600 MW超臨界直流爐機組RB試驗及性能優化

侯 倩，高志存

(國網河北省電力公司電力科學研究院 電源技術中心熱控所，河北 石家莊 050021)

0 引言

隨著國內投產的超臨界機組日益增多，其運行性能對電網的安全、穩定運行的影響更加顯著。RB是機組在主要輔機發生故障跳閘、鍋爐最大出力低于給定功率時，自動控制系統快速將機組負荷降至機組實際所能達到出力的過程[1～3]。優良的RB控制策略能夠提高事故時機組的自動調節和故障處理能力，避免造成重要設備損壞或非正常停機，保障機組的長周期、安全穩定及經濟運行。近年來，關于提高超臨界機組自動應對輔機故障的能力方面的討論已成為熱工自動化專業的熱點課題。本文結合某600 MW超臨界機組進行RB功能的研究，并根據現場試驗中遇到的問題提出了一些優化方案。

1 RB功能概述

RB功能的實現需要模擬量控制系統 (MCS)、鍋爐爐膛安全監控系統 (FSSS)、順序控制系統(SCS)、汽輪機控制系統 (DEH)、給水泵汽輪機控制系統 (MEH)等的協同控制，其中核心的系統是 MCS 和 FSSS[4，5]。RB 工況對機組的控制策略、參數整定以及相關控制系統的要求很高。國內大型火電機組的DCS大都采用國際上先進的分散控制系統，這些分散控制系統都有自己典型的RB控制功能設計，這些設計對現場設備要求比較高[6，7]。RB功能能否真正地實現，與電廠各類輔機的運行狀況以及其對熱力系統影響大小有著直接的關系。所以，電廠的RB試驗項目是根據現場實際工況合理地進行選擇的。RB控制策略主要涉及MCS和BMS系統，其中MCS系統中幾個典型的RB控制回路有:機組最大出力計算;負荷指令變化速率設定;協調控制方式切換、主汽壓力控制切換、減溫水超馳控制等[9]。RB信號回路的設計和RB工況發生時各系統動作情況，決定了RB功能的好壞。

2 RB控制系統

2.1 RB信號回路

在機組正常運行時，根據主要輔機設備如送風機、引風機、一次風機、空氣預熱器、磨煤機或給水泵的運行狀態計算出最大允許負荷，當其中的任一輔機設備發生跳閘時，機組實際負荷大于機組最大出力，將產生相應設備的RB工況。以引風機RB為例，機組正常運行狀態下，2臺引風機運行，其中1臺引風機跳閘，且機組負荷高于單臺引風機的最大出力，則觸發引風機RB動作。實際負荷降到目標負荷時自動復位RB，或者RB動作3 min后，也可手動復位。

2.2 RB最大出力計算及速率設定

RB控制的基本思路為:比較當前機組最大允許出力與機組實際出力的大小，當輔機發生故障且機組實際出力大于允許的最大出力，即發生RB工況，機組目標負荷由當前值按照引起RB的輔機所需的RB速率進行減小。當機組目標負荷到達RB目標值即機組允許的最大出力后，RB結束。

2.2.1 機組最大可能出力

機組最大出力計算邏輯圖如圖1所示[8，9]。機組各種輔機設備的允許出力決定了機組的最大可能出力。機組實際運行過程中，不同的機組容量、不同的輔機參數以及環境條件等因素均會影響部分輔機的出力。因此，在計算機組最大出力時應綜合考慮各種因素，確立每種輔機的最大出力，進而計算整個機組的最大可能出力。

圖1 機組最大出力邏輯圖Fig.1 Logic diagram of unit maximum output calculation

一般是根據各種輔機設備的正常投運臺數占各自總數的最小比例以及該種輔機設計總容量對應的機組出力容量來估算其最大可能出力。

2.2.2 RB速率計算

機組的主要輔機跳閘或切除時，機組最大出力值階躍下降。若系統按照此出力值階躍變化，則會對機組造成較大的擾動，嚴重影響機組的穩定性和安全性。有效地限制機組最大可能出力值的變化速率即RB速率才能確保機組輔機故障減負荷過程的安全順利完成。機組RB速率計算的邏輯圖如圖2 所示[9]。

實際運行過程中，負荷返回速率的大小是由故障輔機的類型確定的。發生故障的輔機不同，對RB速率的要求也不相同，所以系統需根據發生故障的輔機類型分別設置不同的負荷返回速率，并進而分別采取不同的措施加以處理。在RB控制邏輯中，系統會根據不同的輔機RB工況，將速率限制器的負向速率限制切換為該輔機對應的RB減負荷速率。

圖2 RB速率計算的邏輯圖Fig.2 Logic diagram of RB rate calculation

2.3 RB關鍵控制系統

超臨界直流爐機組RB控制主要包括燃水比控制、中間點溫度和過熱汽溫控制、燃燒系統與給水控制、主汽壓力控制及協調系統鍋爐與汽輪機控制等。機組負荷控制與給水控制、燃料控制密切相關，超臨界直流鍋爐中，給水到過熱蒸汽的過程一次性完成，鍋爐的蒸發量由給水流量與燃料量共同決定。主汽溫度和中間點溫度的穩定需要合適的燃水比來實現，所以給水流量需要隨燃料量以及蒸汽過熱度的變化而進行調整。在RB動作過程中，由于鍋爐燃料量的減少，主、再熱蒸汽溫度會下降;隨著汽輪機調門關小、蒸汽流量的下降，負荷快速降低，單位質量蒸汽的吸熱量增加，將導致汽溫有所上升。因此，在控制好降負荷速率的同時，對減溫水的合理控制也是十分重要的。正常運行的機組，當發生RB工況時，機組將進行如下動作:

(1)機組自動退出AGC。

(2)鍋爐主控切手動，協調控制方式自動切至機跟隨方式;機前壓力采用滑壓運行方式，主汽壓力設定值為機組負荷設定值的函數，汽機閉環調節機前壓力。

(3)RB動作60 s內，燃料主控禁止增加給煤指令。

(4)強制關閉一、二級減溫水和事故噴水30 s，之后恢復自動控制。

(5)RB時，利用邏輯中的平衡模塊功能，在一臺輔機跳閘后，將自動提升另外運行輔機的指令，并根據不同輔機的特性設置提升速率和指令上限。

(6)RB觸發后，給水、汽溫、送風、引風、一次風等主要MCS系統根據實際工況以及負荷變化進行相應的調整，以維持機組主要運行參數。

(7)當RB目標負荷低于鍋爐穩燃負荷時，應該緊急自動投運下層油槍助燃。

3 RB控制策略優化

機組給水泵RB發生時，鍋爐給水量遠遠小于蒸發量，機組煤水比嚴重失衡[10]。超臨界直流爐汽水分離器出口溫度驟升，可能引機組嚴重超溫。給水泵RB發生后，為快速補充鍋爐給水量，運行中的給水泵要快速增加給水量，但是又不能過調，引起運行中給水泵過載跳閘。

機組送、引風機RB發生時，爐膛負壓是機組所有重要參數中變化最劇烈，也是最有可能引起鍋爐跳閘的參數。在送、引風機RB發生時，明確送、引風機之間的關系，是保證機組送、引風機RB試驗的關鍵。一般情況下，送、引風機的關系分為下面2種情況[11]:

(1)送、引風機不相互連鎖跳閘，即引風機(或送風機)跳閘都不連鎖跳閘同側的送風機 (或引風機)。在這種情況下，引風機RB觸發時，運行的引風機靜葉切為跟蹤方式，在引風機電機不過流的情況下，超馳開至95%的開度后再次投入爐膛負壓自動。運行的2臺送風機動葉切為跟蹤方式，且超馳關至原開度的50%處，再次投入風量自動，送風量設定值為RB目標負荷對應的風量。

(2)送、引風機連鎖互跳，即1臺引風機(或送風機)跳閘時，連鎖跳閘同側的送風機 (或引風機)。引風機RB(或送風機RB)觸發時，另外一側運行著的送風機動葉開度及引風機的靜葉開度先保持一定時間，維持鍋爐風量及爐膛負壓的穩定;然后引風機自動再次投入以調節爐膛負壓;送風機自動也再次投人，風量設定值改為RB目標負荷對應的風量。

一次風機RB有其特殊性。一次風壓關系到制粉系統的安全、穩定運行。在一次風機跳閘發生RB瞬間，應快速開大運行中一次風機導葉，然后以一定的速率過渡到正常的控制回路。

在對機組進行高負荷RB試驗前，機組應進行中負荷RB試驗，以驗證控制系統的合理性和安全穩定性。在經過中負荷RB后，經初步試驗分析研究確認了一些影響RB功能實現的因素，可對其進行相應優化。

3.1 手/自動切換優化

機組RB時，由于大幅度甩負荷，系統主要參數將超出正常波動范圍，易造成模擬量控制系統因偏差大而切手動，從而影響RB功能的實現;所以機組RB工況時，應解除對應的偏差大切手動功能:送、引風機跳閘RB時，解除風量偏差大切手動功能;一次風機跳閘RB時，解除一次風壓偏差大切手動功能;給水泵跳閘RB時，解除給水流量偏差大切手動功能。

3.2 滑壓曲線優化

對于機組正常運行狀況和RB工況，其滑壓運行的參數是不相同的，如果采用同一組參數會對機組的正常運行以及RB功能的實現造成影響;因此增加了RB情況下的機組滑壓曲線，將其與機組正常情況下滑壓曲線區分開來，保證RB發生后的機組穩定且不影響正?；瑝汗r。

3.3 燃水比控制參數動態補償

RB發生后，燃料量迅速下降，給水流量變化要滯后于燃料量變化，燃煤對給水流量指令的延時時間需縮短，否則中間點溫度、主蒸汽溫度會出現較大的波動。根據實驗，將給水泵RB時的慣性時間常數設為10 s，其他RB慣性時間常數設為20 s。

3.4 穩燃優化

當RB工況發生時，在煤質較差情況下易發生爐膛熄火，所以燃燒不穩定時應及時投油槍助燃。對于超臨界機組，RB發生后的目標煤量除了直接影響機組負荷，還會對水冷壁溫度、分離器出口溫度、主汽溫度等造成影響。對RB發生時跳磨的數量進行了合理的設計，跳磨時間間隔進行了優化，以保證降負荷速率與燃料量的變化速率的匹配，有效防止過熱度偏差大、機組嚴重超溫現象的發生。

一次風機RB發生時，一次風壓力瞬間會降低，可能造成一次風堵管甚至鍋爐滅火。為防止一次風壓力快速下降，在邏輯中對某些相關設備增加了聯鎖保護:(1)磨煤機跳閘后，聯鎖關閉磨煤機入口冷、熱風擋板和磨煤機出、入口擋板。(2)一次風機故障跳閘發生RB時，關閉同側空氣預熱器出口一次風擋板、一次風機出口聯絡擋板。(3)為防止一次風壓瞬間擾動達到保護值而造成磨煤機跳閘，將一次風母管與爐膛差壓延時加長。

3.5 RB復位邏輯優化

在中負荷汽動給水泵RB試驗過程中，負荷快速下滑，而機組壓力下滑速度較為緩慢，出現了負荷回調現象。由于通過邏輯運算設定340 MW后RB動作復位，當負荷降到340 MW以下后，又因壓力波動回調至360 MW，導致RB又動作一次。根據以上試驗現象，在RB復位的負荷判斷模塊中加入死區，給水泵RB設置有30 MW的死區，其余設備RB設置20 MW的死區，邏輯功能正常運行，RB動作正常。

4 動態試驗

RB功能是為機組的各種輔機故障時快速降負荷以保證機組的安全、穩定運行而設計的，即在機組輔機如送風機、引風機、一次風機、空氣預熱器、磨煤機或給水泵中任一臺發生故障或掉閘時，協調控制系統使機組負荷指令自動減至與運行輔機出力相適應的水平或保持鍋爐最低穩燃負荷，避免機組停機，最大限度保證機組的安全性、穩定性和經濟性。RB試驗是對機組自動控制系統性能和功能的考驗，其中難度較大的是一次風機RB和給水泵RB試驗[12]。經過上述的RB控制系統優化后，進行了高負荷RB性能試驗，驗證了控制方案的準確性和優越性。

4.1 給水泵RB試驗

4月14日20點35分，機組主控在協調控制方式，機組負荷穩定在550 MW，主汽壓力設定值23.3 MPa，實際壓力23.6 MPa，主汽溫度533℃。20時37分，1號汽泵就地打閘，RB觸發。RB觸發后，機組主控切至汽機跟隨方式，壓力為滑壓調節方式，另一側汽泵自動加大出力，1號和5號磨煤機間隔5 s自動跳閘，過熱器、再熱器減溫水調節門超馳關30 s后恢復自動調整，F油層點火子組自動啟動層啟程控。RB及后續過程中，機組負荷最低至382 MW，主汽壓力最低降至20.9 MPa，最大偏差0.2 MPa，中間點溫度最低至388℃，過熱汽溫最低至523℃，爐膛負壓最低至-547 Pa，一次風壓最高至8.5 kPa，機組主要參數穩定，試驗曲線見圖3。

圖3 給水泵RB試驗曲線Fig.3 RB test curve of the feedwater pump

4.2 送、引風機RB試驗

本機組采用的是送引風聯鎖互調的邏輯關系。4月14日18點55分，機組主控在協調控制方式，機組負荷穩定在550 MW，主汽壓力設定值23.4 MPa，實際壓力23.0 MPa，主汽溫度525℃。18時57分，2號引風機就地打閘，2號送風機聯鎖跳閘，RB觸發。RB觸發后，機組主控切至汽機跟隨方式，壓力為滑壓調節方式，1號引風機和1號送風機自動加大出力，1號和5號磨煤機間隔5 s自動跳閘，過熱器、再熱器減溫水調節門超馳關30 s后恢復自動調整，F油層點火子組自動啟動層啟程控。RB及后續過程中，機組負荷最低至346 MW，主汽壓力最低降至19.8 MPa，最大偏差0.3 MPa，中間點溫度最低至379℃，過熱汽溫最低至505℃，爐膛負壓最低至-53 Pa，最高至752 Pa，一次風壓最高至8.5 kPa，機組主要參數穩定，試驗曲線見圖4。

圖4 送/引風機RB試驗曲線Fig.4 RB test curve of air blower/draft fan

4.3 一次風機RB試驗

4月14日19點40分，機組主控在協調控制方式，機組負荷穩定在550 MW，主汽壓力設定值23.4 MPa，實際壓力22.9 MPa，主汽溫度529℃。16時38分，2號一次風機就地打閘，RB觸發，3 min后復位。RB觸發后，機組主控切至汽機跟隨方式，壓力為滑壓調節方式，1號一次風機自動加大出力，1號和5號磨煤機間隔5 s自動跳閘，過熱器、再熱器減溫水調節門超馳關30 s后恢復自動調整，F油層點火子組自動啟動層啟程控。RB及后續過程中，機組負荷最低至400 MW，主汽壓力最低降至19.7 MPa，最大偏差0.4 MPa，中間點溫度最低至374℃，過熱汽溫最低至503℃，爐膛負壓最低至-586 Pa，最高至635 Pa，一次風壓最低至4.5 kPa，最高至10.5 kPa，機組主要參數穩定，試驗曲線見圖5。

高負荷下給水泵、送引風機以及一次風機的RB動態試驗，有效地驗證了經過優化的RB控制系統的優越性。該方案大大提高了機組在故障時的自調能力，RB工況時無需運行人員進行干預，機組各主要參數均在誤差允許范圍內，達到機組在輔機意外跳閘時自動安全快速減負荷的目的。該方案為機組運行的安全性和穩定性提供了保障。

圖5 一次風機RB試驗曲線Fig.5 RB test curve of primary air fan

5 結論

完善的RB控制系統能保證機組正常運行過程中一旦發生RB工況，系統可實現運行工況的平穩過渡，使得機組在自動化水平、安全穩定運行、輔機故障后系統恢復等多方面性能都有明顯的優勢。本文對超臨界直流機組的RB控制進行了研究;結合某電廠RB性能試驗，對試驗中存在的問題以及可能發生的問題進行分析并給出了相應的優化方案，并通過現場動態試驗驗證了方案的優越性;詳細說明了試驗過程中要采取的一些措施，可為其他火電機組RB功能試驗的成功進行提供一定的借鑒。

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