FCB工況下給水控制策略的改進(jìn)和優(yōu)化

王廳鋒，孫 耀，陳 鋼

（中國能源建設(shè)集團(tuán) 華東電力試驗(yàn)研究院有限公司，杭州 310000）

0 引言

印尼卡丁2 號燃煤電站工程建設(shè)2 臺10 萬千瓦燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組，廠址位于印尼東加里曼丹島邦坦市南部，距離邦坦市區(qū)約8.3km，該機(jī)組為當(dāng)?shù)刈畲笱b機(jī)容量機(jī)組之一。由于印尼電力基礎(chǔ)建設(shè)落后，且受國家地理性質(zhì)限制，發(fā)電裝機(jī)容量小，穩(wěn)定性較差，因而FCB 功能成為機(jī)組能否商運(yùn)的必要條件之一。

快速甩負(fù)荷（FCB）是當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，機(jī)組脫網(wǎng)后快速切除負(fù)荷，維持發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)或帶廠用電（小島工況），保障機(jī)組不停機(jī)不停爐或發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)停機(jī)不停爐。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，在保障機(jī)組設(shè)備安全的前提下，減少鍋爐MFT 次數(shù)，避免不必要的能量損失，當(dāng)故障解除時(shí)機(jī)組快速上網(wǎng)運(yùn)行，維持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。

汽包水位的穩(wěn)定控制是實(shí)現(xiàn)汽包爐FCB 工況的一個(gè)必要條件，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)汽包爐FCB 的一個(gè)控制難點(diǎn)。由于FCB 工況下，機(jī)組各個(gè)系統(tǒng)大幅度的動(dòng)作及機(jī)組參數(shù)大幅度變化，汽包水位存在嚴(yán)重的“虛假水位”現(xiàn)象，采用傳統(tǒng)三沖量水位控制極易造成汽包水位低觸發(fā)MFT 保護(hù)，導(dǎo)致FCB 失敗，停機(jī)停爐。

1 問題分析

圖1 傳統(tǒng)三沖量給水控制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of traditional three impulse water supply control

汽包水位控制處于三沖量控制時(shí)，主蒸汽流量作為水位控制的前饋，給水流量作為內(nèi)擾因素，共同完成汽包水位的控制[1]，結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

在機(jī)組FCB 工況過程中，汽輪機(jī)側(cè)提前觸發(fā)OPC 功能快關(guān)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥，快開高低旁路，開鍋爐側(cè)電磁泄壓閥，汽機(jī)側(cè)主蒸汽壓力急劇上升后急劇下降，同時(shí)主蒸汽流量急劇下降導(dǎo)致汽包水位快速上升出現(xiàn)虛假水位。當(dāng)汽包水位處于常規(guī)三沖量控制時(shí)，給水主控將會快速減少供水量，造成水位短暫上升后急劇回落至危險(xiǎn)水位。

2 常見處理方案

2.1 水位控制策略一

中國70 年代以來從國外引進(jìn)了一批先進(jìn)機(jī)型，F(xiàn)CB 功能也是此時(shí)開始傳入中國。其中華能大連電廠350MW 單元機(jī)組便在當(dāng)時(shí)引進(jìn)機(jī)型中的一臺，并于1989 年4 月通過了100%負(fù)荷甩至5%負(fù)荷的試驗(yàn)。FCB 過程中，汽包水位在-300mm 以下維持長達(dá)9min[1]，給水控制在試驗(yàn)開始階段主要由運(yùn)行人員手動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)效果受運(yùn)行人員水平限制。

2.2 水位控制策略二

印尼INDRAMAYU 電廠330MW 單元機(jī)組于2011 年1月進(jìn)行了50%甩負(fù)荷轉(zhuǎn)小島和100%甩負(fù)荷轉(zhuǎn)小島試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中解除汽包水位保護(hù)[2]。解除水位保護(hù)的控制策略并不可取，無法在突發(fā)工況下實(shí)現(xiàn)FCB 功能。

2.3 水位控制策略三

圖2 三沖量水位控制改進(jìn)后前饋結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Feedforward structure of improved three impulse water level control

老撾HongSa 電廠626MW 汽包爐單元機(jī)組在FCB 過程中，汽包水位控制維持三沖量控制，蒸汽流量前饋采用汽輪機(jī)高壓缸進(jìn)汽流量、高旁流量和電磁泄壓閥排放量之和代替，其中旁路流量根據(jù)蒸汽焓及閥門特性計(jì)算，PCV 排放量根據(jù)閥門特性、閥前蒸汽壓力及比容計(jì)算。FCB 過程中，汽包水位最低-198mm，最高122mm，全程無運(yùn)行人員干涉[3]。但前饋邏輯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算過程繁瑣，且受閥門特性影響較大，抗干擾能力低，無法長久保障機(jī)組安全。

3 改進(jìn)和優(yōu)化后的方案

3.1 理論結(jié)構(gòu)

針對傳統(tǒng)三沖量水位控制弊端，對給水主控蒸汽流量前饋進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，在FCB 工況過程中通過一個(gè)切換模塊將蒸汽流量切換至鍋爐設(shè)計(jì)總?cè)剂狭康恼鬯阏羝髁浚ǜ鶕?jù)實(shí)際運(yùn)行情況可手動(dòng)修正偏差），通過速率限制模塊區(qū)分50%FCB 工況和100%FCB 工況下的速率限制，限制上限按照最大噸標(biāo)煤產(chǎn)汽量，結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，此時(shí)系統(tǒng)可模糊判斷FCB 工況下的蒸汽流量，減少虛假水位的影響，維持給水系統(tǒng)的穩(wěn)定，優(yōu)化后三沖量水位控制圖如圖3 所示。

3.2 理論基礎(chǔ)

上述鍋爐設(shè)計(jì)總?cè)剂狭康恼鬯阏羝髁刻娲鷮?shí)際蒸汽流量依據(jù)熱力學(xué)第一定律。煤粉在鍋爐中燃燒加熱鍋爐汽包中的水，產(chǎn)生具有一定溫度和壓強(qiáng)的蒸汽，能量轉(zhuǎn)換公式為[4]

式（1）中，△U 為內(nèi)能的改變量，增加取正值，減小取負(fù)值；Q 為熱量，吸熱取正值，放熱取負(fù)值；W 為功率，外界對系統(tǒng)做功取正值，系統(tǒng)對外界做功減小取負(fù)值。

圖3 三沖量水位控制改進(jìn)后結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of improved three impulse water level control

鍋爐燃燒過程復(fù)雜，做功情況極難計(jì)算，在計(jì)算噸煤產(chǎn)汽量的過程中引入鍋爐熱效率η，公式簡化為

式（2）中，△U 為水轉(zhuǎn)化為蒸汽吸收的總內(nèi)能，Q 為煤的總發(fā)熱量，η 為熱效率，噸煤產(chǎn)汽量表達(dá)式為

在不同的壓力溫度下，飽和水蒸氣熱力性質(zhì)不同，不同工況下產(chǎn)生一噸飽和蒸汽需要的熱量也不相同，具體計(jì)算可依據(jù)飽和水蒸氣焓值表。

例如：13MPa 飽和蒸汽焓值約為2661.8kJ/kg，常溫常壓水的焓值約84kJ/kg，鍋爐設(shè)計(jì)煤種為煙煤20930kJ/kg，鍋爐熱效率80%，帶入上述公式，可得

在鍋爐不同負(fù)荷下，對噸煤產(chǎn)汽量進(jìn)行計(jì)算，修正煤-蒸汽流量折算函數(shù)，可有效提高函數(shù)的準(zhǔn)確性，在機(jī)組FCB 工況時(shí)，減少虛假水位對鍋爐汽水系統(tǒng)的影響，維持FCB 過程中汽包水位的可控性。

3.3 實(shí)際應(yīng)用情況

圖5 100%FCB機(jī)組相關(guān)參數(shù)Fig.5 Related parameters of 100% FCB unit

2020 年1 月印尼卡丁2 項(xiàng)目二號機(jī)組進(jìn)行了50%FCB，操作員在 LDC 畫面上將FCB 功能按鈕投入，試驗(yàn)總指揮下試驗(yàn)開始指令后，手動(dòng)分150kV 并網(wǎng)開關(guān)，LCD 畫面顯示FCB 觸發(fā)，機(jī)組負(fù)荷由65MW 瞬間降至1MW，發(fā)電機(jī)帶廠用電運(yùn)行，給水前饋?zhàn)詣?dòng)切換至燃料折算蒸汽量214t/h 減至165t/h，汽包水位最高值40mm，最低值-87mm，F(xiàn)CB發(fā)生后6min 水位趨于穩(wěn)定，具體參數(shù)如圖4 所示。

同月二號機(jī)進(jìn)行了100%FCB，機(jī)組負(fù)荷110MW 降至0MW，發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行，給水前饋?zhàn)詣?dòng)切換至燃料折算蒸汽量345t/h 減至140t/h，汽包水位最低值-82mm，F(xiàn)CB 發(fā)生后7min 水位回升后，給水切旁路控制，具體參數(shù)如圖5所示。

4 對比其他策略的優(yōu)點(diǎn)

改進(jìn)和優(yōu)化后的三沖量水位控制邏輯具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）邏輯結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)。

2）由于不受高旁、PCV 或排放閥的影響，在不同類型的機(jī)組中適用性強(qiáng)。

3）減少保護(hù)投退操作，避免了邏輯誤動(dòng)和人員誤操作。

5 結(jié)語

改進(jìn)和優(yōu)化后的三沖量水位控制邏輯在實(shí)際應(yīng)用中，有效減少虛假水位對水位控制的影響，大大提高了給水自動(dòng)的可靠性，對FCB 工況的實(shí)現(xiàn)做出了巨大貢獻(xiàn)，保障了機(jī)組安全、可靠運(yùn)行。