600MW超臨界空冷機(jī)組協(xié)調(diào)控制邏輯優(yōu)化分析

田有龍，溫樹牛

（華能國際電力股份有限公司上安電廠，石家莊 050310）

鍋爐主控與給水控制是火力發(fā)電廠的主要控制系統(tǒng)之一，其控制品質(zhì)的好壞直接關(guān)系到機(jī)組能否安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。華能國際電力股份有限公司上安電廠（簡稱“華能上安電廠”）三期工程2臺600 MW超臨界空冷機(jī)組鍋爐選用超臨界直流鍋爐，采用6套雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)，分為3個燃燒層；每臺磨煤機(jī)配備2臺給煤機(jī)；給水系統(tǒng)采用2臺汽動給水泵各帶50%額定負(fù)荷，1臺30%電泵為啟動泵；設(shè)計(jì)煤種與校核煤種為陽泉與西山地區(qū)混煤，設(shè)計(jì)熱值23×103kJ/kg；鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量2 090t/h，主蒸汽額定溫度為571℃，主蒸汽壓力25.33MPa，再熱蒸汽額定溫度為569℃，再熱蒸汽壓力4.42MPa；汽輪機(jī)為超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、直接空冷凝汽沖動式汽輪機(jī)；DCS系統(tǒng)采用Symphony分散控制系統(tǒng)。

1 原控制方案

華能上安電廠600MW超臨界機(jī)組控制系統(tǒng)主要包括汽輪機(jī)主控（TM）、鍋爐主控（BM）、負(fù)荷指令設(shè)定、協(xié)調(diào)方式切換、快速減負(fù)荷（RB）、頻率校正等功能回路。機(jī)爐控制設(shè)計(jì)了4種運(yùn)行方式，根據(jù)鍋爐主控和汽輪機(jī)主控2個操作器的狀態(tài)組合，分別形成4種運(yùn)行方式：機(jī)爐協(xié)調(diào)方式（鍋爐主控自動，汽輪機(jī)主控自動）；汽輪機(jī)跟蹤方式（鍋爐主控手動，汽輪機(jī)主控自動）；鍋爐跟蹤方式（鍋爐主控自動，汽輪機(jī)主控手動）；機(jī)爐手動方式（鍋爐主控手動，汽輪機(jī)主控手動）。按照設(shè)計(jì)，機(jī)組正常運(yùn)行時應(yīng)該運(yùn)行在機(jī)爐協(xié)調(diào)方式。

1.1 鍋爐主控指令的形成

機(jī)爐協(xié)調(diào)方式下鍋爐主控回路示意見圖1。

圖1 機(jī)爐協(xié)調(diào)方式下鍋爐主控回路示意

將機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷ULD的比例FX加微分信號D作為鍋爐主控指令前饋（要求鍋爐燃料量），當(dāng)壓力設(shè)定值PTS改變時，通過微分環(huán)節(jié)D作為鍋爐主控指令前饋。機(jī)爐協(xié)調(diào)方式下的PI調(diào)節(jié)器將比例、積分功能分開，比例增益和積分速度根據(jù)當(dāng)前機(jī)組負(fù)荷值的大小和主蒸汽壓力的偏差自動改變。如果機(jī)組負(fù)荷偏差較大，相應(yīng)增加或減少鍋爐主控指令。PI調(diào)節(jié)器的輸出加上前饋信號，成為協(xié)調(diào)控制方式下鍋爐主控控制指令并行送給給水控制系統(tǒng)和燃料控制系統(tǒng)，即鍋爐指令直接送給水主控，而鍋爐指令送燃料主控，燃料指令乘風(fēng)燃比（經(jīng)過氧量校正）送風(fēng)量控制。汽輪機(jī)調(diào)門以控制負(fù)荷為主，用鍋爐燃燒率控制主蒸汽壓力，當(dāng)主蒸汽壓力偏差過大時，汽輪機(jī)側(cè)協(xié)助鍋爐調(diào)壓。

1.2 鍋爐給水指令的形成

a.引入鍋爐主控輸出作為前饋量，總?cè)剂狭客ㄟ^函數(shù)發(fā)生器f（x）折算出給水指令。當(dāng)功率指令變化時，燃煤轉(zhuǎn)化為熱量需要經(jīng)過較長時間，同時給水量響應(yīng)也存在滯后性，為了避免由于兩者變化不同步所造成的輸出參數(shù)的波動，在機(jī)組鍋爐主控指令后增加延遲環(huán)節(jié)以進(jìn)行調(diào)整，時間設(shè)定為8s，使燃料量與給水量保持同步。

b.采用分離器出口處蒸汽焓值作為給水控制對象的修正量。當(dāng)給水量或燃料量擾動時，汽水行程中各點(diǎn)工質(zhì)焓值的動態(tài)特性相似；在鍋爐的燃水比保持不變時，汽水行程中某點(diǎn)工質(zhì)的焓值保持不變，以此來校正燃水比。中間點(diǎn)焓值對燃水比擾動的響應(yīng)較快且近似于一階慣性環(huán)節(jié)，響應(yīng)曲線是單調(diào)的。

c.通過汽水分離器出口溫度和主蒸汽壓力計(jì)算得出分離器出口焓值與負(fù)荷指令得出汽水分離器出口焓值的偏差然后進(jìn)行PID運(yùn)算，并引入一級減溫器前后溫差控制器對設(shè)計(jì)焓值進(jìn)行修正；負(fù)荷指令經(jīng)函數(shù)發(fā)生模塊，得到熱量總需求，對省煤器給水流量做出修正。

2 存在的問題

目前，很多煤商為了追求經(jīng)濟(jì)利益，導(dǎo)致電廠發(fā)電用煤的煤質(zhì)變化很大，入爐煤質(zhì)與原設(shè)計(jì)值存在較大差距，煤質(zhì)來源不固定且熱值變化較大，原燃料量負(fù)荷比率已不能適合現(xiàn)工況，即燃料主控輸出100%時負(fù)荷只能達(dá)到額定負(fù)荷80%～90%，所以當(dāng)鍋爐主控到90%甚至80%時燃料主控輸出已到達(dá)100%產(chǎn)生飽和，這樣鍋爐主控繼續(xù)增長而實(shí)際燃料量已不能增長。而直流鍋爐由于沒有汽包，在熱態(tài)時需要維持一定的過熱度，這樣就存在過熱度與主蒸汽壓力相互耦合的問題，具體體現(xiàn)在水與煤的相互耦合問題。試驗(yàn)證明水與煤的耦合導(dǎo)致鍋爐汽壓響應(yīng)緩慢，主蒸汽壓差超標(biāo)，最終的表象為“機(jī)快爐慢”，整個機(jī)組既不能滿足電網(wǎng)負(fù)荷的控制精度要求，又不能保證機(jī)組鍋爐的安全性，危及到發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

3 控制邏輯優(yōu)化措施及效果

3.1 優(yōu)化措施

a.鍋爐主控靜態(tài)前饋改進(jìn)。原來僅通過負(fù)荷指令，通過折線函數(shù)對應(yīng)一定的煤量而形成。這樣就只能與變負(fù)荷同步進(jìn)行鍋爐動作，因而鍋爐總是慢汽輪機(jī)一步。為了達(dá)到在鍋爐側(cè)先動作的目的，真正形成前饋，重新構(gòu)建鍋爐的靜態(tài)前饋，用目標(biāo)負(fù)荷通過對當(dāng)前變負(fù)荷速率，根據(jù)升降負(fù)荷不同的工況進(jìn)行放大處理，達(dá)到先于負(fù)荷動作的目的，克服鍋爐的遲延與滯后。

b.鍋爐主控動態(tài)前饋提速。采用負(fù)荷指令的微分與目標(biāo)負(fù)荷相關(guān)聯(lián)再經(jīng)過細(xì)化量化構(gòu)成負(fù)荷的動態(tài)前饋，形成負(fù)荷動態(tài)前饋。

c.鍋爐主控控制超調(diào)量。為控制鍋爐主控輸出增長到飽和區(qū)域可增加鍋爐主控輸出上限自適應(yīng)邏輯，當(dāng)6臺磨煤機(jī)中只有4臺運(yùn)行時將鍋爐主控輸出上限定為80%，限制機(jī)組出力，煤質(zhì)不好時無法帶更高的負(fù)荷，如需提高負(fù)荷必須啟動更多磨煤機(jī)組來解決。當(dāng)有5臺運(yùn)行時將鍋爐主控輸出上限定為90%，當(dāng)6臺全部運(yùn)行時將鍋爐主控輸出上限恢復(fù)為100%，這樣既可使燃料主控滿輸出，又可限制鍋爐主控輸出偏大使給水主控超調(diào)。

d.給水主站調(diào)節(jié)。由于水的控制方案采用的是鍋爐指令通過函數(shù)對應(yīng)水的指令，也就是說水相對穩(wěn)定。一般來講“水調(diào)壓、煤調(diào)溫”，這就是說溫度欠缺了主要還是由于煤的不足，所以要繼續(xù)調(diào)整煤的量。但是在極端的情況下單純的調(diào)節(jié)煤量不能快速有效地調(diào)整好變煤質(zhì)的問題，為了在煤質(zhì)變化頻繁劇烈的情況下，保持過熱度的穩(wěn)定就要水煤同時聯(lián)調(diào)。在煤質(zhì)好的情況下，過熱度上升，加水減煤；在煤質(zhì)差的情況下，過熱度降低，這時就要減水加煤進(jìn)行調(diào)節(jié)。

e.水煤比調(diào)節(jié)。因?yàn)槊嘿|(zhì)變化，水煤聯(lián)調(diào)穩(wěn)定過熱度而導(dǎo)致主蒸汽壓力的變化，水煤比發(fā)生變化，對應(yīng)的鍋爐主控適時改變調(diào)整，這時鍋爐主蒸汽壓力調(diào)節(jié)器則調(diào)整修正主蒸汽的壓力調(diào)節(jié)品質(zhì)，鍋爐調(diào)節(jié)器以煤帶水的給水量維持給水流量的相對穩(wěn)定，主蒸汽壓力得以穩(wěn)定。另外給水作用快，而燃料從啟動給煤機(jī)加煤到磨制出煤粉需要10min左右的時間，有可能將汽溫拉低。因此可將燃料先增加一段時間形成實(shí)際出力后再增加給水量可較好控制氣溫。給水主控的鍋爐主控前饋由一階慣性改為三階慣性使其與燃料的對應(yīng)關(guān)系由先陡后緩變?yōu)橄染徍蠖傅姆蔷€性特性，燃料先行投入一段時間給水再開始增長這樣和燃料量增加速度匹配減小給水?dāng)[動幅度。用機(jī)組負(fù)荷（MW）乘以30t，得出該負(fù)荷所對應(yīng)的大致給水流量作為經(jīng)驗(yàn)值并增加一定范圍，如果超出此范圍則表示有可能超調(diào)，控制給水調(diào)節(jié)器輸出高低限以控制初期超調(diào)量。

3.2 優(yōu)化效果

邏輯修改前效果見圖2。

圖2 邏輯修改前效果

由圖2可以看出邏輯修改前當(dāng)機(jī)組負(fù)荷由565 MW降低到537MW，減少28MW時鍋爐主控輸出值由83%減少到81%，但過程波動較大，給水流量由1 740t/h下降到1 604t/h，主蒸汽壓力由24.25MPa下降到23.31MPa，與設(shè)定點(diǎn)偏差最大為0.89MPa。邏輯修改后效果見圖3。

圖3 邏輯修改后效果

從圖3可以看出邏輯修改后當(dāng)機(jī)組負(fù)荷由415 MW降低到387MW，同樣減少28MW時鍋爐主控輸出值由59%減少到55%，過程波動較小，給水流量由1 221t/h下降到1 066t/h，主蒸汽壓力由18.89MPa下降到17.51MPa，與設(shè)定點(diǎn)偏差最大為0.25MPa。

華能上安電廠三期2臺600MW超臨界空冷機(jī)組改進(jìn)控制邏輯后，鍋爐主控可適應(yīng)煤種變化帶來的干擾，降低了給水調(diào)節(jié)幅度，使汽壓汽溫穩(wěn)定性大大提高，升降負(fù)荷的變化率及系統(tǒng)動靜態(tài)參數(shù)完全滿足機(jī)組的要求，保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 建議

a.加入在線煤質(zhì)監(jiān)測，獲取大致煤質(zhì)變化情況，手動或自動投入BTU站以改變校正后燃料量，可使燃料主控與鍋爐主控按原設(shè)計(jì)值大致對應(yīng)。

b.在磨膛中可以存留一定的蓄粉，當(dāng)鍋爐開始加負(fù)荷時，磨煤機(jī)熱風(fēng)調(diào)整門的前饋信號增大，開啟熱風(fēng)調(diào)整門，吹出磨煤機(jī)內(nèi)剩粉，直接增大了進(jìn)入爐膛的煤粉量，可有效地降低制粉系統(tǒng)的制粉遲延。