1 000 MW二次再熱機(jī)組RB功能控制策略的試驗(yàn)研究

江溢洋

(合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院, 合肥 230031)

0 引 言

1 機(jī)組概況

國內(nèi)某1 000 MW超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)制造的超超臨界參數(shù)、變壓直流爐、切圓燃燒方式、二次再熱、全懸吊п型結(jié)構(gòu)鍋爐。汽輪機(jī)為上海電氣集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的超超臨界參數(shù)、二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、十級(jí)回?zé)岢槠㈦p背壓凝汽式汽輪機(jī)。分散控制系統(tǒng)采用北京國電智深控制技術(shù)有限公司的EDPF-NT Plus控制系統(tǒng)，完成單元機(jī)組主輔機(jī)及系統(tǒng)的監(jiān)視、報(bào)警、遠(yuǎn)程操縱、聯(lián)鎖保護(hù)、事件記錄、實(shí)時(shí)及歷史趨勢(shì)顯示等功能。汽輪機(jī)控制系統(tǒng)為德國西門子公司生產(chǎn)的SPPA-T3000集散控制系統(tǒng)(DEH)，主要有汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)、汽輪機(jī)監(jiān)視儀表與保護(hù)系統(tǒng)、汽輪機(jī)旁路控制系統(tǒng)等，主要根據(jù)蒸汽流量信號(hào)，調(diào)整調(diào)節(jié)閥的開度來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組負(fù)荷的控制。

2 機(jī)組主要控制思路

超臨界二次再熱機(jī)組的結(jié)構(gòu)和工質(zhì)換熱流程比常規(guī)一次再熱機(jī)組要復(fù)雜得多，不僅汽輪機(jī)增加了超高壓缸，鍋爐系統(tǒng)也增設(shè)一個(gè)二次再熱高溫再熱器和低溫再熱器，以及相關(guān)的二次再熱蒸汽管道，對(duì)應(yīng)有“三次汽”的熱交換過程和作功過程。

由于二次再熱機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)僅超高壓調(diào)門參與調(diào)節(jié)，高壓、中壓調(diào)門處于全開狀態(tài)，而相比較常規(guī)機(jī)組其一次汽流量卻相應(yīng)下降，因此,在同樣蒸汽參數(shù)的條件下，響應(yīng)同樣的負(fù)荷變化，對(duì)一次汽壓(主汽壓)影響更加劇烈。所以，對(duì)于二次再熱機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能及時(shí)平衡鍋爐側(cè)能量就顯得更加重要。

該機(jī)組鍋爐主控布置在DCS系統(tǒng)中，汽機(jī)主控布置在DEH系統(tǒng)中，當(dāng)鍋爐主控自動(dòng)，DEH切至負(fù)荷遙控方式，機(jī)組進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)方式。在這種方式下協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)同時(shí)給鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)和汽輪機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出指令。一方面機(jī)組負(fù)荷需求作用于DEH側(cè)功率調(diào)節(jié)器，形成汽機(jī)主控指令以控制實(shí)際負(fù)荷；另一方面機(jī)組負(fù)荷指令經(jīng)過滑壓函數(shù)轉(zhuǎn)換出機(jī)組目標(biāo)壓力設(shè)定值，并經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)和速率限制作用于DCS側(cè)鍋爐主控調(diào)節(jié)器，生成鍋爐主控指令，經(jīng)過相關(guān)限制和修正后進(jìn)入下一級(jí)燃料、風(fēng)量和給水流量等控制系統(tǒng)。

由于二次再熱機(jī)組主蒸汽壓力和負(fù)荷耦合性增強(qiáng)，負(fù)荷響應(yīng)特性滯后，控制難度增大，所以在協(xié)調(diào)控制的設(shè)計(jì)上更注重先進(jìn)算法及策略技巧性的運(yùn)用，如基于多變量信息(燃水耦合、燃料與調(diào)門耦合、壓力目標(biāo)與設(shè)定、負(fù)荷目標(biāo)與設(shè)定等)預(yù)測(cè)解耦、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)前饋、變參數(shù)PID、相位補(bǔ)償技術(shù)等匹配快速變化的負(fù)荷需求與滯后較大的鍋爐系統(tǒng)間的矛盾，提高機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和控制穩(wěn)定性能。

3 RB控制策略設(shè)計(jì)

通過對(duì)機(jī)組各控制系統(tǒng)接口可靠設(shè)計(jì)、完善各項(xiàng)RB控制策略、合理設(shè)置相關(guān)控制參數(shù)，提高機(jī)組應(yīng)對(duì)輔機(jī)故障跳閘情況的能力，通過RB功能將機(jī)組安全、快速、平穩(wěn)地降低至運(yùn)行輔機(jī)出力能承載的負(fù)荷工況，避免事故擴(kuò)大導(dǎo)致機(jī)組跳閘，保證機(jī)組在異常情況下運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定可控[2]。

德國政府關(guān)于提高德國人退休年齡的規(guī)定于2007年推出，明確表示了德國人退休年齡改革將緩慢地逐步由65周歲上調(diào)至67周歲，預(yù)計(jì)從2012年開始至2029結(jié)束，歷時(shí)17年。德國政府規(guī)劃將提升的2周歲退休年齡按照月份計(jì)數(shù)，共計(jì)24個(gè)月，前12個(gè)月將在2012年至2024年完成提升，剩余時(shí)間則解決剩下的12個(gè)月。德國針對(duì)不同出生年份的工作者也采取了分層次退休并領(lǐng)取養(yǎng)老金的政策[3]。

3.1 RB觸發(fā)及復(fù)位

RB功能的投退一般由運(yùn)行人員手動(dòng)投退，RB功能投入后，控制系統(tǒng)才具備RB功能。RB動(dòng)作的觸發(fā)的條件除相關(guān)重要輔機(jī)跳閘或停運(yùn)之外，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷應(yīng)超過運(yùn)行輔機(jī)最大出力，邏輯設(shè)計(jì)要避免發(fā)生單臺(tái)輔機(jī)運(yùn)行時(shí)，誤觸發(fā)RB的情況。同時(shí)，重要輔機(jī)跳閘或停運(yùn)信號(hào)的判斷要考慮設(shè)備檢修、設(shè)備出力情況等進(jìn)行綜合判斷。需要說明的是由于本臺(tái)機(jī)組為單汽泵運(yùn)行，故未設(shè)置給水泵RB。

RB過程是使鍋爐的燃燒狀態(tài)及汽水循環(huán)由跳閘前的平衡狀態(tài)快速過渡至單側(cè)輔機(jī)所能承受的鍋爐運(yùn)行平衡狀態(tài)。因此，當(dāng)機(jī)組實(shí)際負(fù)荷不大于運(yùn)行輔機(jī)所能帶的最大負(fù)荷或機(jī)組負(fù)荷等主參數(shù)變化平穩(wěn)，即可自動(dòng)復(fù)位RB，同時(shí)應(yīng)留備有運(yùn)行人員手動(dòng)復(fù)位RB功能。

3.2 協(xié)調(diào)控制

由于RB發(fā)生后需要快速切除部分磨煤機(jī)并相應(yīng)減少總風(fēng)量和給水流量，對(duì)汽溫、汽壓等各參數(shù)擾動(dòng)較大，因此要確保RB過程中機(jī)組負(fù)荷與主汽壓力、總風(fēng)量、給水流量等關(guān)系的匹配，以盡量減少機(jī)組重要運(yùn)行參數(shù)的波動(dòng)。

對(duì)于該臺(tái)機(jī)組，在DCS側(cè)判斷RB觸發(fā)后，發(fā)送壓力控制方式請(qǐng)求至DEH以切換初壓控制方式，同時(shí)鍋爐主控手動(dòng)，協(xié)調(diào)控制方式切換至汽機(jī)跟隨(TF)控制方式。在這種方式下，DCS生成的壓力設(shè)定值經(jīng)過4～20 mA信號(hào)送至DEH側(cè)，汽輪機(jī)控制主汽壓力，此時(shí)機(jī)組工作以機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性優(yōu)先，通過調(diào)節(jié)鍋爐的燃燒率來獲得期望的負(fù)荷。RB目標(biāo)負(fù)荷理論上對(duì)應(yīng)的是單臺(tái)輔機(jī)的最大出力負(fù)荷，也就對(duì)應(yīng)著RB發(fā)生后剩余燃料量產(chǎn)的熱負(fù)荷。

相對(duì)于定壓方式，負(fù)荷與汽壓不能很好匹配對(duì)應(yīng)，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開度較小，不利于負(fù)荷及汽溫控制，甚至導(dǎo)致給水泵上水困難，因此RB過程宜采用滑壓方式。此時(shí)壓力設(shè)定值跟隨實(shí)際負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的滑壓曲線下降，縮短壓力設(shè)定值形成回路慣性時(shí)間，同時(shí)選擇合適的滑壓速率。如果速度太慢，可能主汽溫降得太低；速率太快，會(huì)導(dǎo)致汽機(jī)調(diào)門大幅開關(guān)，不利于穩(wěn)定控制[3]。為了防止RB過程實(shí)際負(fù)荷的反調(diào)和改善主汽溫下降過快，設(shè)計(jì)RB過程汽機(jī)主控閉鎖增邏輯。

鍋爐主控輸出應(yīng)以一定速率跟蹤對(duì)應(yīng)RB的輔機(jī)最大出力，將機(jī)組負(fù)荷降到輔機(jī)對(duì)應(yīng)的出力水平，同時(shí)總風(fēng)量指令、給水流量指令跟隨鍋爐主控指令快速下降。若未設(shè)計(jì)燃料熱值修正回路，跟蹤的輔機(jī)最大出力需考慮進(jìn)行RB觸發(fā)前煤質(zhì)修正，其中一種目標(biāo)負(fù)荷煤量的計(jì)算方法為：(RB前的煤量÷RB前的負(fù)荷)×RB的目標(biāo)負(fù)荷。某二次再熱機(jī)組RB協(xié)調(diào)控制相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 某二次再熱機(jī)組RB協(xié)調(diào)控制相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters related to RB coordinated control of a double reheat unit

3.3 燃料控制

在非制粉系統(tǒng)的輔機(jī)RB發(fā)生后，為了保持機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行工況能夠快速平穩(wěn)地變化到低負(fù)荷運(yùn)行工況，必須快速減少燃料量。RB觸發(fā)后，應(yīng)由FSSS完成相關(guān)磨煤機(jī)的切除。根據(jù)該機(jī)組特性，設(shè)計(jì)按照自上而下的順序依次跳閘磨煤機(jī)直至剩余3 臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行?？紤]到燃料切除對(duì)爐膛負(fù)壓的擾動(dòng)及一次風(fēng)攜粉能力，設(shè)置送風(fēng)機(jī)RB及引風(fēng)機(jī)RB跳磨時(shí)間間隔為10 s、一次風(fēng)機(jī)RB為5 s，確保鍋爐熱負(fù)荷以較快的速率降低。為了防止RB觸發(fā)后切除制粉系統(tǒng)過程中燃料主控閉環(huán)調(diào)節(jié)的擾動(dòng)，RB發(fā)生后燃料自動(dòng)閉鎖調(diào)節(jié)30 s。另外，根據(jù)鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷的需要，某些機(jī)組由于燃用煤質(zhì)較差等因素，RB工況下需投油槍穩(wěn)燃。

3.4 給水控制

RB過程中最重要的是維持動(dòng)態(tài)過程中的汽水平衡、熱量平衡，但直流鍋爐由于沒有汽包的蓄熱緩沖，水煤比的控制質(zhì)量直接影響機(jī)組負(fù)荷、主蒸汽壓力、主蒸汽溫度等機(jī)組運(yùn)行主參數(shù)。同時(shí)由于給水流量的對(duì)汽水交換的影響程度要明顯快于鍋爐燃燒調(diào)整，因此需要在時(shí)序和幅值上做更精細(xì)的匹配調(diào)整。對(duì)于該臺(tái)機(jī)組，RB信號(hào)觸發(fā)后鍋爐給水指令形成回路中的三階慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)統(tǒng)一由正常運(yùn)行方式下切換：一次風(fēng)機(jī)RB為7 s，非一次風(fēng)機(jī)RB工況為10 s。

為了保證RB發(fā)生后給水流量快速穩(wěn)定調(diào)整，一方面針對(duì)在燃水比的瞬間失調(diào)后，為了使得給水指令按預(yù)期平穩(wěn)下降，較小中間點(diǎn)溫度的控制輸出擾動(dòng)，在RB初期閉鎖中間點(diǎn)溫度控制器輸出，同時(shí)合理設(shè)置給水主控指令與MEH之間的轉(zhuǎn)速升降速率。另外，考慮汽源壓力的變化，為了防止給水泵出力過小導(dǎo)致給水流量過低的問題，應(yīng)對(duì)給水主控設(shè)置合理的下限。

3.5 汽溫控制

RB過程由于機(jī)組熱負(fù)荷快速變化，往往會(huì)導(dǎo)致主、再熱汽溫的快速下降，因此主汽溫、再熱汽溫的平穩(wěn)是RB過程的一個(gè)控制關(guān)鍵點(diǎn)。整個(gè)RB過程中汽溫的因素主要包括動(dòng)態(tài)過程的水煤配比、鍋爐蓄熱的釋放、上層燃燒器的切除導(dǎo)致火焰中心的下移等。另外，主汽壓力作為調(diào)節(jié)因素，對(duì)應(yīng)汽機(jī)調(diào)門的關(guān)閉速率、汽水交換與鍋爐燃燒的匹配也是需要考慮的因素之一[4]。

對(duì)于直流鍋爐，通過一次工質(zhì)的熱平衡方程可知過熱蒸汽出口焓可表示為

(1)

式中：hsh為過熱蒸汽焓值，hfw為給水焓值，Wfw為鍋爐給水流量，B為鍋爐燃料量，Qar燃料低位發(fā)熱量，ηb為鍋爐熱效率。

由式(1)可知，hsh值正比于燃料量與給水量的比值B/Wfw，因此維持一定的汽溫水平，首先需要保證燃料量與給水流量的匹配。同時(shí)根據(jù)熱力學(xué)第一定律，對(duì)于同等負(fù)荷下機(jī)前壓力越高，蒸汽溫度越高，因此在水煤配比動(dòng)態(tài)時(shí)間模型和滑壓曲線的設(shè)計(jì)中，考慮不同RB工況對(duì)主汽溫的影響程度應(yīng)略有不同。另外，減溫水方面設(shè)計(jì)了RB發(fā)生后迅速超弛控制關(guān)閉過熱器、一次再熱器及二次再熱減溫水調(diào)門60 s，60 s后解除超弛信號(hào)緩慢恢復(fù)，如此可以有效減小各級(jí)汽溫的下降幅度。

3.6 爐膛壓力控制

在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，當(dāng)輔機(jī)出現(xiàn)單側(cè)設(shè)備跳閘后，會(huì)直接改變爐內(nèi)燃燒狀態(tài)，因此控制好爐膛壓力是RB過程另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，尤其在RB發(fā)生初期[5]。

對(duì)于送、引風(fēng)機(jī)任意臺(tái)故障跳閘，一般設(shè)計(jì)為聯(lián)跳同側(cè)引、送風(fēng)機(jī)，并且聯(lián)鎖關(guān)閉該側(cè)風(fēng)道，以實(shí)現(xiàn)送引風(fēng)的快速平衡。而當(dāng)一次風(fēng)機(jī)跳閘，短時(shí)間內(nèi)爐膛一次風(fēng)送粉量突然減少，鍋爐燃燒大大減弱，爐膛負(fù)壓的負(fù)向變化較其他RB更為明顯。為了優(yōu)化一次風(fēng)機(jī)RB過程中爐膛負(fù)壓的控制品質(zhì)，增加了一次風(fēng)機(jī)RB至爐膛負(fù)壓控制的前饋信號(hào)。即根據(jù)一次風(fēng)機(jī)RB發(fā)生前機(jī)組負(fù)荷的不同，在RB發(fā)生時(shí)按一定的函數(shù)關(guān)系超馳控制關(guān)閉引風(fēng)機(jī)靜葉，待RB結(jié)束后再緩慢復(fù)位該前饋信號(hào)，如圖1所示，圖中“LIM”為限幅模塊，“K”代表可調(diào)增益系數(shù)。

圖1 一次風(fēng)機(jī)RB至爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)前饋示意圖Fig.1 Feed forward diagram of primary air fan RB to furnace negative pressure control system

需要注意的是該前饋指令的恢復(fù)速率應(yīng)設(shè)置緩慢，避免在前饋信號(hào)結(jié)束后對(duì)爐膛負(fù)壓造成新的擾動(dòng)。RB過程中，由于燃空比的失調(diào)，風(fēng)量指令在氧量調(diào)節(jié)下可能波動(dòng)較大，為了爐膛負(fù)壓的平穩(wěn)控制，在RB過程中，減弱氧量調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用。

3.7 其它控制策略設(shè)計(jì)

閉鎖控制系統(tǒng)偏差大切換至手動(dòng)：RB過程是特殊工況下的擾動(dòng)，為了保證自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程，應(yīng)對(duì)各個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)定值與實(shí)際值偏差大、控制指令與控制反饋偏差大，切換至手動(dòng)的邏輯進(jìn)行屏蔽，以減輕人為干預(yù)負(fù)擔(dān)，確保機(jī)組安全運(yùn)行。

輔機(jī)出力限制：因RB初期運(yùn)行風(fēng)機(jī)需快速增大出力以平穩(wěn)參數(shù)，使得輔機(jī)極易出現(xiàn)過出力、過電流現(xiàn)象而出現(xiàn)跳閘，進(jìn)而兩側(cè)輔機(jī)失去導(dǎo)致MFT動(dòng)作。因此應(yīng)設(shè)置風(fēng)機(jī)電流達(dá)額定時(shí)閉鎖風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)輸出增大功能；同時(shí)控制邏輯中要設(shè)置合適的輔機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的輸出指令速率限制值，見表2。

表2 各主要輔機(jī)指令上限及防過電流閉鎖值Table 2 Command upper limit and over-current blocking value of each main auxiliary machine

防止外積分飽和邏輯：對(duì)于一拖二控制系統(tǒng)，在RB過程中，運(yùn)行設(shè)備會(huì)在平衡算法的調(diào)節(jié)下實(shí)現(xiàn)翻倍調(diào)節(jié)，因此會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)指令遠(yuǎn)超過實(shí)際控制指令的狀況，出現(xiàn)積分飽和，造成指令反向調(diào)節(jié)不及時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)控制指令達(dá)高限后調(diào)節(jié)器跟蹤的策略避免積分飽和現(xiàn)象。如圖2所示，圖中“H/”為高限判斷模塊，“T-on”為延時(shí)開模塊。

圖2 輔機(jī)防止外積分飽和邏輯示意圖Fig.2 Logic diagram of auxiliary machine to prevent external integral saturation

4 RB試驗(yàn)過程

4.1 引風(fēng)機(jī)RB

4.1.1 試驗(yàn)過程

機(jī)組負(fù)荷903.2 MW，機(jī)前壓力30.8 MPa，A、B、C、D、F五套制粉系統(tǒng)投入運(yùn)行。手動(dòng)停止A引風(fēng)機(jī)，F(xiàn)、D磨煤機(jī)相繼聯(lián)鎖跳閘成功，A送風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖跳閘，B引風(fēng)機(jī)擋板在平衡算法的作用下快速打開至89.8%。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)切至汽機(jī)跟隨模式并保持滑壓方式運(yùn)行，A、B、C給煤機(jī)煤量跟隨鍋爐主控指令下降至194 t/h，試驗(yàn)曲線如圖3。

圖3 二次再熱機(jī)組引風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)Fig.3 Dynamic trend of RB test for induced draft fan of a double reheat unit

4.1.2 試驗(yàn)分析

此次試驗(yàn)入爐煤量下降及時(shí)，分離器出口溫度及主、再熱汽溫等參數(shù)平穩(wěn)。試驗(yàn)中給水流量在低負(fù)荷出現(xiàn)小幅波動(dòng)，主要由于進(jìn)入給水泵不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，從而引起給水流量的連續(xù)波動(dòng)。因此優(yōu)化設(shè)計(jì)在RB觸發(fā)后，緩慢將給水泵再循環(huán)調(diào)門開至20%，以維持給水泵入口流量。

4.2 一次風(fēng)機(jī)RB

4.2.1 試驗(yàn)過程

機(jī)組負(fù)荷898.07 MW，機(jī)前壓力31.1 MPa，A、B、C、D、E五套制粉系統(tǒng)投入運(yùn)行。手動(dòng)停止B一次風(fēng)機(jī)，B一次風(fēng)機(jī)擋板指令在平衡算法的作用下上升至95%，2臺(tái)引風(fēng)機(jī)開度超馳控制減小16%，之后維持PID調(diào)節(jié)。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)切至汽機(jī)跟隨模式并保持滑壓方式運(yùn)行，剩余給煤機(jī)煤量跟隨鍋爐主控指令下降至181 t/h，試驗(yàn)曲線如圖4。

圖4 二次再熱機(jī)組一次風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)Fig.4 Dynamic trend of RB test for primary air fan of a double reheat unit

4.2.2 試驗(yàn)分析

該項(xiàng)一次風(fēng)機(jī)RB 試驗(yàn)過程中，主汽壓力、主汽溫度、一次/二次再熱汽溫等各項(xiàng)主要參數(shù)保持平穩(wěn)，各控制方式切換正確，試驗(yàn)結(jié)果滿足行業(yè)規(guī)程及機(jī)組安全運(yùn)行要求，試驗(yàn)成功。

5 結(jié) 語

結(jié)合某1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組，詳細(xì)說明二次再熱機(jī)組RB控制邏輯設(shè)計(jì)及RB過程控制關(guān)鍵點(diǎn)。通過現(xiàn)場(chǎng)各工況下RB動(dòng)態(tài)試驗(yàn)證明，通過嚴(yán)謹(jǐn)、合理的RB邏輯設(shè)計(jì)，1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組的RB功能能夠正確、成功投用，將有利于機(jī)組的長期安全、穩(wěn)定運(yùn)行。