超超臨界機組省煤器給水旁路邏輯組態設計

郝 翰，楊 勇

（湖北華電西塞山發電有限公司，湖北 黃石 435001）

0 引言

某公司4 號機組為超超臨界機組，機組容量為680 MW，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限公司生產的HG-2098/26.15-YM3型П型布置、單爐膛、固態排渣、一次中間再熱超超臨界參數變壓運行直流鍋爐，過熱器出口蒸汽額定壓力26.15 MPa，額定溫度605 ℃，額定給水流量2 098 t/h。在改造前，該鍋爐能夠在40%負荷下，實現機組調峰功能。

隨著新能源技術的發展，風電、光伏裝機容量的大幅度提升，新能源及清潔能源電源在整體的電網結構中占比不斷增加，大型火力發電機組在系統當中將承擔調峰電源這一角色，對于超超臨界機組而言，40%負荷的調峰能力將無法滿足深度調峰需要，且由于工況限制，負荷進一步降低，將導致鍋爐SCR脫硝入口煙溫降低，脫硝催化劑活性下降，影響鍋爐脫硝效率，從而導致鍋爐NOx排放超標，無法滿足環保要求。因此，通過這一設計，將能夠滿足鍋爐在30%負荷下的調峰能力，確保鍋爐能夠實現寬負荷狀態下的脫硝投運［1-6］。

1 系統及設備組成

鍋爐給水系統從機組汽機側高壓加熱器出口來，通過給水總電動門將鍋爐給水送入省煤器入口。給水旁路系統在原有的給水母管上新增主給水電動憋壓閥，同時在介于原給水總電動門出口與主給水憋壓閥之間的給水母管上引出給水旁路管道，安裝2 個旁路電動閘閥，不經過省煤器直接將給水引入水冷壁集箱。在原給水電動門上游處，新增主給水流量計及給水溫度測量元件，系統示意圖詳見圖1。

圖1 鍋爐給水旁路系統圖Fig.1 Diagram of boiler feedwater bypass system

2 邏輯組態設計

2.1 組態方式及系統變量

該機組采用FOXBORO DCS作為控制系統，直接接入模件的I/O 信號采用Integrated Control Configurator（以下簡稱“ICC”），在虛擬化UNIX 環境中直接進行組態；對于控制邏輯功能，采用Wonderware 公司的ArchestrA IDE 圖形組態工具進行組態，通過下裝功能寫入控制器［7-8］，DCS系統及邏輯組態流程見圖2。

圖2 DCS組態流程Fig.2 DCS logic configuration process

鍋爐汽水系統設備的信號輸入、輸出及其控制邏輯位于4012 號控制器（CP），在給水旁路改造時，其新增設備的控制信號同樣位于該控制器中。系統I/O 控制的范圍涵蓋了主給水憋壓閥、旁路水閘閥、給水流量計、主給水溫度及省煤器懸吊管溫度。該系統（不含輸出至主保護的點位）涵蓋了AO 點位1 個，AI 點位10個，DI點位12個，DO點位5個，MODBUS通訊點30個。

在ICC 中配置完系統變量參數后，運行ArchestrA IDE 軟件，在Deployment 選項卡中，找到CP4012 控制器后新建Compound，將該Compound 命名為412 FWCTL2，之后Deploy 即可完成Compound 設置。完成Compound 設置后，即可在該Compound 下建立Strategy策略圖進行邏輯組態設計［9］。

2.2 主給水憋壓閥及旁路水閘閥邏輯設計

機組運行過程中，為確保鍋爐不斷水，需要對主給水憋壓閥和旁路水閘閥進行邏輯互鎖，同時為了確保省煤器不超溫，對閥門的開關功能作出限制，以確保鍋爐受熱面的運行安全。

主給水憋壓閥的關允許邏輯條件如下（以下條件需全部滿足）：

1）有旁路閘閥A全開信號；

2）有旁路閘閥B全開信號；

3）省煤器出口溫度（懸吊管壁溫）均值低于省煤器出口報警溫度；

4）主給水電動憋壓閥指令與閥位反饋偏差不超過5%；

5）主給水電動憋壓閥無故障信號。

主給水憋壓閥的自動開邏輯條件如下（以下任一條件滿足）：

1）無旁路閘閥A全開信號；

2）無旁路閘閥B全開信號。

實現這一邏輯，就需要對憋壓閥的指令下限進行限制，即AOUT 模塊的LOLIM 引腳輸入。當任一旁路閘閥的全開信號未來時，需要將指令下限置為100。旁路閘閥均已全開，但存在其他未滿足憋壓閥關允許的條件時，則不需要將其指令下限置為100，只需鎖死當前指令無法關閉，只能開啟即可，因此需要使用模擬量的切換模塊（SWCH）。對于指令和反饋的偏差計算，則需要使用加法模塊（ADD2），進行加法運算，然后通過CALCA模塊進行數據比較，從而輸出開關量。

主給水憋壓閥控制邏輯圖詳見圖3。

圖3 主給水憋壓閥控制邏輯Fig.3 Control logic of main feedwater pressure-hold valve

旁路閘閥A和旁路閘閥B的關允許條件邏輯如下（以下條件需全部滿足）：

1）有主給水電動憋壓閥全開信號；

2）旁路閘閥有遠控允許信號；

3）旁路閘閥無故障信號。

旁路閘閥B 開允許邏輯條件為：省煤器出口溫度（懸吊管壁溫）均值低于省煤器出口報警溫度。

以上開關允許條件，直接引入對應操作器的開/關允許引腳即可。

2.3 省煤器出口溫度報警值及均值計算邏輯設計

上述閥門中開/關允許存在一個條件，即省煤器出口溫度均值需低于省煤器出口報警值。這是由于直流鍋爐在運行時，沒有明顯的汽水分界點，因此需要確保省煤器出口溫度在飽和蒸汽溫度下且需留有一定的溫度裕度，避免超溫造成省煤器爆管，危及鍋爐運行安全［10-13］。

省煤器出口溫度報警值遵循公式（1）。

式（1）中，各參數代表的含義詳見表1。

表1 省煤器出口溫度報警公式參數Table 1 Formular parameter of economizer outlet temperature alarm

從式（1）可以得出，報警值計算的邏輯設計，需要利用到信號選擇和比較模塊，輸出高選值；而鍋爐原有省煤器出口壓力測點2 個，需要將這兩個測點取平均值后，以圖4 所示的函數，計算對應的飽和溫度，并將最終的函數坐標值輸入至CHARC 函數模塊。當一路壓力測點壞點時，自動選擇另一路信號進行計算。以上兩個需求均可以使用信號選擇（SIGSEL）模塊實現，前者將SIGSEL 模塊輸出設定為高選，后者將SIGSEL模塊輸出設定為取平均值，同時引入測點品質判斷，將對應的壞點信號屏蔽。省煤器出口溫度報警邏輯詳見圖5。

圖4 省煤器出口壓力對應飽和溫度曲線Fig.4 Saturation temperature curve corresponding to economizer outlet pressure

圖5 省煤器出口溫度報警計算邏輯Fig.5 Calculation logic of economizer outlet temperature alarm

鍋爐省煤器懸吊管壁溫分為過熱器側和再熱器側，每一側各15支熱電偶，分別接入2個智能終端并通訊至DCS。在均值計算邏輯當中，可以將每一側15個溫度測量值求得平均值，然后兩側得到的平均值再求一次均值。在均值計算過程中，若測點測量值與實際值偏差過大或者故障，則在計算均值時將其剔除。將兩側的溫度均值再次取平均值，即可得到最終省煤器出口的溫度均值，然后再與出口溫度報警值進行比較，其結果引入主給水憋壓閥和旁路閘閥B 的控制邏輯，作為限制閥門開/關邏輯的條件之一。

2.4 給水流量主保護邏輯設計

主給水流量及旁路水流量計采用差壓式流量變送器測得其差壓值，經小信號切除及溫度補償后，通過線性開方，最終得出主給水質量流量和旁路水質量流量的測量值。

鍋爐給水增加省煤器給水旁路后，其省煤器入口給水流量（原主給水流量）無法代表鍋爐實際的給水總流量。考慮到鍋爐主保護的可靠性，原有的給水流量主保護邏輯將無法使用。而從圖1 當中可以得知，鍋爐在濕態運行模式下，循環泵運行，新增的主給水流量同樣不能代表鍋爐的給水總流量。因此，鍋爐的給水流量計算宜采用主給水流量（三選中后）與再循環流量（三選中后）之和。

在鍋爐轉干態后，鍋爐再循環泵停止運行，實際的再循環流量應當為零。查閱歷史曲線，再循環流量對應的3 個差壓變送器腔室均存在差壓（約0.5 kPa～1 kPa），無法通過小信號切除（切除限值為50 Pa）來清零，若將其計算在總給水流量內，則總給水流量計算值將高于實際值，可能會造成鍋爐主保護拒動，并影響鍋爐給水自動調節。故再循環泵停止運行時，切除再循環流量數值。

由于總給水流量涉及鍋爐主保護，涉及該項的控制邏輯均需要采用三取二設計。鍋爐再循環泵的停止判斷分別為運行信號取反、停止信號、循環泵電流小于10 A三取二最終得出結果，總給水流量的計算邏輯詳見圖6。

圖6 總給水流量計算Fig.6 Calculation for total feedwater flow

鍋爐主保護位于CP4007控制器，若總給水流量測點通過邏輯跳轉至主保護邏輯，則需要通過網間引用；且由于總給水流量計算點為單點，若直接引入至保護邏輯，將造成保護動作可靠性降低［14］。而原主給水流量保護測點單點在給水旁路改造前就可以代表鍋爐的實際給水流量，且源點接入CP4007 控制器，可以單獨在該控制器內獨立計算后再接入給水流量保護，詳見圖7。

圖7 原主給水流量保護邏輯Fig.7 Protection logic of original main feedwater

因此，變更后的給水流量保護，在CP4012內，需要將總給水流量的計算結果與給水流量低（384 t/h）、給水流量低低（316 t/h）定值進行比較，同時為了確保流量測點的有效性，則需在給水流量低于定值的同時，還應當滿足以下兩個條件：

1）任意兩個給水流量測點的計算值偏差小于300 t/h；

2）給水流量測點品質為好（3取2）。

滿足以上條件后，保護輸出生效，輸出結果送入DO節點，通過硬接線的方式直接接入CP4007的DI節點，再執行后續保護邏輯［15-19］，詳見圖8。

圖8 變更后主給水流量保護邏輯Fig.8 Protection logic of main feedwater after change

3 改造效果分析

機組改造投入運行后，在機組負荷降低時，省煤器給水旁路閥門將逐漸開啟，最終與給水主路并列運行；隨著負荷進一步降低，主給水憋壓閥將關閉，在深度調峰運行工況下，給水旁路可單獨投入運行。通過查閱不同時段內給水旁路投運的DCS 歷史數據，并加以分析，可以得出機組運行負荷與給水旁路開度之間的關系，詳見表2。

表2 省煤器給水旁路投運狀況統計Table 2 Statistics of feedwater bypass operation of economizer

由表2當中可以得知，當機組在35%～38%額定負荷下開始深度調峰時，給水旁路將開始投運；升負荷運行時，給水旁路可在40%額定負荷下獨立運行而不依賴給水主路。因此，機組處于30%～40%額定負荷下的深度調峰工況時，給水旁路可單獨投入運行。

給水旁路投運后，選取改造前后負荷較為穩定區間的1 h內脫硝SCR區入口煙溫歷史數據進行收集和處理，改造前和改造后的數據進行分析詳見表3和表4。

表3 改造前脫硝煙溫數據Table 3 SCR gas temperature data before transformation

表4 改造后脫硝煙溫數據Table 4 SCR gas temperature data after transformation

由表3和表4可以得知，改造前，機組處于30%額定負荷時，SCR區煙氣溫度均低于290 ℃，部分測點低于285 ℃，影響脫硝催化劑的催化活性及脫硝效率；脫硝效率低，又將造成氨逃逸量高從而生成硫酸氫銨，堵塞空預器及后續設備。而省煤器給水旁路投運后，可以將SCR 區的煙氣溫度均值提升至300 ℃，局部不低于290 ℃。改造配合脫硝更換寬負荷催化劑，將有效提升脫硝催化劑活性，提升脫硝反應效率，從而延長催化劑及機組設備使用壽命［20-21］。

4 結語

實踐證明，利用ArchestrA IDE 圖形組態軟件，有利于FOXBORO DCS邏輯組態的修改，同時，相較于利用ICC 直接創建功能塊進行邏輯組態，其采用填入字段的形式來進行模塊的參數設置，組態模式不夠直觀方便，且在創建邏輯模塊時，需要自定義其功能，在進行大量組態及邏輯組態修改時極易出錯。ArchestrA IDE 軟件擁有封裝好功能塊的庫文件，需要的時候拖入圖形組態界面即可使用，其在組態時并不會將數據下裝至控制器，只有Deploy 或者Undeploy 操作才會修改控制器的數據，相較于ICC 直接修改控制器數據而言，增強了邏輯組態修改的安全性，ArchestrA IDE在人機對話界面上可視性強，操作方便，該邏輯組態設計，對其他超超臨界機組的靈活性改造也將有一定的借鑒價值［22-23］。