采用汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)的1 000 MW級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)組RB試驗(yàn)

陳志剛，郝德鋒，趙志丹，王家興，孔德偉，王曉勇

(1.西安熱工研究院有限公司，西安市 710032; 2.華能沁北發(fā)電有限公司，河南省濟(jì)源市 459012)

0 引言

目前，汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)在新建1 000 MW級(jí)機(jī)組中已逐步得到應(yīng)用，但相關(guān)的輔機(jī)故障減負(fù)荷(run back，RB)試驗(yàn)尚無(wú)成熟的控制策略和豐富的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。本文對(duì)某臺(tái)采用汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)的汽輪發(fā)電機(jī)組在調(diào)試、RB試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析和總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上給出了送、引風(fēng)機(jī)控制邏輯的優(yōu)化策略。通過(guò)RB試驗(yàn)的嚴(yán)峻考驗(yàn)，證明了該策略的可行性，同時(shí)也為其他采用汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供借鑒。

1 設(shè)備概況

某超超臨界1 000 MW機(jī)組配套東方鍋爐廠制造的超超臨界本生滑壓運(yùn)行直流鍋爐，型號(hào)為DG3110/26.15-II2，單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、尾部雙煙道結(jié)構(gòu);配套哈爾濱汽輪機(jī)廠制造的超超臨界凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為CCLN1000－25/600/ 600，一次中間再熱、單軸、四缸四排汽;控制系統(tǒng)采用艾默生控制系統(tǒng)(上海)有限公司提供的OVATION系統(tǒng)［1］。

煙風(fēng)系統(tǒng)采用2臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)軸流送風(fēng)機(jī)和2臺(tái)由小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)、入口導(dǎo)葉可調(diào)的軸流引風(fēng)機(jī)。每臺(tái)引風(fēng)機(jī)配置1臺(tái)杭州汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的NK63/56/0型單缸、單流、單軸、反動(dòng)式、純冷凝汽輪機(jī)。控制驅(qū)動(dòng)功能由二次油壓驅(qū)動(dòng)油動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)正常工作汽源采用主機(jī)四段抽汽，啟/停及備用汽源采用輔助蒸汽。小汽機(jī)與引風(fēng)機(jī)通過(guò)減速箱(轉(zhuǎn)速比為5 574/722)連接。

2 機(jī)組RB控制概述

RB控制策略主要由模擬量控制系統(tǒng)(modulating control system，MCS)和燃燒器管理系統(tǒng)(furnace safeguard supervisory system，F(xiàn)SSS)共同實(shí)現(xiàn)［2］。FSSS的任務(wù)主要是按照一定順序及時(shí)間切除運(yùn)行磨煤機(jī)(除了需保留的磨煤機(jī))，同時(shí)投入預(yù)置油槍穩(wěn)燃。MCS中一般包含幾個(gè)特有的RB控制回路:運(yùn)行輔機(jī)最大出力計(jì)算、負(fù)荷指令變化率設(shè)定、控制模式自動(dòng)切換、主汽壓力滑壓設(shè)定值生成回路及其壓力變化率設(shè)定等［3］。

機(jī)組在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(coordinated control system，CCS)模式且負(fù)荷大于600 MW時(shí)，許可運(yùn)行人員投入機(jī)組RB功能。

針對(duì)風(fēng)煙系統(tǒng)機(jī)組RB功能對(duì)應(yīng)的目標(biāo)負(fù)荷值及速率為:

(1)RB功能投入，1臺(tái)送風(fēng)機(jī)跳閘觸發(fā)送風(fēng)機(jī)RB功能，機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷為600 MW，變化速率為1 000 MW/min;

(2)RB功能投入，1臺(tái)引風(fēng)機(jī)跳閘觸發(fā)引風(fēng)機(jī)RB功能，機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷為600 MW，變化速率為1 000 MW/min;

(3)RB功能投入，1臺(tái)一次風(fēng)機(jī)跳閘觸發(fā)一次風(fēng)機(jī)RB功能，機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷為550 MW，變化速率為1 000 MW/min。

在發(fā)生RB時(shí)，機(jī)組控制方式自動(dòng)由CCS模式切為汽機(jī)跟蹤(turbine follow，TF)模式，鍋爐主控處于目標(biāo)負(fù)荷自動(dòng)預(yù)設(shè)模式，汽機(jī)主控根據(jù)機(jī)組滑壓設(shè)定值維持機(jī)前壓力按一定速率下滑，F(xiàn)SSS自動(dòng)按預(yù)設(shè)跳磨順序切除燃料并保留3臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，同時(shí)燃料主控自動(dòng)維持目標(biāo)負(fù)荷對(duì)應(yīng)的燃料量，機(jī)組負(fù)荷降低到輔機(jī)許可的出力范圍內(nèi)［4-5］。

3 針對(duì)RB工況汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)控制策略的優(yōu)化

采用汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)的機(jī)組，在爐膛負(fù)壓控制手段上還保留著靜葉調(diào)節(jié)和小汽機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，需要重新解決靜葉調(diào)節(jié)向轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)渡、2臺(tái)引風(fēng)機(jī)小機(jī)并列運(yùn)行、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行“與否”判據(jù)確定、RB工況引風(fēng)機(jī)控制方式切換、防小汽機(jī)超速和爐膛負(fù)壓波動(dòng)過(guò)大造成鍋爐總?cè)剂咸l(master fuel trip，MFT)保護(hù)動(dòng)作等一系列控制邏輯優(yōu)化問(wèn)題。在機(jī)組RB動(dòng)作時(shí)，由于送風(fēng)指令快降(燃料量突降、氧量調(diào)節(jié)疊加)造成引風(fēng)機(jī)負(fù)載快速減小，而引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)調(diào)節(jié)存在一定的遲滯導(dǎo)致爐膛負(fù)壓過(guò)大，進(jìn)而影響爐膛燃燒甚至造成小汽機(jī)超速的嚴(yán)重后果［6］。因此在RB工況下，需要送風(fēng)指令充分考慮到引風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性，使送風(fēng)指令的下降速度、幅度及時(shí)間與之匹配，達(dá)到兩者同步平穩(wěn)下滑。

3.1 引風(fēng)機(jī)靜葉控制與轉(zhuǎn)速控制切換邏輯

引風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)采用引風(fēng)機(jī)小機(jī)掛閘，并且小汽機(jī)轉(zhuǎn)速大于2 600 r/min的信號(hào)作為判據(jù)。爐膛負(fù)壓控制采用引風(fēng)機(jī)靜葉開度及小汽機(jī)轉(zhuǎn)速2種控制模式。對(duì)于引風(fēng)機(jī)靜葉開度控制只要小汽機(jī)轉(zhuǎn)速大于2 800 r/min就具備投自動(dòng)條件;對(duì)于小汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制需要引風(fēng)機(jī)靜葉開度大于70%，并且小汽機(jī)轉(zhuǎn)速大于2 800 r/min時(shí)才具備投自動(dòng)條件［7］。

在機(jī)組啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程中，爐膛負(fù)壓先由靜葉開度調(diào)節(jié)來(lái)控制，隨著風(fēng)煙量的增大，靜葉開度逐漸增大到70%時(shí)運(yùn)行人員即可投入小汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制。小汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制進(jìn)入自動(dòng)后，靜葉開度就被鎖定在當(dāng)前開度值上，爐膛負(fù)壓控制模式就由靜葉開度調(diào)節(jié)過(guò)渡為小汽機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

考慮到在RB工況下小汽機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的階躍性，為了確保引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)保持在遙控模式而不被切為就地控制模式，增加在RB觸發(fā)后屏蔽小汽機(jī)轉(zhuǎn)速指令和反饋偏差大于500 r/min時(shí)小汽機(jī)控制切就地模式。

3.2 防汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)超速邏輯

在引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)靜葉開度突降、發(fā)生一次風(fēng)機(jī)RB或鍋爐MFT時(shí)，由于實(shí)際風(fēng)量的突變引起引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)實(shí)際負(fù)載的突降，造成小汽機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的飛升并嚴(yán)重威脅設(shè)備的安全運(yùn)行。一般情況下，引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速為3 000～5 500 r/min，而引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)的超速轉(zhuǎn)速為5 897 r/min。因此如何在小汽機(jī)實(shí)際負(fù)載突降的情況下，快減小汽機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速，并穩(wěn)定實(shí)際轉(zhuǎn)速使其處于安全水平，成為控制邏輯的關(guān)鍵所在。

為防超速，在引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制邏輯回路內(nèi)增加轉(zhuǎn)速快降前饋。如圖1所示，該前饋由2個(gè)部分組成，一部分為在鍋爐發(fā)生MFT時(shí)，首先鎖定當(dāng)前目標(biāo)負(fù)荷值，進(jìn)而根據(jù)預(yù)置函數(shù)得出快減轉(zhuǎn)速量，然后通過(guò)預(yù)置設(shè)定速率進(jìn)入小汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制回路;另一部分由爐膛壓力偏差信號(hào)預(yù)置1個(gè)帶死區(qū)的轉(zhuǎn)速設(shè)定輸出回路，并經(jīng)過(guò)速率限制后進(jìn)入小汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制回路。

為避免引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)因靜葉快關(guān)造成小汽機(jī)意外超速，在引風(fēng)機(jī)靜葉控制回路內(nèi)增加閉鎖減功能。即引風(fēng)機(jī)小機(jī)轉(zhuǎn)速在手動(dòng)模式、靜葉開度大于85%且小機(jī)轉(zhuǎn)速大于5 300 r/min時(shí)，閉鎖該風(fēng)機(jī)靜葉減功能。

圖1 引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)轉(zhuǎn)速快降前饋回路Fig.1Feed-forward loop of steam turbine-driven IDF with speed quick drop

3.3 送風(fēng)機(jī)控制回路優(yōu)化

根據(jù)送、引風(fēng)機(jī)容量匹配及調(diào)節(jié)速度差異較大的實(shí)際情況，有針對(duì)性地對(duì)送風(fēng)控制指令回路進(jìn)行改造，以適應(yīng)調(diào)節(jié)速度差異較大的特性。在機(jī)組負(fù)荷大于600 MW并且兩側(cè)送、引風(fēng)機(jī)全運(yùn)行，若一側(cè)送風(fēng)機(jī)(或引風(fēng)機(jī))跳閘，則在邏輯內(nèi)增加跳閘同側(cè)引風(fēng)機(jī)(或送風(fēng)機(jī))聯(lián)鎖信號(hào)，維持風(fēng)煙系統(tǒng)單側(cè)運(yùn)行進(jìn)而使送、引風(fēng)機(jī)容量匹配。

在機(jī)組發(fā)生RB時(shí)，由燃料突降及氧量調(diào)節(jié)回路對(duì)送風(fēng)指令進(jìn)行修正，造成送風(fēng)指令快速回落到機(jī)組RB目標(biāo)負(fù)荷對(duì)應(yīng)的送風(fēng)量上。由于引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)調(diào)節(jié)速度遠(yuǎn)慢于送風(fēng)機(jī)，易造成爐膛負(fù)壓過(guò)大并嚴(yán)重影響爐膛燃燒及造成引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)超速事故。為此，在原送風(fēng)指令回路內(nèi)增加隨機(jī)組負(fù)荷變速率限制回路，使送風(fēng)指令下降速度受限于機(jī)組負(fù)荷的衰減速度。即先慢后快并平滑過(guò)渡，進(jìn)而和引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)速度相匹配［8-9］。邏輯框圖如圖2所示。

圖2 增加變速率限制后送風(fēng)控制指令回路Fig.2Control instruction loop for FDF with variable speed rate limit increased

由圖2可知，經(jīng)過(guò)氧量修正后的送風(fēng)指令先經(jīng)過(guò)慣性環(huán)節(jié)，取大后根據(jù)MFT、RB和正常運(yùn)行模式的切換速率對(duì)其限速后成為新的送風(fēng)指令，去控制執(zhí)行回路。

在機(jī)組發(fā)生RB時(shí)，考慮到氧量調(diào)節(jié)對(duì)送風(fēng)指令的影響，特在控制邏輯內(nèi)增加氧量調(diào)節(jié)跟蹤功能。同時(shí)為避免送風(fēng)指令下降過(guò)慢造成運(yùn)行送風(fēng)機(jī)過(guò)出力問(wèn)題，增加了送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉調(diào)節(jié)最大開度限制邏輯［10］。

4 機(jī)組RB試驗(yàn)

在對(duì)送、引風(fēng)機(jī)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化后，于2012年2月24日針對(duì)一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)進(jìn)行了RB試驗(yàn)。

4.1 一次風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)

RB試驗(yàn)前機(jī)組的負(fù)荷為900 MW，處于協(xié)調(diào)方式、滑壓運(yùn)行，A、B、C、E、F 5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，機(jī)組處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

運(yùn)行人員手動(dòng)停止A一次風(fēng)機(jī)，觸發(fā)一次風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作。

(1)一次風(fēng)機(jī)RB發(fā)生后，機(jī)組由協(xié)調(diào)控制切為TF控制方式，滑壓運(yùn)行;

(2)一次風(fēng)機(jī)RB發(fā)生后，鍋爐主控指令自動(dòng)切至550 MW;

(3)一次風(fēng)機(jī)RB發(fā)生后，按順序跳閘F、B磨煤機(jī)，保留A、C、E 3臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行;

(4)A層磨煤機(jī)少油點(diǎn)火自動(dòng)投入，D油層自動(dòng)間隔投入;

(5)燃料設(shè)定自動(dòng)進(jìn)入RB發(fā)生后所預(yù)置目標(biāo)值，燃料主控閉鎖30 s后轉(zhuǎn)入自動(dòng)調(diào)節(jié);

(6)RB發(fā)生后在給水、燃料、機(jī)組負(fù)荷和主汽壓力等穩(wěn)定后可由運(yùn)行人員手動(dòng)復(fù)位RB信號(hào)。

一次風(fēng)機(jī)RB相關(guān)過(guò)程曲線見圖3。通過(guò)圖3的爐膛負(fù)壓曲線可知，在熱一次風(fēng)母管壓力從11.3 kPa突降到4.2 kPa的過(guò)程中，爐膛負(fù)壓從－139 Pa突降到－2 kPa后快速反彈并穩(wěn)定在－120 Pa左右，為爐膛的穩(wěn)定燃燒創(chuàng)造了良好的條件。

圖3 一次風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)Fig.3RB test for PAF

4.2 送引風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)

RB試驗(yàn)前機(jī)組的負(fù)荷為900 MW，處于協(xié)調(diào)方式、滑壓運(yùn)行，A、B、C、E、F 5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，機(jī)組處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。由于送、引風(fēng)機(jī)RB控制回路均為跳閘同側(cè)，送、引風(fēng)機(jī)保留單側(cè)運(yùn)行模式，且RB發(fā)生后控制模式切換與一次風(fēng)機(jī)RB相同，故不再贅述。

送風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作相關(guān)過(guò)程曲線見圖4。通過(guò)圖4的爐膛負(fù)壓曲線可知，在運(yùn)行引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定從4 953 r/min升到5 600 r/min的過(guò)程中，小汽機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速僅從4 954 r/min升到5 023 r/min;運(yùn)行送風(fēng)機(jī)開度由50%開大到64%，爐膛負(fù)壓從－82 Pa升到1 100 Pa后緩慢回落到110 Pa左右。

1～10同圖 3;11—B送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉反饋，%(量程0～100);12—B送風(fēng)機(jī)電流，A(量程0～600);13—B引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定，r/min(量程0～7 000);14—B引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min(量程0～7 000)

引風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作相關(guān)過(guò)程曲線見圖5。通過(guò)圖5的爐膛負(fù)壓曲線可知，在運(yùn)行引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定從4 785 r/min升到5 600 r/min的過(guò)程中，小機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速僅從4 781 r/min升到5 124 r/min;運(yùn)行送風(fēng)機(jī)開度由46%開大到67%，爐膛負(fù)壓從－47 Pa升到1 388 Pa后緩慢回落到360 Pa左右。

圖5 引風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)Fig.5RB test for IDF

在送、引風(fēng)機(jī)RB相關(guān)過(guò)程曲線中，根據(jù)運(yùn)行引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)實(shí)際穩(wěn)定轉(zhuǎn)速曲線可知其基本穩(wěn)定在5 500 r/min左右，而小汽機(jī)電超速為5 897 r/min，因此在RB試驗(yàn)結(jié)束后運(yùn)行人員要避免對(duì)送風(fēng)機(jī)進(jìn)行過(guò)快的調(diào)整，以免造成運(yùn)行小機(jī)超速。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)防引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)超速回路在機(jī)組RB工況下起關(guān)鍵的“拉回”作用。

(2)爐膛負(fù)壓快速拉回回路對(duì)穩(wěn)定鍋爐燃燒起關(guān)鍵性作用。

(3)送、引風(fēng)機(jī)RB工況結(jié)束后進(jìn)行送、引風(fēng)機(jī)并列時(shí)，靜葉開度閉鎖減邏輯對(duì)運(yùn)行引風(fēng)機(jī)起防超速功能。通過(guò)先降低運(yùn)行引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速然后再并列引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行操作順序，保證了引風(fēng)機(jī)平滑、安全并列。

(4)引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)汽源采用主機(jī)四段抽汽，但在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)出力不足的問(wèn)題。建議運(yùn)行人員把備用汽源(輔助蒸汽系統(tǒng))投入熱備用，同時(shí)在輔汽壓力調(diào)節(jié)邏輯中增加壓力設(shè)定正偏置回路。

(5)通過(guò)一次風(fēng)機(jī)和送、引風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)惡劣工況的考驗(yàn)，驗(yàn)證了汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)優(yōu)化控制策略的可行性，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

［1］陳志剛.華能沁北電廠三期工程5號(hào)機(jī)組熱控RB試驗(yàn)報(bào)告［R］.西安:西安熱工研究院有限公司調(diào)試技術(shù)部，2012.

［2］趙志丹，陳志剛，郝德鋒，等.火電機(jī)組RB控制策略及其在試驗(yàn)中應(yīng)注意的問(wèn)題［J］.熱力發(fā)電，2010，22(6):48-50.

［3］趙志丹，高奎，梁朝，等.華能海門電廠一期工程3號(hào)機(jī)組熱控調(diào)試報(bào)告［R］.西安:西安熱工研究院有限公司調(diào)試技術(shù)部，2010.

［4］西安熱工研究院.超臨界、超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2008.

［5］趙志丹，黨黎軍，劉超，等.超(超)臨界機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行與控制［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2011.

［6］廣東省電力設(shè)計(jì)研究院.汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)專題報(bào)告［R］.廣州:廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，2010.

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(編輯:楊大浩)