國華太電600MW超臨界機(jī)組的協(xié)調(diào)控制方案及優(yōu)化改進(jìn)

1、國華太電600MW超臨界機(jī)組的協(xié)調(diào)控制方案及優(yōu)化改進(jìn)曹鵬， 賈仁， 任仲海（ 國華太倉發(fā)電有限公司，江蘇 215433）摘 要：本文簡要分析了超臨界機(jī)組的技術(shù)特點，并重點介紹了國華太電600MWg臨界機(jī)組 協(xié)調(diào)控制方案關(guān)鍵詞：超臨界機(jī)組；協(xié)調(diào)控制；燃燒控制；給水控制國華太倉發(fā)電有限公司2X 600M機(jī)組是目前國內(nèi)首臺自行設(shè)計的超臨界機(jī)組，分別于 2005 年11月和2006年1月順利通過168小時滿負(fù)荷試運行，并成為國內(nèi)首次實現(xiàn)的發(fā)電、脫硫、脫硝同 步投產(chǎn)的火電機(jī)組。1 設(shè)備概況：鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的超臨界參數(shù)變壓直流爐， 單爐膛、 四角切向燃燒、 一次再熱、 平衡 通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣

2、、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)n型鍋爐。給水系統(tǒng)配置2臺50%B-MC調(diào)速汽動給水泵和1臺30%B-MC容量的電動調(diào)速給水泵。 汽機(jī)采用上海汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)美國西屋公司技術(shù)制造的超臨界、 一次中間再熱、 三缸四 排汽、單軸、凝汽式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)高低壓旁路系統(tǒng)采用 35%容量的二級串聯(lián)高、低壓旁路系統(tǒng)。DC系統(tǒng)采用美國Foxboro公司的I/A Series系統(tǒng)，覆蓋了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS、模擬量控 制系統(tǒng)（MCS）、爐膛安全監(jiān)測系統(tǒng)（FSSS）、順序控制系統(tǒng)（SCS）、電氣控制系統(tǒng)（ECS）、汽輪機(jī)數(shù)字 電液控制系統(tǒng)（DEH）和給水泵汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)（MEH等；脫硫控制系統(tǒng)也采用I/A系統(tǒng)實現(xiàn)。2

3、 超臨界機(jī)組的技術(shù)特點：21 參數(shù)特性：超臨界機(jī)組與亞臨界超臨界機(jī)組在自動控制方面有所不同， 其實質(zhì)是直流鍋爐與汽包鍋爐之 間的差別。超臨界機(jī)組是指過熱器出口主蒸汽壓力超過22.129M pa,理論上認(rèn)為，在水的狀態(tài)參數(shù)達(dá)到臨界點時（壓力22.129Mpa溫度374E），水的汽化會在一瞬間完成，即在臨界點時飽和 水和飽和蒸汽之間不再有汽、水共存的二相區(qū)存在，也就是說二者的各項參數(shù)不再有區(qū)別。由于 在臨界參數(shù)下汽水密度相等，因此在超臨界壓力下無法維持自然循環(huán)，因此超臨界鍋爐必須是直 流鍋爐。22運行原理:直流爐與汽包爐在運行原理及特性上有較大差別： 在汽包鍋爐中給水流量的變化， 僅影響汽包水位，

4、 而在燃料量變化時又僅僅改變蒸汽壓力和 流量，因此鍋爐給水量、燃料量、汽溫控制等都是相對獨立的，亦即：給水T水位；燃料-產(chǎn)汽 量及汽壓；噴水f汽溫。在直流鍋爐中， 由于沒有汽包， 蒸發(fā)與過熱受熱面之間沒有固定的分界線， 當(dāng)給水量或燃料 量變化時都會引起蒸發(fā)量、汽溫和汽壓的同步變化，相互有牽制，關(guān)系密切。隨著超臨界機(jī)組蒸 汽壓力的升高，直流鍋爐中間點汽溫（通常取啟動分離器出口汽溫）和過熱器出口汽溫控制點的 溫度變動慣性增加（亦即比熱增加），時間常數(shù)和延遲時間相應(yīng)增大，在燃料或給水量擾動時，超臨界或超臨界鍋爐的蒸汽溫度變化具有更大慣性。所以超臨界機(jī)組的鍋爐汽輪機(jī)的關(guān)系，基本可以看成是三輸入三輸出的

5、多變量控制系統(tǒng)。 燃料、給水、汽輪機(jī)調(diào)門三控制量中任一項變化，都會對被控量機(jī)組負(fù)荷、主汽壓力、中間點溫 度的變化產(chǎn)生影響， 使得超臨界機(jī)組的鍋爐汽輪機(jī)的關(guān)系變得較復(fù)雜， 大大增大了控制的難度。另外，超臨界機(jī)組起動和低負(fù)荷運行期間， 必須投入啟動旁路系統(tǒng)， 這也增加了鍋爐啟動系 統(tǒng)對控制的要求。3協(xié)調(diào)控制方案簡介： 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的任務(wù)是在保證機(jī)組安全的前提下盡快響應(yīng)調(diào)度的負(fù)荷變化要求， 并使機(jī)組經(jīng) 濟(jì)和穩(wěn)定地運行。31 單元主控系統(tǒng)：機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計下列幾種控制模式：(1) 基本方式 (MANUAL MOD；E)汽機(jī)跟隨方式(TF MODE)汽機(jī)控制壓力、鍋爐控制功率；(3) 鍋爐跟隨方式

6、(BF MODE) 鍋爐控制壓力、汽機(jī)控制功率；(4) 汽機(jī)跟隨協(xié)調(diào)控制方式 (CCTF MODE；)(5) 鍋爐跟隨協(xié)調(diào)控制方式 (CCBF MODE；)相對汽包鍋爐，直流鍋爐的蓄熱能力相對較小 ,并且制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)直吹式制粉系 統(tǒng)，燃燒過程對壓力、溫度影響較慢，機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)特性較差。燃煤機(jī)組的負(fù)荷變化性能主要取決于負(fù)荷對汽機(jī)調(diào)門和鍋爐燃燒率的響應(yīng)特性，同時考慮主 蒸汽壓力變化。直流機(jī)組中，壓力控制不僅影響機(jī)組的負(fù)荷，還影響到鍋爐的溫度。因此無論協(xié) 調(diào)控制系統(tǒng)采用機(jī)跟爐為基礎(chǔ)還是采用爐跟機(jī)為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)方式，均應(yīng)考慮汽機(jī)調(diào)門變化和鍋爐 燃燒變化對壓力的動態(tài)響應(yīng)，協(xié)調(diào)鍋爐與汽機(jī)的控制。

7、考慮到機(jī)組最快響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的要求， 盡管直流爐蓄熱能力很小， 仍需適度利用以提高變負(fù) 荷初期的負(fù)荷響應(yīng)速度。目前國華太電協(xié)調(diào)控制方案實際采用的是在 CCBF協(xié)調(diào)方式的回路基礎(chǔ)上做了一部分改進(jìn)，為 了防止主蒸汽壓力變化過大 ,增加部分壓力、 中間點溫度閉鎖汽機(jī)調(diào)門功能回路， 避免了變負(fù)荷過 程中調(diào)門返調(diào)的現(xiàn)象 , 兼顧機(jī)組的安全穩(wěn)定運行與參與電網(wǎng)的調(diào)峰的需要。32 機(jī)組負(fù)荷管理器：321 負(fù)荷指令設(shè)定器：負(fù)荷指令信號(目標(biāo)功率)由運行人員在LMCC空制臺上手動生成，如果運行人員選擇了自動 發(fā)電控制(AGC)方式，負(fù)荷指令信號將由AGC調(diào)度中心發(fā)出。如果從目標(biāo)功率指令來的 AGCw號故障或超差，邏

8、輯回路將系統(tǒng)運行模式從 AGC空制切換至 手動(本機(jī))控制。目標(biāo)功率指令信號，無論是由運行人員手動設(shè)置或是來自于 AGC勺自動信號，都由運行人員設(shè) 定的最大功率和最小功率限制值限幅，生成本機(jī)指令，然后經(jīng)過運行人員設(shè)定的負(fù)荷升降速率限 制，生成實發(fā)負(fù)荷指令。若運行人員選擇投入一次調(diào)頻功能，實發(fā)負(fù)荷指令將經(jīng)過汽機(jī)頻差信號加以校正偏置，成為 汽機(jī)和鍋爐的實際負(fù)荷指令。AGC目標(biāo)負(fù)荷給定AGC負(fù)荷指令上限設(shè)定值A(chǔ) 一負(fù)荷指令下限設(shè)定值£A=-負(fù)荷設(shè)定值-予荷閉鎖增1 I負(fù)荷閉鎖減I負(fù)荷升降速率設(shè)定值:AG= 投>rAOUT+/-手/自動切換A/M上限幅A下限幅本機(jī)指令I(lǐng)負(fù)荷閉鎖增、迫降

9、L _廠負(fù)荷閉鎖減、迫升=千-ITI速率限制器 斗 速率A ） 上限幅豐 5 下限幅 跟蹤一次調(diào)頻投入頻差信號一次調(diào)頻特性曲線出 F (X)快速減負(fù)荷、迫升、迫降時，速率跟蹤方式實際負(fù)荷指令3. 2. 2負(fù)荷指令限制管理:）對機(jī)組運行的影響。主要考慮主要被調(diào)變量（中間點溫度、給水量、燃料量、送風(fēng)量當(dāng)主要被調(diào)變量與其設(shè)定值之間的偏差過大，上述變量最大偏差值，包括增減兩個方向，與控制設(shè)定進(jìn)行比較，由協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)動態(tài)地計算增和減方向的閉鎖，以及實現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷的迫降和 迫升。負(fù)荷迫升（RU、迫降（RD功能是在上述主要被調(diào)變量出現(xiàn)嚴(yán)重不平衡的運行工況時，機(jī) 組負(fù)荷快速增加或減少，使機(jī)組恢復(fù)平衡對負(fù)荷按一定

10、的速率進(jìn)行迫升或迫降。閉鎖增（BLOCKN）、閉鎖減（BLOCIDEC是在迫升、迫降功能不動作的前提下，為了防止 以上某個因素出力不足時限制機(jī)組負(fù)荷指令的變化，以保持機(jī)組運行工況的穩(wěn)定。迫升、迫降、閉鎖增、閉鎖減邏輯均在協(xié)調(diào)控制方式下才可產(chǎn)生。3. 2. 3定/滑壓控制器:/定壓運行方式之間互相切換，協(xié)調(diào)控制方式下定/滑壓控制器基本設(shè)定為：非協(xié)調(diào)控制時機(jī)組可以在滑壓 機(jī)組為滑壓運行方式。滑壓運行時，實發(fā)負(fù)荷指令經(jīng)過負(fù)荷-壓力設(shè)定曲線， 并經(jīng)過運行人員手動設(shè)定的偏置修正, 生成壓力設(shè)定值；此時，為保證無擾切換，定壓設(shè)定值跟蹤滑壓設(shè)定值。負(fù)荷一壓力設(shè)定函數(shù)%MWMPa0.00.010.0030.0

11、3180.210.0036.67220.011.7060.0360.017.8085.0510.024.20100.0600.024.60110.0660.024.70圖1 2機(jī)組進(jìn)入直流方式后既可滑壓運行，各負(fù)荷段汽機(jī)調(diào)門開度基本不變，汽機(jī)調(diào)門的節(jié)流較小, 保證了機(jī)組具有較高的效率。3. 2. 4快速減負(fù)荷（RUNBACK快速減負(fù)荷（RUNBACK ） : RB功能是指機(jī)組的重要輔機(jī)出現(xiàn)異常和故障情況下負(fù)荷指令、 燃料指令、給水指令快速反應(yīng)，以保證機(jī)組繼續(xù)安全運行。在機(jī)組正常運行時，一旦發(fā)生 RB系統(tǒng)內(nèi)包含的某一輔機(jī)故障，機(jī)組主要熱工 RB邏輯和自動 控制系統(tǒng)相互配合，將機(jī)組負(fù)荷快速安全地降

12、低到實際所能達(dá)到的最大可能數(shù)值上穩(wěn)定運行的能 力，提高機(jī)組運行的安全系數(shù)，提高了經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。國華太電設(shè)計有引風(fēng)機(jī) RB、送風(fēng)機(jī)RB、一次風(fēng)機(jī)RB、給水泵RB、磨煤機(jī)RB共5類RB。 RB降負(fù)荷目標(biāo)及速率設(shè)定如下：動作名稱保留磨煤 機(jī)臺數(shù)投運油槍目標(biāo)負(fù)荷燃料量（含油）目標(biāo)主汽 壓運行方式雙磨RB3不投運150t/h20MPa滑壓，機(jī)跟爐送/引風(fēng)機(jī)RB3不投運130t/h20MPa滑壓，機(jī)跟爐給水泵RB3不投運115t/h18MPa滑壓，機(jī)跟爐一次風(fēng)機(jī)RB2投運兩層油槍115t/h （含15t/h燃油，相當(dāng) 于30t/h煤）20MPa滑壓，機(jī)跟爐RB產(chǎn)生后，鍋爐主控器切為手動，即鍋爐手動、

13、汽機(jī)自動調(diào)壓方式。機(jī)前壓力定值在RB復(fù)位前跟蹤實際壓力，汽機(jī)調(diào)門保持不動。鍋爐主控器輸出指令按定值下降， 降至定值后，復(fù)位RB 給水泵RB觸發(fā)時，尤其要保證動作過程中的工質(zhì)平衡，防止煤 /水比失調(diào)。3. 3煤水比控制：保證合適的煤/水比對直流爐來說至關(guān)重要。一般采用能較快反映煤/水比的汽水過渡區(qū)出口 的微過熱汽溫（分離器處的溫度），一般稱該點溫度為“中間點溫度”，它作為直流爐給水調(diào)節(jié)重 要的修正信號，在不同負(fù)荷（壓力）下，由于飽和溫度不同，所以“中間點溫度”定值隨負(fù)荷而 變化。協(xié)調(diào)方式下，機(jī)組滑壓運行時，機(jī)組負(fù)荷、壓力、溫度是三個變化的控制量，在負(fù)荷發(fā)生變 化時，壓力的控制根據(jù)負(fù)荷按照預(yù)定的滑

14、壓曲線控制，分離器出口溫度按照分離器出口壓力的飽 和溫度加上微過熱度控制。3. 3. 1給水控制:給水控制完成了多重控制任務(wù)： 保證燃水比、實現(xiàn)過熱汽溫的粗調(diào)、滿足負(fù)荷的響應(yīng)。給水 控制，可分為三個運行階段：（1）鍋爐啟動階段，從鍋爐上水到點火前，采用給水流量定值控制。（2）帶部分負(fù)荷階段，分離器濕態(tài)運行，控制分離器水位。給水流量保持在某個最小常數(shù)值（35%BMCR分離器水位由分離器至除氧器以及分離器至擴(kuò)容器的控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，給水系統(tǒng)處 于循環(huán)方式。分離器水位控制通過改變?nèi)灰嚎卣{(diào)節(jié)閥（HV1201、HV1202、HV1203 ）的開度來實現(xiàn)，是 典型的開環(huán)控制。（3）純直流階段，帶中間點溫差

15、修正的直流爐給水控制。 進(jìn)一步增加燃燒率，當(dāng)鍋爐負(fù)荷升至35% BMC時，運行方式從濕態(tài)轉(zhuǎn)入干態(tài)運行。使分離器中的蒸汽溫度達(dá)到設(shè)定值，汽溫信號通過 選大器，溫度控制系統(tǒng)投入運行，開始增加給水流量。上圖是煤水比控制邏輯框圖。從中可看出給水指令的一個最重要部分是鍋爐主控輸出指令， 經(jīng)F (X)的信號，它代表不同負(fù)荷(燃料量)下對給水流量的要求，即“煤 -水比”函數(shù)，這是給 水指令的主導(dǎo)部分，由總?cè)剂狭空鬯愠鼋o水指令，即穩(wěn)態(tài)的煤/水比。另外，給水設(shè)定值用中間點 溫度修正系數(shù)來微調(diào)。用燃料控制煤/水比的控制策略，存在燃燒過程的時滯。由于汽溫對給水量的動態(tài)響應(yīng)要比燃 燒率快，設(shè)置一個慣性環(huán)節(jié)F(t)，使

16、給水遲于燃燒率變化，減小汽溫的動態(tài)變化，補(bǔ)償燃料對熱 負(fù)荷的遲延。煤水比控制中設(shè)有煤、水交叉限制回路；給水指令增設(shè)最小流量限制650t/h (39%，用于保證煤水比在安全的范圍內(nèi)。3. 3. 2燃燒控制：燃料控制為串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，接收燃料指令后，調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過手/自動切換操作站后，分別 送往6臺給煤機(jī)的變頻控制回路，控制給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速。6臺給煤機(jī)的控制采用了多輸出系統(tǒng)，確保給煤機(jī)的手自動無擾切換。并設(shè)計了自動增益修 正及任一臺給煤機(jī)跳閘的自動平衡回路，確保磨煤機(jī)跳閘時燃料的最小擾動。磨煤機(jī)入口風(fēng)量測量值經(jīng)磨入口一次風(fēng)溫、入口一次風(fēng)壓修正，由磨熱風(fēng)門調(diào)節(jié)(PID2參數(shù)塊)。設(shè)定值由給煤機(jī)給煤指令經(jīng)

17、過一個函數(shù)塊f(x)產(chǎn)生，給煤指令一增加，就增加一次風(fēng)量定值， 這樣在鍋爐要求增加負(fù)荷時，增加的煤還在磨中研磨時可以先由加大的一次風(fēng)把磨中的蓄粉吹出， 加快鍋爐反應(yīng)速度。磨煤機(jī)出口溫度由磨冷風(fēng)門調(diào)節(jié)(PID1參數(shù)塊)。設(shè)定值由運行人員設(shè)定。PID1控制器的輸出 通過函數(shù)模塊和減法模塊，作用到PID2控制器?？刂七壿嫗殡p向解耦函數(shù)，如當(dāng)風(fēng)溫高時，開大 冷風(fēng)門，相應(yīng)增大了風(fēng)量，故熱風(fēng)門應(yīng)關(guān)?。伙L(fēng)量小時，開大熱風(fēng)門，冷風(fēng)門應(yīng)同時開大。冷風(fēng) 門切為手動控制時，熱風(fēng)門隨之切為手動控制。鍋爐側(cè)的負(fù)荷響應(yīng)能力與制粉系統(tǒng)的類型密切相關(guān)，國華太電配6臺中速碗型磨煤機(jī)，磨煤機(jī)的控制采用熱風(fēng)調(diào)節(jié)磨煤機(jī)一次風(fēng)量，冷風(fēng)調(diào)節(jié)磨煤機(jī)進(jìn)口溫度，并兼顧出口溫度在一定范圍 內(nèi)。這種控制方式對減小磨煤機(jī)較大的熱慣性有