超超臨界機組RB控制策略優(yōu)化研究與試驗分析

李 魯，岳 良，耿學(xué)軍，張 威

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，武漢 430077；2.黃岡大別山發(fā)電有限責(zé)任公司，湖北 黃岡 438300；3.湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，武漢 430077）

0 引言

圖1 RB控制策略簡圖Fig.1 Simplified diagram of RB control strategy

火力發(fā)電廠RB（RUNBACK，輔機故障減負荷）功能是指重要輔機或設(shè)備發(fā)生故障后，能夠自動快速地減至目標負荷，并控制主要參數(shù)在允許范圍內(nèi)，從而使機組能夠繼續(xù)保持安全運行的功能[1-3]。隨著電網(wǎng)大容量參數(shù)火力發(fā)電機組的日益增多，保障大容量、高參數(shù)發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行具有極其重要的意義[4-6]。輔機故障減負荷作為超超臨界參數(shù)火電機組最重要的控制及保護功能之一，不僅能避免發(fā)電機組非正常停機和損壞設(shè)備的情況發(fā)生，又能避免電網(wǎng)遭受機組停運產(chǎn)生的負荷沖擊影響。因此，為了電網(wǎng)和設(shè)備的安全考慮，有必要對優(yōu)化和完善超超臨界機組RB控制策略展開研究和探討。

本文在大別山電廠二期擴建工程某660MW超超臨界機組的RB初始控制策略的基礎(chǔ)上，提出了優(yōu)化方案并通過動態(tài)試驗驗證了方案的合理性。該機組鍋爐為東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、超超臨界壓力燃煤直流鍋爐，設(shè)置6臺中速磨煤機，采用正壓直吹式冷一次風(fēng)機制粉系統(tǒng)，六大風(fēng)機均為動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機。汽輪機為北重阿爾斯通（北京）電氣裝備有限公司生產(chǎn)的超超臨界、一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、9級回?zé)?、濕冷、凝汽式汽輪機，給水系統(tǒng)為單元制并配置一臺100%容量的汽動給水泵。因此，該機組取消給水泵RB功能，只設(shè)計磨煤機、送/引風(fēng)機和一次風(fēng)機RB功能。

1 RB控制策略概述

RB動作的判斷通過RB公共邏輯實現(xiàn)，動作過程則主要依靠FSSS系統(tǒng)和MCS系統(tǒng)來完成[7,8]。圖1所示為RB控制策略簡圖，RB公共邏輯主要完成機組RB工況判斷、RB投退和復(fù)位功能。當(dāng)投入該功能且觸發(fā)條件滿足時，自動判斷RB工況并生成動作信號，此時FSSS系統(tǒng)主要完成自動停磨和投油等控制功能，MCS系統(tǒng)主要完成控制負荷降至目標負荷的功能，并在此過程中保持主汽溫、再熱汽溫和爐膛壓力等重要參數(shù)的穩(wěn)定，防止參數(shù)劇烈波動。動作結(jié)束的條件為：負荷指令與RB目標負荷偏差小于20MW，此時系統(tǒng)將自動復(fù)位；或者運行人員在判斷負荷、主汽溫度和主汽壓力穩(wěn)定后，可以選擇手動復(fù)位。

1.1 RB觸發(fā)策略

RB投入的條件為CCS投入，當(dāng)CCS退出時自動切除RB功能，只有當(dāng)投入RB總投切開關(guān)和相應(yīng)RB功能投切開關(guān)時，才會觸發(fā)對應(yīng)的動作指令。磨煤機RB觸發(fā)條件為：運行中的磨煤機故障跳閘后，當(dāng)前負荷指令與磨煤機跳閘后的煤層投運數(shù)量對應(yīng)的負荷（設(shè)計為每一層煤投運對應(yīng)130MW負荷）偏差超過30MW；送風(fēng)機、引風(fēng)機和一次風(fēng)機RB的觸發(fā)條件為：雙側(cè)運行的任一風(fēng)機故障跳閘后，且當(dāng)前負荷指令大于此風(fēng)機RB目標負荷50MW。若同時發(fā)生兩種及以上RB，其對應(yīng)的目標負荷值取最小值作為新的目標負荷，降負荷速率取最大值送至MCS系統(tǒng)。

1.2 RB動作策略

RB動作信號生成后，通過FSSS和MCS系統(tǒng)完成一系列聯(lián)鎖保護和自動調(diào)節(jié)操作。磨煤機RB動作指令有以下幾條：

1）順控投入C層等離子和A層微油燃燒器，屏蔽油點火允許中爐膛壓力限制條件。

2）投入油燃燒器后，短時間內(nèi)燃油母管壓力會突降。為避免觸發(fā)OFT動作，將OFT中“燃油母管壓力低低”條件延時，由10s切換為30s。

3）投入油燃燒器和等離子燃燒器操作大部分在啟動點火初期進行，所以當(dāng)投入失敗后需立即關(guān)閉磨煤機出口風(fēng)粉排出閥，以切斷進入爐膛的燃料。為防止投入油燃燒器或等離子失敗后動作出口風(fēng)粉排出閥導(dǎo)致相應(yīng)的磨煤機停機，在RB發(fā)生后，自動屏蔽磨煤機出口風(fēng)粉排出閥的該保護條件。

4）隨著燃料量的變化汽溫會迅速下降，為使主再熱汽溫及時回調(diào)，在20s內(nèi)超馳關(guān)閉一級減溫水調(diào)閥、二級減溫水調(diào)閥和再熱減溫水調(diào)閥。

5）機組由CCS方式切至TF方式，維持滑壓運行模式，DEH保持遙控模式。通過調(diào)節(jié)調(diào)門開度控制主汽壓力，主汽壓力設(shè)定值變化速率由0.2 MPa/min切為1 MPa/min，隨滑壓曲線降至目標負荷對應(yīng)的主汽壓力。

6）燃料主控、給水主控等回路保持自動，燃料量和給水量設(shè)定值根據(jù)鍋爐負荷指令函數(shù)生成，此時鍋爐負荷指令以13MW/s的速率降至目標負荷。

7）為防止轉(zhuǎn)TF方式時，因主汽壓力的變化使汽機調(diào)門動作導(dǎo)致負荷反調(diào)，設(shè)置汽機主控指令在25s內(nèi)禁增。

8）系統(tǒng)判斷有瞬間切磨時，每切一臺磨一次風(fēng)機動葉超馳減少4%，以減小因跳磨引起的一次風(fēng)壓波動。

9）取消負荷指令速率限制。

10）取消風(fēng)煤交叉、水煤交叉限制允許。

圖2 A磨跳閘觸發(fā)RB邏輯Fig.2 Trigger RB logic of A mill trip

送/引風(fēng)機RB后，除了上述的動作指令外，若有4臺或4臺以上磨煤機運行，則以6s的間隔依次停F磨、E磨、D磨，直至保留3臺磨煤機運行，4臺以下磨煤機運行時不發(fā)出停磨指令。

除磨煤機和送/引風(fēng)機RB發(fā)生后的動作外，一次風(fēng)機RB時需要更加快速的停磨操作來維持一次風(fēng)壓平衡，將停磨間隔時間由6s切換為3s，而此時由于停磨間隔加快，鍋爐負荷指令降速率需要在之前基礎(chǔ)上稍微加快，以16MW/s速率降至目標負荷。同時，為避免一次風(fēng)壓低觸發(fā)磨煤機保護動作，磨煤機一次風(fēng)壓低保護延時由15s切換至120s。

2 RB控制策略優(yōu)化

2.1 優(yōu)化思路

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)程DL/T1213-2013《火力發(fā)電機組輔機故障減負荷技術(shù)規(guī)程》要求，評判RB動作是否成功應(yīng)同時滿足以下條件：一是不引起機組跳閘，二是主要參數(shù)在安全范圍內(nèi)。所以優(yōu)化控制策略的目標就是針對以上兩點，提高機組RB動作的可靠性和安全性以及盡量減小動作過程中主要參數(shù)的變化幅度。

在機組實際運行過程中，RB與重要的主保護功能一樣時刻保護著機組的安全穩(wěn)定運行，與熱工保護一樣，其功能的完善、正確和可靠是機組穩(wěn)定運行的必要條件。因此，優(yōu)化控制策略的思路需要考慮設(shè)計完善的防止誤動和拒動以及保護條件的冗余性的控制措施。

主汽溫、再熱汽溫、一次風(fēng)壓和爐膛壓力等參數(shù)會在RB工況下發(fā)生劇烈的波動變化，嚴重威脅了設(shè)備的安全。因此，在降低這些參數(shù)變化幅度方面也應(yīng)采取一定的優(yōu)化措施。

2.2 磨煤機RB觸發(fā)邏輯優(yōu)化

機組正常運行時所有磨煤機并非全部運行，而且會經(jīng)常進行啟、停磨煤機的操作。因此，不能以類似于風(fēng)機取運行信號消失來作為RB的觸發(fā)條件。以A磨為例，優(yōu)化后的判斷條件如圖2所示，判斷條件有：A磨煤機運行信號消失、A給煤機已運行180s、機組負荷大于330MW和A給煤機瞬時煤量大于24t/h，只有滿足上述條件后，才會觸發(fā)磨煤機RB動作。

2.3 至FSSS邏輯優(yōu)化

根據(jù)《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》第9.4.3條中的要求：所有重要主、輔機的保護都應(yīng)采取“三取二”的判斷方式，所以為滿足上述要求，自動停磨邏輯判斷不能只采用一個RB信號。優(yōu)化后的邏輯實現(xiàn)方案為：將送往FSSS的信號增加3個DO以硬接線方式送往FSSS柜，RB通訊到FSSS的信號與硬接線信號“三取二”后作為停磨的判斷條件。

自動投油邏輯原設(shè)計為僅投入A層微油，若此時A磨沒有運行，則無法投入A層微油，易使得機組穩(wěn)燃負荷不夠?qū)е洛仩tMFT。優(yōu)化后的邏輯為：順序投入A、B、C、D、E、F層油燃燒器（并判斷投運煤層），任一層油燃燒器投運后順控復(fù)位。如圖3所示，RB自動投油信號為一個8s脈沖信號，首先以A至F的順序判斷投運煤層直至確認最近的投運煤層，然后自動投入該煤層的油燃燒器，檢測到有投運煤層后延時10s判斷下一個煤層的投運狀態(tài)，然而此時自動投油信號8s脈沖已過，因此該邏輯確保了RB后只會有一層油燃燒器投運。

2.4 針對汽輪機保護特點的優(yōu)化

RB動作后存在停磨的過程，燃料量瞬間下降的同時汽溫也會迅速下降，所以常規(guī)超超臨界機組主汽壓力變化速率一般設(shè)置較快以滿足快速穩(wěn)定汽溫的需要。與常規(guī)機組不同，北重阿爾斯通汽輪機設(shè)置了高壓缸和中壓缸熱應(yīng)力保護，過快的蒸汽溫度變化有可能會觸發(fā)保護動作從而導(dǎo)致汽輪機跳閘的嚴重后果，為保證汽輪機安全穩(wěn)定運行，將控制策略做如下優(yōu)化：

圖3 RB投油邏輯Fig.3 RB put in oil logic

1）放慢主汽壓力下降速率，由原先設(shè)計的1MPa/min優(yōu)化設(shè)置為0.9MPa/min。

2）為防止再熱汽溫進一步降低，60s內(nèi)置過熱煙氣擋板30%開度并全開再熱煙氣擋板。

3）燃料指令是隨著鍋爐負荷指令函數(shù)生成的，在燃料量瞬間下降的同時，燃料指令是緩慢下降的，此時燃料主控輸出增加的同時燃料量繼續(xù)增加，所以RB后需要燃料主控輸出保持不變一段時間再進行調(diào)節(jié)。因此，增加了RB后燃料主控指令30s內(nèi)維持不變的控制策略。

4）RB發(fā)生后，適當(dāng)加快給水調(diào)節(jié)速度，將給水指令變化速率由1.1t/s切換為10t/s，三階慣性時間由30s切換為24s，PID積分時間由70s切換為60s；屏蔽小機轉(zhuǎn)速指令與反饋偏差過大解除小機遙控的條件；同時，加大給水指令與反饋偏差閉鎖間的定值，由-100t/h切至-600t/h。

2.5 爐膛壓力控制優(yōu)化

燃料量、給水量和一次風(fēng)壓急劇變化的惡劣工況會引起爐膛壓力短時間內(nèi)急劇波動，嚴重威脅了機組的安全。為了控制爐膛壓力的穩(wěn)定，采取了以下控制措施：

1）單側(cè)引風(fēng)機停止后，為避免另一側(cè)引風(fēng)機動葉瞬間增加導(dǎo)致爐膛壓力劇烈波動，引風(fēng)機動葉開度閉鎖增加了RB信號觸發(fā)20s之內(nèi)和引風(fēng)機電流大于617A（額定電流值）兩個條件，并設(shè)置引風(fēng)機動葉開度上限為80%。

2）每當(dāng)有一臺運行的磨煤機停止后，立即減小引風(fēng)機動葉指令5%。

3）一次風(fēng)機RB后引風(fēng)機動葉指令減小5%。

4）送風(fēng)機的出力變化也會影響爐膛壓力的變化，并且為了在負荷指令變化后確保先減燃料再減風(fēng)，適當(dāng)增加風(fēng)量指令遲延，RB后將風(fēng)量指令濾波時間由15s增至20s，達到減緩風(fēng)量調(diào)節(jié)和減慢送風(fēng)機出力變化的作用。

3 RB試驗

將以上優(yōu)化后的控制策略進行工程實踐，結(jié)合單臺輔機最大出力試驗結(jié)果，合理設(shè)置了不同RB的負荷目標值，并進行了以下幾個工況的動態(tài)試驗，表1所示為RB試驗設(shè)定參數(shù)。

3.1 兩臺磨煤機RB試驗

試驗前機組負荷602.1MW，主汽壓力26.1Mpa，CCS控制方式投入，爐膛壓力自動投入，爐膛風(fēng)量自動投入，主汽溫自動投入，再熱汽溫自動投入，A、B、C、D、F 5臺磨煤機運行。運行人員就地間隔6s先后打閘F、D磨煤機，觸發(fā)磨煤機RB。待機組負荷降至410MW，RB自動復(fù)位，機組維持TF控制。如圖4所示，期間主汽溫下降32.2℃、再熱汽溫下降44.8℃后緩慢回升，爐膛壓力最多降至-647.6Pa，其他主要參數(shù)平穩(wěn)過渡，試驗數(shù)據(jù)見表2。

圖4 兩臺磨煤機RB試驗曲線Fig.4 Two mills RB test curve

圖5 引風(fēng)機RB試驗曲線Fig.5 IDF RB test curve

表1 RB試驗設(shè)定參數(shù)表Table 1 Setting parameter table for RB test

表2 兩臺磨煤機RB試驗數(shù)據(jù)記錄Table 2 Two mills RB test data record

3.2 送/引風(fēng)機RB試驗

送風(fēng)機和引風(fēng)機保護跳閘邏輯均有雙側(cè)送風(fēng)機和引風(fēng)機運行工況下，任一送/引風(fēng)機跳閘后聯(lián)跳同側(cè)引/送風(fēng)機這一條件，任一風(fēng)機停運后都會變?yōu)閱蝹?cè)送、引風(fēng)機運行工況。因此，兩者實質(zhì)上為一個RB功能，試驗時只需驗證任意一個即可。

試驗前機組負荷600.3MW，主汽壓力25.7Mpa，CCS控制方式投入，爐膛壓力自動投入，爐膛風(fēng)量自動投入，主汽溫自動投入，再熱汽溫自動投入，A、B、C、D、F 5臺磨煤機運行。運行人員就地打閘引風(fēng)機A，觸發(fā)引風(fēng)機RB，送風(fēng)機A聯(lián)跳動作正確，F(xiàn)、D磨煤機聯(lián)跳動作正確。

表3 引風(fēng)機RB試驗數(shù)據(jù)記錄Table 3 IDF RB test data record

表4 一次風(fēng)機RB試驗數(shù)據(jù)記錄Table 4 PAF RB test data record

圖6 一次風(fēng)機RB試驗曲線Fig.6 PAF RB test curve

機組負荷最低降至381.5MW后緩慢上升，上升至408.9MW后手動復(fù)位RB，機組維持TF控制。如圖5所示，期間主汽溫下降15.9℃、再熱汽溫下降45.7℃后緩慢回升，爐膛壓力最多降至-411.1Pa，其他主要參數(shù)平穩(wěn)過渡，試驗數(shù)據(jù)見表3。

3.3 一次風(fēng)機RB試驗

試驗前機組負荷610.5MW，主汽壓力25.6Mpa，CCS控制方式投入，爐膛壓力自動投入，爐膛風(fēng)量自動投入，主汽溫自動投入，再熱汽溫自動投入，A、B、C、D、F 5臺磨煤機運行，一次風(fēng)機動葉開度上限設(shè)置為85%，設(shè)置一次風(fēng)機電流大于216A時一次風(fēng)機動葉指令閉鎖。試驗時運行人員就地打閘一次風(fēng)機A，觸發(fā)一次風(fēng)機RB，F(xiàn)、D磨煤機聯(lián)跳動作正確。待機組負荷降至330MW，RB自動復(fù)位，機組維持TF控制。如圖6所示，期間主蒸汽汽溫下降32.4℃、再熱汽溫下降45.1℃后緩慢回升，爐膛壓力最多降至-1486.4Pa，一次風(fēng)壓最多降至4.76kPa，其他主要參數(shù)平穩(wěn)過渡，試驗數(shù)據(jù)見表4。

通過對RB控制策略的一系列優(yōu)化，在動態(tài)試驗過程中運行人員無手動干預(yù)，實現(xiàn)了全程自動控制，且所有試驗項目均一次成功，主要參數(shù)均控制在合理波動范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

經(jīng)過對大別山電廠二期擴建工程超超臨界機組實際情況的詳細分析，并經(jīng)實際應(yīng)用可知，采取適當(dāng)降低壓降速率，提高給水控制速率，關(guān)閉煙氣擋板等一系列措施可以避免發(fā)生RB后汽溫下降過快的問題，爐膛壓力控制回路增加前饋控制和閉鎖條件可以避免爐膛壓力大幅度波動；同時，分析和提出了防止RB誤動和拒動的措施，使動作更加安全可靠，保證了機組的安全穩(wěn)定運行。

綜上所述，優(yōu)化后的控制策略合理，有效提升了機組的自動化水平，提高了機組運行的可靠性，可以為同類型機組設(shè)計和優(yōu)化RB控制策略提供一定的參考和借鑒。