620 MW超臨界機組輔機故障減負荷功能控制優化與應用

陳厚濤， 王錫輝， 朱曉星， 劉武林， 王志杰， 盛 鍇

(國網湖南省電力有限公司電力科學研究院； 高效清潔火力發電技術湖南省重點實驗室， 長沙 410007)

輔機故障減負荷(run back, RB)是指當機組部分輔機(如其中一臺給水泵、送風機、引風機)發生故障時，根據輔機故障情況快速降低機組負荷以適應輔機出力的保護措施。新建機組必須進行RB試驗。近年來，大容量、高參數、智能化的火力發電機組已逐步成為主流[1-4]，RB功能的成功實現對電網的安全穩定運行顯得尤為重要。以裝機容量中較比最大的600 MW級機組為例，當機組滿負荷運行，發生輔機跳閘但RB功能未實現導致機組停機時，電網負荷瞬間減少600 MW，造成較大沖擊，引起網頻波動。隨著中國火電技術的不斷發展，RB功能在煤粉爐[5-11]、循環流化床鍋爐[12-15]等不同爐型上的工程應用已有較長歷史，其控制策略日趨成熟，自動化水平不斷提高。

現以某電廠兩臺新建620 MW超臨界機組給水泵RB、一次風機RB試驗結果為例，對比分析其控制策略和參數細節設置以及采取優化措施后取得的效果，為同類型機組RB過程的控制策略提供一種思路，也為進一步優化提供參考。

1 機組概況

某新建工程燃煤電廠1、2號620 MW機組鍋爐為超臨界參數、帶啟動循環泵、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、固態排渣、露天布置、全鋼構架、“W”形火焰燃燒、垂直內螺紋管水冷壁、П型變壓直流鍋爐。制粉系統采用雙進雙出一次風機正壓直吹式系統，每臺鍋爐配磨煤機6臺，給煤機12臺。煙風系統采用平衡通風方式，空預器采用三分倉回轉式預熱器。設2臺動葉可調軸流式送風機，2臺動葉可調(增引合一)引風機，2臺動葉可調軸流式一次風機。點火方式為油槍點火，配置油槍24支。汽輪機是超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、凝汽式、雙背壓汽輪機。

2 RB控制策略簡介

2.1 給水泵RB控制策略

給水泵RB發生后，將未跳閘的給水泵轉速指令以一定速率超馳動作至設定目標轉速，維持一段時間后恢復給水自動調節，給水流量指令跟隨燃料目標指令變化，并設定變化速率和上下限幅，保持過熱度自動控制模式。跳閘汽泵對應的最小流量再循環調節閥指令超馳動作至全開，運行汽泵對應的最小流量再循環調節閥指令延時一定時間后超馳動作至全關。兩臺送風機動葉指令在原基礎上以一定速率超馳動作至設定目標指令后恢復自動閉環控制，動作過程中若爐膛壓力過低則閉鎖送風機動葉指令減。兩臺引風機動葉指令在原基礎上以一定速率超馳動作至設定目標指令后恢復自動閉環控制，動作過程中若爐膛壓力過高則閉鎖引風機動葉指令減。一次風機動葉全程保持自動閉環控制狀態，每跳閘一臺磨煤機，動葉指令以前饋形式減小，減小幅度自適應調整。按設定的時間間隔和順序自動停運磨煤機，直至磨煤機運行臺數與預先設定臺數相等。處于自動的磨煤機容量風門設置上下限。按設定的時間間隔和順序快速投入運行磨的油槍助燃。燃油回油調節閥延時一定時間后按預先設置幅度超馳減小調閥指令，以維持燃油母管壓力，閉鎖數秒后重新投入自動閉環控制。機組切換至TF模式運行，并連鎖投入滑壓運行方式，機前壓力設定值跟隨滑壓曲線變化。鍋爐主控切手動，燃料主控維持自動，設置燃料目標指令。一、二級過熱器減溫水調門以及再熱器減溫水調門超馳關至0，延時一段時間后恢復自動調節。

2.2 一次風機RB控制策略

一次風機RB發生后，跳閘一次風機動葉關至0%，聯關跳閘一次風機同側的冷一次風母管風門、空預器出口一次風風門，一次風機聯絡門。運行一次風機動葉指令以一定速率超馳動作至目標指令后恢復自動閉環控制，在動葉動作過程中若電流大則閉鎖一次風機動葉增。兩臺送風機動葉指令在原基礎上以一定速率超馳動作至設定目標指令后恢復自動閉環控制，動作過程中若爐膛壓力過低則閉鎖送風機動葉指令減。兩臺引風機動葉指令在原基礎上以一定速率超馳動作至設定目標指令后恢復自動閉環控制，動作過程中若爐膛壓力過高則閉鎖引風機動葉指令減。一次風機RB動作時，運行磨對應的容量風門切手動。延時一定時間后以一定速率動作至預先設定的目標指令。旁路風門開度不超過預先設定值。按設定的時間間隔和順序自動停運磨煤機，直至磨煤機運行臺數與預先設定臺數相等。按設定的時間間隔和順序快速投入運行磨的油槍助燃。燃油回油調節閥延時一定時間后按預先設置幅度超馳減小調閥指令，閉鎖數秒后重新投入自動。機組切換至TF模式運行，并連鎖投入滑壓運行方式，機前壓力設定值跟隨滑壓曲線變化。鍋爐主控切手動，燃料控制投入開環調節模式。給水流量指令在一段時間內向預先估算的目標燃料指令對應的理論給水需求量變化，隨后跟隨實際折算燃料量變化，并設定變化速率和上下限幅。打通汽泵再循環回路，將最小流量調閥開至合適開度，防止最小流量保護動作。一、二級過熱器減溫水調門以及再熱器減溫水調門超馳關至0，延時一段時間后恢復自動調節。

試驗過程中除控制策略說明中涉及的燃料、給水、風煙等系統以及主汽壓力、主汽溫度等主要運行參數的自動調節系統投入自動控制外，其他重要輔助自動調節系統控制模式如表1所示，確保RB過程的全程自動控制。

表1 重要輔助自動控制系統投入

圖1 優化前給水泵RB試驗結果Fig.1 Feed water pump RB test result before optimization

3 結果與討論

3.1 給水泵RB

如圖1所示為優化前給水泵RB試驗過程相關參數變化趨勢。RB試驗前，機組負荷610 MW，鍋爐給水流量1 822 t/h，折算燃料量262 t/h，6臺磨運行。操作臺打閘一臺給水泵，觸發給水泵RB。鍋爐給水流量迅速減小至約1 050 t/h，而后以相對較緩的速度繼續減小至約960 t/h后開始回升，出現波動，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，約幾秒后繼續減小至約 156 t/h，而后保持在150～160 t/h；機組負荷減小至約380 MW后出現兩次波動，波動幅度最高接近100 MW，最終保持在380～390 MW；爐膛壓力波動最高值369 Pa、最低值-383 Pa。

由上述參數的變化趨勢可知，RB控制策略設置合理，主要運行參數過度平穩，爐膛壓力波動位于正常運行允許波動范圍之內，遠小于主保護動作值(±1 980 Pa)，有較大的安全余裕。不足之處在于機組負荷與主給水流量沒有平滑下降，出現波動，負荷波動由給水流量波動引起。原因如下：RB發生后，機組負荷、給水流量和燃料量均迅速下降，中間點過熱度設定值跟隨機組負荷下降，而溫度變化具有滯后性，過熱度實際值變化相對緩慢，與設定值相比，實際過熱度偏大，導致給水流量增加，引起實際負荷增加；此時，熱一次風母管風壓設定值跟隨實際負荷增加，使得一次風機動葉開度增大，加強了燃燒作用，反過來減緩了過熱度實際值的下降趨勢。該過程中，燃料和給水控制耦合影響，互相加強，抬升了機組負荷，引起波動。實際上，由于RB過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，而汽溫變化相對較為緩慢，導致中間點過熱度存在“虛高”現象。為防止過熱度控制偏差誘發燃料與給水控制耦合作用，采取如下優化措施：①RB過程和其他工況，采用不同的PID調節參數，將RB過程中過熱度PID的調節作用減弱；②將RB過程中一次風母管風壓的設定值與其他工況下的設定值作分離處理。根據機組設備特性，RB發生延時一定時間后，維持一次風母管風壓設定值不變，直至RB復位，將一次風母管風壓的控制從負荷的耦合作用中剝離出來，避免相互作用抬升機組負荷而引起波動。

如圖2所示為過熱度控制、一次風母管風壓控制優化后給水泵RB試驗過程相關參數變化趨勢。試驗前，機組負荷570 MW，折算燃料量253 t/h，鍋爐給水流量1 650 t/h，5臺磨運行。操作臺打閘一臺給水泵，觸發給水泵RB。鍋爐給水流量迅速減小至約1 050 t/h，隨后小幅波動，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后持續減小至約165 t/h，而后保持不變；機組負荷減小至約390 MW后波動至410 MW，隨后持續下降至穩定值；爐膛壓力波動最高值727 Pa、最低值-239 Pa。

圖2 優化后給水泵RB試驗結果Fig.2 Feed water pump RB test result after optimization

采取優化措施后，鍋爐給水流量和機組負荷波動幅度均明顯改善，機組負荷波動由原來100 MW減小至20 MW，未出現反復波動情況。從給水流量的變化趨勢分析，仍可進一步減弱RB過程中過熱度PID的調節作用。與優化前給水泵RB試驗相比，爐膛壓力波動最高值要大。原因如下：優化前RB試驗時，保持6臺磨運行，RB動作后跳閘2臺磨，每跳閘一臺磨，一次風機動葉超馳減小5%(共減小10%)，一次風機動葉的超馳動作完全消除了跳磨對于一次風母管風壓的擾動，沒有出現由于一次風壓的階躍增加而引起爐膛燃燒突然增強。因此，爐膛壓力得以良好控制。優化后試驗時，保持5臺磨運行，RB動作后跳閘1臺磨，一次風機動葉超馳減小5%。由圖2折算燃料量的變化趨勢可知，一次風機動葉的超馳動作并未完全消除由于跳磨而導致的一次風母管憋壓。跳磨后，爐膛燃燒突然加強，導致爐膛壓力立即上升至727 Pa，隨后恢復正常。為使爐膛壓力控制更加優良，可對一次風機動葉的控制繼續作如下優化，隨著RB過程中磨煤機跳閘臺數的增加，一次風機動葉指令超馳減小幅度呈梯度下降。

3.2 一次風機RB

如圖3所示為優化前一次風機RB試驗過程相關參數變化趨勢。試驗前，機組負荷600 MW，鍋爐給水流量1 800 t/h，折算燃料量250 t/h。就地打閘一臺一次風機，觸發一次風機RB。折算燃料量迅速減小至約120 t/h后躍升至170 t/h，隨后基本保持穩定；鍋爐給水流量減小至1 050 t/h后出現波動，最終穩定在1 260 t/h；機組負荷減小至480 MW后回升至約520 MW，出現波動，最終穩定在410 MW；爐膛壓力波動最高至1 061 Pa、最低-368 Pa。由各參數的變化趨勢可知，控制策略設置合理，動作速率和時間間隔匹配較好，爐膛壓力距離主保護動作值存有安全余裕，一次風機RB功能正常實現。不足之處在于：①機組負荷未能平滑下降，出現波動；②爐膛壓力控制仍有優化空間。關于①，原因在上文給水泵RB結果分析時已闡明，即由過熱度偏差控制調節引起，這里不再復述。下面就②分析其原因和優化措施。一次風機跳閘后，由于燃燒的減弱，爐膛壓力會迅速減小，然而從試驗結果來看，壓力最低值為-368 Pa，說明引風機動葉動作速度合適。隨著未跳閘一次風機動葉指令的迅速增大，爐膛內燃燒突然加強，引起壓力驟增。為克服燃燒突然變化對爐膛壓力的影響，采取如下優化措施：設計專門的引風機動葉前饋，通過輔助邏輯的判斷使這部分前饋只在RB發生時生效，并針對不同類別的RB工況設計不同的動作幅度和速度。具體設置如下： RB動作過程中，當爐膛壓力大于或小于預先設定閾值時，引風機動葉指令超馳增大或減小2%～5%(根據風機出力特性確定)。

圖3 優化前一次風機RB試驗結果Fig.3 Primary air fan RB test result before optimization

圖4 優化后一次風機RB試驗結果Fig.4 Primary air fan RB test result after optimization

如圖4所示為采取優化措施后2號機一次風機RB試驗過程的相關參數變化趨勢。試驗前，機組負荷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，就地打閘一臺一次風機，觸發一次風機RB。折算燃料量迅速減小至165 t/h后回升至185 t/h，最終穩定值約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，保持穩定；爐膛壓力波動最高至542 Pa，最低-482 Pa。優化后，機組負荷與爐膛壓力控制更加優良。

該廠在投入生產后，先后毫無征兆的發生6 kV母線失壓和1臺一次風機就地不明原因跳閘事故，RB功能均正常實現，機組負荷及主要運行參數平穩過度，未發生跳機事故。本文中所述的RB控制策略經受了實踐的檢驗。

4 結論

將設計的RB控制策略在兩臺新建機組進行工程應用，并根據試驗結果進行了針對性的優化和驗證，獲得了如下結論。

(1)多次實踐檢驗表明所述RB控制策略設計合理，實現了RB全程自動控制并有充分的安全余裕，對該類型鍋爐和配置的火電機組有工程參考價值。

(2)減弱RB過程中過熱度PID的控制作用，將一次風母管風壓的設定值維持在一個與目標負荷相匹配的固定值，可有效避免RB過程中過熱度“虛高”引起的給水流量波動，減弱燃料和給水控制相互作用抬升機組負荷而引起的波動。

(3)針對RB工況，設計專門的引風機動葉前饋，當爐膛壓力大于或小于預先設定閾值時，根據風機出力特性，引風機動葉指令超馳動作一定值，可較大幅度增加爐膛壓力控制的安全余裕，使其接近正常運行允許的波動范圍，主要運行參數過度平穩，控制優良。