FCB工況下的給水控制系統改進與優化

王 孟,賴艷云,沈春明,丁志強

(1.中國能源建設集團華東電力試驗研究院有限公司，浙江 杭州 311022；2.中國能源建設集團浙江火電建設有限公司，浙江 杭州 310016)

0 引言

在“一帶一路”的政策下，越來越多的國產機組出口至東南亞地區。由于東南亞地區易發生電網故障事故，在項目購電協議(power purchase agreement，PPA)中，均會有一則條款:正式商運前，必須完成100%負荷下的快速切負荷(fast cut back,FCB)試驗。FCB是指機組在外網故障，發電功率不能輸送至電網時，機組快速降負荷，穩定鍋爐燃燒，維持汽機3 000 r/min。發電機帶廠用電負荷維持孤島運行,待電網故障消除后，機組可在短時間內恢復并網[1-2]。

國內一些工程技術人員先后開展了涉及FCB工況的給水控制系統的理論與實踐研究工作。文獻[3]針對亞臨界機組FCB過程中出現汽包水位波動大的問題，提出了提高汽動給泵進汽調節閥開度下限，給出了水三沖量切換至單沖量的策略；文獻[4]利用MATALAB仿真平臺建立給水調節系統數學模型，研究汽包爐負荷變化對給水泵汽輪機轉速的影響；文獻[5]通過研究660 MW小旁路亞臨界機組高負負荷工況下FCB工況與磨煤機深度RB試驗的相似點，對單汽泵給水控制進行優化，且并未經實際FCB工況驗證。對于超臨界機組考慮滿負荷FCB工況的給水控制系統的研究，目前還鮮有涉及。

本文針對FCB工況下超臨界機組給水控制系統的任務和難點進行研究分析，對常規給水控制策略提出了相應的改進措施。同時，針對優化后預備性試驗出現的問題進行分析總結，并進一步改進完善，最終實現了在滿負荷FCB工況下給水系統的自動調節功能。

1 機組及給水系統配置簡介

印尼某超臨界燃煤電站機組容量660 MW，額定工況主要參數如下:主蒸汽壓力為24.2 MPa，主蒸汽進汽流量為1 977.13 t/h，再熱蒸汽壓力為4.127 MPa，再熱蒸汽流量為1 614.81 t/h，主、再熱蒸汽溫度均為566 ℃，鍋爐配置4只總排放量為20%鍋爐最大連續蒸發量(boiler maximum continuous rating,BMCR)的電磁泄壓閥(PCV)。旁路為容量60%BMCR高低壓兩級串聯液壓驅動旁路系統。

本機組給水系統配置2×50%BMCR 的汽動給水泵組，一臺30%BMCR電動給水泵。電動給水泵僅供機組啟動用，不能作為汽動給水泵的備用泵。給水泵汽輪機采用東方汽輪機有限公司生產的型號為G16-1.0汽輪機。汽動給水泵正常運行時,汽源由四級抽汽提供，啟動調試時由輔助蒸汽提供，再熱冷段蒸汽作為其高壓汽源備用。

2 FCB工況下給水控制的任務及難點

2.1 FCB動作邏輯

機組從電網解列觸發FCB動作后，協調系統切換至基本方式。鍋爐目標負荷40%BMCR，按照FCB跳磨順序保留3臺磨煤機，數字電液(digital electro hydrautic,DEH)轉為本地轉速控制，定速目標3 000 r/min，帶自身廠用電運行[6]。高低壓旁路快開后轉入壓力控制模式，按設定壓力曲線調整主、再熱蒸汽，打開高低壓旁路系統[7]，自動調節主蒸汽壓力使其與鍋爐負荷相匹配。

為防止鍋爐超壓，當負荷大于70%時觸發FCB或主蒸汽壓力大于26.67 MPa時，自動打開4個PCV閥，主汽壓力低于23.8 MPa后延時5 s復位。

FCB發生后，給水控制系統既要響應鍋爐負荷要求快速降低至40%負荷對應的給水流量，又要防止動力汽源切換至備用汽源過程中給水流量過低導致鍋爐(main fuel trip,MFT)動作。為此，給水控制系統須具備以下功能。機組FCB動作邏輯圖[10]如圖1所示。

圖1 機組FCB動作邏輯圖

2.2 快速減小給水流量，與目標負荷匹配

滿負荷運行狀態下機組發生FCB時，瞬間甩去90%以上電負荷，鍋爐熱負荷必須同步快減至FCB目標值。與此同時，給水流量需要與鍋爐負荷相匹配，快速降低至目標值。正常升降負荷給水指令由鍋爐負荷曲線經過一階慣性環節得到。在FCB工況下，慣性時間應遠小于正常升降負荷時的數值。

2.3 自動切換蒸汽汽源， 蒸汽供汽能量平衡

FCB發生后，四抽蒸汽壓力驟降，給水泵汽源需要平穩切換至備用汽源，避免因四抽蒸汽失去給水流量突降至低限值以下。根據當前四抽蒸汽流量值，需要增加與其匹配的備用汽源流量，維持給水泵正常轉速，使給水系統具備正常調節性能。

2.4 維持給水泵供汽壓力，防止給水流量驟降

FCB發生后，給水泵供汽壓力驟降。因此在增加備用汽源維持蒸汽平衡的同時，需維持給水壓力的穩定，防止給水流量驟降或者劇烈波動，使給水泵汽輪機具備可靠的調節性能，保證機組安全運行。

3 給水控制策略分析

3.1 給水系統控制策略

在FCB工況下，機組狀態切換為基本模式，負荷主要取決于鍋爐燃料量[8-9]。因此，給水指令設定值主要取決于鍋爐主控指令，同時給水系統也承擔了機組過熱度的調節任務。對此，在給水指令上疊加對過熱度控制的修正量，疊加后的給水指令經一階慣性環節輸出至控制回路。慣性時間數據由不同運行方式決定。增加了優先級高于RB模式的FCB模式。在FCB模式下，減小慣性時間，使指令變化更快。給水指令設定值行程回路邏輯如圖2所示。

圖2 給水指令設定值行程回路邏輯圖

給水流量控制為常規的比例積分(proportional integral,PI)調節器，給水流量與給水指令偏差經PI調節器運算輸出汽泵轉速指令，轉速指令通過平衡塊分配給兩臺汽動給水泵。隨著FCB信號觸發，鍋爐指令自動降至40%，隨后給水調節器自動調節給水流量至鍋爐負荷對應值。

3.2 汽動給水泵高、低壓調節閥控制策略

機組正常運行時，高壓調節閥關閉，給水流量PI調節器輸出指令至低壓調節閥，通過調節進汽量控制給水泵汽輪機轉速，調節給水流量滿足實際負荷需求。當給水指令不變、進汽壓力降低時，低壓調節閥逐漸開啟，以維持當前轉速。當低壓調節閥開度大于80%時，開啟高壓調節閥，高低壓調節閥開度按照設定的閥門重疊度曲線進行自動調節[9]；反之，進汽壓力增大，低壓調節閥開度減小至80%以下，關閉高壓調節閥，由低壓調節閥單獨調節汽動給水泵轉速。

在FCB工況下，汽泵進汽壓力急劇下降，需提前開啟高壓調節閥。隨后，由高低壓調節閥共同調節汽動給水泵轉速，維持給水流量與當前負荷匹配。

3.3 汽源切換控制策略

四段抽汽、再熱蒸汽冷段與輔助蒸汽在給水泵汽輪機速關閥前匯合，經低壓調節閥進入機組噴嘴室做功[8]。正常運行時，四段抽汽作為動力汽源，輔汽與冷再蒸汽作為熱備用。在FCB觸發后，迅速切斷四抽蒸汽，開啟備用汽源，高低壓調節閥共同調節給水流量。

3.4 汽泵再循環閥控制

為了保證給水泵最小流量，分別設置再循環閥開啟和關閉方向的流量函數曲線。當給水泵出口給水流量低于680 t/h，再循環閥開啟；當給泵出口流量低于360 t時，再循環閥全開。同時，為了避免再循環閥在小流量波動段頻繁動作調整，在開、關曲線間增加一定的間隙。

4 甩負荷試驗出現的問題及解決辦法

通過對FCB工況下給水控制的任務和難點分析，針對性地優化了部分控制策略，并進行了參數整定和擾動試驗。為了順利完成100%負荷FCB試驗，進行了100%甩負荷試驗，用于測試優化后的給水系統在惡劣工況下的自動響應情況。

4.1 100%甩負荷試驗過程,

2019年6月2日21時38分，機組負荷660 MW，基本模式運行，汽動給水泵A、B均采用四抽與輔汽供汽，冷再熱蒸汽熱備用方式運行。甩負荷前20 s、10 s分別各手動停一臺磨煤機。在21時47分57秒，手動分并網開關，3 s后汽機至最高轉速3 193 r/min。在21時48分04秒，汽動給水泵B跳閘。在21時48分11秒，汽動給水泵A再循環調節閥超馳至全開。在21時48分14秒，鍋爐給水流量低至255 t/h ，鍋爐動作。

4.2 給水流量低原因分析

甩負荷瞬間，切換閥未能快速開啟，汽泵A進汽壓力由1.03 MPa降低至0.42 MPa，汽泵B進汽壓力分別由1.04 MPa降低至0.32 MPa。汽源壓力下降致汽泵轉速下降，最低至3 758 r/min，給水流量也隨之大幅下降，給水泵B由于實際轉速與指令偏差大而跳閘。給水流量低至鍋爐主燃料跳閘保護動作值。

綜上分析，導致100%甩負荷期間給水流量低的原因如下。

①切換閥開啟時機滯后，汽動給水泵進汽壓力大幅度降低。②汽泵進汽壓力不足以維持給水泵汽輪機轉速，給水系統調節功能大大降低。③汽泵再循環調節閥分流效應過強，給水流量降低。

4.3 解決措施

4.3.1 切換閥前饋量的確定

為更快速地切換汽源，FCB發生瞬間，直接觸發汽泵A、B的高壓切換閥超馳開。開啟的開度應滿足蒸汽切換的供汽需求。

FCB發生后，切換閥超馳開啟。FCB發生前后蒸汽流量應具有如下關系，才能保證工質平衡:

Q1=Q2

(1)

式中:Q1四抽蒸汽流量；Q2為切換閥超馳開啟后應通過的蒸汽流量。

根據廠家提供的切換閥流量計算書，流經切換閥流量與蒸汽壓力焓值、差壓、切換閥開度有如下關系:

Q2=k×ΔP×p1×[438×(0.028×H-16.5)]

(2)

式中:k為切換閥開度,%;ΔP為切換閥前后差壓，kPa;H為再熱蒸汽焓值，kJ/kg;p1為再熱蒸汽壓力。

由FCB發生前四抽蒸汽流量及當時的再熱蒸汽參數可知切換閥階躍開啟的開度k,如式(3)所示。

(3)

因此，在不同負荷段FCB工況下切換閥的階躍前饋量，均可以由相關參數確定。

4.3.2 切換閥控制策略的調整

切換閥超馳開啟后，為了維持汽泵進口壓力穩定，在FCB模式下，將切換閥控制對象切換為汽泵進汽壓力。考慮到FCB惡劣的工況，壓力設定值在負荷函數的基礎上增加一定的偏置值，保持汽動給水泵較好的調節性能。

4.3.3 汽泵再循環閥控制對應的流量曲線參數調整

為減少汽泵再循環流量的分流效應，需調整汽泵再循環閥控制對應的流量曲線參數、降低再循環門開啟的流量門檻值，同時降低再循環門流量低保護值。汽泵再循環閥門開度與流量控制如圖3所示。改善汽泵再循環流量對給水系統的擾動，避免給水流量驟降。

圖3 汽泵再循環閥門開度與流量控制示意圖

5 100%負荷下FCB運行情況

2019年6月5日10點07分01秒，機組滿負荷運行，模擬電氣零功率保護動作，跳主變高壓側開關，觸發FCB動作，機組負荷迅速由660 MW降至40 MW，發電機帶廠用電運行。

①FCB觸發后，鍋爐快卸負荷，PCV閥自動打開，高低壓旁路快開，DEH轉為本地轉速控制，汽機轉速開始飛升[10]，轉速最高達到3 175 r/min，最低降至2 970 r/min。經過OPC控制、轉速調節，約30 s后，轉速保持在3 000 r/min左右。

②汽動給水泵切換閥A、B進入FCB控制模式，分別超馳開啟至35.2%和34.6%。由于汽源切換時間差的原因，汽動給水泵入口蒸汽壓力從1.04 MPa突降至0.85 MPa，隨后切換閥切換至FCB控制模式，自動調節給水泵進汽壓力。壓力設定值根據鍋爐負荷函數自動生成。

③FCB動作瞬間，由于蒸汽切換，經8 s后汽動給水泵A轉速由5 045 r/min下降至4 800 r/min，汽泵B轉速的5 035 r/min降至4 700 r/min， 15 s后給水流量最低降至780 t/h。隨后，在給水控制系統自動調節下，約1 min后穩定在目標負荷時對應的給水流量890 t/h，對給水系統控制系統的改造經實際驗證初見成效。

④FCB發生后，主再熱汽溫、凝汽器真空、汽機振動等參數均未出現大幅波動現象。

2019年6月5日10點22分45秒，經自動調節，各項參數趨于穩定，機組再次并網升負荷， 100%負荷FCB試驗取得成功。 控制系統優化前后試驗數據對比如表1所示。

表1 控制系統優化前后試驗數據對比

6 結論

FCB工況下對給水控制系統的改造和優化，成功實現了極端惡劣工況下給水控制系統的自動調節功能，并在100%負荷FCB試驗中發揮了較大的作用，在一定程度上保證了FCB工況下機組的安全穩定運行。這為今后其他類似過程控制系統的策略改進與優化提供了一定的參考。