600MW超臨界空冷機組協調控制邏輯優化分析

田有龍，溫樹牛

（華能國際電力股份有限公司上安電廠，石家莊 050310）

鍋爐主控與給水控制是火力發電廠的主要控制系統之一，其控制品質的好壞直接關系到機組能否安全、穩定、經濟運行。華能國際電力股份有限公司上安電廠（簡稱“華能上安電廠”）三期工程2臺600 MW超臨界空冷機組鍋爐選用超臨界直流鍋爐，采用6套雙進雙出鋼球磨煤機直吹式制粉系統，分為3個燃燒層；每臺磨煤機配備2臺給煤機；給水系統采用2臺汽動給水泵各帶50%額定負荷，1臺30%電泵為啟動泵；設計煤種與校核煤種為陽泉與西山地區混煤，設計熱值23×103kJ/kg；鍋爐最大連續蒸發量2 090t/h，主蒸汽額定溫度為571℃，主蒸汽壓力25.33MPa，再熱蒸汽額定溫度為569℃，再熱蒸汽壓力4.42MPa；汽輪機為超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、直接空冷凝汽沖動式汽輪機；DCS系統采用Symphony分散控制系統。

1 原控制方案

華能上安電廠600MW超臨界機組控制系統主要包括汽輪機主控（TM）、鍋爐主控（BM）、負荷指令設定、協調方式切換、快速減負荷（RB）、頻率校正等功能回路。機爐控制設計了4種運行方式，根據鍋爐主控和汽輪機主控2個操作器的狀態組合，分別形成4種運行方式：機爐協調方式（鍋爐主控自動，汽輪機主控自動）；汽輪機跟蹤方式（鍋爐主控手動，汽輪機主控自動）；鍋爐跟蹤方式（鍋爐主控自動，汽輪機主控手動）；機爐手動方式（鍋爐主控手動，汽輪機主控手動）。按照設計，機組正常運行時應該運行在機爐協調方式。

1.1 鍋爐主控指令的形成

機爐協調方式下鍋爐主控回路示意見圖1。

圖1 機爐協調方式下鍋爐主控回路示意

將機組目標負荷ULD的比例FX加微分信號D作為鍋爐主控指令前饋（要求鍋爐燃料量），當壓力設定值PTS改變時，通過微分環節D作為鍋爐主控指令前饋。機爐協調方式下的PI調節器將比例、積分功能分開，比例增益和積分速度根據當前機組負荷值的大小和主蒸汽壓力的偏差自動改變。如果機組負荷偏差較大，相應增加或減少鍋爐主控指令。PI調節器的輸出加上前饋信號，成為協調控制方式下鍋爐主控控制指令并行送給給水控制系統和燃料控制系統，即鍋爐指令直接送給水主控，而鍋爐指令送燃料主控，燃料指令乘風燃比（經過氧量校正）送風量控制。汽輪機調門以控制負荷為主，用鍋爐燃燒率控制主蒸汽壓力，當主蒸汽壓力偏差過大時，汽輪機側協助鍋爐調壓。

1.2 鍋爐給水指令的形成

a.引入鍋爐主控輸出作為前饋量，總燃料量通過函數發生器f（x）折算出給水指令。當功率指令變化時，燃煤轉化為熱量需要經過較長時間，同時給水量響應也存在滯后性，為了避免由于兩者變化不同步所造成的輸出參數的波動，在機組鍋爐主控指令后增加延遲環節以進行調整，時間設定為8s，使燃料量與給水量保持同步。

b.采用分離器出口處蒸汽焓值作為給水控制對象的修正量。當給水量或燃料量擾動時，汽水行程中各點工質焓值的動態特性相似；在鍋爐的燃水比保持不變時，汽水行程中某點工質的焓值保持不變，以此來校正燃水比。中間點焓值對燃水比擾動的響應較快且近似于一階慣性環節，響應曲線是單調的。

c.通過汽水分離器出口溫度和主蒸汽壓力計算得出分離器出口焓值與負荷指令得出汽水分離器出口焓值的偏差然后進行PID運算，并引入一級減溫器前后溫差控制器對設計焓值進行修正；負荷指令經函數發生模塊，得到熱量總需求，對省煤器給水流量做出修正。

2 存在的問題

目前，很多煤商為了追求經濟利益，導致電廠發電用煤的煤質變化很大，入爐煤質與原設計值存在較大差距，煤質來源不固定且熱值變化較大，原燃料量負荷比率已不能適合現工況，即燃料主控輸出100%時負荷只能達到額定負荷80%～90%，所以當鍋爐主控到90%甚至80%時燃料主控輸出已到達100%產生飽和，這樣鍋爐主控繼續增長而實際燃料量已不能增長。而直流鍋爐由于沒有汽包，在熱態時需要維持一定的過熱度，這樣就存在過熱度與主蒸汽壓力相互耦合的問題，具體體現在水與煤的相互耦合問題。試驗證明水與煤的耦合導致鍋爐汽壓響應緩慢，主蒸汽壓差超標，最終的表象為“機快爐慢”，整個機組既不能滿足電網負荷的控制精度要求，又不能保證機組鍋爐的安全性，危及到發電機組的安全運行。

3 控制邏輯優化措施及效果

3.1 優化措施

a.鍋爐主控靜態前饋改進。原來僅通過負荷指令，通過折線函數對應一定的煤量而形成。這樣就只能與變負荷同步進行鍋爐動作，因而鍋爐總是慢汽輪機一步。為了達到在鍋爐側先動作的目的，真正形成前饋，重新構建鍋爐的靜態前饋，用目標負荷通過對當前變負荷速率，根據升降負荷不同的工況進行放大處理，達到先于負荷動作的目的，克服鍋爐的遲延與滯后。

b.鍋爐主控動態前饋提速。采用負荷指令的微分與目標負荷相關聯再經過細化量化構成負荷的動態前饋，形成負荷動態前饋。

c.鍋爐主控控制超調量。為控制鍋爐主控輸出增長到飽和區域可增加鍋爐主控輸出上限自適應邏輯，當6臺磨煤機中只有4臺運行時將鍋爐主控輸出上限定為80%，限制機組出力，煤質不好時無法帶更高的負荷，如需提高負荷必須啟動更多磨煤機組來解決。當有5臺運行時將鍋爐主控輸出上限定為90%，當6臺全部運行時將鍋爐主控輸出上限恢復為100%，這樣既可使燃料主控滿輸出，又可限制鍋爐主控輸出偏大使給水主控超調。

d.給水主站調節。由于水的控制方案采用的是鍋爐指令通過函數對應水的指令，也就是說水相對穩定。一般來講“水調壓、煤調溫”，這就是說溫度欠缺了主要還是由于煤的不足，所以要繼續調整煤的量。但是在極端的情況下單純的調節煤量不能快速有效地調整好變煤質的問題，為了在煤質變化頻繁劇烈的情況下，保持過熱度的穩定就要水煤同時聯調。在煤質好的情況下，過熱度上升，加水減煤；在煤質差的情況下，過熱度降低，這時就要減水加煤進行調節。

e.水煤比調節。因為煤質變化，水煤聯調穩定過熱度而導致主蒸汽壓力的變化，水煤比發生變化，對應的鍋爐主控適時改變調整，這時鍋爐主蒸汽壓力調節器則調整修正主蒸汽的壓力調節品質，鍋爐調節器以煤帶水的給水量維持給水流量的相對穩定，主蒸汽壓力得以穩定。另外給水作用快，而燃料從啟動給煤機加煤到磨制出煤粉需要10min左右的時間，有可能將汽溫拉低。因此可將燃料先增加一段時間形成實際出力后再增加給水量可較好控制氣溫。給水主控的鍋爐主控前饋由一階慣性改為三階慣性使其與燃料的對應關系由先陡后緩變為先緩后陡的非線性特性，燃料先行投入一段時間給水再開始增長這樣和燃料量增加速度匹配減小給水擺動幅度。用機組負荷（MW）乘以30t，得出該負荷所對應的大致給水流量作為經驗值并增加一定范圍，如果超出此范圍則表示有可能超調，控制給水調節器輸出高低限以控制初期超調量。

3.2 優化效果

邏輯修改前效果見圖2。

圖2 邏輯修改前效果

由圖2可以看出邏輯修改前當機組負荷由565 MW降低到537MW，減少28MW時鍋爐主控輸出值由83%減少到81%，但過程波動較大，給水流量由1 740t/h下降到1 604t/h，主蒸汽壓力由24.25MPa下降到23.31MPa，與設定點偏差最大為0.89MPa。邏輯修改后效果見圖3。

圖3 邏輯修改后效果

從圖3可以看出邏輯修改后當機組負荷由415 MW降低到387MW，同樣減少28MW時鍋爐主控輸出值由59%減少到55%，過程波動較小，給水流量由1 221t/h下降到1 066t/h，主蒸汽壓力由18.89MPa下降到17.51MPa，與設定點偏差最大為0.25MPa。

華能上安電廠三期2臺600MW超臨界空冷機組改進控制邏輯后，鍋爐主控可適應煤種變化帶來的干擾，降低了給水調節幅度，使汽壓汽溫穩定性大大提高，升降負荷的變化率及系統動靜態參數完全滿足機組的要求，保證了機組的安全穩定運行。

4 建議

a.加入在線煤質監測，獲取大致煤質變化情況，手動或自動投入BTU站以改變校正后燃料量，可使燃料主控與鍋爐主控按原設計值大致對應。

b.在磨膛中可以存留一定的蓄粉，當鍋爐開始加負荷時，磨煤機熱風調整門的前饋信號增大，開啟熱風調整門，吹出磨煤機內剩粉，直接增大了進入爐膛的煤粉量，可有效地降低制粉系統的制粉遲延。