二次再熱1 000 MW機組汽溫振蕩原因分析

胡尊民

(江蘇方天電力技術有限公司, 南京 211102)

二次再熱技術是國內燃煤火電機組的新型技術，鍋爐爐膛結構與一次再熱火電機組有很多不同，鍋爐的響應特性也和一次再熱百萬機組不同。協調控制系統(CCS)的作用是協調各個子系統協同工作，只有了解清楚各個分系統的響應特性，才能更好地耦合協調系統的控制參數。筆者結合某二次再熱機組協調投用過程中的汽溫振蕩情況，了解磨煤機一次風量的變化對整個機組產生的影響，分析一次風量系統振蕩的原因及對協調系統產生影響的過程，便于以后類似機組協調控制的投用及優化。

1　設備概況

該鍋爐為超超臨界二次再熱、直流爐、單爐膛、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構、切圓燃燒方式的塔式鍋爐。爐后尾部煙道出口有2臺選擇性催化還原(SCR)脫硝反應裝置，下部各布置1臺轉子直徑為17 286 mm的三分倉容克式空氣預熱器。制粉系統采用中速磨煤機冷一次風機正壓直吹式制粉系統，每臺鍋爐配置6臺中速磨煤機和皮帶稱重式給煤機，鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)工況下5臺運行，1臺備用。采用四角切向燃燒，每臺磨煤機帶2層燃燒器。

2　試驗過程

機組剛完成初壓模式下的滿負荷工況運行，各個子系統模擬量擾動試驗已完成，機組按照正常流程投入協調控制，協調控制模式為鍋爐跟隨協調控制(CBF)模式，準備做變負荷試驗。

機組負荷780 MW，5臺磨煤機運行，一次風機壓力設定值為11.5 kPa。機組負荷指令由780 MW變化至830 MW，當機組負荷達到目標負荷830 MW后，系統中蒸汽溫度、主蒸汽壓力、總風量等主要參數不能穩定下來：主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度會產生20 min左右為周期的振蕩變化；同時整個鍋爐主控的輸出、焓值修正輸出等主要控制回路產生振蕩變化。經過多次耦合參數計算及修改，協調控制系統參數振蕩問題仍不見好轉。當協調解除后，機組蒸汽溫度和壓力還是做振蕩變化。查看其中一臺正運行的D磨煤機冷、熱一次風調門指令，一次風量及機組主蒸汽壓力、主蒸汽溫度曲線見圖1。

圖1　磨煤機一次風與汽溫汽壓變化對應曲線

由圖1可以看出：在13：40：24之前機組壓力設定跟蹤實際機組壓力，此時機組處于協調解除狀態。機組蒸汽溫度、蒸汽壓力是周期振蕩，主蒸汽壓力滯后于主蒸汽溫度的變化，磨煤機的熱一次風的指令及風量也振蕩變化，風量指令超前變化于汽溫變化。因此，判斷引起整個系統汽溫振蕩的主要原因是機組的一次風量振蕩。鍋爐主控手動時，每臺給煤機的給煤指令不變，磨煤機熱一次風量振蕩不是由給煤指令引起的。投入協調后，負荷指令不變，機組壓力設定值不變，汽溫、汽壓還是處于振蕩變化，但振蕩周期與協調投入前有差別，這說明協調控制系統因為壓力偏差的變化，對整個機組鍋爐主控的輸出進行修正，從而對整個機組的汽溫、汽壓產生了影響。

3　一次風對煤粉燃燒的影響

合理的一次風溫可以提高煤粉氣流的初溫，減少煤粉氣流達到著火溫度所需要的著火熱，從而縮短著火時間。因此，盡量提高一次風溫能夠減輕鍋爐燃燒的滯后作用。

一次風量以滿足揮發分的燃燒為原則：一次風量增大，相應增加了著火熱，對著火不利；一次風量過低，則影響揮發分的著火燃燒，從而阻礙著火的繼續擴展。一次風量的大小通常用一次風率來表示，一次風率是指一次風量占送入爐膛總風量的比例。一次風率的大小應根據燃煤的揮發分而定，而且在變負荷過程中，特別是變負荷初期，一次風率與正常運行時偏差較大。所以變負荷初期爐膛的一次風率對爐膛燃燒有較大影響。

一次風速對著火過程也有影響：一次風速過高，會使著火推遲，致使著火距離拉長而影響整個燃燒過程；一次風速過低，會造成一次風管堵塞，而且由于著火提前，還可能燒壞燃燒器。變負荷過程中磨煤機的一次風量是通過調門直接給風的，而煤量是要通過給煤機傳輸到磨煤機，有一個滯后作用。所以，一次風量對一次風機的風速也有影響。

4　一次風系統的控制邏輯

火電機組協調控制的最大難題是鍋爐和汽輪機動態特性不匹配，鍋爐產汽但慣性大，汽輪機耗汽且響應快，再加上自動發電控制(AGC)要求快速響應電網負荷需求，汽輪機和鍋爐的不同步就加劇了電力生產過程的波動。因此，鍋爐的慣性越小，協調控制就越容易[1]。鍋爐的慣性基本由制粉系統和爐內燃燒過程的慣性時間決定，一次風作為向爐膛送煤粉的介質，在燃燒控制中起到舉足輕重的作用。通過優化磨煤機一次風控制可有效減少制粉系統慣性的影響。

磨煤機熱一次風調門控制邏輯見圖2。磨煤機一次風量設定值由對應給煤機的給煤指令函數加上風量偏置組成，經過單回路PID調節得出一個熱風調門的調整量。加上一個給煤機指令的函數有利于磨煤機一次風量的快速響應。此邏輯設計當給煤機指令對應的調門開度能夠滿足熱一次風量的設計要求時，PID調節基本不需要調整，可加快磨煤機的響應速度。

圖2　磨煤機熱一次風調門指令

磨煤機冷一次風調節門控制邏輯見圖3。

圖3　磨煤機冷一次風調門指令

冷風調門的調節量是調節磨煤機出口的風溫，維持磨煤機出口溫度達到運行要求。冷風量應該隨著熱一次風門開度變化而變化，并且受磨煤機進煤量及外部環境溫度的影響。同時冷一次風門開度變化也會導致磨煤機一次風量的變化。因此，冷熱風調門開度的比例關系對磨煤機風溫調節及一次風量調節都有較大的影響。在夏季，環境溫度高，冷風溫度也高，冷風量在整個一次風量中占比較大，冷風量對一次風量的干擾就會加強；在冬季，環境溫度低，冷風溫度低，冷風量在整個一次風量中占比較小，變風量時冷風調節對整個磨煤機一次風量的擾動就小。該磨煤機出口溫度設定為：75 ℃加運行人員手動設定溫度偏置作為冷一次風調門調節出口溫度的目標值。為了減少冷風調節過程中對磨煤機一次風量調節的影響，用磨煤機熱一次風調門指令的函數作為冷一次風調門指令前饋。減小機組變負荷過程中PID調節的幅度，縮短冷熱風耦合調節時間。

磨煤機旋轉分離器指令為對應的給煤機指令函數，運行人員可以通過轉速偏置調節。旋轉分離器的轉速與給煤機給煤量的函數關系見圖4。旋轉分離器的轉速影響著進入爐膛的煤粉顆粒度的大小：顆粒大，同樣質量的煤粉燃燒時間就長，單位時間內產生的熱量就會少；顆粒小，同樣質量的煤粉燃燒時間就短，單位時間內產生的熱量就會多，產生做功的蒸汽量就大，使得爐膛燃燒滯后性減弱[2]。合理利用旋轉分離器這個特性，也能夠更好地控制整個機組的燃燒特性。

圖4　磨煤機旋轉分離器指令

5　一次風量振蕩的原因分析

5.1 鍋爐運行中出現的問題

ZGM133G中速輥式磨煤機內煤粉是通過磨煤機一次風吹入鍋爐爐膛內的，瞬時一次風量及一次風壓的變化就能引起進入爐膛煤粉量的變化。機組協調模式下變負荷時單位時間內進入爐膛的煤粉量與磨煤機的一次風量是成比例的。由于鍋爐燃燒過程中就有很大的滯后性，包括給煤機到磨煤機的傳輸時間、磨煤機對煤粉的研磨時間、進入爐膛內的煤粉燃燒的時間，因此煤的響應速度一定小于水的響應速度。在協調下變負荷，機組燃料加速增方向55 t/h、減方向53 t/h,給水加速增方向165 t/h、減方向155 t/h。燃料加速的量大約為常規1 000 MW機組1.5倍，燃料加速五十多噸煤分配到每臺磨煤機上就有每臺磨煤機十幾噸的瞬時出力變化，磨煤機熱一次風量的調門指令是對應的給煤機給煤指令的函數加風量偏置修正構成，如此大的擾動量也會引起磨煤機熱風門調門指令及風量指令的突變，加之磨煤機熱風門調節參數耦合的不合理，沒有能夠快速抑制住擾動，就造成一次風調節系統振蕩，進而導致整個機組蒸汽溫度、蒸汽壓力的振蕩，擾亂機組協調系統的控制。而且該機組因為設計原因，基本沒有截流，如果滑壓速率小于變負荷對應的壓力變化率，在增負荷時就會造成實際負荷跟不上負荷指令的變化。當機組欠壓時，機組實際負荷在調門全開時也小于機組負荷指令(見圖1)。因此變負荷時滑壓速率設定為0.8 MPa/min，機組負荷變化率正常設定為20 MW/min，對應的壓力設定值變化率大約為0.65 MPa/min，滑壓速率在正常變負荷時沒有作用。當機組變負荷到達目標值，壓力設定值同時到達目標值。因此，當機組變負荷開始和結束時，加速信號對整個機組的擾動量都很大，加上鍋爐燃燒系統的滯后性，就會對協調系統的控制產生很大影響，進而加劇磨煤機一次風量調節振蕩。

由圖1可以看出在13：40:24協調投入前：13：11：33磨煤機D熱風調門指令達到最大值38.1%，13：17：20磨煤機D一次風量達到最大值141 t/h；13：26：09磨煤機D熱風調門指令達到最小值26.8%，13：30：54磨煤機D一次風量達到最小值132.1 t/h。熱風調門開度指令峰值與對應的磨煤機一次風量峰值的時間差為5 min左右，熱風調門開度指令谷值與對應的熱一次風量谷值時間差也為5 min左右。由于一次風量滯后調門的指令大約5 min，引起一次風量調節振蕩，最終引起系統汽溫、汽壓振蕩。

5．2 冷熱風調門控制邏輯設定參數不合理

最初設計的PID 參數及前饋函數是參考常規百萬機組的參數設計，沒有考慮到該機組磨煤機一次風量的滯后時間遠大于以前機組的一次風量的滯后時間，導致調節過程中容易出現較大的過調量。雖然單回路小擾動調節時還沒有導致振蕩，但是為后面協調模式下一次風量調節在大擾動后產生振蕩埋下伏筆。

5.3 冷一次風引起熱一次風量滯后

為了能使冷熱一次風在進入磨煤機前充分混合，冷熱一次風管設計時采用相互垂直布置；而為了使控制邏輯能夠快速響應冷熱一次風的配比，采用了熱風調門指令給冷風調門前饋的控制策略(見圖3)。當給煤機給煤指令變化時，冷熱一次風門指令同時超馳變化。冷一次風的風壓直接從一次風機出口經過風管過來，而熱一次風要經過空氣預熱器加熱，有一些壓降。因此，冷一次風壓比熱一次風壓略高，阻礙了一次風量的變化，引起一次風量變化的滯后。

5.4 旋轉分離器引起一次風量的滯后

由于旋轉分離器轉速是給煤機給煤指令的函數(見圖4)，給煤機給煤量大于50 t/h，隨著給煤量增加，旋轉分離器轉速指令降低，煤粉細度隨著轉速的降低而升高。旋轉分離器是由一個傳動機構帶動的轉子，轉子由多個葉片組成，從磨煤機碾磨區上升的風粉氣流進入旋轉的轉子區，在轉子的帶動下做旋轉運動，其中粗煤粉在離心力及葉片撞擊下被分離出來，落入碾磨區重新碾磨，其余細粉穿過葉片進入磨煤機出口管道。旋轉分離器轉速降低，瞬時需要被吹入爐膛的煤粉數量增加、煤粉顆粒也變大，一次風輸送的介質增加了，一次風量變化也就會相應變慢[3]，而且本身旋轉分離器的轉動方向是和一次風粉的傳輸方向垂直，也會引起一次風量響應的滯后。

5.5 協調系統加劇一次風量調節的振蕩

煤粉進入爐膛燃燒，然后產生蒸汽做功就是一個比較大的滯后環節。當機組升負荷時，進入爐膛的煤粉燃燒產生蒸汽做功需要一定的時間，導致機組欠壓；同時由于給水指令的增加，給水泵調門開度增加，給水泵需求蒸汽量增加，減少了做功蒸汽量，加劇機組欠壓。由于負荷指令沒有滯后，汽輪機只能通過開大調門進汽，利用鍋爐本身的蓄熱做功，加劇了鍋爐系統的欠壓， CBF模式下鍋爐主控通過增加鍋爐主控輸出調節鍋爐的欠壓。當煤粉進入爐膛燃燒后，爐膛汽溫升高，減溫調節系統增加減溫水，間接增加系統主蒸汽的流量。由于減溫水直接作用在過熱器，減少了爐膛內部蒸汽管道傳輸的距離，對機組壓力的影響響應速度更快，導致機組壓力快速增加，機組壓力超壓后，鍋爐主控自動調節又會通過減少輸出來平衡機組壓力，導致整個協調控制系統振蕩。鍋爐主控輸出直接作用在給煤機給煤指令上，鍋爐主控輸出的來往反復變化導致給煤指令的周期變化，加劇了磨煤機一次風量的振蕩變化；一次風量振蕩變化同時反作用給整個控制系統。兩者相互影響，相互推動。

由于磨煤機一次風量調節振蕩，引起了整個系統蒸汽溫度及壓力等參數相應振蕩變化。現場設備安裝已經完成，熱一次風量滯后于熱一次風調門開度變化大約5 min的系統特性不便改變，只能通過控制上采取方法解決這個問題。邏輯上通過優化控制參數，減少一次風量大滯后對整個控制系統的影響。具體方法為：以實際試驗數據為依據，優化給煤量至熱一次風門開度指令前饋，原有的給煤機給煤量與熱風調門開度函數設計比較簡單，原函數為0～0、100～50兩段，優化函數關系見圖2。使得給煤量、熱風調門開度、一次風量對應關系盡量細化，減少中間調節過程；同時減弱積分參數的影響，將積分參數由原來的400S改至1 200S，弱化積分作用，強化比例作用，使得風量偏差較小時，比例作用大于積分作用。達到較小的負偏差時，風量在增長，但是實際調門指令不會增加或者微微下降；反之較小的正偏差時，風量在減小，但實際調門指令不會減少或者微微增加，從而抑制滯后的影響。冷一次風門的控制上，原來熱風調門指令至冷風調門指令前饋函數為0～0、100～50兩段；細化熱一次風門指令至冷一次風門開度指令前饋比例(見圖3)，同時將冷風調節的積分參數由原來的80S改至225S，增大積分時間，減小積分作用，產生的效果與熱風調門修改參數相同。修改后，通過實際驗證，磨煤機一次風量在機組協調變負荷后不再振蕩；同時系統的主蒸汽溫度、主蒸汽壓力等參數也不再振蕩，整個協調控制系統在變負荷后能夠很快穩定下來，機組參數控制平穩，蒸汽溫度、蒸汽壓力參數符合設計要求。

6　結語

磨煤機一次風量的變化對機組汽溫及汽壓的影響要快于煤量指令的變化。變負荷過程中可以通過合理地加一次風壓及一次風量的前饋，加快機組的鍋爐系統的響應速度。合理利用磨煤機一次風及制粉系統的響應特性，將會對協調控制系統的優化產生獨特的效果。協調狀態下，子系統的自動控制與整個機組協調控制是相互影響的，因此重要的子系統在做擾動試驗時要考慮到協調控制系統對其自動控制的影響。磨煤機一次風系統的模擬量控制作為整個協調控制中非常重要的一環，其控制效果的好壞、是否能夠實現穩快準，是整個協調控制系統的快速穩定必要條件。

參考文獻：

[1] 焦健, 李益國, 沈炯. 中速磨煤機制粉系統的推斷預測控制方法[J]. 發電設備, 2017, 31(1): 9-13.

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