FCB工況下給水控制策略的改進和優化

王廳鋒，孫 耀，陳 鋼

（中國能源建設集團 華東電力試驗研究院有限公司，杭州 310000）

0 引言

印尼卡丁2 號燃煤電站工程建設2 臺10 萬千瓦燃煤汽輪發電機組，廠址位于印尼東加里曼丹島邦坦市南部，距離邦坦市區約8.3km，該機組為當地最大裝機容量機組之一。由于印尼電力基礎建設落后，且受國家地理性質限制，發電裝機容量小，穩定性較差，因而FCB 功能成為機組能否商運的必要條件之一。

快速甩負荷（FCB）是當電網發生故障時，機組脫網后快速切除負荷，維持發電機空轉或帶廠用電（小島工況），保障機組不停機不停爐或發電機出現故障時停機不停爐。當故障發生時，在保障機組設備安全的前提下，減少鍋爐MFT 次數，避免不必要的能量損失，當故障解除時機組快速上網運行，維持電網的安全穩定。

汽包水位的穩定控制是實現汽包爐FCB 工況的一個必要條件，同時也是實現汽包爐FCB 的一個控制難點。由于FCB 工況下，機組各個系統大幅度的動作及機組參數大幅度變化，汽包水位存在嚴重的“虛假水位”現象，采用傳統三沖量水位控制極易造成汽包水位低觸發MFT 保護，導致FCB 失敗，停機停爐。

1 問題分析

圖1 傳統三沖量給水控制結構圖Fig.1 Structure diagram of traditional three impulse water supply control

汽包水位控制處于三沖量控制時，主蒸汽流量作為水位控制的前饋，給水流量作為內擾因素，共同完成汽包水位的控制[1]，結構圖如圖1 所示。

在機組FCB 工況過程中，汽輪機側提前觸發OPC 功能快關進汽調節閥，快開高低旁路，開鍋爐側電磁泄壓閥，汽機側主蒸汽壓力急劇上升后急劇下降，同時主蒸汽流量急劇下降導致汽包水位快速上升出現虛假水位。當汽包水位處于常規三沖量控制時，給水主控將會快速減少供水量，造成水位短暫上升后急劇回落至危險水位。

2 常見處理方案

2.1 水位控制策略一

中國70 年代以來從國外引進了一批先進機型，FCB 功能也是此時開始傳入中國。其中華能大連電廠350MW 單元機組便在當時引進機型中的一臺，并于1989 年4 月通過了100%負荷甩至5%負荷的試驗。FCB 過程中，汽包水位在-300mm 以下維持長達9min[1]，給水控制在試驗開始階段主要由運行人員手動調節，調節效果受運行人員水平限制。

2.2 水位控制策略二

印尼INDRAMAYU 電廠330MW 單元機組于2011 年1月進行了50%甩負荷轉小島和100%甩負荷轉小島試驗，試驗過程中解除汽包水位保護[2]。解除水位保護的控制策略并不可取，無法在突發工況下實現FCB 功能。

2.3 水位控制策略三

圖2 三沖量水位控制改進后前饋結構圖Fig.2 Feedforward structure of improved three impulse water level control

老撾HongSa 電廠626MW 汽包爐單元機組在FCB 過程中，汽包水位控制維持三沖量控制，蒸汽流量前饋采用汽輪機高壓缸進汽流量、高旁流量和電磁泄壓閥排放量之和代替，其中旁路流量根據蒸汽焓及閥門特性計算，PCV 排放量根據閥門特性、閥前蒸汽壓力及比容計算。FCB 過程中，汽包水位最低-198mm，最高122mm，全程無運行人員干涉[3]。但前饋邏輯結構復雜，計算過程繁瑣，且受閥門特性影響較大，抗干擾能力低，無法長久保障機組安全。

3 改進和優化后的方案

3.1 理論結構

針對傳統三沖量水位控制弊端，對給水主控蒸汽流量前饋進行了改進和優化，在FCB 工況過程中通過一個切換模塊將蒸汽流量切換至鍋爐設計總燃料量的折算蒸汽流量（根據實際運行情況可手動修正偏差），通過速率限制模塊區分50%FCB 工況和100%FCB 工況下的速率限制，限制上限按照最大噸標煤產汽量，結構圖如圖2 所示，此時系統可模糊判斷FCB 工況下的蒸汽流量，減少虛假水位的影響，維持給水系統的穩定，優化后三沖量水位控制圖如圖3 所示。

3.2 理論基礎

上述鍋爐設計總燃料量的折算蒸汽流量替代實際蒸汽流量依據熱力學第一定律。煤粉在鍋爐中燃燒加熱鍋爐汽包中的水，產生具有一定溫度和壓強的蒸汽，能量轉換公式為[4]

式（1）中，△U 為內能的改變量，增加取正值，減小取負值；Q 為熱量，吸熱取正值，放熱取負值；W 為功率，外界對系統做功取正值，系統對外界做功減小取負值。

圖3 三沖量水位控制改進后結構圖Fig.3 Structure of improved three impulse water level control

鍋爐燃燒過程復雜，做功情況極難計算，在計算噸煤產汽量的過程中引入鍋爐熱效率η，公式簡化為

式（2）中，△U 為水轉化為蒸汽吸收的總內能，Q 為煤的總發熱量，η 為熱效率，噸煤產汽量表達式為

在不同的壓力溫度下，飽和水蒸氣熱力性質不同，不同工況下產生一噸飽和蒸汽需要的熱量也不相同，具體計算可依據飽和水蒸氣焓值表。

例如：13MPa 飽和蒸汽焓值約為2661.8kJ/kg，常溫常壓水的焓值約84kJ/kg，鍋爐設計煤種為煙煤20930kJ/kg，鍋爐熱效率80%，帶入上述公式，可得

在鍋爐不同負荷下，對噸煤產汽量進行計算，修正煤-蒸汽流量折算函數，可有效提高函數的準確性，在機組FCB 工況時，減少虛假水位對鍋爐汽水系統的影響，維持FCB 過程中汽包水位的可控性。

3.3 實際應用情況

圖5 100%FCB機組相關參數Fig.5 Related parameters of 100% FCB unit

2020 年1 月印尼卡丁2 項目二號機組進行了50%FCB，操作員在 LDC 畫面上將FCB 功能按鈕投入，試驗總指揮下試驗開始指令后，手動分150kV 并網開關，LCD 畫面顯示FCB 觸發，機組負荷由65MW 瞬間降至1MW，發電機帶廠用電運行，給水前饋自動切換至燃料折算蒸汽量214t/h 減至165t/h，汽包水位最高值40mm，最低值-87mm，FCB發生后6min 水位趨于穩定，具體參數如圖4 所示。

同月二號機進行了100%FCB，機組負荷110MW 降至0MW，發電機空載運行，給水前饋自動切換至燃料折算蒸汽量345t/h 減至140t/h，汽包水位最低值-82mm，FCB 發生后7min 水位回升后，給水切旁路控制，具體參數如圖5所示。

4 對比其他策略的優點

改進和優化后的三沖量水位控制邏輯具有以下優點：

1）邏輯結構簡單，抗干擾能力強。

2）由于不受高旁、PCV 或排放閥的影響，在不同類型的機組中適用性強。

3）減少保護投退操作，避免了邏輯誤動和人員誤操作。

5 結語

改進和優化后的三沖量水位控制邏輯在實際應用中，有效減少虛假水位對水位控制的影響，大大提高了給水自動的可靠性，對FCB 工況的實現做出了巨大貢獻，保障了機組安全、可靠運行。