超臨界350 MW機組深度調峰熱工控制系統改造

馬銘宏，魯曉莽，吳 炬，劉維岐，劉 宇

(國電科學技術研究院有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110102)

隨著我國產業結構轉型與能源結構調整的深入，2016年6月國家能源局綜合司發布了《關于下達火電靈活性改造試點項目的通知》，確定了首批16個火電靈活性改造試點項目[1]。

為鼓勵火電機組參與深度調峰，提高電網調峰和新能源消鈉能力，東北、山東、新疆等地相繼出臺各自的電力輔助調峰服務市場運營規則，對參與深度調峰的機組實施補貼。國內外專家針對火電機組深度調峰進行的試驗與研究，大多集中在機爐設備改造以及設備安全穩定運行方面，諸如避免受熱面超溫[2]、如何提高脫硝裝置入口煙氣溫度、低負荷鍋爐穩燃等。本文以某350MW超臨界直流鍋爐為例，從控制和保護等熱工控制系統方面，闡述在機組深度調峰過程中，控制系統應進行的優化改造情況。

1 機組存在問題

1.1 小機汽源控制

該350 MW機組為供熱機組，冬季供熱期間，隨著供熱抽汽量的增大，給水泵小汽輪機低壓供汽汽源不足[3]，需切換高壓備用汽源，因高低壓調門采用同一套油動機驅動，因當前控制邏輯設置不合理，造成調門開啟過快，轉速飛升較高，曾發生過超速跳小機的現象，并且無法維持穩定給水流量。

1.2 低負荷下的穩燃

穩燃是低負荷工況下鍋爐面臨的重要問題之一，既要確保燃燒穩定，火檢信號清晰可靠，又要兼顧磨煤機本身運行狀況以及汽溫壁溫等方面的變化，不僅要注意燃料量與給水流量以及一次風與送風的配比，也要控制好磨入口一次風速[4]，因此，針對低負荷工況，燃燒控制系統需整體重新全面優化整定。

1.3 DCS基礎邏輯限制

因機組初始邏輯設計為50%以上負荷投入協調控制，故鍋爐主控、給水流量控制等皆設置較高的自動控制下限，故而需要重新梳理邏輯中的閉鎖關系，以保證機組能夠在自動狀態下在低負荷區間調整。對于自動控制回路，如給水、減溫水、燃料、一次調頻等不同負荷段的調節對象特性不同，這些調節對象是機組低負荷自動調節系統穩定運行的重點。

2 主要工作

2.1 小機汽源切換試驗

因邏輯設置不合理，過往汽源切換過程中，高壓冷再汽源投入后，小機轉速上升過快，甚至觸發超速跳閘[5]。試驗前先根據實際測量的高壓調門和低壓調門對應油動機的實際行程，對轉速PID進行合理的變參數設置；然后將準備進行試驗的小機退出上水狀態，并切至手動控制轉速，通過手動加減轉速，參照圖1試驗曲線，可以明確判斷出汽源切換點及油動機控制高壓調門和低壓調門之間的空行程；進而對油動機指令進行分段函數處理，解決油動機空行程問題與汽源切換過程中轉速飛升問題，使小機可以穩定運行在各種工況下。

圖1 小機汽源切換試驗曲線

2.2 低負荷穩燃控制

因深度調峰負荷下，低于50%Pe后，RB功能退出，不能動作，為保證低負荷運行時，任一重要輔機如汽泵、一次風機、引風機、送風機、磨煤機、給煤機等發生跳閘后燃燒仍然穩定，討論后新增邏輯，加入低負荷運行情況下上述輔機任一跳閘，自動投入等離子裝置邏輯，根據磨煤機的運行情況自下而上共投入最多2層等離子層。

深度調峰情況下，僅剩余2～3臺磨煤機運行，若此時某臺磨煤機出現故障跳閘后，易造成燃燒不穩，投入等離子裝置邏輯后，也需要盡快啟動備用磨煤機，其余磨煤機按現有啟動允許，很難快速啟動，難以保證燃燒穩定，故而通過優化磨煤機啟動能量滿足信號，并加入快速啟動允許按鈕，保證深調期間事故處理時備用磨煤機可以快速啟動，穩定鍋爐燃燒。

2.3 順序控制邏輯優化

MFT邏輯優化，原給水流量低低MFT動作邏輯為流量低于285 t/h，三取二動作[6]，延時3 s觸發MFT。因進行深度調峰后，當負荷降至33%Pe時，給水流量為330 t/h左右，為避免因流量波動造成MFT誤動，經與廠家協商，將小于285 t/h動作的延時改為30 s，并新增條件，即負荷小于33%Pe時，如流量小于165 t/h，延時15 s即觸發MFT；如流量小于140 t/h，則延時3 s即觸發MFT，流量主保護的更新，為機組進行深度調峰提供了進一步的安全保障。

低負荷工況下，對汽動給水泵再循環門超馳開關邏輯增加了速率限制，避免因再循環調整門開關過快造成2臺汽泵搶水的危險。

2.4 自動控制系統的優化

a.給水流量指令下限由360 t/h改為330 t/h，以保證給水流量有足夠的調整空間。

b.進一步給出了50%Pe以下的滑壓函數，使得機組在深度調峰期間仍然處于滑壓運行工況，并考慮供熱抽氣量對電負荷的修正，引入實時滑壓控制，使得機組變負荷以及穩定運行過程中壓力更加平穩。

c.一、二次風配比優化，一次風壓既要保證一次風機平穩運行，又要確保磨入口熱風調門有足夠的調整裕度，使之始終可以快速響應煤量的變化，保障機組的變負荷速率。二次風的控制既要考慮低負荷的氧量配比，也要重視不同磨組運行的爐膛內配風情況，既保證了燃燒的穩定，也為脫硝控制的穩定提供保障[7]。

d.通過分段函數的方式，重新整定50%Pe以下機組各自動回路的參數，以適應被控對象不同的區間特性。

3 試驗結果

邏輯優化后的機組，負荷可以降至118 MW并穩定運行，圖2為負荷從118 MW穩定運行后加負荷至180 MW并穩定的曲線，橫坐標為時間軸，采樣點600個，周期為12 s，共計2 h，縱坐標左上為負荷設定(MW)、實際負荷(MW)，右上為主汽壓力設定(MPa)、主機壓力實際值(MPa)，左下為給煤量(t/h)，右下為給水流量(t/h)。由圖2中趨勢可見，機組負荷從低負荷開始升負荷，參數穩定可控，協調控制系統穩定運行。

圖2 120～180 MW變負荷

圖3為機組在118 MW負荷的趨勢，圖中參數跟圖2一致。如圖3所示，機組在118 MW負荷下，負荷相對穩定，主汽壓力、給水流量、給煤量等參數均相對穩定，機組可以很好地穩定運行在118 MW負荷下。

圖3 118 MW負荷穩定運行趨勢

4 后續工作

4.1 變負荷速率的提升

本次試驗，變負荷速率為2～5 MW/min，距離先進機組的2%～4%Pe[8]，即7～14 MW/min尚有一定的差距，主要是受鍋爐及汽機固有特性的限制，目前該機組的變負荷控制主要是依賴于鍋爐蓄熱支持汽輪機調門快速動作的，而鍋爐燃燒慣性時間為4～6 min，故而依靠鍋爐蓄熱，煤量燃燒提升機組負荷響應速率，且要保證運行參數相對穩定，很難進一步提升。

后續應著重考慮利用系統內其他蓄熱系統，通過諸如凝結水流量、供熱流量、給水流量等的調整，輔助負荷調整，提升負荷響應速率。

4.2 實時煤質校正環節的投入

煤質摻燒后，導致入爐煤量的熱值發生變化，造成水煤比函數、負荷煤量函數等偏離設計值，瞬時煤質校正并不能有效反映煤質的變化，因此，應引入實時煤質校正環節，通過短時過往運行情況，對入爐煤量熱值進行校正，確保機組運行參數穩定。

5 結論

通過對鍋爐穩燃控制優化，設備保護邏輯梳理，各分支自動控制回路的寬負荷區間優化等多個方面的改造，該350 MW機組在無設備改造、無助燃手段的前提下，實現了鍋爐純凝工況下118 MW額定負荷穩定運行，完成了機組深度調峰的預期目標。后續工作應以電網深度調峰補貼政策為依據，以鍋爐、汽機主設備改造為重點，引入先進的調整策略，挖掘機組深度調峰能力，并提高機組負荷的快速響應能力。