段 寶, 范 龍, 李繼宏
(國家電投集團電站運營技術(shù)(北京)有限公司 西北分公司, 西安 710065)
隨著電力工業(yè)蓬勃發(fā)展和技術(shù)不斷成熟,超臨界循環(huán)流化床(CFB)機組兼?zhèn)涑R界機組特性和CFB鍋爐燃燒技術(shù)的優(yōu)勢,350 MW超臨界CFB機組現(xiàn)已成為低熱值發(fā)電供熱機組的主要發(fā)展趨勢。超臨界CFB機組運行參數(shù)高、效率高,有深度調(diào)峰性能;寬煤種燃燒適應(yīng)能力強,SO2、NOx控制成本相對低;但因超臨界CFB機組鍋爐結(jié)構(gòu)和燃燒特性等因素,具有很大的燃燒滯后性和熱慣性,相比超臨界煤粉鍋爐自動控制難度大,尤其在輔機故障減負荷(RB)時。筆者結(jié)合某350 MW超臨界CFB機組各項RB試驗成功的經(jīng)驗,深入分析控制策略和技術(shù)難點,提出解決思路,保證在RB大擾動工況下煤、水、風(fēng)主要控制量基本耦合正確,主參數(shù)調(diào)節(jié)穩(wěn)定,為同類型機組RB功能控制提供參考。
該機組鍋爐均采用DG1235/25.4-Ⅱ1型超臨界CFB直流鍋爐,單爐膛、M形布置、平衡通風(fēng)、一次中間再熱,采用3臺高溫蒸汽冷卻式旋風(fēng)分離器進行氣固分離,其下部各布置1臺U形閥回料器;不帶再循環(huán)泵的啟動系統(tǒng),在負荷≥30%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)后,進入直流運行;鍋爐采取床下油槍點火,設(shè)置4個床下點火風(fēng)道,分別從爐膛后側(cè)進入風(fēng)室;前墻水冷壁下部收縮段沿寬度方向均等布置10個給煤口,爐后水冷壁下部均等布置5個排渣口。鍋爐主要技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 鍋爐主要技術(shù)參數(shù)
注:1)BRL為鍋爐額定蒸發(fā)量。
汽輪機采用CZK350/295-24.2/0.4/566/566型超臨界、一次中間再熱、直接空冷、抽凝式汽輪機組。機組有7個回?zé)峒訜崞鳎謩e為3個高壓加熱器、1個除氧器、3個低壓加熱器。分散控制系統(tǒng)(DCS)采用HOLLIAS MACS V6.5.2DCS。
每臺機組配置2臺帶變頻器的一次風(fēng)機、2臺帶變頻器的二次風(fēng)機、2臺動葉可調(diào)的一次風(fēng)機,實際運行中一次、二次風(fēng)機均采取變頻方式;配置1臺100%的汽動給水泵和1臺30%的非全壓電動給水泵,進而主要考慮變頻方式下的風(fēng)機RB,即一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、引風(fēng)機的RB。
超臨界CFB機組RB控制功能與超臨界煤粉鍋爐相同,均是在機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CCS)中主要輔機發(fā)生故障時,機組快速降負荷,維持鍋爐的允許最大出力。超臨界CFB機組鍋爐燃燒特性決定其RB控制策略和具體邏輯與煤粉機組有很大不同,超臨界CFB機組鍋爐具有大燃燒滯后性和熱慣性,一定程度上增加了RB的控制難度。
超臨界CFB機組RB不存在像煤粉鍋爐直接切斷部分制粉系統(tǒng)運行,而應(yīng)快速實現(xiàn)燃燒(即床溫)、蓄熱、汽水等參數(shù)與RB目標負荷對應(yīng)的燃料量的匹配,否則易在RB階段發(fā)生因鍋爐原高負荷物料、澆注料、受熱面等積累蓄熱未充分消解,造成水冷壁超溫、中間點溫度飛升、屏式受熱面超溫,以及主蒸汽、再熱蒸汽溫度突升等問題,此是超臨界CFB機組RB最重要的控制要點。RB過程中應(yīng)控制床溫的下降速率和幅度,保持煤在穩(wěn)定著火溫度以上,防止出現(xiàn)床溫過低切換燃料或鍋爐跳閘;RB過程中應(yīng)防止因快速減負荷時物料迅速回落使床壓過高,可能引起的局部結(jié)焦或流化不良;在一次風(fēng)機RB中應(yīng)保證物料流化風(fēng)量;RB過程中因爐內(nèi)物料濃度和風(fēng)量的劇烈變化,負壓控制相對較難;RB過程中還應(yīng)防止運行輔機及對應(yīng)變頻器過流等。超臨界CFB機組RB必須充分考慮上述控制要點,針對性地制定合理的邏輯和調(diào)節(jié)參數(shù)。
機組汽輪機主控、燃料主控、給水控制、一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、引風(fēng)機均投入自動,且機組負荷大于175 MW(50%額定負荷),允許投入RB功能。結(jié)合超臨界CFB機組鍋爐燃燒特點和具體風(fēng)機的出力情況,設(shè)置RB的具體觸發(fā)負荷、目標負荷。
(1) 引風(fēng)機RB:負荷大于190 MW,2臺引風(fēng)機運行時,其中1臺跳閘,觸發(fā)引風(fēng)機RB動作,目標負荷175 MW。
(2) 二次風(fēng)機RB:在鍋爐65%額定負荷工況以下,為維持爐內(nèi)床溫,二次風(fēng)量僅是補充風(fēng)量,相對較少,同時為保證一定的安全裕量,進而確定負荷大于240 MW,2臺二次風(fēng)機運行,其中1臺跳閘,觸發(fā)二次風(fēng)機RB動作,目標負荷210 MW。
(3) 一次風(fēng)機RB:保證物料的正常流化是關(guān)鍵,結(jié)合風(fēng)機實際出力情況,負荷大于185 MW,2臺一次風(fēng)機運行,其中1臺跳閘,負荷降至165 MW。
因該機組要進行供熱,且冬季供熱量較大(10%~17%的額定負荷),折算主蒸汽質(zhì)量流量為90~150 t/h。所以不能直接采取發(fā)電機出口的電負荷作為觸發(fā)負荷和目標負荷,而應(yīng)采取鍋爐蒸發(fā)量折算的電負荷作為觸發(fā)負荷和目標負荷。
超臨界CFB機組鍋爐蓄熱量大,RB動作后相應(yīng)負荷下降速率較煤粉機組緩慢,至目標負荷時間較長,取消原煤粉鍋爐采用的負荷變化速率低于一定值的復(fù)位條件;采取時間復(fù)位或負荷復(fù)位的2種方式,即RB動作后12 min復(fù)位或RB動作后負荷至大于目標負荷10 MW復(fù)位。
RB觸發(fā)后,汽輪機立即切換至機跟隨(TF)方式,依一定的滑壓速率控制主蒸汽壓力至目標壓力設(shè)定值。 目標壓力和滑壓速率合理的設(shè)置對RB至關(guān)重要,關(guān)系到在RB動態(tài)快速過程中機爐能量平衡,影響降負荷速率和蒸汽溫度的穩(wěn)定性;同時影響四段抽汽和再熱蒸汽冷段(簡稱冷再)的壓力,關(guān)系到汽動給水泵的正常運行和給水調(diào)節(jié)速率[1]。 如果壓力設(shè)定值過高,雖然降負荷速率快,也便于鍋爐蒸汽參數(shù)的穩(wěn)定,但是因汽輪機主汽閥開度小、進汽量少,四段抽汽和冷再壓力過低,汽動給水泵汽源不足,影響給水調(diào)節(jié);如果壓力設(shè)定值過低,則降負荷慢,且鍋爐的熱量和蒸汽溫度容易在RB后期快速下降。 滑壓速率應(yīng)結(jié)合RB實際主蒸汽壓力和目標壓力的變化予以確定,滑壓速率設(shè)置過小或過大,均易導(dǎo)致主蒸汽壓力的調(diào)節(jié)偏差增大、調(diào)節(jié)過慢或后期振蕩。 綜合協(xié)調(diào)控制模式的壓力曲線和滑壓速率,確定RB動作時主蒸汽目標壓力均較原協(xié)調(diào)控制模式時相同負荷高1 MPa、滑壓速率為0.5 MPa/min。 RB動作90 s內(nèi),因CFB鍋爐蓄熱量大,實際主蒸汽壓力變化相對慢,可能高于目標壓力,設(shè)置閉鎖汽輪機調(diào)節(jié)閥開度增加的邏輯,有利于后期鍋爐熱量和蒸汽溫度的維持。
3.3.1 燃料量控制
依據(jù)觸發(fā)RB動作前鍋爐蒸發(fā)量折算的電負荷、煤量,并考慮CFB鍋爐極強的蓄熱乘以一定的蓄熱修正系數(shù)(一次風(fēng)機和引風(fēng)機RB取0.90、二次風(fēng)機RB取0.93,有利于消解鍋爐蓄熱,防止出現(xiàn)受熱面超溫),確定RB目標負荷下的對應(yīng)目標煤量(見圖1)。引風(fēng)機和二次風(fēng)機RB依據(jù)每分鐘100%額定負荷的速率、一次風(fēng)機RB依據(jù)每分鐘150%額定的速率,燃料主控指令直接至目標煤量,運行給煤機平均動作減少煤量,不存在跳閘部分給煤機,有利于維持整體床溫的平衡及其因原部分給煤機停運時RB邏輯的判別。一次風(fēng)機RB須維持物料正常流化,防止出現(xiàn)物料局部堆積造成的結(jié)焦,所以設(shè)置目標負荷低、減煤幅度大、速率快。CFB機組給煤線長且實際給煤機轉(zhuǎn)速-煤量有一定的下降速率,不會因煤量指令瞬時巨幅下降引起負壓失調(diào)。
圖1 RB目標煤量的邏輯框圖
3.3.2 風(fēng)煙聯(lián)鎖和超馳控制
因CFB鍋爐中低負荷階段燃燒一次風(fēng)、二次風(fēng)的比例分配,RB過程中風(fēng)煙聯(lián)鎖與煤粉鍋爐有所不同;不僅因風(fēng)量和燃料量的巨幅變化,爐內(nèi)物料濃度驟變也會增加負壓的調(diào)節(jié)難度。因此,應(yīng)有針對性地確定風(fēng)煙聯(lián)鎖邏輯并增加合適的超馳控制前饋便于負壓調(diào)節(jié),具體如下:
(1) 引風(fēng)機RB,聯(lián)鎖跳閘同側(cè)二次風(fēng)機。
(2) 因?qū)嶋H二次風(fēng)機占比總風(fēng)量比例較少,二次風(fēng)機RB不會聯(lián)鎖跳閘同側(cè)引風(fēng)機,增加超馳關(guān)小每臺引風(fēng)機動葉12%的指令[2]。
(3) 一次風(fēng)機RB時,因爐內(nèi)一次流化風(fēng)量和稀相區(qū)物料濃度迅速降低,會加劇負壓減少,增加超馳關(guān)小每臺引風(fēng)機動葉8%的指令。
RB動作,一次風(fēng)流量和二次風(fēng)流量隨著鍋爐燃料指令迅速降低而快速下降。結(jié)合CFB鍋爐熱慣性及平衡系統(tǒng)參數(shù)的需要,一次風(fēng)流量設(shè)定值變化設(shè)置10 s的慣性時間,二次風(fēng)流量設(shè)定值變化設(shè)置8 s的慣性時間,相比協(xié)調(diào)控制模式等非RB工況慣性時間均增加5 s。
風(fēng)機跳閘后,依靠交叉平衡回路邏輯將跳閘風(fēng)機的指令直接疊加至對應(yīng)的運行風(fēng)機,與負壓對應(yīng)引風(fēng)機動葉、負荷或燃料量對應(yīng)一次風(fēng)機和二次風(fēng)機共同確定RB后風(fēng)煙系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)。其間,為防止運行風(fēng)機和變頻器過流造成鍋爐停運,設(shè)置引風(fēng)機動葉、一次風(fēng)機和二次風(fēng)機變頻器指令上限,設(shè)置風(fēng)機電動機、變頻器至額定電流的報警,以及閉鎖增的雙重回路。
3.3.3 床溫、床壓控制
RB過程中仍保持兩側(cè)運行的風(fēng)機采取較快的PID調(diào)節(jié)參數(shù),減少一次流化風(fēng)量和二次風(fēng)流量,不僅有利于迅速減少鍋爐稀相區(qū)的熱流密度和循環(huán)倍率,快速降低負荷,還有利于床溫的維持。為進一步控制床溫的下降速率,在RB動作60 s后,設(shè)置爐膛上部二次風(fēng)擋板超馳關(guān)小至45%、下部二次風(fēng)擋板超馳關(guān)小至20%的指令。
RB過程中,物料內(nèi)外循環(huán)的迅速減少、大量的物料回落在爐膛密相區(qū),會導(dǎo)致床壓的迅速升高(100%額定負荷一次風(fēng)機RB最為明顯,平均床壓約從5.7 kPa最高升至8.6 kPa)。為防止物料迅速堆積引起的流化不良及降低一次風(fēng)系統(tǒng)阻力,防止點火風(fēng)道、一次風(fēng)道膨脹節(jié)處超壓,增設(shè)RB動作后,超馳增加運行冷渣器、鏈斗輸送機、斗提機10%的轉(zhuǎn)速指令;為防止冷渣器過熱,出現(xiàn)排渣或回水溫度高跳閘,增設(shè)凝結(jié)水母管至冷渣器冷卻水供水電動調(diào)節(jié)閥超馳開8%的指令。
超臨界CFB機組給水控制是RB成功的關(guān)鍵,不能像亞臨界CFB機組僅控制汽包水位,須要實現(xiàn)煤水之間的緊密耦合;但因超臨界CFB鍋爐蓄熱量大、燃燒滯后性強,且還須考慮RB過程中爐內(nèi)各部位物料濃度變化引起的水冷壁吸熱比例的變化,也不能像超臨界煤粉機組設(shè)置較快的煤-水耦合調(diào)節(jié)參數(shù),控制難度較大。超臨界CFB機組RB給水控制有針對性地采用與協(xié)調(diào)控制模式相同的煤-焓回路確定基準水量,增加RB初始期間隨動作負荷疊加水量,確定基準給水量;增設(shè)RB期間過熱度給水量修正回路;保留手給水量偏置功能,在煤水比嚴重失調(diào)或主要汽水參數(shù)失控下作為手動干預(yù),以相互結(jié)合補充的方式進行綜合控制。具體RB工況給水流量控制邏輯見圖2。
圖2 RB工況給水流量控制邏輯框圖
3.4.1 基準給水量
RB動作后,依據(jù)未乘以蓄熱修正系數(shù)的RB目標煤量,并結(jié)合協(xié)調(diào)控制模式設(shè)置的給水流量曲線和焓值修正回路,確定基準水量;針對不同RB及RB動作前的負荷,在RB動作初期45 s直接疊加30~90 t/h給水質(zhì)量流量(見表2)。通過以上兩個方面,使RB期間給水流量設(shè)定值相比協(xié)調(diào)控制模式下數(shù)值稍高,有利于巨大蓄熱的消解,防止RB過程中出現(xiàn)水冷壁超溫、中間點溫度突升,有利于后續(xù)汽溫的控制。
表2 各RB隨動作前負荷設(shè)置的疊加給水質(zhì)量流量 t/h
依據(jù)不同RB燃燒表現(xiàn)的作用設(shè)置不同的給水慣性時間:引風(fēng)機RB和二次風(fēng)機三階給水慣性時間為42 s;一次風(fēng)機RB三階給水慣性時間為27 s,相對給水調(diào)節(jié)較快,主要因為隨著跳閘一次風(fēng)機,導(dǎo)致瞬時爐膛稀相區(qū)的物料濃度和熱流密度迅速降低,該區(qū)域水冷壁的吸熱量也相應(yīng)迅速減少,蒸發(fā)量減少和汽水蒸發(fā)點后移,應(yīng)相應(yīng)地較快降低給水流量,維持中間點溫度和汽溫的穩(wěn)定性,也應(yīng)較快降低給水流量。
3.4.2 過熱度控制
過熱度代表過熱器入口蒸汽初始參數(shù),有利于負荷和汽溫的控制。超臨界CFB鍋爐因燃燒滯后性強、熱慣性大,過熱度控制必須利用給水調(diào)節(jié);不同于超臨界煤粉爐可分別用煤量、給水量兩個方面或者耦合進行修正。RB動作后應(yīng)密切關(guān)注過熱度的變化,防止過熱度跟蹤過于緊密反而抑制基準給水量的跟蹤和調(diào)節(jié),造成煤水比失調(diào),引發(fā)受熱面超溫或參數(shù)失控。采取RB動作前120 s暫時切除中間點溫度控制,便于快減負荷階段給水量隨煤量變化的跟蹤;后投入自動,當過熱度≤20 K或≥38 K時,依據(jù)過熱度實際值修正-65~70 t/h給水質(zhì)量流量予以調(diào)節(jié)(見表3)。
表3 RB過程中過熱度修正給水質(zhì)量流量
3.4.3 減溫水控制
一次風(fēng)機RB因爐膛稀相區(qū)的物料濃度、熱流密度和外循環(huán)倍率的巨幅減少,使爐膛上部水冷壁、屏式受熱面、尾部對流受熱面的吸熱量減少,造成汽溫波動更加明顯;且再熱器因集中尾部受熱面布置,屏式受熱面較少,爐內(nèi)高溫物料輻射受熱對再熱蒸汽溫度影響相對較少,RB動作再熱蒸汽溫度下降更加劇烈。所以在引風(fēng)機、二次風(fēng)機和一次風(fēng)機RB時不同的減溫水控制策略,便于維持汽溫的穩(wěn)定性。
(1) 引風(fēng)機、二次風(fēng)機RB動作前90 s,過熱減溫水調(diào)節(jié)閥相比原開度超馳關(guān)小20%,再熱減溫水調(diào)節(jié)閥超馳關(guān)閉至0后跟蹤調(diào)節(jié)。
(2) 一次風(fēng)機RB動作前90 s,減溫水調(diào)節(jié)閥超馳關(guān)閉至0后跟蹤調(diào)節(jié);再熱減溫水調(diào)節(jié)閥和前后電動隔離閥均關(guān)閉后依據(jù)蒸汽溫度變化,手動投入。
2018年3月31日—4月1日,在機組90%額定負荷以上,采取就地事故按鈕手動跳閘風(fēng)機的方式,分別進行二次風(fēng)機、引風(fēng)機、一次風(fēng)機RB試驗,各試驗均采取自動控制,過程中未有手動干預(yù),整個動態(tài)過程各主要參數(shù)穩(wěn)定,燃燒與給水參數(shù)耦合較好,成功實現(xiàn)在輔機意外跳閘時機組自動安全快速減負荷。
二次風(fēng)機RB機組各個主要參數(shù)的變化過程見表4。
表4 二次風(fēng)機RB主要參數(shù)變化
協(xié)調(diào)控制模式下,機組負荷338.33 MW、主蒸汽壓力24.32 MPa、總?cè)剂腺|(zhì)量流量225.8 t/h,就地事故按鈕跳閘B側(cè)二次風(fēng)機,觸發(fā)二次風(fēng)機RB。A側(cè)二次風(fēng)機變頻器負荷率由74.2%迅速增加至81.7%,二次風(fēng)體積流量維持在316 000 m3/h,總?cè)剂腺|(zhì)量流量下降至135.1 t/h,給水質(zhì)量流量下降至747.5 t/h,過熱度控制在34.35 K,過熱蒸汽和再熱蒸汽參數(shù)穩(wěn)定,未出現(xiàn)受熱面超溫和汽溫巨幅波動;引風(fēng)機和一次風(fēng)機減少出力,維持參數(shù)穩(wěn)定,負壓最大波動至-935 Pa,床溫由916 ℃下降至846 ℃。RB動作后12 min后負荷下降至235.05 MW,各項參數(shù)穩(wěn)定,雖未達到目標負荷(210 MW),但滿足時間復(fù)位條件,RB自動復(fù)位。
引風(fēng)機RB機組各個主要參數(shù)的變化過程見表5。
表5 引風(fēng)機RB主要參數(shù)變化
機組負荷349.34 MW、主蒸汽壓力24.09 MPa、總?cè)剂腺|(zhì)量流量227.71 t/h,手動停運A側(cè)引風(fēng)機,觸發(fā)引風(fēng)機RB。聯(lián)鎖跳閘同側(cè)A二次風(fēng)機,B側(cè)引風(fēng)機超馳最大開度達到89.2%后跟蹤負壓逐漸關(guān)小至78%,調(diào)整負壓在正常范圍內(nèi),其間負壓波動在-1 366~1 251 Pa。給水質(zhì)量流量逐漸下降至681.74 t/h,過熱度控制在28.38 K,過熱蒸汽和再熱蒸汽參數(shù)穩(wěn)定,未出現(xiàn)受熱面超溫和汽溫巨幅波動;一次風(fēng)機減少出力,維持流化風(fēng)體積流量302 000 m3/h,床溫由925 ℃下降至835 ℃。RB動作后12 min后負荷下降至209.71 MW,各項參數(shù)穩(wěn)定,雖未達到目標負荷(185 MW),但滿足時間復(fù)位條件,RB自動復(fù)位。
一次風(fēng)機RB機組各個主要參數(shù)的變化過程見表6。
表6 一次風(fēng)機RB主要參數(shù)變化
機組負荷351 MW、主蒸汽壓力24.39 MPa、總?cè)剂腺|(zhì)量流量238.12 t/h,事故按鈕跳閘B側(cè)一次風(fēng)機,觸發(fā)一次風(fēng)機RB。B一次風(fēng)機跳閘后約19 s,流化風(fēng)體積流量最低降至293 000 m3/h,但仍在臨界流化風(fēng)體積流量(195 000 m3/h)以上;A側(cè)一次風(fēng)機變頻器負荷率由72.5%超馳增加至90%,流化風(fēng)體積流量控制在293 000 m3/h;總?cè)剂腺|(zhì)量流量下降至111.09 t/h,給水質(zhì)量流量逐漸下降至702.2 t/h;其間過熱度在28.68~52.84 K波動,后逐漸穩(wěn)定在36.58 K,過熱蒸汽和再熱蒸汽參數(shù)穩(wěn)定,未出現(xiàn)受熱面超溫和汽溫巨幅波動;引風(fēng)機和二次風(fēng)機隨之降低出力,其間負壓波動在-1 616~731 Pa,調(diào)節(jié)特性較好;床溫由923 ℃下降至844 ℃。RB動作后12 min后負荷下降至189.32 MW,各項參數(shù)穩(wěn)定,雖未達到目標負荷(165 MW),但滿足時間復(fù)位條件,RB自動復(fù)位。
(1) 結(jié)合超臨界CFB機組鍋爐燃燒特點和具體風(fēng)機的出力情況,設(shè)置RB的具體觸發(fā)負荷、目標負荷及復(fù)位條件;設(shè)置合適的RB目標壓力和滑壓速率,有利于機爐之間的能量平衡、蒸汽參數(shù)穩(wěn)定和汽動給水泵的汽源供給正常。
(2) 超臨界CFB機組RB應(yīng)直接平均減少運行給煤機的煤量,有利于整體床溫的均衡;該機組因帶供熱,RB目標煤量采取鍋爐蒸發(fā)量折算電負荷并乘以蓄熱修正系數(shù);依據(jù)燃燒風(fēng)量配比確定合適的風(fēng)煙聯(lián)鎖邏輯,在二次風(fēng)機RB和一次風(fēng)機RB中增加不同的負壓超馳指令;控制床溫下降速率及時關(guān)小鍋爐上下二次風(fēng)擋板;應(yīng)增加冷渣器系統(tǒng)出力,有效控制床壓。
(3) 超臨界CFB機組RB給水控制須充分考慮蓄熱量大、燃燒滯后強的特點,跟蹤未乘以修正系數(shù)前的目標煤量,RB初始期間隨動作負荷疊加水量共同確定基準給水量;并依據(jù)不同RB設(shè)置不同的給水慣性時間;過熱度控制應(yīng)考慮與基準給水量調(diào)節(jié)相結(jié)合,利用給水進行開環(huán)控制;控制過熱和再熱減溫水溫度,一次風(fēng)機RB設(shè)置相對較強的超馳邏輯。