FCB工況下的給水控制系統(tǒng)改進與優(yōu)化

王 孟,賴艷云,沈春明,丁志強

(1.中國能源建設(shè)集團華東電力試驗研究院有限公司，浙江 杭州 311022；2.中國能源建設(shè)集團浙江火電建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310016)

0 引言

在“一帶一路”的政策下，越來越多的國產(chǎn)機組出口至東南亞地區(qū)。由于東南亞地區(qū)易發(fā)生電網(wǎng)故障事故，在項目購電協(xié)議(power purchase agreement，PPA)中，均會有一則條款:正式商運前，必須完成100%負荷下的快速切負荷(fast cut back,FCB)試驗。FCB是指機組在外網(wǎng)故障，發(fā)電功率不能輸送至電網(wǎng)時，機組快速降負荷，穩(wěn)定鍋爐燃燒，維持汽機3 000 r/min。發(fā)電機帶廠用電負荷維持孤島運行,待電網(wǎng)故障消除后，機組可在短時間內(nèi)恢復(fù)并網(wǎng)[1-2]。

國內(nèi)一些工程技術(shù)人員先后開展了涉及FCB工況的給水控制系統(tǒng)的理論與實踐研究工作。文獻[3]針對亞臨界機組FCB過程中出現(xiàn)汽包水位波動大的問題，提出了提高汽動給泵進汽調(diào)節(jié)閥開度下限，給出了水三沖量切換至單沖量的策略；文獻[4]利用MATALAB仿真平臺建立給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，研究汽包爐負荷變化對給水泵汽輪機轉(zhuǎn)速的影響；文獻[5]通過研究660 MW小旁路亞臨界機組高負負荷工況下FCB工況與磨煤機深度RB試驗的相似點，對單汽泵給水控制進行優(yōu)化，且并未經(jīng)實際FCB工況驗證。對于超臨界機組考慮滿負荷FCB工況的給水控制系統(tǒng)的研究，目前還鮮有涉及。

本文針對FCB工況下超臨界機組給水控制系統(tǒng)的任務(wù)和難點進行研究分析，對常規(guī)給水控制策略提出了相應(yīng)的改進措施。同時，針對優(yōu)化后預(yù)備性試驗出現(xiàn)的問題進行分析總結(jié)，并進一步改進完善，最終實現(xiàn)了在滿負荷FCB工況下給水系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)功能。

1 機組及給水系統(tǒng)配置簡介

印尼某超臨界燃煤電站機組容量660 MW，額定工況主要參數(shù)如下:主蒸汽壓力為24.2 MPa，主蒸汽進汽流量為1 977.13 t/h，再熱蒸汽壓力為4.127 MPa，再熱蒸汽流量為1 614.81 t/h，主、再熱蒸汽溫度均為566 ℃，鍋爐配置4只總排放量為20%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(boiler maximum continuous rating,BMCR)的電磁泄壓閥(PCV)。旁路為容量60%BMCR高低壓兩級串聯(lián)液壓驅(qū)動旁路系統(tǒng)。

本機組給水系統(tǒng)配置2×50%BMCR 的汽動給水泵組，一臺30%BMCR電動給水泵。電動給水泵僅供機組啟動用，不能作為汽動給水泵的備用泵。給水泵汽輪機采用東方汽輪機有限公司生產(chǎn)的型號為G16-1.0汽輪機。汽動給水泵正常運行時,汽源由四級抽汽提供，啟動調(diào)試時由輔助蒸汽提供，再熱冷段蒸汽作為其高壓汽源備用。

2 FCB工況下給水控制的任務(wù)及難點

2.1 FCB動作邏輯

機組從電網(wǎng)解列觸發(fā)FCB動作后，協(xié)調(diào)系統(tǒng)切換至基本方式。鍋爐目標負荷40%BMCR，按照FCB跳磨順序保留3臺磨煤機，數(shù)字電液(digital electro hydrautic,DEH)轉(zhuǎn)為本地轉(zhuǎn)速控制，定速目標3 000 r/min，帶自身廠用電運行[6]。高低壓旁路快開后轉(zhuǎn)入壓力控制模式，按設(shè)定壓力曲線調(diào)整主、再熱蒸汽，打開高低壓旁路系統(tǒng)[7]，自動調(diào)節(jié)主蒸汽壓力使其與鍋爐負荷相匹配。

為防止鍋爐超壓，當負荷大于70%時觸發(fā)FCB或主蒸汽壓力大于26.67 MPa時，自動打開4個PCV閥，主汽壓力低于23.8 MPa后延時5 s復(fù)位。

FCB發(fā)生后，給水控制系統(tǒng)既要響應(yīng)鍋爐負荷要求快速降低至40%負荷對應(yīng)的給水流量，又要防止動力汽源切換至備用汽源過程中給水流量過低導(dǎo)致鍋爐(main fuel trip,MFT)動作。為此，給水控制系統(tǒng)須具備以下功能。機組FCB動作邏輯圖[10]如圖1所示。

圖1 機組FCB動作邏輯圖

2.2 快速減小給水流量，與目標負荷匹配

滿負荷運行狀態(tài)下機組發(fā)生FCB時，瞬間甩去90%以上電負荷，鍋爐熱負荷必須同步快減至FCB目標值。與此同時，給水流量需要與鍋爐負荷相匹配，快速降低至目標值。正常升降負荷給水指令由鍋爐負荷曲線經(jīng)過一階慣性環(huán)節(jié)得到。在FCB工況下，慣性時間應(yīng)遠小于正常升降負荷時的數(shù)值。

2.3 自動切換蒸汽汽源， 蒸汽供汽能量平衡

FCB發(fā)生后，四抽蒸汽壓力驟降，給水泵汽源需要平穩(wěn)切換至備用汽源，避免因四抽蒸汽失去給水流量突降至低限值以下。根據(jù)當前四抽蒸汽流量值，需要增加與其匹配的備用汽源流量，維持給水泵正常轉(zhuǎn)速，使給水系統(tǒng)具備正常調(diào)節(jié)性能。

2.4 維持給水泵供汽壓力，防止給水流量驟降

FCB發(fā)生后，給水泵供汽壓力驟降。因此在增加備用汽源維持蒸汽平衡的同時，需維持給水壓力的穩(wěn)定，防止給水流量驟降或者劇烈波動，使給水泵汽輪機具備可靠的調(diào)節(jié)性能，保證機組安全運行。

3 給水控制策略分析

3.1 給水系統(tǒng)控制策略

在FCB工況下，機組狀態(tài)切換為基本模式，負荷主要取決于鍋爐燃料量[8-9]。因此，給水指令設(shè)定值主要取決于鍋爐主控指令，同時給水系統(tǒng)也承擔(dān)了機組過熱度的調(diào)節(jié)任務(wù)。對此，在給水指令上疊加對過熱度控制的修正量，疊加后的給水指令經(jīng)一階慣性環(huán)節(jié)輸出至控制回路。慣性時間數(shù)據(jù)由不同運行方式?jīng)Q定。增加了優(yōu)先級高于RB模式的FCB模式。在FCB模式下，減小慣性時間，使指令變化更快。給水指令設(shè)定值行程回路邏輯如圖2所示。

圖2 給水指令設(shè)定值行程回路邏輯圖

給水流量控制為常規(guī)的比例積分(proportional integral,PI)調(diào)節(jié)器，給水流量與給水指令偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器運算輸出汽泵轉(zhuǎn)速指令，轉(zhuǎn)速指令通過平衡塊分配給兩臺汽動給水泵。隨著FCB信號觸發(fā)，鍋爐指令自動降至40%，隨后給水調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)給水流量至鍋爐負荷對應(yīng)值。

3.2 汽動給水泵高、低壓調(diào)節(jié)閥控制策略

機組正常運行時，高壓調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，給水流量PI調(diào)節(jié)器輸出指令至低壓調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)進汽量控制給水泵汽輪機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)給水流量滿足實際負荷需求。當給水指令不變、進汽壓力降低時，低壓調(diào)節(jié)閥逐漸開啟，以維持當前轉(zhuǎn)速。當?shù)蛪赫{(diào)節(jié)閥開度大于80%時，開啟高壓調(diào)節(jié)閥，高低壓調(diào)節(jié)閥開度按照設(shè)定的閥門重疊度曲線進行自動調(diào)節(jié)[9]；反之，進汽壓力增大，低壓調(diào)節(jié)閥開度減小至80%以下，關(guān)閉高壓調(diào)節(jié)閥，由低壓調(diào)節(jié)閥單獨調(diào)節(jié)汽動給水泵轉(zhuǎn)速。

在FCB工況下，汽泵進汽壓力急劇下降，需提前開啟高壓調(diào)節(jié)閥。隨后，由高低壓調(diào)節(jié)閥共同調(diào)節(jié)汽動給水泵轉(zhuǎn)速，維持給水流量與當前負荷匹配。

3.3 汽源切換控制策略

四段抽汽、再熱蒸汽冷段與輔助蒸汽在給水泵汽輪機速關(guān)閥前匯合，經(jīng)低壓調(diào)節(jié)閥進入機組噴嘴室做功[8]。正常運行時，四段抽汽作為動力汽源，輔汽與冷再蒸汽作為熱備用。在FCB觸發(fā)后，迅速切斷四抽蒸汽，開啟備用汽源，高低壓調(diào)節(jié)閥共同調(diào)節(jié)給水流量。

3.4 汽泵再循環(huán)閥控制

為了保證給水泵最小流量，分別設(shè)置再循環(huán)閥開啟和關(guān)閉方向的流量函數(shù)曲線。當給水泵出口給水流量低于680 t/h，再循環(huán)閥開啟；當給泵出口流量低于360 t時，再循環(huán)閥全開。同時，為了避免再循環(huán)閥在小流量波動段頻繁動作調(diào)整，在開、關(guān)曲線間增加一定的間隙。

4 甩負荷試驗出現(xiàn)的問題及解決辦法

通過對FCB工況下給水控制的任務(wù)和難點分析，針對性地優(yōu)化了部分控制策略，并進行了參數(shù)整定和擾動試驗。為了順利完成100%負荷FCB試驗，進行了100%甩負荷試驗，用于測試優(yōu)化后的給水系統(tǒng)在惡劣工況下的自動響應(yīng)情況。

4.1 100%甩負荷試驗過程,

2019年6月2日21時38分，機組負荷660 MW，基本模式運行，汽動給水泵A、B均采用四抽與輔汽供汽，冷再熱蒸汽熱備用方式運行。甩負荷前20 s、10 s分別各手動停一臺磨煤機。在21時47分57秒，手動分并網(wǎng)開關(guān)，3 s后汽機至最高轉(zhuǎn)速3 193 r/min。在21時48分04秒，汽動給水泵B跳閘。在21時48分11秒，汽動給水泵A再循環(huán)調(diào)節(jié)閥超馳至全開。在21時48分14秒，鍋爐給水流量低至255 t/h ，鍋爐動作。

4.2 給水流量低原因分析

甩負荷瞬間，切換閥未能快速開啟，汽泵A進汽壓力由1.03 MPa降低至0.42 MPa，汽泵B進汽壓力分別由1.04 MPa降低至0.32 MPa。汽源壓力下降致汽泵轉(zhuǎn)速下降，最低至3 758 r/min，給水流量也隨之大幅下降，給水泵B由于實際轉(zhuǎn)速與指令偏差大而跳閘。給水流量低至鍋爐主燃料跳閘保護動作值。

綜上分析，導(dǎo)致100%甩負荷期間給水流量低的原因如下。

①切換閥開啟時機滯后，汽動給水泵進汽壓力大幅度降低。②汽泵進汽壓力不足以維持給水泵汽輪機轉(zhuǎn)速，給水系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能大大降低。③汽泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥分流效應(yīng)過強，給水流量降低。

4.3 解決措施

4.3.1 切換閥前饋量的確定

為更快速地切換汽源，F(xiàn)CB發(fā)生瞬間，直接觸發(fā)汽泵A、B的高壓切換閥超馳開。開啟的開度應(yīng)滿足蒸汽切換的供汽需求。

FCB發(fā)生后，切換閥超馳開啟。FCB發(fā)生前后蒸汽流量應(yīng)具有如下關(guān)系，才能保證工質(zhì)平衡:

Q1=Q2

(1)

式中:Q1四抽蒸汽流量；Q2為切換閥超馳開啟后應(yīng)通過的蒸汽流量。

根據(jù)廠家提供的切換閥流量計算書，流經(jīng)切換閥流量與蒸汽壓力焓值、差壓、切換閥開度有如下關(guān)系:

Q2=k×ΔP×p1×[438×(0.028×H-16.5)]

(2)

式中:k為切換閥開度,%;ΔP為切換閥前后差壓，kPa;H為再熱蒸汽焓值，kJ/kg;p1為再熱蒸汽壓力。

由FCB發(fā)生前四抽蒸汽流量及當時的再熱蒸汽參數(shù)可知切換閥階躍開啟的開度k,如式(3)所示。

(3)

因此，在不同負荷段FCB工況下切換閥的階躍前饋量，均可以由相關(guān)參數(shù)確定。

4.3.2 切換閥控制策略的調(diào)整

切換閥超馳開啟后，為了維持汽泵進口壓力穩(wěn)定，在FCB模式下，將切換閥控制對象切換為汽泵進汽壓力。考慮到FCB惡劣的工況，壓力設(shè)定值在負荷函數(shù)的基礎(chǔ)上增加一定的偏置值，保持汽動給水泵較好的調(diào)節(jié)性能。

4.3.3 汽泵再循環(huán)閥控制對應(yīng)的流量曲線參數(shù)調(diào)整

為減少汽泵再循環(huán)流量的分流效應(yīng)，需調(diào)整汽泵再循環(huán)閥控制對應(yīng)的流量曲線參數(shù)、降低再循環(huán)門開啟的流量門檻值，同時降低再循環(huán)門流量低保護值。汽泵再循環(huán)閥門開度與流量控制如圖3所示。改善汽泵再循環(huán)流量對給水系統(tǒng)的擾動，避免給水流量驟降。

圖3 汽泵再循環(huán)閥門開度與流量控制示意圖

5 100%負荷下FCB運行情況

2019年6月5日10點07分01秒，機組滿負荷運行，模擬電氣零功率保護動作，跳主變高壓側(cè)開關(guān)，觸發(fā)FCB動作，機組負荷迅速由660 MW降至40 MW，發(fā)電機帶廠用電運行。

①FCB觸發(fā)后，鍋爐快卸負荷，PCV閥自動打開，高低壓旁路快開，DEH轉(zhuǎn)為本地轉(zhuǎn)速控制，汽機轉(zhuǎn)速開始飛升[10]，轉(zhuǎn)速最高達到3 175 r/min，最低降至2 970 r/min。經(jīng)過OPC控制、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，約30 s后，轉(zhuǎn)速保持在3 000 r/min左右。

②汽動給水泵切換閥A、B進入FCB控制模式，分別超馳開啟至35.2%和34.6%。由于汽源切換時間差的原因，汽動給水泵入口蒸汽壓力從1.04 MPa突降至0.85 MPa，隨后切換閥切換至FCB控制模式，自動調(diào)節(jié)給水泵進汽壓力。壓力設(shè)定值根據(jù)鍋爐負荷函數(shù)自動生成。

③FCB動作瞬間，由于蒸汽切換，經(jīng)8 s后汽動給水泵A轉(zhuǎn)速由5 045 r/min下降至4 800 r/min，汽泵B轉(zhuǎn)速的5 035 r/min降至4 700 r/min， 15 s后給水流量最低降至780 t/h。隨后，在給水控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)下，約1 min后穩(wěn)定在目標負荷時對應(yīng)的給水流量890 t/h，對給水系統(tǒng)控制系統(tǒng)的改造經(jīng)實際驗證初見成效。

④FCB發(fā)生后，主再熱汽溫、凝汽器真空、汽機振動等參數(shù)均未出現(xiàn)大幅波動現(xiàn)象。

2019年6月5日10點22分45秒，經(jīng)自動調(diào)節(jié)，各項參數(shù)趨于穩(wěn)定，機組再次并網(wǎng)升負荷， 100%負荷FCB試驗取得成功。 控制系統(tǒng)優(yōu)化前后試驗數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)優(yōu)化前后試驗數(shù)據(jù)對比

6 結(jié)論

FCB工況下對給水控制系統(tǒng)的改造和優(yōu)化，成功實現(xiàn)了極端惡劣工況下給水控制系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)功能，并在100%負荷FCB試驗中發(fā)揮了較大的作用，在一定程度上保證了FCB工況下機組的安全穩(wěn)定運行。這為今后其他類似過程控制系統(tǒng)的策略改進與優(yōu)化提供了一定的參考。