朱禮祝, 國(guó) 勝, 張江東, 邱哲人, 任曉辰, 王 強(qiáng)

(1.大唐黃島發(fā)電有限責(zé)任公司, 山東 青島 266599; 2.大唐東北電力試驗(yàn)研究院有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130021)

0 引言

2020年9月，我國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上明確提出，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1](即“3060”雙碳目標(biāo))。隨著“3060”雙碳目標(biāo)的提出，中國(guó)電力的發(fā)展方向轉(zhuǎn)變?yōu)椤皹?gòu)建以新能源為主題的新型電力系統(tǒng)”。因此，中國(guó)煤電面臨空前巨大的挑戰(zhàn)，即煤電如何轉(zhuǎn)型并做到“低碳發(fā)展”，以及煤電如何實(shí)現(xiàn)“深度調(diào)峰”。為此，煤電必須自覺主動(dòng)適應(yīng)新形勢(shì)下電力角色的轉(zhuǎn)變，并從支柱型能源向調(diào)節(jié)型能源轉(zhuǎn)變。

由于我國(guó)現(xiàn)役火電機(jī)組大多是按照帶基本負(fù)荷設(shè)計(jì)，不能完全適應(yīng)深度調(diào)峰的運(yùn)行要求。為保障新能源高水平消納利用，深度調(diào)峰改造是新形勢(shì)下對(duì)煤電機(jī)組的迫切要求，也是適應(yīng)“3060”雙碳目標(biāo)新形勢(shì)要求的重要舉措之一[2,3]。

1 機(jī)組概述

某電廠680 MW機(jī)組鍋爐型號(hào)為SG-2102/25.4-M953，是上海鍋爐廠制造的超臨界壓力變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，為單爐膛、一次中間再熱、固態(tài)排渣和全鋼懸吊Π型鍋爐。鍋爐采用四角切圓燃燒方式，采用等離子點(diǎn)火方式啟動(dòng)，設(shè)計(jì)最低穩(wěn)燃負(fù)荷30%BMCR。鍋爐采用中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配6臺(tái)ZGM113G型磨煤機(jī)。

隨著《山東省直調(diào)公用煤電機(jī)組靈活性改造后最小技術(shù)出力核定試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》(魯電技監(jiān)[2021]25號(hào))的印發(fā)，規(guī)定機(jī)組從50%額定容量調(diào)整至最小技術(shù)出力所用時(shí)間不得超過1.5小時(shí)。機(jī)組現(xiàn)有自動(dòng)調(diào)節(jié)性能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足最新技術(shù)要求。

2 機(jī)組深度調(diào)峰存在的主要問題

常規(guī)火電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和優(yōu)化通常都是針對(duì)50%額定負(fù)荷以上區(qū)間進(jìn)行，較少涉及低負(fù)荷運(yùn)行工況。當(dāng)機(jī)組在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，機(jī)組的控制對(duì)象特性發(fā)生了較大變化，主要運(yùn)行參數(shù)以及設(shè)備都接近正常調(diào)節(jié)范圍的下限，調(diào)節(jié)裕度和安全裕度較小，普遍存在協(xié)調(diào)控制品質(zhì)差、AGC響應(yīng)速度慢、一次調(diào)頻性能差和燃燒不穩(wěn)定等問題。深度調(diào)峰時(shí)，系統(tǒng)已嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，再加上配煤摻燒，造成了控制難度加大。

對(duì)于深度調(diào)峰至35%額定負(fù)荷以下，甚至達(dá)20%負(fù)荷時(shí)，燃煤機(jī)組面臨了負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍更寬、調(diào)節(jié)對(duì)象的非線性和時(shí)變性更加明顯、煤質(zhì)變化與分層摻燒等的影響進(jìn)一步加深、執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入非線性區(qū)間及測(cè)點(diǎn)測(cè)量波動(dòng)或失真等現(xiàn)象，給熱工自動(dòng)調(diào)節(jié)及程控保護(hù)系統(tǒng)帶來較大的控制困難。因此，控制回路的完善、優(yōu)化和新型控制技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用是解決深度調(diào)峰背景下熱工控制瓶頸問題的必要手段。

2.1 分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)邏輯不足

常規(guī)火電機(jī)組DCS控制邏輯未在50%額定負(fù)荷以下進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行調(diào)試，更沒有低負(fù)荷下響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻的經(jīng)驗(yàn)。風(fēng)量、給水流量等測(cè)量數(shù)值在低負(fù)荷時(shí)精度差、波動(dòng)大，嚴(yán)重影響相關(guān)控制回路的穩(wěn)定性。配風(fēng)、給水、燃料、主蒸汽溫度、協(xié)調(diào)和一次調(diào)頻等回路由于調(diào)節(jié)對(duì)象特性相比中、高負(fù)荷工況差異明顯，控制品質(zhì)一般都不能滿足連續(xù)、穩(wěn)定的運(yùn)行需求。這些都需要針對(duì)深度調(diào)峰工況開展邏輯優(yōu)化和策略完善[4]。

2.2 關(guān)鍵控制函數(shù)曲線適應(yīng)性不足

深度調(diào)峰工況下，維持機(jī)組主要參數(shù)控制穩(wěn)定是首要任務(wù)。協(xié)調(diào)及主要自動(dòng)控制長(zhǎng)期在50%額定負(fù)荷及以上工況運(yùn)行，在50%額定負(fù)荷以下較少投入，需要通過試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析等手段重新修正機(jī)組，如滑壓曲線、“功-煤”曲線、“水-煤”曲線、“風(fēng)-煤”曲線等主要參數(shù)低負(fù)荷下的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.3 重要輔機(jī)自啟停功能缺失

深度調(diào)峰過程不可避免帶來輔機(jī)或系統(tǒng)的頻繁啟停，從運(yùn)行安全性和自動(dòng)化程度兩個(gè)角度來說，輔機(jī)或系統(tǒng)的一鍵啟停功能是否完善，是影響深度調(diào)峰工況輔機(jī)或系統(tǒng)運(yùn)行安全性的要素[5]。

2.4 難以兼顧涉網(wǎng)性能指標(biāo)和安全運(yùn)行

由于深度調(diào)峰工況下運(yùn)行設(shè)備的穩(wěn)定性及抗擾動(dòng)能力較弱，機(jī)組涉網(wǎng)性能要求的快速性和機(jī)組自身運(yùn)行要求的安全性往往存在矛盾。如低負(fù)荷工況下，因調(diào)頻動(dòng)作需求汽輪機(jī)調(diào)門的頻繁變動(dòng)，往往引起主蒸汽壓力、燃料等主要參數(shù)的波動(dòng)，部分機(jī)組甚至出現(xiàn)調(diào)頻時(shí)汽輪機(jī)調(diào)門大幅動(dòng)作，造成機(jī)組非停的安全事故。因此，在汽輪機(jī)和鍋爐設(shè)備固有特性限制條件下需進(jìn)一步深入挖掘協(xié)調(diào)控制潛力，并根據(jù)機(jī)組自身?xiàng)l件，采用其他輔助機(jī)組升降負(fù)荷的控制技術(shù)，以滿足機(jī)組在深度調(diào)峰工況下的變負(fù)荷速率指標(biāo)。

3 主要優(yōu)化工作

3.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化

3.1.1 基準(zhǔn)值優(yōu)化

滑壓曲線優(yōu)化：明確50%負(fù)荷以下負(fù)荷對(duì)應(yīng)的主蒸汽壓力變化關(guān)系，同時(shí)確定主蒸汽壓力變化速率。

“功-煤”基準(zhǔn)曲線優(yōu)化：降低40%負(fù)荷以下基準(zhǔn)煤量曲線的斜率，低負(fù)荷下以穩(wěn)定煤量、穩(wěn)定水量為主。

3.1.2 PID及其前饋優(yōu)化

完善主蒸汽壓力偏差微分前饋，不同負(fù)荷工況下，依據(jù)主蒸汽壓力偏差及其負(fù)荷變化趨勢(shì)設(shè)計(jì)不同作用力度。

比例、積分作用也隨同當(dāng)前機(jī)組工況，設(shè)定變參數(shù)控制策略。整體控制作用力度在40%額定負(fù)荷下作用力度為初始的0.9，35%額定負(fù)荷下作用力度為初始的0.8，30%額定負(fù)荷下作用力度為初始的0.6～0.7。

3.1.3 智能專家超馳控制

加入智能專家判據(jù)庫，通過當(dāng)前負(fù)荷、主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、煤量、給水等，設(shè)置不同的邊界條件，針對(duì)一些特定工況進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。如變負(fù)荷，為了保證壓力的穩(wěn)定，增減負(fù)荷時(shí)，先進(jìn)行煤量增減，再進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)，即汽機(jī)主控處設(shè)置3階滯后環(huán)節(jié)，根據(jù)當(dāng)前壓力控制情況，修正滯后時(shí)間，可有效緩解調(diào)節(jié)過程中前期壓力欠壓，后期壓力超壓的現(xiàn)象。

如壓力拉回回路，當(dāng)?shù)拓?fù)荷時(shí)，增強(qiáng)壓力拉回回路的作用效果，確保壓力調(diào)節(jié)穩(wěn)定，避免由于壓力波動(dòng)引起給水波動(dòng)從而形成相互耦合波動(dòng)的現(xiàn)象出現(xiàn)。

3.2 給水控制優(yōu)化

3.2.1 水煤比基準(zhǔn)優(yōu)化

通過深調(diào)試驗(yàn)及其歷史數(shù)據(jù)分析，完善水煤比基準(zhǔn)函數(shù)，防止由于低負(fù)荷下，給水流量過高，造成水煤比控制失調(diào)。

3.2.2 煤和水的靜態(tài)耦合控制

完善給水控制邏輯，增加給水流量下限閉鎖煤量調(diào)節(jié)功能。當(dāng)給水調(diào)節(jié)達(dá)到下限時(shí)，同時(shí)閉鎖煤量調(diào)節(jié)與中間點(diǎn)溫度調(diào)節(jié)，防止中間點(diǎn)溫度調(diào)節(jié)出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，并確保煤量保持當(dāng)前值，防止煤量繼續(xù)降低造成水煤比失調(diào)。

3.2.3 煤和水的動(dòng)態(tài)耦合控制

優(yōu)化給水流量PID參數(shù)，設(shè)置變參數(shù)控制；其次，對(duì)于煤水變化先后的匹配問題設(shè)置可調(diào)節(jié)的2階滯后環(huán)節(jié)，根據(jù)當(dāng)前水煤比控制情況修正滯后時(shí)間。

3.2.4 壁溫及減溫水對(duì)給水流量的修正

在壁溫出現(xiàn)超溫時(shí)，動(dòng)態(tài)修正過熱度設(shè)定值，并超馳疊加給水流量，緩解超溫問題。同時(shí)，依據(jù)當(dāng)前減溫水流量實(shí)時(shí)修正給水流量，平衡直流爐給水。

3.2.5 煤水比的綜合控制系統(tǒng)

根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷情況、壓力變化情況，合理調(diào)整給水流量，在水煤比基礎(chǔ)上進(jìn)行2次調(diào)節(jié)。如當(dāng)前超壓、超溫適當(dāng)主減煤；如當(dāng)前給水流量達(dá)到下限，壓力超壓不明顯，適當(dāng)加煤提升中間點(diǎn)溫度。

3.3 風(fēng)煙系統(tǒng)優(yōu)化

3.3.1 引風(fēng)機(jī)失速預(yù)警系統(tǒng)

若引風(fēng)機(jī)為軸流風(fēng)機(jī)，負(fù)荷降低風(fēng)機(jī)開度變小，容易進(jìn)入失速區(qū)[6]。根據(jù)引風(fēng)機(jī)相關(guān)參數(shù)，搭建風(fēng)機(jī)失速預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)提醒運(yùn)行人員風(fēng)機(jī)距離失速的安全裕量，并提供調(diào)節(jié)方法。

3.3.2 風(fēng)量、氧量控制優(yōu)化

根據(jù)運(yùn)行曲線及其歷史數(shù)據(jù)，重新調(diào)整負(fù)荷對(duì)應(yīng)風(fēng)量的基準(zhǔn)曲線，修正總風(fēng)量下限為900 t/h。同時(shí)，取消送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉下限，確保氧量具有可調(diào)節(jié)裕度。

3.3.3 一次風(fēng)機(jī)自適應(yīng)系統(tǒng)

一次風(fēng)作為鍋爐的干燥風(fēng)與攜帶風(fēng)，對(duì)燃燒的影響非常大。不同數(shù)量磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)一次風(fēng)壓需求量不同，通過試驗(yàn)，確定不同數(shù)量磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)一次風(fēng)壓曲線，實(shí)現(xiàn)不同負(fù)荷不同數(shù)量磨煤機(jī)配置下，煤量對(duì)應(yīng)的最優(yōu)一次風(fēng)壓控制。滿足變負(fù)荷工況特別是低負(fù)荷工況下一次風(fēng)與煤量的最優(yōu)匹配。

同時(shí)，控制策略中增加變負(fù)荷一次風(fēng)壓調(diào)整前饋、主蒸汽壓力偏差大一次風(fēng)壓輔助調(diào)節(jié)等功能，滿足變負(fù)荷過程中一次風(fēng)壓超馳動(dòng)作，緩解升降負(fù)荷過程中的主蒸汽壓力欠(超)壓環(huán)節(jié)，有效實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的快速響應(yīng)及其主蒸汽壓力的穩(wěn)定控制。

3.4 低負(fù)荷輔機(jī)故障穩(wěn)燃策略

完善輔機(jī)故障減負(fù)荷(RB)功能，機(jī)組在深度調(diào)峰工況下重要輔機(jī)故障時(shí)，往往無法觸發(fā)RB功能(RB功能一般要求機(jī)組負(fù)荷大于50%)，導(dǎo)致鍋爐燃燒不穩(wěn)定，甚至造成機(jī)組非停。通過增加低負(fù)荷輔機(jī)故障穩(wěn)燃功能，保障機(jī)組在低負(fù)荷時(shí)輔機(jī)故障后的穩(wěn)定運(yùn)行。低負(fù)荷下輔機(jī)故障穩(wěn)燃控制策略，應(yīng)用于30%～50%負(fù)荷，彌補(bǔ)RB50%～100%負(fù)荷的不足。

在傳統(tǒng)輔機(jī)跳閘的基礎(chǔ)上，增加重要輔機(jī)出力喪失判斷，如通過風(fēng)機(jī)電流、出/入口風(fēng)壓判斷當(dāng)前風(fēng)機(jī)出力情況，如通過汽動(dòng)給水泵轉(zhuǎn)速、出口壓力與給水母管壓力的差值、出口電動(dòng)門狀態(tài)、入口流量等判斷給水泵出力情況。深度調(diào)峰工況下，當(dāng)任何一個(gè)重要輔機(jī)如引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、汽動(dòng)給水泵等出力喪失或跳閘時(shí)，觸發(fā)低負(fù)荷RB功能，投入助燃設(shè)備，穩(wěn)定鍋爐燃燒，快速平衡另一臺(tái)輔機(jī)出力，穩(wěn)定當(dāng)前機(jī)組運(yùn)行參數(shù)。

4 機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行效果

機(jī)組優(yōu)化后，于2021年8月24日開展協(xié)調(diào)方式下深度調(diào)峰工況運(yùn)行驗(yàn)收試驗(yàn)，機(jī)組負(fù)荷從270 MW陸續(xù)降至200 MW，分別以240 MW、230 MW、220 MW、210 MW為穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)，其中240 MW穩(wěn)定運(yùn)行1小時(shí)、230 MW穩(wěn)定運(yùn)行0.5小時(shí)、220 MW穩(wěn)定運(yùn)行0.5小時(shí)、210 MW穩(wěn)定運(yùn)行0.5小時(shí)、200 MW穩(wěn)定運(yùn)行2小時(shí)，全程協(xié)調(diào)穩(wěn)定投入，各項(xiàng)參數(shù)控制平穩(wěn)。調(diào)節(jié)效果如圖1和圖2所示，其中圖1為270 MW至200 MW全程協(xié)調(diào)降負(fù)荷過程，圖2為機(jī)組200 MW負(fù)荷下協(xié)調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行效果。

于2021年12月3日開展協(xié)調(diào)方式下連續(xù)降負(fù)荷試驗(yàn)，9:30機(jī)組負(fù)荷340 MW至10:42機(jī)組負(fù)荷降至200 MW且穩(wěn)定運(yùn)行。變負(fù)荷期間，除停磨點(diǎn)外，沒有其他人為干預(yù)，機(jī)組參數(shù)整體變化較為平穩(wěn)。整個(gè)變負(fù)荷過程用時(shí)72分鐘，優(yōu)于電網(wǎng)要求的90分鐘的標(biāo)準(zhǔn)。圖3為340 MW至200 MW降負(fù)荷過程曲線。

圖1 270 MW至200 MW協(xié)調(diào)模式下降負(fù)荷過程

圖2 200 MW協(xié)調(diào)模式下穩(wěn)定運(yùn)行效果

圖3 340 MW至200 MW協(xié)調(diào)模式下降負(fù)荷過程

5 結(jié)語

通過對(duì)機(jī)組控制邏輯重新梳理，協(xié)調(diào)控制策略及參數(shù)的優(yōu)化，主要自動(dòng)控制系統(tǒng)全負(fù)荷適應(yīng)性控制策略調(diào)整等多方面優(yōu)化完善，該680 MW機(jī)組在無設(shè)備改造的前提下，實(shí)現(xiàn)了鍋爐純凝工況下30%額定負(fù)荷帶協(xié)調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組初步具備30%深調(diào)能力。后續(xù)將繼續(xù)挖掘機(jī)組深度調(diào)峰能力，進(jìn)一步提高機(jī)組負(fù)荷的調(diào)節(jié)及響應(yīng)能力。