1050MW超超臨界機組爐膛負壓控制策略分析與優化

吳炳輝 國能神福(石獅)發電有限公司 石獅 362700

國能神福(石獅)發電有限責任公司裝機容量2×1050MW，鍋爐由東方鍋爐廠制造，型號為DG3130/27.46-Π2型超超臨界變參數變壓直流爐。鍋爐采用對沖燃燒方式、平衡通風、全懸吊結構。每臺鍋爐配備兩臺汽動引風機，用于排出鍋爐燃燒產生的高溫煙氣，產生流動性煙氣，使爐膛內維持一定的負壓，使鍋爐能夠得到良好的充分燃燒[1]。爐膛負壓作為鍋爐安全運行的重要參數，爐膛壓力的高低關系著鍋爐的安全、經濟運行。壓力過高易造成粉塵外泄、有引起爐膛爆炸的危險；壓力過低則會造成能耗增加，排煙損失增加，直接影響鍋爐的熱效率。爐膛負壓調節作為鍋爐自動控制系統的一個重要部分，通過改變引風機轉速、靜葉開度，將爐膛壓力保持為設計值。

1 爐膛負壓控制原理及問題分析

對鍋爐爐膛負壓的控制，原設計采用“靜葉+轉速”接力調節的控制方式。負壓全程控制調節分為引風機靜葉調節和引風機汽輪機轉速調節兩種基本控制方式。

在低負荷階段，引風機汽輪機處于低轉速(3000rpm)運行，由引風機靜葉調節控制靜葉開度維持爐膛負壓的穩定；隨著鍋爐負荷的升高，引風機出力逐漸增大，靜葉開度在自動控制回路的作用下逐漸開大，靜葉開度達75%，靜葉自動控制回路切至跟蹤狀態，由引風機汽輪機轉速調節控制維持爐膛負壓的穩定[2]。通過兩種控制方式自動無擾切換，實現爐膛負壓全程自動控制。

近年來，由于煙道結構改變，鍋爐煙道的流動特性發生較大變化，引風機葉片經常產生裂紋，導致機組經常迫降負荷。通過熱態試驗、振動測試及葉片固有頻率測試等分析表明，引風機存在3458rpm和4386rpm兩個共振轉速區。葉片出現裂紋的主因是風機在變轉速運行過程中存在共振現象。爐膛負壓在轉速調節控制時，引風機轉速連續變化，在某個負荷段，由于引風機正好處在該共振區運行，經長時間運行葉片容易發生疲勞開裂，嚴重影響機組運行的安全。

2 控制邏輯策略優化方案

為避免引風機葉片長期共振出現裂紋，對引風機“靜葉+轉速”調節爐膛負壓的控制策略進行優化：采用按照負荷分區間定速的控制方式，以避開共振轉速。為滿足機組不同負荷的要求，引風機汽輪機轉速共分為三擋，爐膛負壓由引風機靜葉全程調節控制。當機組負荷在750MW以下，為低轉速擋位(0擋)設定為4710rpm；機組負荷大于800MW，為高轉速擋位(1擋)設定為5273MW；針對高負荷段，可能出現引風機出力不足的情況，運行可手動升擋至超高轉速擋位(2擋)設定為5400rpm。同時，考慮運行過程中，可能發生的異常工況，設置了限制保護回路。當發生單側引風機跳閘時，對運行引風機轉速設置下限；當發生給水泵RB或一次風機RB，為防止兩臺引風機運行轉速過高，對引風機轉速設置上限。

3 引風機分擋定速調節具體控制邏輯

3.1 擋位劃分原則

根據機組負荷區間劃分轉速擋位，見表1：

表1 機組負荷區間劃分轉速擋位

3.2 擋位投入允許條件

以下條件全部滿足，允許投入擋位自動，并在DCS畫面顯示“擋位控制允許”(圖1)。

圖1 分擋控制投入允許畫面

(1)RB未動作。

(2)兩臺引風機轉速控制均已投入自動。

(3)兩臺引風機靜葉控制均已投入自動。

(4)兩臺送風機均運行，或僅一臺送風機運行已10分鐘以上。

當“擋位控制允許”條件滿足時，由運行人員手動投入擋位自動控制，投入后在運行畫面指示“擋位控制有效”；當“擋位控制允許”不滿足或運行手動退出時，則擋位自動控制切除，同時在DCS畫面顯示“擋位控制無效”。

3.3 目標擋位(轉速)切換

3.3.1 請求0擋轉速(4710rpm)

1擋(5273rpm)降至0擋(4710rpm)

(1)條件1(and)：

①目標轉速>4710rpm已5分鐘以上；

②負荷指令<800MW；

③機組目標負荷<750MW。

(2)條件2(and)：

①負荷指令<750MW已6分鐘以上；

②機組負荷<800MW。

2.0擋(4710rpm)升至1擋(5273rpm)過程中降回0擋條件(and)：

(1)擋位控制升速過程中；

(2)4710rpm<轉速設定<5273rpm；

(3)負荷指令<750MW已5分鐘以上；

(4)靜葉開度<70%。

3.3.2 請求1擋轉速(5273rpm)

3.3.2.1 0擋(4710rpm)升至1擋(5273rpm)

(1)條件1(and)：

①目標轉速<5273rpm已5分鐘以上；

②負荷指令>800MW；

③機組目標負荷>750MW。

(2)條件2(and)：

①負荷指令>800MW已6分鐘以上；

②機組目標負荷>750MW。

3.3.2.2 1擋(5273rpm)降至0擋(4710rpm)過程中升回1擋條件(and)

(1)擋位控制降速過程中；

(2)4710rpm<轉速設定<5273rpm；

(3)負荷指令>800MW已5分鐘以上；

(4)靜葉開度>25%。

3.3.2.3 1擋(5273rpm)升至2擋(5400rpm)過程中降回1擋條件(and)：

(1)擋位控制升速過程中；

(2)5273rpm<轉速設定<5400rpm；

(3)負荷指令<950MW已5分鐘以上；

(4)靜葉開度<80%。

3.3.2.4 2擋(5400rpm)降至1擋(5273rpm)條件(or)

(1)運行手動降擋；

(2)靜葉開度<60%已5分鐘以上。

3.3.3 請求2擋轉速(5400rpm)

1擋(5273rpm)升至2擋(5400rpm)條件(and)：

(1)5200rpm<轉速設定<5400rpm；

(2)擋位控制有效；

(3)運行手動升擋。

3.4 換擋過程速率控制

在目標擋位改變、目標轉速經速率限制后產生轉速設定值。在正常轉速切換過程中，根據爐膛負壓控制偏差自動調整切換速率。爐膛負壓高時降低轉速下降速率，負壓低時降低轉速上升速率。見表2、表3。

表2 負壓偏差與擋位切換升速率關系

表3 負壓偏差與擋位切換降速率關系

當爐膛負壓低報警或引風機靜葉指令達下限時，擋位升速率切零閉鎖升擋，避免引風機轉速升高導致爐膛負壓過低，引風機靜葉全關；而當爐膛負壓高報警或引風機靜葉指令達上限時，擋位降速率切零閉鎖降擋，避免引風機轉速降低導致爐膛負壓過高，引風機靜葉全開。

針對某些特殊工況，不具備升擋條件，而引風機靜葉開度指令>89%時，需要對當前擋位轉速設定值進行修正，按照一定的升速率自動增加引風機轉速直至靜葉開度恢復至84%以下，見圖2。

圖2 轉速設定值修正回路

3.5 轉速偏置設定功能

引風機轉速偏置設定回路見圖3。控制邏輯分別設定A、B引風機轉速偏置。未投擋位控制時，轉速偏置塊跟蹤轉速設定值與引風機轉速指令的偏差；擋位控制投入后，轉速偏置會一定速率自動歸零，從而實現擋位控制的無擾切換；擋位控制投入后，運行人員可根據機組實際工況隨時修改轉速偏置。

3.6 異常工況控制回路

3.6.1 單側引風機跳閘工況

兩臺引風機正常運行時最小轉速設為3000rpm。在運行過程中，發生單側引風機跳閘時，另一側運行引風機靜葉調節則通過平衡回路疊加開啟，防止爐膛負壓大幅波動。如果此時運行的引風機轉速偏低，將出現引風機出力不足的情況，引風機靜葉開度將接近全開，失去調節控制的裕度。為避免單臺引風機出力不足的情況，設置有單側運行引風機最小轉速保護回路，最小轉速根據機組負荷指令確定；若單臺運行引風機轉速小于最小轉速則升速至最小轉速，如果運行引風機轉速高于最小轉速則保持轉速不變。最小轉速與機組負荷函數見表4。

單臺風機最小轉速，按照當前爐膛負壓的函數關系確定升速率，爐膛負壓高時提高升速率快速抬高風機轉速下限，負壓低時降低升速率減緩轉速下限上升。最小轉速控制保護回路見圖4。

圖4 最小轉速控制保護回路

3.6.2 給水泵RB或一次風機RB工況

當發生給水泵跳閘或一次風機跳閘觸發RB時，為防止出現兩臺引風機出力過剩，引風機靜葉開度過低，發生失速的情況，設置有引風機運行最大轉速保護回路，對引風機轉速設置上限，轉速上限根據鍋爐負荷指令確定。

針對一次風機RB工況，為防止一次風壓降低，導致進入爐膛的煤粉量瞬間大幅減少，造成爐膛負壓大幅波動，鍋爐內爆事故的發生，另設置有引風機靜葉超馳關閉保護回路，在發生一次風機RB時，迅速關閉引風機靜葉一定開度，超持量則根據RB發生時總風量確定，并保持超馳設定50秒。超馳量與總風量函數見表5。

表5 超馳量與總風量函數

4 引風機分擋控制效果分析

在完成引風機分擋控制算法及控制邏輯的設計和靜態調試工作后，開展熱態過程的參數整定工作。通過機組升降負荷試驗，測試分擋控制對爐膛負壓的調節性能，從歷史趨勢和數據加以分析見圖5。在變負荷過程中，引風機轉速擋位來回切換正常，爐膛負壓總體控制平穩，靜葉全程調節控制品質符合設計要求。RB試驗分擋控制性能趨勢圖見圖6。

圖5 變負荷分擋控制性能試驗趨勢圖 圖6 RB試驗分擋控制性能趨勢圖

通過RB試驗驗證異常工況下分擋控制回路對爐膛負壓的調節控制性能，從圖5的歷史趨勢分析可知，在RB過程中，單側運行引風機靜葉調節通過平衡回路疊加開度由60%升至90%，在RB前期有效壓制爐膛壓力的持續上升勢頭；同時在最小轉速保護控制回路的作用下，單側運行引風機轉速按照一定的速率抬升至5000rpm，有效將爐膛負壓控制在安全范圍，保持機組繼續運行。

5 結語

相較于“靜葉+轉速”接力調節的控制方式，引風機分擋定速控制，由于采用靜葉全程調節控制，引風機存在一定節流損失，將犧牲一定的經濟性；但在安全性方面，分擋定速控制根據機組負荷自動調整擋位，不同負荷區間對應不同的固定轉速，避開引風機轉速共振區，可徹底解決引風機長期在共振區運行導致葉片疲勞開裂的安全隱患，在提高機組安全穩定性方面具有重要的意義。