS負(fù)荷指令3%升降變化速率成功經(jīng)驗(yàn)和方法，彌補(bǔ)我國較大負(fù)荷變動(dòng)區(qū)間協(xié)調(diào)控制經(jīng)驗(yàn)和策略，提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)和響應(yīng)速度，突破超臨界機(jī)組大負(fù)荷變動(dòng)技術(shù)瓶頸，充分證明我國在協(xié)調(diào)控制方面超高技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：協(xié)調(diào);負(fù)荷率;負(fù)荷變動(dòng);模擬量

中圖分類號：TM714 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0197-02

隨著國際電站高速發(fā)展，電網(wǎng)對供電質(zhì)量要求越來越高，較大負(fù)荷變動(dòng)范圍和較高負(fù)荷升降速率已經(jīng)成為國際電站對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)一個(gè)硬性要求，但是，目前國內(nèi)對超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制仍處于火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗(yàn)收品質(zhì)指標(biāo)，超大變動(dòng)區(qū)間和較高升降速率的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)缺少。

本文旨在以國外某電廠項(xiàng)目超臨界燃煤機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)試驗(yàn)為研究對象，總結(jié)和提煉25%Pe負(fù)荷變化范圍以上，實(shí)現(xiàn)CCS負(fù)荷指令達(dá)到3%升降變化速率成功經(jīng)驗(yàn)和思路，彌補(bǔ)我國在較大負(fù)荷變動(dòng)區(qū)間控制經(jīng)驗(yàn)和策略，提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)品質(zhì)和響應(yīng)速度，突破機(jī)組協(xié)調(diào)大負(fù)荷變動(dòng)技術(shù)瓶頸，充分證明我國在協(xié)調(diào)控制方面超高技術(shù)水平。

1 國際電站與國家驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的差異

M國某項(xiàng)目設(shè)計(jì)為超臨界燃煤電站，裝機(jī)容量1x350MW，2017年9月并網(wǎng)發(fā)電，屬于目前M國已發(fā)電的裝機(jī)容量最大機(jī)組;根據(jù)EPC合同規(guī)定，機(jī)組要在40%～100%負(fù)荷區(qū)間，以25%Pe最小變動(dòng)范圍，實(shí)現(xiàn)3%Pe/min升降負(fù)荷率，然而我國《DLT657-2015火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗(yàn)收測試規(guī)程》驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為在15%Pe變動(dòng)范圍，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷指令變化速率1.5%Pe/min，實(shí)際負(fù)荷變化速率大于1.2%Pe/min，這兩者要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)存在較大的差異，尤其對蓄熱能力差的直流爐超臨界機(jī)組，沒有成功的案例和經(jīng)驗(yàn)，實(shí)施的難度是相當(dāng)大的。

2 直流鍋爐與汽包爐的特性差異

直流鍋爐的蒸汽生產(chǎn)過程不同于汽包鍋爐，汽包鍋爐通過汽包將蒸發(fā)區(qū)和過熱區(qū)分開，其燃料控制、給水控制和汽溫控制系統(tǒng)相對獨(dú)立;而直流鍋爐燃料控制系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)和蒸汽溫度控制系是相互聯(lián)系、相互作用、相互影響，當(dāng)任一控制發(fā)生變化，鍋爐的各段吸熱量都會發(fā)生變化，隨之蒸汽溫度發(fā)生變化，超臨界機(jī)組在控制系統(tǒng)相互配合、相互協(xié)調(diào)和煤水比平衡等方面提出更高的要求，尤其對于有超大負(fù)荷區(qū)間和超大速率變化的機(jī)組;因此，鑒于控制系統(tǒng)相互影響特性，防止控制失調(diào)情況下導(dǎo)致事故尤為重要;M國該項(xiàng)目采用負(fù)荷高低限幅、負(fù)荷變化率限制、壓力高低限制和指令增減閉鎖等手段，還根據(jù)直流爐的相互作用關(guān)系，優(yōu)化各指令變化速率和合理選擇跟蹤參數(shù)，確保即使控制系統(tǒng)自動(dòng)跳出，仍穩(wěn)定在一個(gè)安全的平衡點(diǎn)，通過試驗(yàn)也充分證明控制策略正確性。

3 試驗(yàn)過程難點(diǎn)及優(yōu)化措施

在國內(nèi)外早前的機(jī)組，負(fù)荷變動(dòng)試驗(yàn)常采用調(diào)節(jié)汽輪機(jī)調(diào)門的開度，利用機(jī)組的蓄熱能力快速相應(yīng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的要求，然而對于有較大負(fù)荷變動(dòng)和較高變化速率要求的機(jī)組，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要調(diào)動(dòng)各專業(yè)技術(shù)人員密切配合，不斷研究、分析和探討，提出解決思路，攻克試驗(yàn)過程中一個(gè)個(gè)難點(diǎn)。

難點(diǎn)1：滯后性問題。

本項(xiàng)目采用直吹式制粉系統(tǒng)，從改變煤量到蒸汽流量發(fā)生變化存在較大的延遲，單從給煤指令至實(shí)際煤量動(dòng)作滯后約20～30s，從給煤到鍋爐發(fā)生變化大約滯后1.5min～2min，嚴(yán)重影響負(fù)荷響應(yīng)速度，因此，必須找到有效措施提高控制系統(tǒng)的快速性，降低燃燒系統(tǒng)的延遲，加速鍋爐側(cè)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

直流鍋爐由于循環(huán)倍率等于1，水冷壁管子直徑小，沒有較大蓄熱容器，蒸發(fā)系統(tǒng)蓄熱能力很小，而汽包爐循環(huán)倍率大于1，汽包容積和質(zhì)量較大，下降管和水冷壁管直徑較大，蒸發(fā)系統(tǒng)熱慣性很大，兩者相比是幾何倍數(shù)關(guān)系，因此，對于超臨界機(jī)組單靠挖掘蓄熱能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須從設(shè)備配置、機(jī)組運(yùn)行特性出發(fā)，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上充分挖掘、利用設(shè)備能力，首先，根據(jù)鍋爐熱力特性，當(dāng)煤量達(dá)到一個(gè)足夠量的階躍時(shí)，爐內(nèi)煤量快速改變超出爐體的蓄熱而產(chǎn)生富余熱量，鍋爐的響應(yīng)時(shí)間大大縮短，因此，足夠煤量的超調(diào)量是有助于縮短鍋爐響應(yīng)時(shí)間，現(xiàn)場通過不斷試驗(yàn)，確定了不同負(fù)荷變化速率與煤量超調(diào)量對應(yīng)線性關(guān)系;其次，根據(jù)一次風(fēng)攜帶煤粉的作用，通過一次風(fēng)量快速變化，充分利用磨煤機(jī)蓄粉能力快速響應(yīng)負(fù)荷，大大降低了制粉系統(tǒng)滯后性，同時(shí)，為了防止堵磨事件的發(fā)生，根據(jù)磨煤機(jī)運(yùn)行狀況、煤量、風(fēng)量與風(fēng)門特性匹配關(guān)系，對風(fēng)量速率、閥門開度做了一定限制，確保在安全的前提下，充分發(fā)揮和挖掘制粉系統(tǒng)的能力;再次，根據(jù)直流爐一次流經(jīng)各級受熱面的特性，利用給水快速相應(yīng)帶動(dòng)汽壓變化，優(yōu)化給水變化速率，進(jìn)一步提高了鍋爐的響應(yīng)時(shí)間;經(jīng)過以上優(yōu)化措施，鍋爐整體滯后性降至50s以內(nèi)，取得了相當(dāng)不錯(cuò)的效果。

難點(diǎn)2：變化速率低問題。

開始變化階段，負(fù)荷變化速率低，由于給煤量投入不足影響了鍋爐產(chǎn)熱能力，即開始第一分鐘內(nèi)投入煤量較少，鍋爐不能迅速產(chǎn)生足量的蒸汽，致使負(fù)荷響應(yīng)速度低，因此，選擇合適的超調(diào)量，是開始變化速率達(dá)到的基本條件;從第3分鐘后負(fù)荷變化率存在下降趨勢，主要是由于第二分鐘后煤量出現(xiàn)了回調(diào)式波動(dòng)現(xiàn)象，初步認(rèn)為由于給煤機(jī)存在滯后性和慣性原因，即當(dāng)給煤指令達(dá)后，實(shí)際給煤量反饋仍未到，指令與實(shí)際給煤量存在偏差，不斷調(diào)整造成了給煤量波動(dòng)，但通過參數(shù)變化趨勢分析判斷，認(rèn)為由于大量煤粉投入后，實(shí)際壓力升速較快，然而壓力升速率指令偏低，從而限制給煤速率，致使相互影響，出現(xiàn)了回調(diào)現(xiàn)象，現(xiàn)場通過采取放寬壓力波動(dòng)允許值，優(yōu)化壓力變化指令速率，減弱壓力拉回控制作用，確保給煤量指令與反饋一致性。

變化中間階段，負(fù)荷變化速率下降問題，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)開始5分鐘后，負(fù)荷變化速率有一定下降趨勢;初步認(rèn)為，雖然給煤量有足夠的超調(diào)量，但是后續(xù)給煤量或者給煤速率仍不能滿足負(fù)荷變化的要求，因此，充足的給煤速率或給煤量是確保變化速率維持的重點(diǎn)，但鑒于各指令和反饋匹配性較好，優(yōu)先采取修改負(fù)荷變化率指令方式，將負(fù)荷率3%Pe/min設(shè)定改成3.15%Pe/min，成功解決了該問題。

變化結(jié)束階段，負(fù)荷變化率變緩問題，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在最后10MW負(fù)荷區(qū)間，負(fù)荷變化率平緩，持續(xù)時(shí)間約3分鐘左右，有時(shí)更長，初步認(rèn)為，由于給煤量達(dá)到要求給定值后，提前將超調(diào)量進(jìn)行了回調(diào)，造成后勁不足，致使結(jié)束階段的負(fù)荷率變化率低，因此，對將回調(diào)進(jìn)一步優(yōu)化;另外，經(jīng)過觀察在負(fù)荷波動(dòng)過程中，真空隨著機(jī)組進(jìn)汽量變化而變化，升負(fù)荷時(shí)由11Kpa升至13Kpa左右，降負(fù)荷時(shí)從12Kpa降至10Kpa左右，由于真空變化對汽輪機(jī)發(fā)電有一定的影響，現(xiàn)場通過優(yōu)化空冷島背壓控制回路，將背壓維持在12Kpa左右，有效解決了該問題。

難點(diǎn)3：超溫問題。

在試驗(yàn)初期，當(dāng)負(fù)荷變化速率達(dá)到1.7%Pe/min時(shí)，鍋爐垂直水冷壁和過熱器局部出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，其中，針對垂直水冷壁超溫，由于四角切圓鍋爐存在偏燒以及煤水比匹配問題，現(xiàn)場進(jìn)行了燃燒優(yōu)化和煤水比速率修改，針對屏式過熱器超溫，主要通過汽溫調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)優(yōu)化，成功解決了超溫問題。

4 試驗(yàn)結(jié)果

M國該項(xiàng)目按照合同規(guī)定，分別驗(yàn)證了5次升/降負(fù)荷率，試驗(yàn)共持續(xù)6小時(shí)左右，從220MW至340MW，升負(fù)荷變化率約10.69～11.09MW/min;從340MW至220MW，降負(fù)荷變化率約10.60～11.01MW/min，達(dá)到了合同規(guī)定要求，如表1所示。

5 結(jié)語

本項(xiàng)目通過深入研究協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及控制策略，優(yōu)化關(guān)鍵系統(tǒng)控制回路和參數(shù)匹配，成功實(shí)現(xiàn)超臨界機(jī)組超大負(fù)荷區(qū)間和超高變化速率試驗(yàn)要求，提高了機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度，滿足當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的要求，得到業(yè)主及監(jiān)理的高度認(rèn)可，同時(shí)也充分體現(xiàn)了我們在國際電站協(xié)調(diào)控制方面水平;通過總結(jié)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和思路，從實(shí)際試驗(yàn)過程出發(fā)，分析和研究試驗(yàn)過程難點(diǎn)和提出解決方案，為同等以及更高負(fù)荷變化速率試驗(yàn)要求的機(jī)組，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，而且，對不同類型機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)也具有一定的參考和推廣價(jià)值，如表1所示。