3爐2機(jī)母管制背壓式供熱機(jī)組協(xié)調(diào)控制研究

房國成，王　磊，金龍飛

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧　沈陽　110006; 2.大慶油田工程建設(shè)公司油建電力公司，黑龍江　大慶　163000)

在風(fēng)電、水電、核電、火電等電力系統(tǒng)發(fā)電企業(yè)中，火電廠毫無疑問是整個電力系統(tǒng)中非常重要的組成部分，而自動控制水平對整個電力事業(yè)的發(fā)展又起到至關(guān)重要的作用[1]。隨著我國電力事業(yè)的飛速發(fā)展，火電機(jī)組的自動化水平越來越高，單元制機(jī)組的自動控制更是非常成熟，機(jī)爐協(xié)調(diào)控制和整個系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)也非常穩(wěn)定；但對于母管制機(jī)組的協(xié)調(diào)控制卻經(jīng)驗(yàn)不足，也沒有相對成熟的控制方法。

保證整個火電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素就是機(jī)組的自動控制水平，也就是機(jī)組的協(xié)調(diào)控制方式，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是從國外隨DCS引進(jìn)的控制概念[2]，在協(xié)調(diào)方式下，設(shè)計(jì)一個機(jī)組負(fù)荷控制回路，一個主汽壓力控制回路的結(jié)構(gòu)，狹義歸納為協(xié)調(diào)機(jī)組負(fù)荷和主汽壓力的控制系統(tǒng)。但從本質(zhì)上講，它表現(xiàn)為一種能量平衡，生產(chǎn)攜帶熱能的蒸汽離不開水、燃料、風(fēng)量等，為了增大機(jī)組負(fù)荷，相關(guān)輔機(jī)也要按比例參與調(diào)整，保證系統(tǒng)的物量平衡和出力平衡[3-4]。

1　系統(tǒng)概述

本文所研究的母管制機(jī)組配置2臺汽輪機(jī)和3臺鍋爐，鍋爐采用哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司根據(jù)國內(nèi)最新技術(shù)、國家最新標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的HG-350/11.5-HM1型超高溫高壓、單爐筒橫置式、單爐膛、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)、懸吊結(jié)構(gòu)、全鋼結(jié)構(gòu)煤粉爐。汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的沖動式、高溫高壓、單缸單軸、一級調(diào)整抽汽、背壓式CB50-10.5/3.8/1.3型汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)為山東濟(jì)南發(fā)電設(shè)備廠生產(chǎn)的50WX18Z-047LLT型空冷發(fā)電機(jī)。

中壓供熱汽源為汽輪機(jī)一級可調(diào)整抽汽，通過汽輪機(jī)座缸閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，抽汽口位置為汽輪機(jī)第7級葉片后，蒸汽從抽汽口抽出后接三通，一路蒸汽供給1號高加加熱使用，另一路與鄰機(jī)管路并聯(lián)接入中壓供熱母管，提供外網(wǎng)中壓供熱；中壓抽汽管道從汽輪機(jī)房引出，接至供熱母管，抽汽管道上裝有安全閥、氣動逆止閥、氣動調(diào)節(jié)閥和電動隔斷閥。汽輪機(jī)排汽管道上裝有安全閥、逆止閥和電動隔斷閥。

低壓供熱汽源為汽輪機(jī)排汽，在汽輪機(jī)內(nèi)部做功后的蒸汽仍具有較高參數(shù)，蒸汽從汽輪機(jī)排出后，通過三通分成兩路，一路通向2號高加、除氧器進(jìn)汽母管、小機(jī)進(jìn)汽母管，另一路經(jīng)液壓閥、氣動逆止閥、電動隔離門后與鄰機(jī)管路并聯(lián)接入低壓供熱母管。為方便2臺機(jī)組低壓供熱管路隔離，2臺機(jī)組低壓供熱管路之間裝有電動門和手動門[5]。

2　單元制機(jī)組協(xié)調(diào)控制

機(jī)組的CCS協(xié)調(diào)控制方式指機(jī)組鍋爐主控和汽輪機(jī)主控均在自動控制方式下，一般情況下分為以下4種控制方式。

a. “鍋爐引、送風(fēng)機(jī)動葉、靜葉自動方式”運(yùn)行，“一次風(fēng)機(jī)自動方式”運(yùn)行，至少投入1臺給煤機(jī)給煤量自動控制方式運(yùn)行，投入鍋爐“給煤量自動控制方式”運(yùn)行，投入鍋爐“燃料主控自動控制方式”運(yùn)行，投入“鍋爐主控自動控制方式”運(yùn)行，機(jī)組就轉(zhuǎn)換為“鍋爐跟隨方式”運(yùn)行，機(jī)組處于“鍋爐跟隨方式”運(yùn)行時，點(diǎn)擊“CCS遙控方式請求”按鈕，汽輪機(jī)DEH主控盤上“遙控請求”按鈕燈亮，點(diǎn)擊DEH主控盤上“遙控方式”按鈕，機(jī)組負(fù)荷控制中心畫面“汽輪機(jī)主控手動控制方式”運(yùn)行，將其投入自動控制方式運(yùn)行，機(jī)組就轉(zhuǎn)換為CCS協(xié)調(diào)控制方式運(yùn)行[6-7]。

b. 手動方式：汽輪機(jī)主控和鍋爐主控均在手動控制方式。

c. 汽輪機(jī)跟隨方式：鍋爐主控為手動方式，汽輪機(jī)主控為自動方式，跟蹤機(jī)前壓力，通過開關(guān)調(diào)門來維持壓力穩(wěn)定。此方式下汽輪機(jī)高壓調(diào)門擺動幅度較大，一般不建議使用。

d. 鍋爐跟隨方式：鍋爐主控為自動方式，汽輪機(jī)主控為手動方式。負(fù)荷變化時手動開大或關(guān)小調(diào)門，當(dāng)機(jī)前壓力變化時，鍋爐采取自動增加燃料量方式維持壓力穩(wěn)定[8]。

3　母管制背壓機(jī)組協(xié)調(diào)控制

3.1　協(xié)調(diào)控制的主要方向

將與主蒸汽母管連通的3臺鍋爐和2臺汽輪機(jī)以及高壓和低壓熱用戶作為一個整體來綜合考慮，把3臺鍋爐與2臺汽輪機(jī)進(jìn)行解耦控制，實(shí)現(xiàn)抑制鍋爐自振，減小爐間互擾，合理分配負(fù)荷目的[9]。當(dāng)母管壓力不穩(wěn)定時，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可以優(yōu)化分配，同時調(diào)節(jié)多臺鍋爐的負(fù)荷，使得母管壓力能夠在最快的時間內(nèi)得到穩(wěn)定。

3.2　控制原則及調(diào)節(jié)對象

根據(jù)3爐2機(jī)的結(jié)構(gòu)采用“就近原則”，減少蒸汽在母管內(nèi)的橫向流動，減少流動損失，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)并消除擾動因素，穩(wěn)定母管壓力，提高機(jī)組安全，保證蒸汽品質(zhì)，提高鍋爐效率。調(diào)節(jié)對象是多個變量，包括主蒸汽流量、電負(fù)荷以及主蒸汽母管的壓力。

3.3　基于能量平衡的控制策略

將母管壓力及汽輪機(jī)能量變化信號轉(zhuǎn)化為熱量負(fù)荷需求信號，將并列運(yùn)行的鍋爐作為蒸汽供給的一個整體，以3臺鍋爐并列運(yùn)行為例，其理想熱量信號為

(D1+(Cb1·dPb1/dt))+(D2+(Cb2·dPb2/dt))+(D3+(Cb3·dPb3/dt))=Di+∑Cbi·dPbi/dt

(1)

對于母管制機(jī)組，汽輪機(jī)側(cè)能量信號可以使用D·P0/PM來表示汽輪機(jī)側(cè)總的蒸汽流量需求(其中D為汽輪機(jī)側(cè)總蒸汽流量,P0為母管壓力定值,PM為母管壓力)。當(dāng)機(jī)組能量平衡時，鍋爐產(chǎn)生的能量與汽輪機(jī)所需能量平衡，即：

Di+∑Cbi·dPbi/dt=D·P0/PM

(2)

當(dāng)控制系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時,dPbi/dt=0,即PM=P0。這表明系統(tǒng)能量達(dá)到平衡時，母管壓力等于定值壓力。

對于調(diào)壓鍋爐，控制系統(tǒng)不僅要消除調(diào)壓爐自身燃燒率的自發(fā)性擾動，還要消除其它各臺鍋爐燃燒率的擾動及汽輪機(jī)側(cè)蒸汽流量變化對母管壓力的影響。非調(diào)壓爐穩(wěn)定本爐的熱負(fù)荷，不參與母管壓力調(diào)節(jié)，將流量需求信號按設(shè)定的規(guī)則動態(tài)分配給參與調(diào)壓的鍋爐。

3.4　主蒸汽母管壓力要求

主蒸汽母管壓力協(xié)調(diào)控制中要計(jì)算的內(nèi)容分為母管蒸汽中需求量計(jì)算、調(diào)壓鍋爐組總負(fù)荷計(jì)算和調(diào)壓鍋爐組總負(fù)荷優(yōu)化分配3個方面。通過這些相關(guān)量的計(jì)算得到實(shí)現(xiàn)母管協(xié)調(diào)控制各臺鍋爐所需的蒸汽負(fù)荷。將所有并列運(yùn)行的鍋爐分為提供固定負(fù)荷的鍋爐和參與母管協(xié)調(diào)控制的調(diào)壓鍋爐2種。固定負(fù)荷鍋爐的蒸發(fā)量在母管壓力變化時保持不變，其所提供的蒸汽負(fù)荷值為預(yù)設(shè)值；調(diào)壓鍋爐根據(jù)蒸汽鍋爐總需求量的變化調(diào)整自身的蒸汽量，維持母管壓力穩(wěn)定。所有調(diào)壓鍋爐定義為調(diào)壓鍋爐組。

母管蒸汽總需求量變化時，根據(jù)所有固定負(fù)荷鍋爐的總蒸發(fā)量，計(jì)算出調(diào)壓鍋爐組需要承擔(dān)的總蒸發(fā)量，以該蒸發(fā)量為給定值，以當(dāng)前調(diào)壓鍋爐組的實(shí)際蒸發(fā)量為被調(diào)量，調(diào)整調(diào)壓鍋爐組的實(shí)際總蒸發(fā)量，使之達(dá)到給定值。

調(diào)壓鍋爐組的總負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化分配，計(jì)算出調(diào)壓鍋爐組內(nèi)各臺調(diào)壓鍋爐所應(yīng)承擔(dān)的蒸汽負(fù)荷。由于每臺鍋爐的特性各不相同，分配時需要根據(jù)各臺調(diào)壓鍋爐的自身特性，優(yōu)化分配。不同特性的調(diào)壓鍋爐，承擔(dān)不同的負(fù)荷變化量，所有調(diào)壓鍋爐根據(jù)分配的蒸汽負(fù)荷變化量調(diào)整燃燒狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)母管壓力穩(wěn)定控制。

4　結(jié)束語

對于母管制背壓式機(jī)組的協(xié)調(diào)控制，必須同時控制好機(jī)組背壓、主蒸汽壓力和主蒸汽流量3個參數(shù)，當(dāng)2臺及2臺以上鍋爐運(yùn)行時，所有鍋爐均參與調(diào)節(jié)主汽壓力，這樣才能最大限度地保證母管蒸汽壓力，同時在汽輪機(jī)側(cè)控制機(jī)組背壓，盡量減小主汽壓力波動對系統(tǒng)的影響，從而保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。