620 MW超臨界機(jī)組輔機(jī)故障減負(fù)荷功能控制優(yōu)化與應(yīng)用

陳厚濤， 王錫輝， 朱曉星， 劉武林， 王志杰， 盛 鍇

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院； 高效清潔火力發(fā)電技術(shù)湖南省重點實驗室， 長沙 410007)

輔機(jī)故障減負(fù)荷(run back, RB)是指當(dāng)機(jī)組部分輔機(jī)(如其中一臺給水泵、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī))發(fā)生故障時，根據(jù)輔機(jī)故障情況快速降低機(jī)組負(fù)荷以適應(yīng)輔機(jī)出力的保護(hù)措施。新建機(jī)組必須進(jìn)行RB試驗。近年來，大容量、高參數(shù)、智能化的火力發(fā)電機(jī)組已逐步成為主流[1-4]，RB功能的成功實現(xiàn)對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行顯得尤為重要。以裝機(jī)容量中較比最大的600 MW級機(jī)組為例，當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷運行，發(fā)生輔機(jī)跳閘但RB功能未實現(xiàn)導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)時，電網(wǎng)負(fù)荷瞬間減少600 MW，造成較大沖擊，引起網(wǎng)頻波動。隨著中國火電技術(shù)的不斷發(fā)展，RB功能在煤粉爐[5-11]、循環(huán)流化床鍋爐[12-15]等不同爐型上的工程應(yīng)用已有較長歷史，其控制策略日趨成熟，自動化水平不斷提高。

現(xiàn)以某電廠兩臺新建620 MW超臨界機(jī)組給水泵RB、一次風(fēng)機(jī)RB試驗結(jié)果為例，對比分析其控制策略和參數(shù)細(xì)節(jié)設(shè)置以及采取優(yōu)化措施后取得的效果，為同類型機(jī)組RB過程的控制策略提供一種思路，也為進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

1 機(jī)組概況

某新建工程燃煤電廠1、2號620 MW機(jī)組鍋爐為超臨界參數(shù)、帶啟動循環(huán)泵、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架、“W”形火焰燃燒、垂直內(nèi)螺紋管水冷壁、П型變壓直流鍋爐。制粉系統(tǒng)采用雙進(jìn)雙出一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式系統(tǒng)，每臺鍋爐配磨煤機(jī)6臺，給煤機(jī)12臺。煙風(fēng)系統(tǒng)采用平衡通風(fēng)方式，空預(yù)器采用三分倉回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器。設(shè)2臺動葉可調(diào)軸流式送風(fēng)機(jī)，2臺動葉可調(diào)(增引合一)引風(fēng)機(jī)，2臺動葉可調(diào)軸流式一次風(fēng)機(jī)。點火方式為油槍點火，配置油槍24支。汽輪機(jī)是超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、凝汽式、雙背壓汽輪機(jī)。

2 RB控制策略簡介

2.1 給水泵RB控制策略

給水泵RB發(fā)生后，將未跳閘的給水泵轉(zhuǎn)速指令以一定速率超馳動作至設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速，維持一段時間后恢復(fù)給水自動調(diào)節(jié)，給水流量指令跟隨燃料目標(biāo)指令變化，并設(shè)定變化速率和上下限幅，保持過熱度自動控制模式。跳閘汽泵對應(yīng)的最小流量再循環(huán)調(diào)節(jié)閥指令超馳動作至全開，運行汽泵對應(yīng)的最小流量再循環(huán)調(diào)節(jié)閥指令延時一定時間后超馳動作至全關(guān)。兩臺送風(fēng)機(jī)動葉指令在原基礎(chǔ)上以一定速率超馳動作至設(shè)定目標(biāo)指令后恢復(fù)自動閉環(huán)控制，動作過程中若爐膛壓力過低則閉鎖送風(fēng)機(jī)動葉指令減。兩臺引風(fēng)機(jī)動葉指令在原基礎(chǔ)上以一定速率超馳動作至設(shè)定目標(biāo)指令后恢復(fù)自動閉環(huán)控制，動作過程中若爐膛壓力過高則閉鎖引風(fēng)機(jī)動葉指令減。一次風(fēng)機(jī)動葉全程保持自動閉環(huán)控制狀態(tài)，每跳閘一臺磨煤機(jī)，動葉指令以前饋形式減小，減小幅度自適應(yīng)調(diào)整。按設(shè)定的時間間隔和順序自動停運磨煤機(jī)，直至磨煤機(jī)運行臺數(shù)與預(yù)先設(shè)定臺數(shù)相等。處于自動的磨煤機(jī)容量風(fēng)門設(shè)置上下限。按設(shè)定的時間間隔和順序快速投入運行磨的油槍助燃。燃油回油調(diào)節(jié)閥延時一定時間后按預(yù)先設(shè)置幅度超馳減小調(diào)閥指令，以維持燃油母管壓力，閉鎖數(shù)秒后重新投入自動閉環(huán)控制。機(jī)組切換至TF模式運行，并連鎖投入滑壓運行方式，機(jī)前壓力設(shè)定值跟隨滑壓曲線變化。鍋爐主控切手動，燃料主控維持自動，設(shè)置燃料目標(biāo)指令。一、二級過熱器減溫水調(diào)門以及再熱器減溫水調(diào)門超馳關(guān)至0，延時一段時間后恢復(fù)自動調(diào)節(jié)。

2.2 一次風(fēng)機(jī)RB控制策略

一次風(fēng)機(jī)RB發(fā)生后，跳閘一次風(fēng)機(jī)動葉關(guān)至0%，聯(lián)關(guān)跳閘一次風(fēng)機(jī)同側(cè)的冷一次風(fēng)母管風(fēng)門、空預(yù)器出口一次風(fēng)風(fēng)門，一次風(fēng)機(jī)聯(lián)絡(luò)門。運行一次風(fēng)機(jī)動葉指令以一定速率超馳動作至目標(biāo)指令后恢復(fù)自動閉環(huán)控制，在動葉動作過程中若電流大則閉鎖一次風(fēng)機(jī)動葉增。兩臺送風(fēng)機(jī)動葉指令在原基礎(chǔ)上以一定速率超馳動作至設(shè)定目標(biāo)指令后恢復(fù)自動閉環(huán)控制，動作過程中若爐膛壓力過低則閉鎖送風(fēng)機(jī)動葉指令減。兩臺引風(fēng)機(jī)動葉指令在原基礎(chǔ)上以一定速率超馳動作至設(shè)定目標(biāo)指令后恢復(fù)自動閉環(huán)控制，動作過程中若爐膛壓力過高則閉鎖引風(fēng)機(jī)動葉指令減。一次風(fēng)機(jī)RB動作時，運行磨對應(yīng)的容量風(fēng)門切手動。延時一定時間后以一定速率動作至預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)指令。旁路風(fēng)門開度不超過預(yù)先設(shè)定值。按設(shè)定的時間間隔和順序自動停運磨煤機(jī)，直至磨煤機(jī)運行臺數(shù)與預(yù)先設(shè)定臺數(shù)相等。按設(shè)定的時間間隔和順序快速投入運行磨的油槍助燃。燃油回油調(diào)節(jié)閥延時一定時間后按預(yù)先設(shè)置幅度超馳減小調(diào)閥指令，閉鎖數(shù)秒后重新投入自動。機(jī)組切換至TF模式運行，并連鎖投入滑壓運行方式，機(jī)前壓力設(shè)定值跟隨滑壓曲線變化。鍋爐主控切手動，燃料控制投入開環(huán)調(diào)節(jié)模式。給水流量指令在一段時間內(nèi)向預(yù)先估算的目標(biāo)燃料指令對應(yīng)的理論給水需求量變化，隨后跟隨實際折算燃料量變化，并設(shè)定變化速率和上下限幅。打通汽泵再循環(huán)回路，將最小流量調(diào)閥開至合適開度，防止最小流量保護(hù)動作。一、二級過熱器減溫水調(diào)門以及再熱器減溫水調(diào)門超馳關(guān)至0，延時一段時間后恢復(fù)自動調(diào)節(jié)。

試驗過程中除控制策略說明中涉及的燃料、給水、風(fēng)煙等系統(tǒng)以及主汽壓力、主汽溫度等主要運行參數(shù)的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入自動控制外，其他重要輔助自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制模式如表1所示，確保RB過程的全程自動控制。

表1 重要輔助自動控制系統(tǒng)投入

圖1 優(yōu)化前給水泵RB試驗結(jié)果Fig.1 Feed water pump RB test result before optimization

3 結(jié)果與討論

3.1 給水泵RB

如圖1所示為優(yōu)化前給水泵RB試驗過程相關(guān)參數(shù)變化趨勢。RB試驗前，機(jī)組負(fù)荷610 MW，鍋爐給水流量1 822 t/h，折算燃料量262 t/h，6臺磨運行。操作臺打閘一臺給水泵，觸發(fā)給水泵RB。鍋爐給水流量迅速減小至約1 050 t/h，而后以相對較緩的速度繼續(xù)減小至約960 t/h后開始回升，出現(xiàn)波動，最終保持在1 110～1 120 t/h之間；折算燃料量迅速減小至220 t/h，約幾秒后繼續(xù)減小至約 156 t/h，而后保持在150～160 t/h；機(jī)組負(fù)荷減小至約380 MW后出現(xiàn)兩次波動，波動幅度最高接近100 MW，最終保持在380～390 MW；爐膛壓力波動最高值369 Pa、最低值-383 Pa。

由上述參數(shù)的變化趨勢可知，RB控制策略設(shè)置合理，主要運行參數(shù)過度平穩(wěn)，爐膛壓力波動位于正常運行允許波動范圍之內(nèi)，遠(yuǎn)小于主保護(hù)動作值(±1 980 Pa)，有較大的安全余裕。不足之處在于機(jī)組負(fù)荷與主給水流量沒有平滑下降，出現(xiàn)波動，負(fù)荷波動由給水流量波動引起。原因如下：RB發(fā)生后，機(jī)組負(fù)荷、給水流量和燃料量均迅速下降，中間點過熱度設(shè)定值跟隨機(jī)組負(fù)荷下降，而溫度變化具有滯后性，過熱度實際值變化相對緩慢，與設(shè)定值相比，實際過熱度偏大，導(dǎo)致給水流量增加，引起實際負(fù)荷增加；此時，熱一次風(fēng)母管風(fēng)壓設(shè)定值跟隨實際負(fù)荷增加，使得一次風(fēng)機(jī)動葉開度增大，加強了燃燒作用，反過來減緩了過熱度實際值的下降趨勢。該過程中，燃料和給水控制耦合影響，互相加強，抬升了機(jī)組負(fù)荷，引起波動。實際上，由于RB過程中鍋爐給水流量和燃料量的迅速變化，引起汽水分離器出口壓力迅速變化，而汽溫變化相對較為緩慢，導(dǎo)致中間點過熱度存在“虛高”現(xiàn)象。為防止過熱度控制偏差誘發(fā)燃料與給水控制耦合作用，采取如下優(yōu)化措施：①RB過程和其他工況，采用不同的PID調(diào)節(jié)參數(shù)，將RB過程中過熱度PID的調(diào)節(jié)作用減弱；②將RB過程中一次風(fēng)母管風(fēng)壓的設(shè)定值與其他工況下的設(shè)定值作分離處理。根據(jù)機(jī)組設(shè)備特性，RB發(fā)生延時一定時間后，維持一次風(fēng)母管風(fēng)壓設(shè)定值不變，直至RB復(fù)位，將一次風(fēng)母管風(fēng)壓的控制從負(fù)荷的耦合作用中剝離出來，避免相互作用抬升機(jī)組負(fù)荷而引起波動。

如圖2所示為過熱度控制、一次風(fēng)母管風(fēng)壓控制優(yōu)化后給水泵RB試驗過程相關(guān)參數(shù)變化趨勢。試驗前，機(jī)組負(fù)荷570 MW，折算燃料量253 t/h，鍋爐給水流量1 650 t/h，5臺磨運行。操作臺打閘一臺給水泵，觸發(fā)給水泵RB。鍋爐給水流量迅速減小至約1 050 t/h，隨后小幅波動，最終保持在 950～970 t/h；折算燃料量迅速減小至約 210 t/h，反彈至227 t/h后持續(xù)減小至約165 t/h，而后保持不變；機(jī)組負(fù)荷減小至約390 MW后波動至410 MW，隨后持續(xù)下降至穩(wěn)定值；爐膛壓力波動最高值727 Pa、最低值-239 Pa。

圖2 優(yōu)化后給水泵RB試驗結(jié)果Fig.2 Feed water pump RB test result after optimization

采取優(yōu)化措施后，鍋爐給水流量和機(jī)組負(fù)荷波動幅度均明顯改善，機(jī)組負(fù)荷波動由原來100 MW減小至20 MW，未出現(xiàn)反復(fù)波動情況。從給水流量的變化趨勢分析，仍可進(jìn)一步減弱RB過程中過熱度PID的調(diào)節(jié)作用。與優(yōu)化前給水泵RB試驗相比，爐膛壓力波動最高值要大。原因如下：優(yōu)化前RB試驗時，保持6臺磨運行，RB動作后跳閘2臺磨，每跳閘一臺磨，一次風(fēng)機(jī)動葉超馳減小5%(共減小10%)，一次風(fēng)機(jī)動葉的超馳動作完全消除了跳磨對于一次風(fēng)母管風(fēng)壓的擾動，沒有出現(xiàn)由于一次風(fēng)壓的階躍增加而引起爐膛燃燒突然增強。因此，爐膛壓力得以良好控制。優(yōu)化后試驗時，保持5臺磨運行，RB動作后跳閘1臺磨，一次風(fēng)機(jī)動葉超馳減小5%。由圖2折算燃料量的變化趨勢可知，一次風(fēng)機(jī)動葉的超馳動作并未完全消除由于跳磨而導(dǎo)致的一次風(fēng)母管憋壓。跳磨后，爐膛燃燒突然加強，導(dǎo)致爐膛壓力立即上升至727 Pa，隨后恢復(fù)正常。為使?fàn)t膛壓力控制更加優(yōu)良，可對一次風(fēng)機(jī)動葉的控制繼續(xù)作如下優(yōu)化，隨著RB過程中磨煤機(jī)跳閘臺數(shù)的增加，一次風(fēng)機(jī)動葉指令超馳減小幅度呈梯度下降。

3.2 一次風(fēng)機(jī)RB

如圖3所示為優(yōu)化前一次風(fēng)機(jī)RB試驗過程相關(guān)參數(shù)變化趨勢。試驗前，機(jī)組負(fù)荷600 MW，鍋爐給水流量1 800 t/h，折算燃料量250 t/h。就地打閘一臺一次風(fēng)機(jī)，觸發(fā)一次風(fēng)機(jī)RB。折算燃料量迅速減小至約120 t/h后躍升至170 t/h，隨后基本保持穩(wěn)定；鍋爐給水流量減小至1 050 t/h后出現(xiàn)波動，最終穩(wěn)定在1 260 t/h；機(jī)組負(fù)荷減小至480 MW后回升至約520 MW，出現(xiàn)波動，最終穩(wěn)定在410 MW；爐膛壓力波動最高至1 061 Pa、最低-368 Pa。由各參數(shù)的變化趨勢可知，控制策略設(shè)置合理，動作速率和時間間隔匹配較好，爐膛壓力距離主保護(hù)動作值存有安全余裕，一次風(fēng)機(jī)RB功能正常實現(xiàn)。不足之處在于：①機(jī)組負(fù)荷未能平滑下降，出現(xiàn)波動；②爐膛壓力控制仍有優(yōu)化空間。關(guān)于①，原因在上文給水泵RB結(jié)果分析時已闡明，即由過熱度偏差控制調(diào)節(jié)引起，這里不再復(fù)述。下面就②分析其原因和優(yōu)化措施。一次風(fēng)機(jī)跳閘后，由于燃燒的減弱，爐膛壓力會迅速減小，然而從試驗結(jié)果來看，壓力最低值為-368 Pa，說明引風(fēng)機(jī)動葉動作速度合適。隨著未跳閘一次風(fēng)機(jī)動葉指令的迅速增大，爐膛內(nèi)燃燒突然加強，引起壓力驟增。為克服燃燒突然變化對爐膛壓力的影響，采取如下優(yōu)化措施：設(shè)計專門的引風(fēng)機(jī)動葉前饋，通過輔助邏輯的判斷使這部分前饋只在RB發(fā)生時生效，并針對不同類別的RB工況設(shè)計不同的動作幅度和速度。具體設(shè)置如下： RB動作過程中，當(dāng)爐膛壓力大于或小于預(yù)先設(shè)定閾值時，引風(fēng)機(jī)動葉指令超馳增大或減小2%～5%(根據(jù)風(fēng)機(jī)出力特性確定)。

圖3 優(yōu)化前一次風(fēng)機(jī)RB試驗結(jié)果Fig.3 Primary air fan RB test result before optimization

圖4 優(yōu)化后一次風(fēng)機(jī)RB試驗結(jié)果Fig.4 Primary air fan RB test result after optimization

如圖4所示為采取優(yōu)化措施后2號機(jī)一次風(fēng)機(jī)RB試驗過程的相關(guān)參數(shù)變化趨勢。試驗前，機(jī)組負(fù)荷570 MW，主汽壓力21.5 MPa，主汽溫度 565 ℃，鍋爐給水流量1 640 t/h，折算燃料量 252 t/h。約01:23時，就地打閘一臺一次風(fēng)機(jī)，觸發(fā)一次風(fēng)機(jī)RB。折算燃料量迅速減小至165 t/h后回升至185 t/h，最終穩(wěn)定值約160 t/h；鍋爐給水流量迅速下降至930 t/h，隨后回升至約1 160 t/h，保持穩(wěn)定；爐膛壓力波動最高至542 Pa，最低-482 Pa。優(yōu)化后，機(jī)組負(fù)荷與爐膛壓力控制更加優(yōu)良。

該廠在投入生產(chǎn)后，先后毫無征兆的發(fā)生6 kV母線失壓和1臺一次風(fēng)機(jī)就地不明原因跳閘事故，RB功能均正常實現(xiàn)，機(jī)組負(fù)荷及主要運行參數(shù)平穩(wěn)過度，未發(fā)生跳機(jī)事故。本文中所述的RB控制策略經(jīng)受了實踐的檢驗。

4 結(jié)論

將設(shè)計的RB控制策略在兩臺新建機(jī)組進(jìn)行工程應(yīng)用，并根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行了針對性的優(yōu)化和驗證，獲得了如下結(jié)論。

(1)多次實踐檢驗表明所述RB控制策略設(shè)計合理，實現(xiàn)了RB全程自動控制并有充分的安全余裕，對該類型鍋爐和配置的火電機(jī)組有工程參考價值。

(2)減弱RB過程中過熱度PID的控制作用，將一次風(fēng)母管風(fēng)壓的設(shè)定值維持在一個與目標(biāo)負(fù)荷相匹配的固定值，可有效避免RB過程中過熱度“虛高”引起的給水流量波動，減弱燃料和給水控制相互作用抬升機(jī)組負(fù)荷而引起的波動。

(3)針對RB工況，設(shè)計專門的引風(fēng)機(jī)動葉前饋，當(dāng)爐膛壓力大于或小于預(yù)先設(shè)定閾值時，根據(jù)風(fēng)機(jī)出力特性，引風(fēng)機(jī)動葉指令超馳動作一定值，可較大幅度增加爐膛壓力控制的安全余裕，使其接近正常運行允許的波動范圍，主要運行參數(shù)過度平穩(wěn)，控制優(yōu)良。