汽動引風(fēng)機自動啟停控制及導(dǎo)葉優(yōu)化分析

李毅杰，孫宇明，朱晨亮，徐浩淵，張家寬，盧敘鈿

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汽動引風(fēng)機自動啟停控制及導(dǎo)葉優(yōu)化分析

李毅杰1，孫宇明2，朱晨亮1，徐浩淵1，張家寬1，盧敘鈿1

（1.華能汕頭海門發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 汕頭 515132；2.華能國際電力股份有限公司，北京 100031）

華能汕頭海門發(fā)電有限責(zé)任公司3號和4號機組國內(nèi)首次采用引風(fēng)機小汽輪機驅(qū)動技術(shù)，取得良好的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益。本文介紹了該汽動引風(fēng)機全過程自動控制技術(shù)方案和實施成果，通過優(yōu)化求解導(dǎo)葉開度預(yù)置值及特殊工況下導(dǎo)葉預(yù)置超馳值試驗，實現(xiàn)引風(fēng)機自動安全啟停以及在各負荷工況安全經(jīng)濟運行的目的，為火電機組在引風(fēng)機小汽輪機驅(qū)動全程自動控制技術(shù)研發(fā)提供借鑒。

汽動引風(fēng)機；全程自動控制；性能曲線；控制策略；導(dǎo)葉優(yōu)化；節(jié)能效果

為減少廠用電率、節(jié)約原煤，并避免機組 引風(fēng)機電動機啟動電流大、廠用電壓過低等問題，2010年華能汕頭海門發(fā)電有限責(zé)任公司3號機組國內(nèi)首創(chuàng)將增壓風(fēng)機和原引風(fēng)機合并，并采 用小汽輪機代替電動機驅(qū)動引風(fēng)機方案，投產(chǎn) 后節(jié)能效果顯著。本文對該方案全程自動啟停 開發(fā)項目的控制策略、節(jié)能效益進行分析，以 期為引風(fēng)機采用小汽輪機驅(qū)動的控制優(yōu)化方案提供參考。

1 汽動引風(fēng)機系統(tǒng)整體技術(shù)方案

華能汕頭海門發(fā)電有限責(zé)任公司3號和4號機組均采用增壓風(fēng)機與引風(fēng)機合并后的汽動聯(lián)合引風(fēng)機，由1臺汽輪機驅(qū)動1臺引風(fēng)機組成。滿足該風(fēng)機參數(shù)要求的汽輪機采用純凝汽式汽輪機，額定負荷下蒸汽流量不超過25 t/h，主汽輪機完全可滿足2臺汽動引風(fēng)機的抽汽量要求而不進行通流部分的設(shè)計修改[1]。圖1為汽動引風(fēng)機工藝系統(tǒng)示意。

由圖1可見，引風(fēng)機驅(qū)動采用非同軸方式，引風(fēng)機和小汽輪機之間通過減速齒輪箱聯(lián)結(jié)，減速齒輪箱與引風(fēng)機和小汽輪機之間，通過膜片式組合聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)[2]。這種“柔性連結(jié)”聯(lián)軸器＋兩級變速，屬于國內(nèi)同行業(yè)引風(fēng)機驅(qū)動首創(chuàng)，通過長時間大負荷試運和投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)成熟可靠，運行穩(wěn)定，性能基本達到設(shè)計要求[3]。

2 汽動引風(fēng)機系統(tǒng)全程啟?？刂撇呗?/h2>

2.1 整體思路

本文汽動引風(fēng)機的控制系統(tǒng)采用新的控制策略，小汽輪機驅(qū)動引風(fēng)機要求從暖機到帶負荷全過程控制自動化?？刂颇Ｊ綇摹皩?dǎo)葉調(diào)節(jié)”模式自動過渡到“轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)”模式[4-5]，通過導(dǎo)葉開度預(yù)置值優(yōu)化求解及特殊工況下導(dǎo)葉預(yù)置超馳值的試驗測試，實現(xiàn)提高引風(fēng)機在各負荷工況運行的經(jīng)濟性及異常工況下安全性的目的，該過程需滿足以下要求。

1）滿足爐膛負壓閉環(huán)調(diào)節(jié)品質(zhì)的要求。調(diào)節(jié)品質(zhì)必須滿足自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范要求。爐膛負壓通過引風(fēng)機出力大小來調(diào)節(jié)[6]，通過改變引風(fēng)機導(dǎo)葉的預(yù)置開度和驅(qū)動引風(fēng)機的小汽輪機的轉(zhuǎn)速來完成，以維持爐膛負壓的穩(wěn)定。

2）在輔機故障快速減負荷（RB）工況下，滿足對爐膛負壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)的需要。增加引風(fēng)機導(dǎo)葉超馳快速調(diào)節(jié)回路，設(shè)計快速調(diào)節(jié)回路，既要考慮增加引風(fēng)機靜葉超馳快速調(diào)節(jié)回路，快速增大導(dǎo)葉開度，從而快速增大引風(fēng)機出力[7]，基本保持爐膛負壓的整體動態(tài)穩(wěn)定性及其波動在受控范圍，RB動作時爐膛負壓控制方式維持不變[8]。

3）在機組跳閘時，風(fēng)煙系統(tǒng)保持運行的工況下，保持對爐膛負壓調(diào)節(jié)的需要?？紤]設(shè)計引風(fēng)機減小出力的快速超馳調(diào)節(jié)回路和導(dǎo)葉快關(guān)回路，以快速響應(yīng)機組故障工況爐膛負壓系統(tǒng)急劇變化，避免爐膛負壓出現(xiàn)大幅波動，保證引風(fēng)機不出現(xiàn)短時甩負荷工況，并維持爐膛負壓自動運行方式。

2.2 控制策略

爐膛負壓有靜葉調(diào)節(jié)和小汽輪機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)2種基本控制方式，暖機完成后小汽輪機自動升速到遠程控制最小轉(zhuǎn)速2 650 r/min，由引風(fēng)機導(dǎo)葉自動控制爐膛負壓。隨著鍋爐風(fēng)量或負荷的升高，逐漸增加導(dǎo)葉開度至52%后（低負荷導(dǎo)葉經(jīng)濟開度點），導(dǎo)葉調(diào)節(jié)回路自動切為手動，對應(yīng)的引風(fēng)機小汽輪機轉(zhuǎn)速控制回路切為自動，由引風(fēng)機小汽輪機轉(zhuǎn)速控制爐膛負壓，導(dǎo)葉開度最終自動過渡到與機組負荷相匹配的經(jīng)濟開度（開度預(yù)置值是各負荷點的導(dǎo)葉經(jīng)濟開度測試經(jīng)驗的函數(shù)擬合計算值），這樣就實現(xiàn)了引風(fēng)機在機組啟動過程中的全程自動控制功能。在機組降負荷停機過程中，引風(fēng)機的出力需要逐漸減小，導(dǎo)葉控制和轉(zhuǎn)速控制的自動切換過程正好與啟動過程相反。

實現(xiàn)引風(fēng)機自動啟停，要完成以下4個動作：

1）盤車暖機 投入小汽輪機5個輔助系統(tǒng)，建立小汽輪機沖轉(zhuǎn)條件；

2）啟動升速 預(yù)置零位，暖機升速到最小轉(zhuǎn)速2650 r/min；

3）初始負荷導(dǎo)葉調(diào)節(jié) 釋放導(dǎo)葉閉鎖，投入導(dǎo)葉自動調(diào)節(jié)；

4）升負荷轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 開度到設(shè)定值52%，自動切為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

2.3 實施結(jié)果

1）實現(xiàn)了汽動引風(fēng)機啟動盤車到引風(fēng)機帶負荷全程自動控制，及引風(fēng)機爐膛負壓全程調(diào)節(jié)方式自動切換的功能，可靠地實現(xiàn)汽動引風(fēng)機一鍵啟動。

2）實現(xiàn)了機組RB和主燃料跳閘（MFT）特殊工況下，爐膛負壓優(yōu)化及快速超馳調(diào)節(jié)，以響應(yīng)爐膛負壓大幅度擾動，維持了爐膛負壓自動調(diào)節(jié)方式，提高了鍋爐運行安全性。

3 汽動引風(fēng)機小汽輪機導(dǎo)葉優(yōu)化分析

汽動引風(fēng)機運行的經(jīng)濟性主要由變負荷工況下導(dǎo)葉開度決定，小汽輪機運行的經(jīng)濟性主要與轉(zhuǎn)速和進氣調(diào)節(jié)閥的節(jié)流程度有關(guān)[9]。通過分析引風(fēng)機運行性能曲線和廠家提供的小汽輪機設(shè)計性能參數(shù)，在不同負荷點，先采用與引風(fēng)機設(shè)計導(dǎo)葉經(jīng)濟開度點相近的導(dǎo)葉開度，通過比對小汽輪機汽耗試驗來測定不同負荷點的汽動引風(fēng)機組相對經(jīng)濟開度點，通過擬合分段函數(shù)，求得最優(yōu)解的集合，得到各負荷點、各工況下引風(fēng)機導(dǎo)葉開度優(yōu)化預(yù)置值。

3.1 正常運行導(dǎo)葉經(jīng)濟開度預(yù)置值

在機組升負荷到一定運行工況下，引風(fēng)機入口導(dǎo)葉是開環(huán)控制的，開度指令由機組負荷指令和送風(fēng)機動葉指令疊加產(chǎn)生。小汽輪機能耗最低的導(dǎo)葉經(jīng)濟開度不僅與引風(fēng)機設(shè)計有關(guān)，還與小汽輪機轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)閥節(jié)流開度等熱效率有關(guān)[10]，所以通過在典型負荷點的引風(fēng)機設(shè)計經(jīng)濟開度點兩端各設(shè)置2~3個開度偏差點來測試比對蒸汽流量，尋找最佳經(jīng)濟開度點，擬合分段函數(shù)，保證導(dǎo)葉開度是在經(jīng)濟開度下運行，開度點要在引風(fēng)機風(fēng)量、導(dǎo)葉開度、風(fēng)壓特性曲線要求范圍內(nèi)。表1為機組典型負荷導(dǎo)葉經(jīng)濟開度試驗數(shù)據(jù)。

最小汽耗約束函數(shù)關(guān)系為

o=(o), (min=(,)) (1)

在5個開度點試驗驗證小汽輪機最小汽耗量，各工況穩(wěn)定5 min以上。

表1 機組典型負荷導(dǎo)葉經(jīng)濟開度試驗數(shù)據(jù)

在滿負荷工況條件下，由于引風(fēng)機振動特性限制，小汽輪機最高轉(zhuǎn)速5 200 r/min對應(yīng)的導(dǎo)葉開度已超出經(jīng)濟開度范圍，在確保安全前提下，對滿負荷時最高轉(zhuǎn)速和導(dǎo)葉最小開度進行邊界限制，邊界開度為最大轉(zhuǎn)速max對應(yīng)的最小開度min，即

≥min，≤max(2)

max和min由接近滿負荷試驗獲得，同時滿足滿負荷約束函數(shù)要求，試驗測定滿負荷導(dǎo)葉開度為90%。

通過4號機組現(xiàn)場2~3次典型負荷的比對汽耗試驗，確定了機組負荷0與導(dǎo)葉經(jīng)濟開度0函數(shù)取值（表2）。

表2 典型負荷導(dǎo)葉經(jīng)濟開度函數(shù)取值

Tab.2 The value of the economic opening function of the guide blade at typical loads

把典型負荷導(dǎo)葉經(jīng)濟開度函數(shù)取值組態(tài)到DCS程序中，增加導(dǎo)葉優(yōu)化投退功能，就實現(xiàn)了引風(fēng)機導(dǎo)葉開度優(yōu)化自動設(shè)定，達到引風(fēng)機全程的經(jīng)濟運行。

3.2 RB工況導(dǎo)葉超弛提升預(yù)設(shè)值

發(fā)生引風(fēng)機RB工況時，閉環(huán)快速回路起作用，小汽輪機轉(zhuǎn)速和導(dǎo)葉開度同時增加預(yù)置的設(shè)定量，滿足該RB工況下對對側(cè)運行引風(fēng)機出力快速增大的需要；增加量與發(fā)生引風(fēng)機RB時的機組負荷有關(guān)，通過現(xiàn)場實際測試和實際運行記錄比較，依據(jù)爐膛負壓波動最小的目標，初步確定機組負荷1與導(dǎo)葉開度超弛量1對應(yīng)擬合函數(shù)關(guān)系取值（表3），并通過多次引風(fēng)機RB實際動作記錄，進一步優(yōu)化導(dǎo)葉預(yù)置取值，將實驗數(shù)據(jù)組態(tài)到DCS程序中，通過試驗結(jié)果優(yōu)化運行效果。圖2為2018年3月9日3號機組一次風(fēng)機發(fā)生RB工況記錄曲線。

表3 RB工況負荷導(dǎo)葉超馳量分段函數(shù)取值

Tab.3 The value of the excess quantity piecewise function of the guide blade at typical loads

3.3 MFT工況導(dǎo)葉超下降預(yù)設(shè)值求解

發(fā)生MFT時閉環(huán)快速回路起作用，導(dǎo)葉開度根據(jù)跳閘前負荷自動給定導(dǎo)葉減少設(shè)定量，有效控制MFT工況下爐膛負壓超限的變化量，通過現(xiàn)場試驗和實際發(fā)生MFT工況數(shù)據(jù)分析，確定機組 負荷與導(dǎo)葉開度超弛量擬合函數(shù)關(guān)系，并通過MFT實際動作記錄參數(shù)，進一步優(yōu)化導(dǎo)葉預(yù)置值，表4和圖3為試驗優(yōu)化的超馳數(shù)據(jù)和事故過程記錄曲線。

表4 MFT工況負荷導(dǎo)葉超馳量分段函數(shù)取值

Tab.4 The value of the excess quantity piecewise function of the guide blade in MFT operation mode

3.4 全程控制功能與導(dǎo)葉優(yōu)化節(jié)能效果

汽動引風(fēng)機控制策略通過分析響應(yīng)曲線、數(shù)據(jù)完善和改進，最終實現(xiàn)了經(jīng)濟穩(wěn)定運行的目標，在導(dǎo)葉開度曲線優(yōu)化后，取得節(jié)能效果見表5。表5中標準煤發(fā)熱量按國標29 307 kJ/kg計算，標準煤單價按900元/t估算，小汽輪機汽源焓值按汽輪機各典型工況四抽汽源參數(shù)近似取值計算[11]，單臺引風(fēng)機節(jié)約標準煤約1 601.36 t；2臺機組平均節(jié)約標準煤約6 405.42 t。

表5 導(dǎo)葉開度曲線優(yōu)化前后各典型負荷節(jié)能估算

Tab.5 The estimation of energy conservation at typical loads before and after the guide blade opening curve was optimized

汽動引風(fēng)機投運效果驗證，電廠4號機整套啟動及168 h試運，測試技術(shù)指標比理論計算值好，168 h試運過程中機組廠用電率實際為2.86%，比理論計算值3.103%少7.83%；當前運行年度機組綜合廠用電率不超過2.75%；滿負荷供電煤耗略低于理論計算供電煤耗，2017年實際供電煤耗比理論計算值低0.1 g/(kW·h)。

從經(jīng)濟效益上分析，扣除發(fā)電煤耗和運行費用增加的成本，單臺汽動引風(fēng)機每年新增利潤144.122萬元，2臺機組年新增利潤576.488萬元，投入很小，產(chǎn)出效益很好，導(dǎo)葉開度優(yōu)化后可明顯節(jié)省原煤的消耗，相應(yīng)地減少了SO2、NO及CO2等污染物排放，環(huán)境效益明顯。

4 結(jié) 語

汽動引風(fēng)機采用全程自動啟停控制與導(dǎo)葉優(yōu)化控制運行技術(shù)，實現(xiàn)了安全可靠自動啟停、經(jīng)濟節(jié)能優(yōu)化運行的目的，近5年的運行結(jié)果可以看出，引風(fēng)機采用全程自啟動優(yōu)化控制策略后，廠用電明顯降低，同比多售電給電網(wǎng)，經(jīng)濟效益明顯；特殊工況下導(dǎo)葉的超馳快速調(diào)節(jié)，縮小了爐膛負壓劇烈波動范圍，保證了鍋爐變負荷工況下的安全性；導(dǎo)葉開度優(yōu)化自動設(shè)定，實現(xiàn)了風(fēng)機全程經(jīng)濟運行的目的，具有較好的推廣價值。

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Automatic start-up and shutdown control of steam induced fan and optimization of guide vane

LI Yijie1, SUN Yuming2, ZHU Chenliang1, XU Haoyuan1, ZHANG Jiakuan1, LU Xudian1

(1. Huaneng Shantou Haimen Power Production Co., Ltd., Shantou 515132, China; 2. Huaneng Power International, Inc., Beijing 100031, China)

The No.3 and No.4 unit in Huaneng Shantou Haimen Power Production Co., Ltd. adopts the small turbine driving technology for induced draft fan, which is the first time in domestic and has gained good energy saving effect and economic benefits. This article introduces the technical scheme of whole process automatic control for steam driven induced draft fan and the implementation results. By optimizing the preset value of guide vane opening and the test of guide vane preset excess value under special working condition, the automatic safe start and stop of the induced fan and safe and economical operation under various load conditions are realized. The study can provide references for research and development of the whole process automatic control technology for induced draft fan driven by small turbine.

induced draft fan driven by steam turbine, auto-control in whole process, characteristic performance curve, control strategy, guide vane optimization, energy-saving effect

TK323

B

10.19666/j.rlfd.201804205

李毅杰, 孫宇明, 朱晨亮, 等. 汽動引風(fēng)機自動啟?？刂萍皩?dǎo)葉優(yōu)化分析[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(2): 126-131. LI Yijie, SUN Yuming, ZHU Chenliang, et al. Automatic start-up and shutdown control of steam induced fan and optimization of guide vane[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(2): 126-131.

2018-04-27

李毅杰(1964—)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為火電機組控制策略優(yōu)化及電站自動化與信息化，aidvalyj@263.net。

（責(zé)任編輯 杜亞勤）