陳厚濤， 王錫輝， 朱曉星， 劉武林， 王志杰， 盛 鍇

(國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)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(tái)給水泵、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī))發(fā)生故障時(shí)，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(yàn)。近年來(lái)，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(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要。以裝機(jī)容量中較比最大的600 MW級(jí)機(jī)組為例，當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，發(fā)生輔機(jī)跳閘但RB功能未實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)時(shí)，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(dòng)。隨著中國(guó)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(zhǎng)歷史，其控制策略日趨成熟，自動(dòng)化水平不斷提高。

現(xiàn)以某電廠兩臺(tái)新建620 MW超臨界機(jī)組給水泵RB、一次風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)結(jié)果為例，對(duì)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(guò)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(hào)620 MW機(jī)組鍋爐為超臨界參數(shù)、帶啟動(dòng)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(tái)鍋爐配磨煤機(jī)6臺(tái)，給煤機(jī)12臺(tái)。煙風(fēng)系統(tǒng)采用平衡通風(fēng)方式，空預(yù)器采用三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器。設(shè)2臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)軸流式送風(fēng)機(jī)，2臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)(增引合一)引風(fēng)機(jī)，2臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)軸流式一次風(fēng)機(jī)。點(diǎn)火方式為油槍點(diǎn)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(jiǎn)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(dòng)作至設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速，維持一段時(shí)間后恢復(fù)給水自動(dòng)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(guò)熱度自動(dòng)控制模式。跳閘汽泵對(duì)應(yīng)的最小流量再循環(huán)調(diào)節(jié)閥指令超馳動(dòng)作至全開(kāi)，運(yùn)行汽泵對(duì)應(yīng)的最小流量再循環(huán)調(diào)節(jié)閥指令延時(shí)一定時(shí)間后超馳動(dòng)作至全關(guān)。兩臺(tái)送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令在原基礎(chǔ)上以一定速率超馳動(dòng)作至設(shè)定目標(biāo)指令后恢復(fù)自動(dòng)閉環(huán)控制，動(dòng)作過(guò)程中若爐膛壓力過(guò)低則閉鎖送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令減。兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令在原基礎(chǔ)上以一定速率超馳動(dòng)作至設(shè)定目標(biāo)指令后恢復(fù)自動(dòng)閉環(huán)控制，動(dòng)作過(guò)程中若爐膛壓力過(guò)高則閉鎖引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令減。一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉全程保持自動(dòng)閉環(huán)控制狀態(tài)，每跳閘一臺(tái)磨煤機(jī)，動(dòng)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(shí)間間隔和順序自動(dòng)停運(yùn)磨煤機(jī)，直至磨煤機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)與預(yù)先設(shè)定臺(tái)數(shù)相等。處于自動(dòng)的磨煤機(jī)容量風(fēng)門設(shè)置上下限。按設(shè)定的時(shí)間間隔和順序快速投入運(yùn)行磨的油槍助燃。燃油回油調(diào)節(jié)閥延時(shí)一定時(shí)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(dòng)閉環(huán)控制。機(jī)組切換至TF模式運(yùn)行，并連鎖投入滑壓運(yùn)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(dòng)，燃料主控維持自動(dòng)，設(shè)置燃料目標(biāo)指令。一、二級(jí)過(guò)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(shí)一段時(shí)間后恢復(fù)自動(dòng)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(dòng)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(yùn)行一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令以一定速率超馳動(dòng)作至目標(biāo)指令后恢復(fù)自動(dòng)閉環(huán)控制，在動(dòng)葉動(dòng)作過(guò)程中若電流大則閉鎖一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉增。兩臺(tái)送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令在原基礎(chǔ)上以一定速率超馳動(dòng)作至設(shè)定目標(biāo)指令后恢復(fù)自動(dòng)閉環(huán)控制，動(dòng)作過(guò)程中若爐膛壓力過(guò)低則閉鎖送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令減。兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令在原基礎(chǔ)上以一定速率超馳動(dòng)作至設(shè)定目標(biāo)指令后恢復(fù)自動(dòng)閉環(huán)控制，動(dòng)作過(guò)程中若爐膛壓力過(guò)高則閉鎖引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令減。一次風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作時(shí)，運(yùn)行磨對(duì)應(yīng)的容量風(fēng)門切手動(dòng)。延時(shí)一定時(shí)間后以一定速率動(dòng)作至預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)指令。旁路風(fēng)門開(kāi)度不超過(guò)預(yù)先設(shè)定值。按設(shè)定的時(shí)間間隔和順序自動(dòng)停運(yùn)磨煤機(jī)，直至磨煤機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)與預(yù)先設(shè)定臺(tái)數(shù)相等。按設(shè)定的時(shí)間間隔和順序快速投入運(yùn)行磨的油槍助燃。燃油回油調(diào)節(jié)閥延時(shí)一定時(shí)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(dòng)。機(jī)組切換至TF模式運(yùn)行，并連鎖投入滑壓運(yùn)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(dòng)，燃料控制投入開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)模式。給水流量指令在一段時(shí)間內(nèi)向預(yù)先估算的目標(biāo)燃料指令對(duì)應(yīng)的理論給水需求量變化，隨后跟隨實(shí)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(kāi)至合適開(kāi)度，防止最小流量保護(hù)動(dòng)作。一、二級(jí)過(guò)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(shí)一段時(shí)間后恢復(fù)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

試驗(yàn)過(guò)程中除控制策略說(shuō)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(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入自動(dòng)控制外，其他重要輔助自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制模式如表1所示，確保RB過(guò)程的全程自動(dòng)控制。

表1 重要輔助自動(dòng)控制系統(tǒng)投入

圖1 優(yōu)化前給水泵RB試驗(yàn)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(yàn)過(guò)程相關(guān)參數(shù)變化趨勢(shì)。RB試驗(yàn)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(tái)磨運(yùn)行。操作臺(tái)打閘一臺(tái)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(duì)較緩的速度繼續(xù)減小至約960 t/h后開(kāi)始回升，出現(xiàn)波動(dòng)，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(dòng)，波動(dòng)幅度最高接近100 MW，最終保持在380～390 MW；爐膛壓力波動(dòng)最高值369 Pa、最低值-383 Pa。

由上述參數(shù)的變化趨勢(shì)可知，RB控制策略設(shè)置合理，主要運(yùn)行參數(shù)過(guò)度平穩(wěn)，爐膛壓力波動(dòng)位于正常運(yùn)行允許波動(dòng)范圍之內(nèi)，遠(yuǎn)小于主保護(hù)動(dòng)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(méi)有平滑下降，出現(xiàn)波動(dòng)，負(fù)荷波動(dòng)由給水流量波動(dòng)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(diǎn)過(guò)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(guò)熱度實(shí)際值變化相對(duì)緩慢，與設(shè)定值相比，實(shí)際過(guò)熱度偏大，導(dǎo)致給水流量增加，引起實(shí)際負(fù)荷增加；此時(shí)，熱一次風(fēng)母管風(fēng)壓設(shè)定值跟隨實(shí)際負(fù)荷增加，使得一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開(kāi)度增大，加強(qiáng)了燃燒作用，反過(guò)來(lái)減緩了過(guò)熱度實(shí)際值的下降趨勢(shì)。該過(guò)程中，燃料和給水控制耦合影響，互相加強(qiáng)，抬升了機(jī)組負(fù)荷，引起波動(dòng)。實(shí)際上，由于RB過(guò)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(duì)較為緩慢，導(dǎo)致中間點(diǎn)過(guò)熱度存在“虛高”現(xiàn)象。為防止過(guò)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(guò)程和其他工況，采用不同的PID調(diào)節(jié)參數(shù)，將RB過(guò)程中過(guò)熱度PID的調(diào)節(jié)作用減弱；②將RB過(guò)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(shí)一定時(shí)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(lái)，避免相互作用抬升機(jī)組負(fù)荷而引起波動(dòng)。

如圖2所示為過(guò)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(yàn)過(guò)程相關(guān)參數(shù)變化趨勢(shì)。試驗(yàn)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(tái)磨運(yùn)行。操作臺(tái)打閘一臺(tái)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(dòng)，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(dòng)至410 MW，隨后持續(xù)下降至穩(wěn)定值；爐膛壓力波動(dòng)最高值727 Pa、最低值-239 Pa。

圖2 優(yōu)化后給水泵RB試驗(yàn)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(dòng)幅度均明顯改善，機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)由原來(lái)100 MW減小至20 MW，未出現(xiàn)反復(fù)波動(dòng)情況。從給水流量的變化趨勢(shì)分析，仍可進(jìn)一步減弱RB過(guò)程中過(guò)熱度PID的調(diào)節(jié)作用。與優(yōu)化前給水泵RB試驗(yàn)相比，爐膛壓力波動(dòng)最高值要大。原因如下：優(yōu)化前RB試驗(yàn)時(shí)，保持6臺(tái)磨運(yùn)行，RB動(dòng)作后跳閘2臺(tái)磨，每跳閘一臺(tái)磨，一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉超馳減小5%(共減小10%)，一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉的超馳動(dòng)作完全消除了跳磨對(duì)于一次風(fēng)母管風(fēng)壓的擾動(dòng)，沒(méi)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(qiáng)。因此，爐膛壓力得以良好控制。優(yōu)化后試驗(yàn)時(shí)，保持5臺(tái)磨運(yùn)行，RB動(dòng)作后跳閘1臺(tái)磨，一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉超馳減小5%。由圖2折算燃料量的變化趨勢(shì)可知，一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉的超馳動(dòng)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(qiáng)，導(dǎo)致?tīng)t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(duì)一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉的控制繼續(xù)作如下優(yōu)化，隨著RB過(guò)程中磨煤機(jī)跳閘臺(tái)數(shù)的增加，一次風(fēng)機(jī)動(dòng)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(yàn)過(guò)程相關(guān)參數(shù)變化趨勢(shì)。試驗(yàn)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(tái)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(dòng)，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(dòng)，最終穩(wěn)定在410 MW；爐膛壓力波動(dòng)最高至1 061 Pa、最低-368 Pa。由各參數(shù)的變化趨勢(shì)可知，控制策略設(shè)置合理，動(dòng)作速率和時(shí)間間隔匹配較好，爐膛壓力距離主保護(hù)動(dòng)作值存有安全余裕，一次風(fēng)機(jī)RB功能正常實(shí)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(dòng)；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(shí)已闡明，即由過(guò)熱度偏差控制調(diào)節(jié)引起，這里不再?gòu)?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(huì)迅速減小，然而從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，壓力最低值為-368 Pa，說(shuō)明引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉動(dòng)作速度合適。隨著未跳閘一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令的迅速增大，爐膛內(nèi)燃燒突然加強(qiáng)，引起壓力驟增。為克服燃燒突然變化對(duì)爐膛壓力的影響，采取如下優(yōu)化措施：設(shè)計(jì)專門的引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉前饋，通過(guò)輔助邏輯的判斷使這部分前饋只在RB發(fā)生時(shí)生效，并針對(duì)不同類別的RB工況設(shè)計(jì)不同的動(dòng)作幅度和速度。具體設(shè)置如下： RB動(dòng)作過(guò)程中，當(dāng)爐膛壓力大于或小于預(yù)先設(shè)定閾值時(shí)，引風(fēng)機(jī)動(dòng)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(yàn)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(yàn)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(hào)機(jī)一次風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)過(guò)程的相關(guān)參數(shù)變化趨勢(shì)。試驗(yàn)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(shí)，就地打閘一臺(tái)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(dòng)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(wú)征兆的發(fā)生6 kV母線失壓和1臺(tái)一次風(fēng)機(jī)就地不明原因跳閘事故，RB功能均正常實(shí)現(xiàn)，機(jī)組負(fù)荷及主要運(yùn)行參數(shù)平穩(wěn)過(guò)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(shí)踐的檢驗(yàn)。

4 結(jié)論

將設(shè)計(jì)的RB控制策略在兩臺(tái)新建機(jī)組進(jìn)行工程應(yīng)用，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了針對(duì)性的優(yōu)化和驗(yàn)證，獲得了如下結(jié)論。

(1)多次實(shí)踐檢驗(yàn)表明所述RB控制策略設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)了RB全程自動(dòng)控制并有充分的安全余裕，對(duì)該類型鍋爐和配置的火電機(jī)組有工程參考價(jià)值。

(2)減弱RB過(guò)程中過(guò)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(gè)與目標(biāo)負(fù)荷相匹配的固定值，可有效避免RB過(guò)程中過(guò)熱度“虛高”引起的給水流量波動(dòng)，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(dòng)。

(3)針對(duì)RB工況，設(shè)計(jì)專門的引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉前饋，當(dāng)爐膛壓力大于或小于預(yù)先設(shè)定閾值時(shí)，根據(jù)風(fēng)機(jī)出力特性，引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令超馳動(dòng)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(yùn)行允許的波動(dòng)范圍，主要運(yùn)行參數(shù)過(guò)度平穩(wěn)，控制優(yōu)良。