基于實際工況的主蒸汽壓力設(shè)定值速率限制策略

胡雄輝，毛發(fā)龍，王印松

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007;2.中國能源建設(shè)集團公司湖南省電力勘測設(shè)計院，湖南長沙410007;3.華北電力大學(xué)，河北保定071000)

在火力發(fā)電機組的自動控制系統(tǒng)中，鍋爐/汽輪機的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是其中最主要的控制系統(tǒng)之一。在鍋爐/汽輪機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的實施方案中，又可以分為以汽輪機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式(CCTF)和以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式(CCBF)〔1〕。在CCBF中，通過調(diào)整入爐燃料量來保證主蒸汽壓力跟隨其設(shè)定值;通過調(diào)整主蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度來保證汽輪發(fā)電機的輸出功率跟隨其設(shè)定值。

主蒸汽壓力是反映鍋爐和汽輪機之間能量供需關(guān)系的一個重要物理量〔2〕，主蒸汽壓力穩(wěn)定，則機組燃燒、汽溫、給水的調(diào)節(jié)難度較小，各參數(shù)也容易進入穩(wěn)定狀態(tài)，主蒸汽壓力穩(wěn)定性較差，則容易引起燃燒不穩(wěn)定、超溫、超壓等情況發(fā)生〔3〕，影響機組安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行。如何保持主汽壓力穩(wěn)定，保持主蒸汽壓力按照機組負荷要求及時、平穩(wěn)變化是火電廠熱工自動控制的重要研究課題〔4〕。

在CCBF方式下，主蒸汽壓力的調(diào)節(jié)主要依靠調(diào)整鍋爐燃燒來實現(xiàn)〔5〕。主蒸汽壓力低于其設(shè)定值，則相應(yīng)增加入爐燃料量;反之，減少入爐燃料，以保證主蒸汽壓力在設(shè)定值附近運行。主蒸汽壓力與設(shè)定值之間的壓力偏差越大，需要增加或減少的燃料量就越多。所以在調(diào)節(jié)過程中壓力偏差越小，燃料量變化越小，鍋爐燃燒越穩(wěn)定，主蒸汽溫調(diào)節(jié)、給水調(diào)節(jié)以及送、引風(fēng)調(diào)節(jié)也就越平穩(wěn);壓力偏差越大，燃料量變化越大，在燃燒調(diào)節(jié)不好的情況下，容易出現(xiàn)主蒸汽壓力反向超調(diào)情況，造成主蒸汽壓力反復(fù)波動，汽溫、給水以及送、引風(fēng)等自動調(diào)節(jié)也容易出現(xiàn)反復(fù)擺動的情況。調(diào)整鍋爐燃燒是控制主蒸汽壓力穩(wěn)定、保持壓力偏差較小的重要手段，同樣，保持壓力偏差較小也是穩(wěn)定鍋爐燃燒的重要手段〔6〕。

1 傳統(tǒng)的主蒸汽壓力設(shè)定值調(diào)整方法

調(diào)整主汽壓力設(shè)定值的目的是在當(dāng)前負荷下，保證汽輪機主蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度處于一個比較經(jīng)濟的工作區(qū)域〔7〕，并且使調(diào)節(jié)閥門的開度有一定的調(diào)整范圍;同時也要確保在機組正常運行中，主蒸汽壓力與其設(shè)定值的偏差不會太大，防止協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)因為壓力偏差大而退出自動控制方式〔8〕。但是，傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方案中的壓力速率限制策略存在一定缺陷，可能會因為壓力設(shè)定值的不合理，造成壓力偏差越來越大，降低主汽壓力調(diào)節(jié)品質(zhì)，進而退出自動控制方式。

1.1 主蒸汽壓力設(shè)定值的計算

主蒸汽壓力設(shè)定值的調(diào)整分為手動方式和自動方式2種〔9〕，即定壓運行方式和滑壓運行方式。在定壓運行方式下，主蒸汽壓力設(shè)定由運行人員根據(jù)機組負荷和實際運行情況在“定壓壓力設(shè)定站”進行手動設(shè)定，經(jīng)過限速以后形成主蒸汽壓力設(shè)定值，分別送到鍋爐燃燒控制系統(tǒng)和汽輪機控制系統(tǒng)。在滑壓運行方式下，利用機組負荷指令，經(jīng)設(shè)定的滑壓曲線函數(shù)進行運算，產(chǎn)生滑壓壓力設(shè)定值，經(jīng)過限速模塊運算以后，形成限速以后的主蒸汽壓力設(shè)定值，分別送到鍋爐燃燒控制系統(tǒng)和汽輪機控制系統(tǒng)〔10〕。在滑壓運行方式下，運行人員可以通過“滑壓偏置設(shè)置站”，對滑壓曲線產(chǎn)生的壓力設(shè)定值進行修正，使實際的主蒸汽壓力設(shè)定值符合機組運行的要求。

1.2 通過調(diào)整設(shè)定值的方式加快燃燒調(diào)節(jié)

機組正常運行情況下，主蒸汽壓力會在其設(shè)定值附近波動。當(dāng)主蒸汽壓力與設(shè)定值存在偏差時，燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，使主蒸汽壓力自動回歸到設(shè)定值附近。實際操作中，當(dāng)主蒸汽壓力高于設(shè)定值，出現(xiàn)較大偏差時，有的運行人員習(xí)慣將壓力設(shè)定值降低，通過進一步擴大壓力偏差的方式，加快燃燒調(diào)節(jié)。相反，當(dāng)主蒸汽壓力低于設(shè)定值，出現(xiàn)較大偏差時，增加壓力設(shè)定值。實際上，這種操作方式不利于主蒸汽壓力的穩(wěn)定，反而由于壓力偏差過大，造成燃料量出現(xiàn)過調(diào)、主蒸汽壓力超調(diào)，產(chǎn)生壓力振蕩〔12〕。

同樣，在出現(xiàn)燃燒擾動或者負荷變化時，主蒸汽壓力容易出現(xiàn)快速變化，為了防止主蒸汽壓力進一步變化，運行人員往往將主蒸汽壓力設(shè)定值往壓力變化的反方向調(diào)整，希望通過擴大壓力偏差的方式來加快燃燒調(diào)節(jié)，以達到主蒸汽壓力穩(wěn)定的目的。實際上，通過改變壓力設(shè)定值擴大壓力偏差的方式，調(diào)節(jié)效果不明顯，反而容易因為壓力偏差過大，造成協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)退出自動控制方式。

1.3 滑壓運行中壓力設(shè)定值持續(xù)單向變化

機組滑壓運行時，主蒸汽壓力設(shè)定值將根據(jù)機組負荷和滑壓曲線綜合計算得出，當(dāng)負荷變化幅度較大時，壓力設(shè)定值會出現(xiàn)持續(xù)的單向變化。機組在實際運行中，特別是大幅度變負荷時，常有啟、停磨煤機 (或給粉機)等操作，燃料容易出現(xiàn)短時間的欠缺或富余，主蒸汽壓力不能完全按照滑壓曲線運行，如果壓力設(shè)定值一味的按照滑壓曲線變化，可能造成壓力偏差過大而退出自動協(xié)調(diào)控制。

2 基于火電機組實際工況的主蒸汽壓力設(shè)定值限速方法

燃料量的變化對主蒸汽壓力影響的動態(tài)特性是一個帶延時的慣性環(huán)節(jié)〔13〕。由于鍋爐制粉系統(tǒng)及煤粉管道布置不同，對應(yīng)的延時時間和慣性也不一樣。根據(jù)物理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點很容易看出:對于中儲式制粉系統(tǒng)，主蒸汽壓力動態(tài)特性的延時時間和慣性時間常數(shù)最小;對于直吹式雙進雙出鋼球磨煤機系統(tǒng)，主蒸汽壓力動態(tài)特性的延時時間和慣性時間常數(shù)次之;對于中速磨煤機制粉系統(tǒng)，主蒸汽壓力動態(tài)特性的延時時間和慣性時間常數(shù)最大。在機組正常運行中，由于存在燃燒擾動、負荷變化等情況，主蒸汽壓力經(jīng)常出現(xiàn)波動。主蒸汽壓力一旦發(fā)生波動，就說明鍋爐、汽輪機的能量供需的動態(tài)平衡已被打破。對于燃料調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，一方面要防止主蒸汽壓力偏差進一步拉大;另一方面要防止主蒸汽壓力回調(diào)時的反向超調(diào)，造成壓力回歸穩(wěn)態(tài)的時間延長。

在燃燒控制系統(tǒng)的動態(tài)過程中，合理地調(diào)整壓力設(shè)定值，會改進主蒸汽壓力的動態(tài)品質(zhì)，改善調(diào)節(jié)效果。經(jīng)過反復(fù)實踐摸索，文中提出了一種通過限制主蒸汽壓力設(shè)定值的變化速率，以改進壓力設(shè)定值產(chǎn)生條件的計算方法。改進后的壓力設(shè)定值計算SAMA圖如圖2所示。在鍋爐/汽輪機協(xié)調(diào)控制方式下，對主蒸汽壓力設(shè)定值的上升速率和下降速率分別進行了邏輯限制;產(chǎn)生最終壓力設(shè)定值上升速率限制值和下降速率限制值，通過DCS系統(tǒng)中參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整功能塊對圖1的“壓力設(shè)定限速”功能塊進行調(diào)整。

圖1 基于火電機組實際工況的主蒸汽壓力設(shè)定值速率限制

2.1 壓力升速率限制

當(dāng)限速以后的壓力設(shè)定值比實際主汽壓力高0.3 MPa(可根據(jù)需要對定值進行調(diào)整)，或?qū)嶋H壓力下降速率達到0.2 MPa/min時，將壓力升速率切換為0，也就是說以上2種情況任意一種出現(xiàn)，禁止實際壓力設(shè)定值往上升，但是系統(tǒng)產(chǎn)生的“未限速壓力設(shè)定值”予以保留，只是根據(jù)機組實際運行情況，暫時不增加壓力設(shè)定值，一旦限制條件消失，限速后的壓力設(shè)定值仍然按照設(shè)定速率向未限速壓力設(shè)定值變化。

2.2 壓力降速率限制

當(dāng)限速以后的壓力設(shè)定值比實際主汽壓力低0.3 MPa(可根據(jù)需要對定值進行調(diào)整)，或?qū)嶋H壓力上升速率達到0.2 MPa/min時，將壓力下降速率切換為零，也就是說以上2種情況任意一種出現(xiàn)，則禁止實際壓力設(shè)定值往下降，但是系統(tǒng)產(chǎn)生的未限速壓力設(shè)定值予以保留，只是根據(jù)機組實際運行情況，暫時不降低壓力設(shè)定值，一旦限制條件消失，限速后的壓力設(shè)定值仍然按照設(shè)定速率向未限速壓力設(shè)定值變化。

采用這種壓力設(shè)定值變化速率限制方法，對機組滑壓運行方式下的主蒸汽壓力穩(wěn)定比較有利。在滑壓運行方式下，當(dāng)大幅度增加或減少負荷時，壓力設(shè)定值按照滑壓曲線變化，當(dāng)工況不滿足時，短時禁止壓力設(shè)定值變化;當(dāng)條件恢復(fù)以后，壓力設(shè)定值繼續(xù)往滑壓曲線靠攏。這種方法能夠減輕運行人員的操作壓力，降低勞動強度。運行人員需要修改主蒸汽壓力設(shè)定值時，可以將壓力設(shè)定值一次性設(shè)置到位，不必考慮壓力偏差過大問題;限制邏輯能夠自動將主蒸汽壓力設(shè)定值平緩引向目標(biāo)值，同時能夠在一定程度上防止對壓力設(shè)定值的誤操作。

3 結(jié)論

基于火電機組實際工況的主汽壓力設(shè)定值速率限制策略已經(jīng)在大唐華銀金竹山火力發(fā)電分公司3號機組 (600 MW超臨界機組)、深能源媽灣發(fā)電有限公司5號機組 (300 MW亞臨界)、大唐湘潭發(fā)電有限責(zé)任公司2號機組 (300 MW亞臨界)等機組成功應(yīng)用，運行時間已經(jīng)超過1年，經(jīng)實際應(yīng)用證明該策略適應(yīng)機組各種的運行工況要求。并具有以下優(yōu)點:

1)防止壓力設(shè)定值設(shè)置不當(dāng)造成壓力偏差過大而使?fàn)t膛燃燒波動，有利于改善主蒸汽壓力調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高爐膛燃燒的穩(wěn)定性;

2)降低了運行人員調(diào)整主蒸汽壓力設(shè)定值的難度，在一定程度上防止了誤操作;

3)有利于提高滑壓運行的投入率。在滑壓運行情況下，減少運行人員對壓力設(shè)定值的干預(yù)。

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