李冰, 高寵博, 肖光皓

（遼寧華電鐵嶺發(fā)電有限公司,遼寧 鐵嶺112000）

0 引 言

我國電力行業(yè)已逐步形成大電網(wǎng)、大機(jī)組、高參數(shù)、高自動化的發(fā)展格局[1]。超超臨界機(jī)組成為燃燒發(fā)電機(jī)組的主流。為保證熱控設(shè)備和系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行，可靠的設(shè)備與控制邏輯是先決條件[2]，電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)組的自動化程度都必須不斷提高。

AGC（即自動發(fā)電控制）是電網(wǎng)調(diào)度中心的一項(xiàng)主要工作內(nèi)容。它利用調(diào)度計(jì)算機(jī)、通道、遠(yuǎn)程終端、分配裝置、發(fā)電機(jī)組自動化裝置等組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，監(jiān)視和調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的頻率，控制所管轄多個(gè)發(fā)電機(jī)組的實(shí)際出力。從電廠發(fā)電機(jī)組的角度來看，是指在中高負(fù)荷段的機(jī)組運(yùn)行全部由過程控制系統(tǒng)自動完成，負(fù)荷直接由電網(wǎng)調(diào)度中心進(jìn)行控制。目前國內(nèi)的火電機(jī)組普遍在AGC控制精度上受到來自電網(wǎng)的嚴(yán)格考核。

如果能夠通過有針對性的各種控制優(yōu)化手段提高超超臨界機(jī)組的AGC控制精度，就可以盡量減少電網(wǎng)對發(fā)電機(jī)組AGC的考核損失，每年創(chuàng)造非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益，并提高機(jī)組日常運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。本文結(jié)合鐵嶺公司兩臺600 MW超超臨界機(jī)組的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，對提高超超臨界機(jī)組AGC精度的主要控制技術(shù)進(jìn)行了匯總和探討。

1 超超臨界機(jī)組AGC控制的難點(diǎn)

由于超超臨界機(jī)組只能采用直流鍋爐，與汽包爐機(jī)組相比，直流爐的主蒸汽壓力高達(dá)25～31 MPa,蒸汽溫度高達(dá)593～610 ℃，在主蒸汽壓力的控制上都只能選擇滑壓運(yùn)行方式，必須確保爐側(cè)分離器入口溫度在對應(yīng)的分離器入口壓力飽和溫度以上。

超超臨界機(jī)組的汽水分界面具有不固定性。當(dāng)超臨界鍋爐在轉(zhuǎn)入干態(tài)后，是沒有明確清晰的汽和水分界線的，該分界線將同時(shí)受給水流量和爐膛燃料量的影響，很容易進(jìn)入失調(diào)狀態(tài)威脅機(jī)組運(yùn)行安全。因此水煤比的精細(xì)調(diào)整至關(guān)重要。

對于汽包爐，爐側(cè)控制鍋爐的燃燒率，機(jī)側(cè)控制汽輪機(jī)調(diào)門開度，控制系統(tǒng)可以簡化成一個(gè)兩輸入、兩輸出的控制對象。兩個(gè)控制變量分別是機(jī)組的有功功率和主蒸汽壓力。但超超臨界機(jī)組同時(shí)還要考慮給水流量對功率和壓力的影響，因此超超臨界機(jī)組的控制系統(tǒng)可簡化為一個(gè)三輸入、兩輸出的控制對象，控制難度加大。

對于燃煤機(jī)組而言，磨煤機(jī)的啟停也會對AGC的控制精度造成很大影響。當(dāng)機(jī)組長期處于AGC方式下運(yùn)行將會使控制品質(zhì)頻繁受到磨煤機(jī)投切的干擾。

2 改善AGC控制指標(biāo)的7個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)長期的摸索和實(shí)踐，改善AGC控制指標(biāo)存在以下7個(gè)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)方法。

2.1 滑壓曲線的優(yōu)化

AGC的調(diào)節(jié)方式是全電網(wǎng)調(diào)節(jié)，因此根據(jù)機(jī)組性能試驗(yàn)擬合機(jī)組的最佳滑壓曲線，減緩壓力變化對負(fù)荷變化的影響是至關(guān)重要的。這里的滑壓曲線是指：機(jī)組在變負(fù)荷過程及一次調(diào)頻的變化量上具有足夠的裕度，調(diào)門的開方向足夠，關(guān)方向上不影響汽輪機(jī)的流量分配，同時(shí)保證汽輪機(jī)調(diào)閥的節(jié)流損失盡可能小。汽輪機(jī)工作效率較高的情況是節(jié)流損失盡可能小，蒸汽參數(shù)盡量高，這就要求結(jié)合機(jī)組不同的負(fù)荷點(diǎn)對滑壓設(shè)定值進(jìn)行相關(guān)的修正。此過程要注意性能試驗(yàn)過程給出的最佳數(shù)值，結(jié)合變負(fù)荷過程汽輪機(jī)的運(yùn)行狀況形成合理的滑壓曲線。

表1為遼寧鐵嶺某電廠5號超超臨界燃煤機(jī)組運(yùn)行期間的滑壓曲線對應(yīng)情況。

表1 600 MW超超臨界機(jī)組滑壓曲線對應(yīng)值

2.2 過熱度函數(shù)曲線的優(yōu)化

水和煤的比例是調(diào)節(jié)過熱度的主要工具?？刂扑罕仁紫纫_保過熱度函數(shù)的合理。超超臨界機(jī)組的過熱度函數(shù)通常以分離器入口溫度來標(biāo)定。它是分離器壓力的函數(shù)，標(biāo)定時(shí)以機(jī)組穩(wěn)定負(fù)荷下的水冷壁溫度及減溫水的可控性為依據(jù)，具體體現(xiàn)在：水冷壁不超溫、減溫水的可控性好，閥門開度在30%～60%之間。過熱度曲線的標(biāo)定通常安排在滑壓曲線確定之后。超超臨界機(jī)組運(yùn)行中存在亞臨界和超臨界兩個(gè)階段。在超臨界參數(shù)后，飽和溫度已經(jīng)失去明確的物理概念，必須進(jìn)行人工擬合，這樣機(jī)組運(yùn)行的過熱度指示便存在一定的不確定性，而分離器入口溫度是一個(gè)很明確且與分離器壓力對應(yīng)的參數(shù)，在控制上采用分離器壓力對應(yīng)的分離器溫度來修正水煤比。

表2為遼寧鐵嶺某電廠5號超超臨界燃煤機(jī)組運(yùn)行期間的過熱度函數(shù)曲線對應(yīng)情況。該曲線即以分離器入口溫度進(jìn)行標(biāo)定，通過與分離器壓力一一對應(yīng)的方式實(shí)現(xiàn)超超臨界機(jī)組過熱度的合理動態(tài)設(shè)定。

2.3 水煤比的控制

表2 600MW超超臨界機(jī)組過熱度函數(shù)曲線對應(yīng)值

超臨界直流爐的給水控制與汽包爐給水控制的最大區(qū)別在于直流爐汽水分界面的不固定性[3]。水煤比控制是超超臨界直流爐控制的核心，直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行的安全性。水煤比必須保證給水和燃料量的配比在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，通常穩(wěn)態(tài)下的比值近似為7.5：1.0。而在機(jī)組升負(fù)荷、降負(fù)荷、不同的負(fù)荷段、不同的負(fù)荷變化率、RB等工況下，這一比值將發(fā)生一定的變化，主要由鍋爐的蓄熱、汽水特性變化等因素引起。無論在控制上采用水跟煤、煤跟水或水煤同時(shí)變化來控制中間點(diǎn)溫度，都必須保證給水和燃料的比例在一個(gè)范圍以內(nèi)。合理的水煤配比體現(xiàn)在中間點(diǎn)溫度的控制偏差上，同時(shí)需要保證水冷壁不超溫，主蒸汽溫度的可控性良好。通常前饋部分給水與燃料的比例在2.5：（1.0～4.1）之間，給水延時(shí)時(shí)間30～60 s, 具體需要依照變負(fù)荷過程的過熱度控制偏差來修正。

表3為遼寧鐵嶺某電廠5號超超臨界燃煤機(jī)組運(yùn)行期間的煤水比曲線。

表3 600 MW超超臨界機(jī)組煤水比曲線對應(yīng)值

2.4 風(fēng)煤比的精確控制

風(fēng)煤比是影響燃燒效率的關(guān)鍵因素。超超臨界機(jī)組的風(fēng)煤比控制直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，通常以變負(fù)荷過程的氧量變化進(jìn)行參照。在變負(fù)荷控制中，前饋的煤量所匹配的風(fēng)量與爐主控設(shè)定的燃料量所配的風(fēng)量有所差別，因?yàn)樽冐?fù)荷前饋的燃料量作為總?cè)剂狭吭O(shè)定的一個(gè)分支，包含在總風(fēng)量的設(shè)定上。而變負(fù)荷前饋的風(fēng)量僅是按照變負(fù)荷過程氧量的變化以及富氧燃燒的原則來進(jìn)行風(fēng)量設(shè)定的補(bǔ)充，具體做法為加負(fù)荷過程先加風(fēng)、減負(fù)荷過程也加風(fēng)，只是加得少一些，存在比例上的差異，減負(fù)荷過程前饋增加風(fēng)量較少，如表4所示。

表4 600 MW超超臨界機(jī)組負(fù)荷氧量曲線對應(yīng)值

2.5 磨煤機(jī)風(fēng)粉比控制

磨煤機(jī)風(fēng)粉比是鍋爐出力變化的標(biāo)志，直接決定動態(tài)過程燃料量進(jìn)入爐膛的速度，決定整個(gè)機(jī)組負(fù)荷變化速率的快慢，磨煤機(jī)的響應(yīng)速度快慢直接決定機(jī)組的AGC考核指標(biāo)好壞。煤粉細(xì)度直接關(guān)系到煤粉的燃盡程度，決定鍋爐的經(jīng)濟(jì)性。磨煤機(jī)風(fēng)粉比控制的決定因素在于一次風(fēng)機(jī)的出力是否足夠及一次風(fēng)機(jī)出力的變化速度。在控制上合理的一次風(fēng)壓設(shè)定，磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量函數(shù)曲線決定著風(fēng)粉比的變化過程，同時(shí)應(yīng)參考變負(fù)荷過程過熱度、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度的變化幅度來予以修正，這是一個(gè)非常復(fù)雜的控制過程。在機(jī)組變負(fù)荷過程中，給煤機(jī)煤量的變化并不代表進(jìn)入爐膛燃料量的快速變化，這與磨煤機(jī)的制粉速度、磨煤機(jī)內(nèi)的蓄粉、磨煤機(jī)一次風(fēng)量的快速變化直接相關(guān)。

為提高鍋爐的響應(yīng)速度，改善鍋爐的燃燒率，希望給煤機(jī)煤量的變化迅速反映在進(jìn)入爐膛的燃料上，需要通過磨煤機(jī)一次風(fēng)量的改變迅速改變所攜帶的煤粉量。這在控制上需要增加一個(gè)變負(fù)荷前饋來改變一次風(fēng)量和一次風(fēng)壓的變化，從而實(shí)現(xiàn)磨煤機(jī)風(fēng)粉混合物的速度變化盡可能維持在25 m/s附近。此外，在不同的變負(fù)荷幅度上，風(fēng)粉比的瞬時(shí)變化會帶來不同程度的影響，簡單來說：負(fù)荷變化的范圍越大，風(fēng)煤比的瞬時(shí)變化盡可能小。

2.6 減溫水與給水的比例控制

減溫水量的變化幅度從另一方面表征了水煤比例的變化，減溫水占給水的比例通常為7%，如果減溫水偏多，標(biāo)志著給水量偏少，而負(fù)荷在恒定的情況下，調(diào)節(jié)級壓力對應(yīng)的主蒸汽流量將是恒定的，這樣就造成減溫水越多，流經(jīng)水冷壁的給水就越少，導(dǎo)致過熱度上升進(jìn)一步增加減溫水量，最終使整個(gè)汽水系統(tǒng)存在超溫的風(fēng)險(xiǎn)。因此，必須在邏輯上限制這種工況的發(fā)生，減溫水量偏大時(shí)，直接增加給水來避免水冷壁超溫;反之減少給水流量。

表5為遼寧鐵嶺某電廠5號超超臨界燃煤機(jī)組運(yùn)行期間噴水量占總給水流量的百分比與修正溫度關(guān)系曲線。

表5 600 MW超超臨界機(jī)組噴水量占總給水流量百分比與修正溫度關(guān)系曲線對應(yīng)值

2.7 一次風(fēng)與二次風(fēng)流量比例

在機(jī)組的整個(gè)變負(fù)荷過程中，一次風(fēng)與二次風(fēng)的流量比例近似為1:4，一次風(fēng)的主要作用是干燥并攜帶煤粉，提供鍋爐帶負(fù)荷所需要的燃料量；二次風(fēng)量主要是助燃，保證合理的氧量，保證鍋爐運(yùn)行的安全性；兩者的剛度主要是指磨煤機(jī)入口一次風(fēng)壓與爐膛差壓、二次風(fēng)箱壓力與爐膛差壓。如果一次風(fēng)剛度偏高，將使燃燒滯后，并可能導(dǎo)致過熱段超溫；而兩者皆可控制爐膛內(nèi)火焰的位置，在高低負(fù)荷段可用于主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度的輔助調(diào)節(jié)。

3 提高主汽壓力響應(yīng)速度的方法

3.1 使用變負(fù)荷前饋

直流鍋爐巨大的慣性導(dǎo)致主汽壓力經(jīng)常得不到快速響應(yīng)，這種情況下可以使用變負(fù)荷前饋來實(shí)現(xiàn)超前調(diào)節(jié)。變負(fù)荷前饋信號在變負(fù)荷過程中迅速改變?nèi)剂狭?、總風(fēng)量和給水流量，而給水流量的變化和燃料量的變化都能對鍋爐的主蒸汽壓力產(chǎn)生影響，其中給水流量的作用要比燃料快一些。因此，可將前饋的給水流量經(jīng)過一個(gè)較短的延時(shí)時(shí)間進(jìn)入鍋爐，從而盡快響應(yīng)主蒸汽壓力的要求，但給水的變化會對中間點(diǎn)溫度產(chǎn)生一定的影響，待進(jìn)入爐膛的燃料量改變后，最終保證過熱度及主蒸汽壓力的變化。這要注意前饋量中給水量與燃料量的配比。此外，變負(fù)荷前饋給水流量的延時(shí)時(shí)間應(yīng)獨(dú)立于總給水流量的延時(shí)之外單獨(dú)設(shè)置，其延時(shí)時(shí)間應(yīng)當(dāng)是負(fù)荷變化率的函數(shù)。

3.2 增加磨煤機(jī)一次風(fēng)量的前饋

利用直流爐主控指令的前饋信號改變?nèi)剂狭康耐瑫r(shí)改變磨煤機(jī)一次風(fēng)量的設(shè)定，充分利用磨煤機(jī)內(nèi)的蓄粉來快速響應(yīng)負(fù)荷需要，也就是快速改變磨煤機(jī)的風(fēng)粉比例。也可在磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量的設(shè)定上增加一個(gè)微分環(huán)節(jié)，在變負(fù)荷時(shí)，進(jìn)一步改變風(fēng)粉比。

3.3 一次風(fēng)母管壓力的設(shè)定

在變負(fù)荷過程中，一次風(fēng)母管壓力隨進(jìn)入磨煤機(jī)的燃料量的變化幅度也非常重要，不僅能夠防止堵磨的發(fā)生，更能夠保證磨煤機(jī)內(nèi)的煤粉能夠及時(shí)地進(jìn)入爐膛。在磨煤機(jī)運(yùn)行臺數(shù)不同的情況下，設(shè)置相應(yīng)的一次風(fēng)壓曲線來保證一次風(fēng)壓設(shè)定變化的斜率。

4 結(jié) 論

超超臨界機(jī)組在AGC投入情況下必須對滑壓曲線和過熱度曲線進(jìn)行針對性優(yōu)化，對水煤比、風(fēng)煤比、磨煤機(jī)風(fēng)粉比、減溫水給水比、一次風(fēng)二次風(fēng)流量比進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化調(diào)整，才能有效改善AGC控制指標(biāo)。同時(shí)在主蒸汽壓力響應(yīng)速度慢時(shí)，可以通過使用變負(fù)荷前饋，增加磨煤機(jī)一次風(fēng)量前饋，改變一次風(fēng)母管壓力設(shè)定值的方法來提高主蒸汽壓力的響應(yīng)速度。