3爐2機母管制背壓式供熱機組協調控制研究

房國成，王　磊，金龍飛

(1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧　沈陽　110006; 2.大慶油田工程建設公司油建電力公司，黑龍江　大慶　163000)

在風電、水電、核電、火電等電力系統發電企業中，火電廠毫無疑問是整個電力系統中非常重要的組成部分，而自動控制水平對整個電力事業的發展又起到至關重要的作用[1]。隨著我國電力事業的飛速發展，火電機組的自動化水平越來越高，單元制機組的自動控制更是非常成熟，機爐協調控制和整個系統的運行參數也非常穩定；但對于母管制機組的協調控制卻經驗不足，也沒有相對成熟的控制方法。

保證整個火電機組安全穩定運行的重要因素就是機組的自動控制水平，也就是機組的協調控制方式，協調控制系統是從國外隨DCS引進的控制概念[2]，在協調方式下，設計一個機組負荷控制回路，一個主汽壓力控制回路的結構，狹義歸納為協調機組負荷和主汽壓力的控制系統。但從本質上講，它表現為一種能量平衡，生產攜帶熱能的蒸汽離不開水、燃料、風量等，為了增大機組負荷，相關輔機也要按比例參與調整，保證系統的物量平衡和出力平衡[3-4]。

1　系統概述

本文所研究的母管制機組配置2臺汽輪機和3臺鍋爐，鍋爐采用哈爾濱鍋爐廠有限責任公司根據國內最新技術、國家最新標準設計制造的HG-350/11.5-HM1型超高溫高壓、單爐筒橫置式、單爐膛、自然循環、平衡通風、懸吊結構、全鋼結構煤粉爐。汽輪機為東方汽輪機廠有限責任公司生產的沖動式、高溫高壓、單缸單軸、一級調整抽汽、背壓式CB50-10.5/3.8/1.3型汽輪機。發電機為山東濟南發電設備廠生產的50WX18Z-047LLT型空冷發電機。

中壓供熱汽源為汽輪機一級可調整抽汽，通過汽輪機座缸閥進行調節，抽汽口位置為汽輪機第7級葉片后，蒸汽從抽汽口抽出后接三通，一路蒸汽供給1號高加加熱使用，另一路與鄰機管路并聯接入中壓供熱母管，提供外網中壓供熱；中壓抽汽管道從汽輪機房引出，接至供熱母管，抽汽管道上裝有安全閥、氣動逆止閥、氣動調節閥和電動隔斷閥。汽輪機排汽管道上裝有安全閥、逆止閥和電動隔斷閥。

低壓供熱汽源為汽輪機排汽，在汽輪機內部做功后的蒸汽仍具有較高參數，蒸汽從汽輪機排出后，通過三通分成兩路，一路通向2號高加、除氧器進汽母管、小機進汽母管，另一路經液壓閥、氣動逆止閥、電動隔離門后與鄰機管路并聯接入低壓供熱母管。為方便2臺機組低壓供熱管路隔離，2臺機組低壓供熱管路之間裝有電動門和手動門[5]。

2　單元制機組協調控制

機組的CCS協調控制方式指機組鍋爐主控和汽輪機主控均在自動控制方式下，一般情況下分為以下4種控制方式。

a. “鍋爐引、送風機動葉、靜葉自動方式”運行，“一次風機自動方式”運行，至少投入1臺給煤機給煤量自動控制方式運行，投入鍋爐“給煤量自動控制方式”運行，投入鍋爐“燃料主控自動控制方式”運行，投入“鍋爐主控自動控制方式”運行，機組就轉換為“鍋爐跟隨方式”運行，機組處于“鍋爐跟隨方式”運行時，點擊“CCS遙控方式請求”按鈕，汽輪機DEH主控盤上“遙控請求”按鈕燈亮，點擊DEH主控盤上“遙控方式”按鈕，機組負荷控制中心畫面“汽輪機主控手動控制方式”運行，將其投入自動控制方式運行，機組就轉換為CCS協調控制方式運行[6-7]。

b. 手動方式：汽輪機主控和鍋爐主控均在手動控制方式。

c. 汽輪機跟隨方式：鍋爐主控為手動方式，汽輪機主控為自動方式，跟蹤機前壓力，通過開關調門來維持壓力穩定。此方式下汽輪機高壓調門擺動幅度較大，一般不建議使用。

d. 鍋爐跟隨方式：鍋爐主控為自動方式，汽輪機主控為手動方式。負荷變化時手動開大或關小調門，當機前壓力變化時，鍋爐采取自動增加燃料量方式維持壓力穩定[8]。

3　母管制背壓機組協調控制

3.1　協調控制的主要方向

將與主蒸汽母管連通的3臺鍋爐和2臺汽輪機以及高壓和低壓熱用戶作為一個整體來綜合考慮，把3臺鍋爐與2臺汽輪機進行解耦控制，實現抑制鍋爐自振，減小爐間互擾，合理分配負荷目的[9]。當母管壓力不穩定時，協調控制系統可以優化分配，同時調節多臺鍋爐的負荷，使得母管壓力能夠在最快的時間內得到穩定。

3.2　控制原則及調節對象

根據3爐2機的結構采用“就近原則”，減少蒸汽在母管內的橫向流動，減少流動損失，實現快速響應并消除擾動因素，穩定母管壓力，提高機組安全，保證蒸汽品質，提高鍋爐效率。調節對象是多個變量，包括主蒸汽流量、電負荷以及主蒸汽母管的壓力。

3.3　基于能量平衡的控制策略

將母管壓力及汽輪機能量變化信號轉化為熱量負荷需求信號，將并列運行的鍋爐作為蒸汽供給的一個整體，以3臺鍋爐并列運行為例，其理想熱量信號為

(D1+(Cb1·dPb1/dt))+(D2+(Cb2·dPb2/dt))+(D3+(Cb3·dPb3/dt))=Di+∑Cbi·dPbi/dt

(1)

對于母管制機組，汽輪機側能量信號可以使用D·P0/PM來表示汽輪機側總的蒸汽流量需求(其中D為汽輪機側總蒸汽流量,P0為母管壓力定值,PM為母管壓力)。當機組能量平衡時，鍋爐產生的能量與汽輪機所需能量平衡，即：

Di+∑Cbi·dPbi/dt=D·P0/PM

(2)

當控制系統處于穩態時,dPbi/dt=0,即PM=P0。這表明系統能量達到平衡時，母管壓力等于定值壓力。

對于調壓鍋爐，控制系統不僅要消除調壓爐自身燃燒率的自發性擾動，還要消除其它各臺鍋爐燃燒率的擾動及汽輪機側蒸汽流量變化對母管壓力的影響。非調壓爐穩定本爐的熱負荷，不參與母管壓力調節，將流量需求信號按設定的規則動態分配給參與調壓的鍋爐。

3.4　主蒸汽母管壓力要求

主蒸汽母管壓力協調控制中要計算的內容分為母管蒸汽中需求量計算、調壓鍋爐組總負荷計算和調壓鍋爐組總負荷優化分配3個方面。通過這些相關量的計算得到實現母管協調控制各臺鍋爐所需的蒸汽負荷。將所有并列運行的鍋爐分為提供固定負荷的鍋爐和參與母管協調控制的調壓鍋爐2種。固定負荷鍋爐的蒸發量在母管壓力變化時保持不變，其所提供的蒸汽負荷值為預設值；調壓鍋爐根據蒸汽鍋爐總需求量的變化調整自身的蒸汽量，維持母管壓力穩定。所有調壓鍋爐定義為調壓鍋爐組。

母管蒸汽總需求量變化時，根據所有固定負荷鍋爐的總蒸發量，計算出調壓鍋爐組需要承擔的總蒸發量，以該蒸發量為給定值，以當前調壓鍋爐組的實際蒸發量為被調量，調整調壓鍋爐組的實際總蒸發量，使之達到給定值。

調壓鍋爐組的總負荷進行優化分配，計算出調壓鍋爐組內各臺調壓鍋爐所應承擔的蒸汽負荷。由于每臺鍋爐的特性各不相同，分配時需要根據各臺調壓鍋爐的自身特性，優化分配。不同特性的調壓鍋爐，承擔不同的負荷變化量，所有調壓鍋爐根據分配的蒸汽負荷變化量調整燃燒狀態，最終實現母管壓力穩定控制。

4　結束語

對于母管制背壓式機組的協調控制，必須同時控制好機組背壓、主蒸汽壓力和主蒸汽流量3個參數，當2臺及2臺以上鍋爐運行時，所有鍋爐均參與調節主汽壓力，這樣才能最大限度地保證母管蒸汽壓力，同時在汽輪機側控制機組背壓，盡量減小主汽壓力波動對系統的影響，從而保證機組的安全穩定運行。