1000MW超超臨界空冷機(jī)組寬負(fù)荷調(diào)峰控制設(shè)計及優(yōu)化

華電寧夏靈武發(fā)電公司 陰峰 北京必可測科技股份有限公司 黃俊飛

前言

大容量超超臨界火力發(fā)電機(jī)組作為當(dāng)前電網(wǎng)主力機(jī)組，具有效率高、能耗低等特點，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)作為火電主力參與寬負(fù)荷調(diào)峰運行。

由于其機(jī)組容量大、鍋爐遲滯性長、熱慣性大、煤質(zhì)多變、影響爐內(nèi)燃燒情況的因素較多，原有控制回路設(shè)計均為50%以上負(fù)荷運行，低負(fù)荷區(qū)間存在燃燒不穩(wěn)定、主要參數(shù)波動大及脫硝系統(tǒng)無法正常運行等情況，與實際寬負(fù)荷調(diào)峰需求存在較大差異，要求鍋爐在寬負(fù)荷區(qū)間內(nèi)變化迅速，這對機(jī)組控制策略提出了新的要求。

1 系統(tǒng)簡介

華電寧夏靈武發(fā)電有限公司3號機(jī)組為1000MW超超臨界空冷燃煤機(jī)組，鍋爐為東方鍋爐（集團(tuán)）股份有限公司制造的高效超超臨界參數(shù)變壓直流爐，采用單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。制粉系統(tǒng)采用正壓直吹式，設(shè)有兩臺50%容量的動葉可調(diào)軸流式一次風(fēng)機(jī)提供一次熱、冷風(fēng)輸送煤粉。采用兩臺靜葉可調(diào)吸風(fēng)機(jī)和兩臺動葉可調(diào)送風(fēng)機(jī)，配有6臺中速碗式磨。汽輪機(jī)為超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、直接空冷凝汽式，設(shè)計額定功率為1060MW。

2 寬負(fù)荷調(diào)峰分析

根據(jù)鍋爐燃燒特性，機(jī)組實現(xiàn)寬負(fù)荷調(diào)峰，存在下列難點：

低負(fù)荷穩(wěn)燃。較低負(fù)荷下鍋爐燃燒的穩(wěn)定性；動態(tài)變化時燃料量改變對火焰穩(wěn)定的干擾特性。

主再熱汽溫高效。較低負(fù)荷下主再熱汽溫的穩(wěn)定，避免低負(fù)荷段汽溫大幅變化，影響效率及安全。

環(huán)保指標(biāo)正常。維持較低負(fù)荷下鍋爐煙溫正常，滿足脫硝系統(tǒng)投入條件。

高參數(shù)大容量火電機(jī)組的寬負(fù)荷深度調(diào)峰控制實現(xiàn)，建立在鍋爐全幅度燃燒穩(wěn)定、機(jī)組參數(shù)全幅度平穩(wěn)變化、環(huán)保指標(biāo)全幅度不超標(biāo)的基礎(chǔ)上，解決好總風(fēng)量與燃料量配比——控制氧量變化、給水/燃料配比——控制低負(fù)荷干態(tài)運行及水動力安全，磨煤機(jī)的風(fēng)粉比——確保機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速率及燃燒穩(wěn)定性、一次風(fēng)與二次風(fēng)的量值及剛度比——保證入爐煤的燃燒[1]。只有在解決這些問題后，才能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組寬負(fù)荷段升負(fù)荷、降負(fù)荷、不同變化率、不同負(fù)荷段、不同變化幅度等情況下機(jī)組的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運行及深度調(diào)峰。

通過上述機(jī)理分析，為實現(xiàn)寬負(fù)荷段的快速調(diào)峰，需從鍋爐穩(wěn)燃、汽溫高效、脫硝入口煙溫合適三者入手，采用多角度復(fù)合調(diào)節(jié)手段，中高負(fù)荷段提高鍋爐響應(yīng)特性，爭取較多的電量獎勵；低負(fù)荷段減弱煤量波動，提高鍋爐輸入能量，保持較高的汽溫與脫硝煙溫，從多角度改變能量輸入。

3 控制策略介紹

針對機(jī)組特性，從下列角度著手，實現(xiàn)寬負(fù)荷深度調(diào)峰：

通過動態(tài)改變一次風(fēng)壓、送風(fēng)量、煤量、減溫水、空冷背壓等，采用多變量方式提高鍋爐響應(yīng)能力。

采用復(fù)合鍋爐——汽機(jī)協(xié)調(diào)回路，保證機(jī)組能量平衡。

優(yōu)化BTU煤質(zhì)校正回路，便于煤質(zhì)變化時進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

根據(jù)電網(wǎng)AGC考核方式，增加相應(yīng)輔助回路提高指標(biāo)。

增加深度調(diào)峰輔助回路，保證低負(fù)荷下鍋爐燃燒穩(wěn)定。

3.1 鍋爐主控系統(tǒng)

鍋爐主控創(chuàng)造性的將汽包爐常用的DEB方式結(jié)合至超超臨界鍋爐，采用DEB（直接能量平衡）與DIB（直接指令平衡）相結(jié)合的方式，其作用函數(shù)式（1）。

式（1）中，u(t)為調(diào)節(jié)器輸出，e(t)為偏差輸入，kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間,p1為調(diào)節(jié)級壓力，ps設(shè)定壓力，pt為主汽壓力，p0為分離器壓力。

鍋爐熱量信號f（p1,ps,pt,p0）與汽機(jī)能量需求信號f（p1,ps,pt）作為機(jī)爐能量平衡前饋，以保證機(jī)組負(fù)荷變化過程中能量轉(zhuǎn)換的快速收斂；閉環(huán)校正回路采用DIB方式調(diào)節(jié)，通過主汽壓力作為機(jī)爐能量平衡的定量指標(biāo)，保證二者之間能量穩(wěn)定平衡。其邏輯框圖見圖1。

圖1 鍋爐主控邏輯圖

采用動態(tài)可變微分方式。考慮鍋爐慣性與汽機(jī)調(diào)門快速性之間的時序特性，采用動態(tài)可變積分方式，抵消負(fù)荷變化初期微分過調(diào)現(xiàn)象，同時增強(qiáng)動態(tài)下鍋爐壓力收斂特性。其傳遞函數(shù)如式（2）。

式（2）中，Δ為鍋爐能量供給與汽機(jī)能量需求的時間差值，根據(jù)鍋爐特性得出；td、td1為微分時間。

其邏輯圖見圖2。

圖2 可變微分邏輯圖

3.2 多變量聯(lián)合調(diào)節(jié)

機(jī)組穩(wěn)態(tài)工況下，通過鍋爐主控快速調(diào)節(jié)入爐能量，保證能量的快速收斂。動態(tài)工況下，由于鍋爐慣性，勢必會造成負(fù)荷變化初期鍋爐能量供給無法滿足汽機(jī)需求、主汽壓力偏差暫態(tài)加大的現(xiàn)象，需要通過額外的能量補(bǔ)給，保證機(jī)爐能量平衡。

3.2.1 動態(tài)變負(fù)荷前饋

根據(jù)變負(fù)荷速率、負(fù)荷跨度及壓力變化趨勢動態(tài)確定前饋量，并根據(jù)壓力偏差該功能可提前剎車或延遲結(jié)束；當(dāng)負(fù)荷開始變化時，該前饋量迅速變化，以快速補(bǔ)償鍋爐慣性；負(fù)荷變化結(jié)束時，前饋量緩慢結(jié)束，保證鍋爐能量的穩(wěn)定。其傳遞函數(shù)見式（3）,控制邏輯圖見圖3。

式中，Q為負(fù)荷指令，f1(ΔQ)為剎車函數(shù)，f2(Pt,Ps)為壓力模糊函數(shù)。

圖3 變負(fù)荷前饋邏輯圖

由上圖可知，變負(fù)荷前饋主線為負(fù)荷變化率的二階微分，即加速度函數(shù)，這與常規(guī)的一階微分（速度函數(shù)）[2]相比，具有超前響應(yīng)強(qiáng)、收斂快速的特點,能夠有效抑制鍋爐大慣性長延遲的問題。其仿真對比曲線見圖4。

圖4 變負(fù)荷前饋仿真圖

其壓力模糊校正塊向量函數(shù)如式4：

式中，a、b、c、α、β、θ為加權(quán)值，Pt為主汽壓力，Ps為壓力設(shè)定，Yg為輸出增益，Yt為輸出慣性時間。通過壓力模糊校正塊，能夠有效實現(xiàn)動態(tài)過程中變負(fù)荷前饋對壓力的幅值、時域的自適應(yīng)調(diào)整特性。

3.2.2 多變量聯(lián)合調(diào)節(jié)

原有控制回路變負(fù)荷前饋，其作用對象僅為水、燃料[3]，通過強(qiáng)化入爐煤量、隨動調(diào)節(jié)給水實現(xiàn)鍋爐能量的超前補(bǔ)充。鍋爐制粉、燃燒、換熱環(huán)節(jié)的慣性特性，該部分能量無法快速增減，其變負(fù)荷初期的壓力偏差較大現(xiàn)象無法得到有效抑制。根據(jù)鍋爐能量輸入機(jī)理，將變負(fù)荷前饋協(xié)同作用至給水、燃料、送風(fēng)、一次風(fēng)、制粉系統(tǒng)冷熱風(fēng)、空冷、減溫水、脫硝等回路，通過能量供給、蒸汽側(cè)、燃燒側(cè)、排汽側(cè)共同作用，實現(xiàn)鍋爐能量提前輸出、燃燒速率快速改變，從而保證動態(tài)下汽機(jī)能量需求與鍋爐輸入的平衡，減少壓力偏差，提高過熱度、汽溫等參數(shù)穩(wěn)定性。其控制邏輯圖見圖5。

圖5 多變量聯(lián)合調(diào)節(jié)邏輯圖

3.3 水煤互調(diào)控制

常規(guī)超臨界過熱度控制常采用下列兩種[4]：

給水調(diào)節(jié)過熱度。通過給水流量增減調(diào)節(jié)中間點溫度，其特點為溫度調(diào)節(jié)快速準(zhǔn)確，但對主汽壓力有一定干擾性。

燃料調(diào)節(jié)過熱度。通過改變煤量調(diào)節(jié)中間點溫度，其特點為溫度調(diào)節(jié)緩慢，單對主汽壓力影響較小。

針對上述兩種調(diào)節(jié)方式特點，采用水煤互調(diào)方式。給水作為過熱度主要調(diào)節(jié)手段，保證調(diào)節(jié)快速性；煤量作為調(diào)節(jié)的輔助手段，當(dāng)過熱度偏差較小時，緩慢調(diào)節(jié)，保證熱量與水量的一致性；過熱度偏差較大時，快速動作煤量，加快調(diào)節(jié)迅速性。當(dāng)過熱度調(diào)節(jié)（給水）自動時，過熱度（煤量）調(diào)節(jié)自動投入。具體邏輯見圖6。

圖6 水煤互調(diào)邏輯圖

4 優(yōu)化過程

靈武電廠3號機(jī)組分別進(jìn)行了35～50%、50～100%AGC隨動試驗，具體試驗情況見下。

4.1 35～50%低負(fù)荷調(diào)峰AGC隨動試驗

圖7 35～50%低負(fù)荷調(diào)峰趨勢圖

表1 35--50%低負(fù)荷調(diào)峰主要參數(shù)表

由以上圖表可以看出，35～50%低負(fù)荷調(diào)峰工況下汽溫、汽壓、過熱度、氧量等主要參數(shù)變化平穩(wěn)，脫硝系統(tǒng)投入正常，實際負(fù)荷變化率＞1.5%Pe/min（15MW/min），系統(tǒng)運行正常，機(jī)組具備35～50%區(qū)間低負(fù)荷調(diào)峰AGC方式運行能力。

4.2 50～100%負(fù)荷AGC方式三角波試驗（幅度70MW）

圖8 50～100%AGC三角波趨勢圖

表2 50～100%AGC三角波主要參數(shù)一表

由以上圖表可以看出，50～100%負(fù)荷AGC方式三角波工況（7%Pe幅度）下，汽溫、汽壓、過熱度、氧量等主要參數(shù)變化平穩(wěn)，實際負(fù)荷變化率＞2%Pe/min（20MW/min），系統(tǒng)運行正常，機(jī)組具備50～100%區(qū)間復(fù)雜工況下AGC調(diào)峰能力。

4.3 50～100%負(fù)荷AGC隨動試驗

圖9 50～100%AGC隨動試驗趨勢圖

由以上圖表可以看出，50～100%AGC調(diào)峰方式下進(jìn)行下汽溫、汽壓、過熱度、氧量等主要參數(shù)變化平穩(wěn)，脫硝系統(tǒng)投入正常，實際負(fù)荷變化率＞2%Pe/min（20MW/min），系統(tǒng)運行正常，機(jī)組具備50～100%區(qū)間AGC快速調(diào)峰能力。

表3 50～100%AGC隨動波主要參數(shù)一表

5 結(jié)語

大容量超超臨界機(jī)組低負(fù)荷調(diào)峰難點在于滿足機(jī)組運行安全的前提下，既要維持鍋爐燃燒的穩(wěn)定、環(huán)保脫硝系統(tǒng)正常、控制住各個主要參數(shù)處于較高范圍，又要確保機(jī)組性能指標(biāo)滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求，實現(xiàn)穩(wěn)定與快速的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，這對新經(jīng)濟(jì)形勢下的大容量火電機(jī)組自動控制提出了新的難點。

通過對靈武電廠3號機(jī)組相關(guān)控制系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化，實現(xiàn)了機(jī)組35～100%負(fù)荷段全自動AGC方式下調(diào)峰運行，鍋爐燃燒穩(wěn)定，脫硝系統(tǒng)運行良好，各個主要參數(shù)變化平穩(wěn)高效，機(jī)組具備35～100%寬負(fù)荷調(diào)峰靈活性運行的能力，對提高電廠經(jīng)濟(jì)性、電網(wǎng)安全性及全面推廣綠色環(huán)保能源起到了積極的作用。