超超臨界機(jī)組RB控制策略優(yōu)化研究與試驗(yàn)分析

李 魯，岳 良，耿學(xué)軍，張 威

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，武漢 430077；2.黃岡大別山發(fā)電有限責(zé)任公司，湖北 黃岡 438300；3.湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，武漢 430077）

0 引言

圖1 RB控制策略簡(jiǎn)圖Fig.1 Simplified diagram of RB control strategy

火力發(fā)電廠RB（RUNBACK，輔機(jī)故障減負(fù)荷）功能是指重要輔機(jī)或設(shè)備發(fā)生故障后，能夠自動(dòng)快速地減至目標(biāo)負(fù)荷，并控制主要參數(shù)在允許范圍內(nèi)，從而使機(jī)組能夠繼續(xù)保持安全運(yùn)行的功能[1-3]。隨著電網(wǎng)大容量參數(shù)火力發(fā)電機(jī)組的日益增多，保障大容量、高參數(shù)發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有極其重要的意義[4-6]。輔機(jī)故障減負(fù)荷作為超超臨界參數(shù)火電機(jī)組最重要的控制及保護(hù)功能之一，不僅能避免發(fā)電機(jī)組非正常停機(jī)和損壞設(shè)備的情況發(fā)生，又能避免電網(wǎng)遭受機(jī)組停運(yùn)產(chǎn)生的負(fù)荷沖擊影響。因此，為了電網(wǎng)和設(shè)備的安全考慮，有必要對(duì)優(yōu)化和完善超超臨界機(jī)組RB控制策略展開研究和探討。

本文在大別山電廠二期擴(kuò)建工程某660MW超超臨界機(jī)組的RB初始控制策略的基礎(chǔ)上，提出了優(yōu)化方案并通過動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的合理性。該機(jī)組鍋爐為東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、超超臨界壓力燃煤直流鍋爐，設(shè)置6臺(tái)中速磨煤機(jī)，采用正壓直吹式冷一次風(fēng)機(jī)制粉系統(tǒng)，六大風(fēng)機(jī)均為動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)。汽輪機(jī)為北重阿爾斯通（北京）電氣裝備有限公司生產(chǎn)的超超臨界、一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、9級(jí)回?zé)帷窭洹⒛狡啓C(jī)，給水系統(tǒng)為單元制并配置一臺(tái)100%容量的汽動(dòng)給水泵。因此，該機(jī)組取消給水泵RB功能，只設(shè)計(jì)磨煤機(jī)、送/引風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)RB功能。

1 RB控制策略概述

RB動(dòng)作的判斷通過RB公共邏輯實(shí)現(xiàn)，動(dòng)作過程則主要依靠FSSS系統(tǒng)和MCS系統(tǒng)來完成[7,8]。圖1所示為RB控制策略簡(jiǎn)圖，RB公共邏輯主要完成機(jī)組RB工況判斷、RB投退和復(fù)位功能。當(dāng)投入該功能且觸發(fā)條件滿足時(shí)，自動(dòng)判斷RB工況并生成動(dòng)作信號(hào)，此時(shí)FSSS系統(tǒng)主要完成自動(dòng)停磨和投油等控制功能，MCS系統(tǒng)主要完成控制負(fù)荷降至目標(biāo)負(fù)荷的功能，并在此過程中保持主汽溫、再熱汽溫和爐膛壓力等重要參數(shù)的穩(wěn)定，防止參數(shù)劇烈波動(dòng)。動(dòng)作結(jié)束的條件為：負(fù)荷指令與RB目標(biāo)負(fù)荷偏差小于20MW，此時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)復(fù)位；或者運(yùn)行人員在判斷負(fù)荷、主汽溫度和主汽壓力穩(wěn)定后，可以選擇手動(dòng)復(fù)位。

1.1 RB觸發(fā)策略

RB投入的條件為CCS投入，當(dāng)CCS退出時(shí)自動(dòng)切除RB功能，只有當(dāng)投入RB總投切開關(guān)和相應(yīng)RB功能投切開關(guān)時(shí)，才會(huì)觸發(fā)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作指令。磨煤機(jī)RB觸發(fā)條件為：運(yùn)行中的磨煤機(jī)故障跳閘后，當(dāng)前負(fù)荷指令與磨煤機(jī)跳閘后的煤層投運(yùn)數(shù)量對(duì)應(yīng)的負(fù)荷（設(shè)計(jì)為每一層煤投運(yùn)對(duì)應(yīng)130MW負(fù)荷）偏差超過30MW；送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)RB的觸發(fā)條件為：雙側(cè)運(yùn)行的任一風(fēng)機(jī)故障跳閘后，且當(dāng)前負(fù)荷指令大于此風(fēng)機(jī)RB目標(biāo)負(fù)荷50MW。若同時(shí)發(fā)生兩種及以上RB，其對(duì)應(yīng)的目標(biāo)負(fù)荷值取最小值作為新的目標(biāo)負(fù)荷，降負(fù)荷速率取最大值送至MCS系統(tǒng)。

1.2 RB動(dòng)作策略

RB動(dòng)作信號(hào)生成后，通過FSSS和MCS系統(tǒng)完成一系列聯(lián)鎖保護(hù)和自動(dòng)調(diào)節(jié)操作。磨煤機(jī)RB動(dòng)作指令有以下幾條：

1）順控投入C層等離子和A層微油燃燒器，屏蔽油點(diǎn)火允許中爐膛壓力限制條件。

2）投入油燃燒器后，短時(shí)間內(nèi)燃油母管壓力會(huì)突降。為避免觸發(fā)OFT動(dòng)作，將OFT中“燃油母管壓力低低”條件延時(shí)，由10s切換為30s。

3）投入油燃燒器和等離子燃燒器操作大部分在啟動(dòng)點(diǎn)火初期進(jìn)行，所以當(dāng)投入失敗后需立即關(guān)閉磨煤機(jī)出口風(fēng)粉排出閥，以切斷進(jìn)入爐膛的燃料。為防止投入油燃燒器或等離子失敗后動(dòng)作出口風(fēng)粉排出閥導(dǎo)致相應(yīng)的磨煤機(jī)停機(jī)，在RB發(fā)生后，自動(dòng)屏蔽磨煤機(jī)出口風(fēng)粉排出閥的該保護(hù)條件。

4）隨著燃料量的變化汽溫會(huì)迅速下降，為使主再熱汽溫及時(shí)回調(diào)，在20s內(nèi)超馳關(guān)閉一級(jí)減溫水調(diào)閥、二級(jí)減溫水調(diào)閥和再熱減溫水調(diào)閥。

5）機(jī)組由CCS方式切至TF方式，維持滑壓運(yùn)行模式，DEH保持遙控模式。通過調(diào)節(jié)調(diào)門開度控制主汽壓力，主汽壓力設(shè)定值變化速率由0.2 MPa/min切為1 MPa/min，隨滑壓曲線降至目標(biāo)負(fù)荷對(duì)應(yīng)的主汽壓力。

6）燃料主控、給水主控等回路保持自動(dòng)，燃料量和給水量設(shè)定值根據(jù)鍋爐負(fù)荷指令函數(shù)生成，此時(shí)鍋爐負(fù)荷指令以13MW/s的速率降至目標(biāo)負(fù)荷。

7）為防止轉(zhuǎn)TF方式時(shí)，因主汽壓力的變化使汽機(jī)調(diào)門動(dòng)作導(dǎo)致負(fù)荷反調(diào)，設(shè)置汽機(jī)主控指令在25s內(nèi)禁增。

8）系統(tǒng)判斷有瞬間切磨時(shí)，每切一臺(tái)磨一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉超馳減少4%，以減小因跳磨引起的一次風(fēng)壓波動(dòng)。

9）取消負(fù)荷指令速率限制。

10）取消風(fēng)煤交叉、水煤交叉限制允許。

圖2 A磨跳閘觸發(fā)RB邏輯Fig.2 Trigger RB logic of A mill trip

送/引風(fēng)機(jī)RB后，除了上述的動(dòng)作指令外，若有4臺(tái)或4臺(tái)以上磨煤機(jī)運(yùn)行，則以6s的間隔依次停F磨、E磨、D磨，直至保留3臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，4臺(tái)以下磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)不發(fā)出停磨指令。

除磨煤機(jī)和送/引風(fēng)機(jī)RB發(fā)生后的動(dòng)作外，一次風(fēng)機(jī)RB時(shí)需要更加快速的停磨操作來維持一次風(fēng)壓平衡，將停磨間隔時(shí)間由6s切換為3s，而此時(shí)由于停磨間隔加快，鍋爐負(fù)荷指令降速率需要在之前基礎(chǔ)上稍微加快，以16MW/s速率降至目標(biāo)負(fù)荷。同時(shí)，為避免一次風(fēng)壓低觸發(fā)磨煤機(jī)保護(hù)動(dòng)作，磨煤機(jī)一次風(fēng)壓低保護(hù)延時(shí)由15s切換至120s。

2 RB控制策略優(yōu)化

2.1 優(yōu)化思路

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)程DL/T1213-2013《火力發(fā)電機(jī)組輔機(jī)故障減負(fù)荷技術(shù)規(guī)程》要求，評(píng)判RB動(dòng)作是否成功應(yīng)同時(shí)滿足以下條件：一是不引起機(jī)組跳閘，二是主要參數(shù)在安全范圍內(nèi)。所以優(yōu)化控制策略的目標(biāo)就是針對(duì)以上兩點(diǎn)，提高機(jī)組RB動(dòng)作的可靠性和安全性以及盡量減小動(dòng)作過程中主要參數(shù)的變化幅度。

在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中，RB與重要的主保護(hù)功能一樣時(shí)刻保護(hù)著機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，與熱工保護(hù)一樣，其功能的完善、正確和可靠是機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。因此，優(yōu)化控制策略的思路需要考慮設(shè)計(jì)完善的防止誤動(dòng)和拒動(dòng)以及保護(hù)條件的冗余性的控制措施。

主汽溫、再熱汽溫、一次風(fēng)壓和爐膛壓力等參數(shù)會(huì)在RB工況下發(fā)生劇烈的波動(dòng)變化，嚴(yán)重威脅了設(shè)備的安全。因此，在降低這些參數(shù)變化幅度方面也應(yīng)采取一定的優(yōu)化措施。

2.2 磨煤機(jī)RB觸發(fā)邏輯優(yōu)化

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)所有磨煤機(jī)并非全部運(yùn)行，而且會(huì)經(jīng)常進(jìn)行啟、停磨煤機(jī)的操作。因此，不能以類似于風(fēng)機(jī)取運(yùn)行信號(hào)消失來作為RB的觸發(fā)條件。以A磨為例，優(yōu)化后的判斷條件如圖2所示，判斷條件有：A磨煤機(jī)運(yùn)行信號(hào)消失、A給煤機(jī)已運(yùn)行180s、機(jī)組負(fù)荷大于330MW和A給煤機(jī)瞬時(shí)煤量大于24t/h，只有滿足上述條件后，才會(huì)觸發(fā)磨煤機(jī)RB動(dòng)作。

2.3 至FSSS邏輯優(yōu)化

根據(jù)《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》第9.4.3條中的要求：所有重要主、輔機(jī)的保護(hù)都應(yīng)采取“三取二”的判斷方式，所以為滿足上述要求，自動(dòng)停磨邏輯判斷不能只采用一個(gè)RB信號(hào)。優(yōu)化后的邏輯實(shí)現(xiàn)方案為：將送往FSSS的信號(hào)增加3個(gè)DO以硬接線方式送往FSSS柜，RB通訊到FSSS的信號(hào)與硬接線信號(hào)“三取二”后作為停磨的判斷條件。

自動(dòng)投油邏輯原設(shè)計(jì)為僅投入A層微油，若此時(shí)A磨沒有運(yùn)行，則無法投入A層微油，易使得機(jī)組穩(wěn)燃負(fù)荷不夠?qū)е洛仩tMFT。優(yōu)化后的邏輯為：順序投入A、B、C、D、E、F層油燃燒器（并判斷投運(yùn)煤層），任一層油燃燒器投運(yùn)后順控復(fù)位。如圖3所示，RB自動(dòng)投油信號(hào)為一個(gè)8s脈沖信號(hào)，首先以A至F的順序判斷投運(yùn)煤層直至確認(rèn)最近的投運(yùn)煤層，然后自動(dòng)投入該煤層的油燃燒器，檢測(cè)到有投運(yùn)煤層后延時(shí)10s判斷下一個(gè)煤層的投運(yùn)狀態(tài)，然而此時(shí)自動(dòng)投油信號(hào)8s脈沖已過，因此該邏輯確保了RB后只會(huì)有一層油燃燒器投運(yùn)。

2.4 針對(duì)汽輪機(jī)保護(hù)特點(diǎn)的優(yōu)化

RB動(dòng)作后存在停磨的過程，燃料量瞬間下降的同時(shí)汽溫也會(huì)迅速下降，所以常規(guī)超超臨界機(jī)組主汽壓力變化速率一般設(shè)置較快以滿足快速穩(wěn)定汽溫的需要。與常規(guī)機(jī)組不同，北重阿爾斯通汽輪機(jī)設(shè)置了高壓缸和中壓缸熱應(yīng)力保護(hù)，過快的蒸汽溫度變化有可能會(huì)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作從而導(dǎo)致汽輪機(jī)跳閘的嚴(yán)重后果，為保證汽輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，將控制策略做如下優(yōu)化：

圖3 RB投油邏輯Fig.3 RB put in oil logic

1）放慢主汽壓力下降速率，由原先設(shè)計(jì)的1MPa/min優(yōu)化設(shè)置為0.9MPa/min。

2）為防止再熱汽溫進(jìn)一步降低，60s內(nèi)置過熱煙氣擋板30%開度并全開再熱煙氣擋板。

3）燃料指令是隨著鍋爐負(fù)荷指令函數(shù)生成的，在燃料量瞬間下降的同時(shí)，燃料指令是緩慢下降的，此時(shí)燃料主控輸出增加的同時(shí)燃料量繼續(xù)增加，所以RB后需要燃料主控輸出保持不變一段時(shí)間再進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，增加了RB后燃料主控指令30s內(nèi)維持不變的控制策略。

4）RB發(fā)生后，適當(dāng)加快給水調(diào)節(jié)速度，將給水指令變化速率由1.1t/s切換為10t/s，三階慣性時(shí)間由30s切換為24s，PID積分時(shí)間由70s切換為60s；屏蔽小機(jī)轉(zhuǎn)速指令與反饋偏差過大解除小機(jī)遙控的條件；同時(shí)，加大給水指令與反饋偏差閉鎖間的定值，由-100t/h切至-600t/h。

2.5 爐膛壓力控制優(yōu)化

燃料量、給水量和一次風(fēng)壓急劇變化的惡劣工況會(huì)引起爐膛壓力短時(shí)間內(nèi)急劇波動(dòng)，嚴(yán)重威脅了機(jī)組的安全。為了控制爐膛壓力的穩(wěn)定，采取了以下控制措施：

1）單側(cè)引風(fēng)機(jī)停止后，為避免另一側(cè)引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉瞬間增加導(dǎo)致爐膛壓力劇烈波動(dòng)，引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度閉鎖增加了RB信號(hào)觸發(fā)20s之內(nèi)和引風(fēng)機(jī)電流大于617A（額定電流值）兩個(gè)條件，并設(shè)置引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度上限為80%。

2）每當(dāng)有一臺(tái)運(yùn)行的磨煤機(jī)停止后，立即減小引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令5%。

3）一次風(fēng)機(jī)RB后引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令減小5%。

4）送風(fēng)機(jī)的出力變化也會(huì)影響爐膛壓力的變化，并且為了在負(fù)荷指令變化后確保先減燃料再減風(fēng)，適當(dāng)增加風(fēng)量指令遲延，RB后將風(fēng)量指令濾波時(shí)間由15s增至20s，達(dá)到減緩風(fēng)量調(diào)節(jié)和減慢送風(fēng)機(jī)出力變化的作用。

3 RB試驗(yàn)

將以上優(yōu)化后的控制策略進(jìn)行工程實(shí)踐，結(jié)合單臺(tái)輔機(jī)最大出力試驗(yàn)結(jié)果，合理設(shè)置了不同RB的負(fù)荷目標(biāo)值，并進(jìn)行了以下幾個(gè)工況的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，表1所示為RB試驗(yàn)設(shè)定參數(shù)。

3.1 兩臺(tái)磨煤機(jī)RB試驗(yàn)

試驗(yàn)前機(jī)組負(fù)荷602.1MW，主汽壓力26.1Mpa，CCS控制方式投入，爐膛壓力自動(dòng)投入，爐膛風(fēng)量自動(dòng)投入，主汽溫自動(dòng)投入，再熱汽溫自動(dòng)投入，A、B、C、D、F 5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行。運(yùn)行人員就地間隔6s先后打閘F、D磨煤機(jī)，觸發(fā)磨煤機(jī)RB。待機(jī)組負(fù)荷降至410MW，RB自動(dòng)復(fù)位，機(jī)組維持TF控制。如圖4所示，期間主汽溫下降32.2℃、再熱汽溫下降44.8℃后緩慢回升，爐膛壓力最多降至-647.6Pa，其他主要參數(shù)平穩(wěn)過渡，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

圖4 兩臺(tái)磨煤機(jī)RB試驗(yàn)曲線Fig.4 Two mills RB test curve

圖5 引風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)曲線Fig.5 IDF RB test curve

表1 RB試驗(yàn)設(shè)定參數(shù)表Table 1 Setting parameter table for RB test

表2 兩臺(tái)磨煤機(jī)RB試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄Table 2 Two mills RB test data record

3.2 送/引風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)

送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)保護(hù)跳閘邏輯均有雙側(cè)送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況下，任一送/引風(fēng)機(jī)跳閘后聯(lián)跳同側(cè)引/送風(fēng)機(jī)這一條件，任一風(fēng)機(jī)停運(yùn)后都會(huì)變?yōu)閱蝹?cè)送、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況。因此，兩者實(shí)質(zhì)上為一個(gè)RB功能，試驗(yàn)時(shí)只需驗(yàn)證任意一個(gè)即可。

試驗(yàn)前機(jī)組負(fù)荷600.3MW，主汽壓力25.7Mpa，CCS控制方式投入，爐膛壓力自動(dòng)投入，爐膛風(fēng)量自動(dòng)投入，主汽溫自動(dòng)投入，再熱汽溫自動(dòng)投入，A、B、C、D、F 5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行。運(yùn)行人員就地打閘引風(fēng)機(jī)A，觸發(fā)引風(fēng)機(jī)RB，送風(fēng)機(jī)A聯(lián)跳動(dòng)作正確，F(xiàn)、D磨煤機(jī)聯(lián)跳動(dòng)作正確。

表3 引風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄Table 3 IDF RB test data record

表4 一次風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄Table 4 PAF RB test data record

圖6 一次風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)曲線Fig.6 PAF RB test curve

機(jī)組負(fù)荷最低降至381.5MW后緩慢上升，上升至408.9MW后手動(dòng)復(fù)位RB，機(jī)組維持TF控制。如圖5所示，期間主汽溫下降15.9℃、再熱汽溫下降45.7℃后緩慢回升，爐膛壓力最多降至-411.1Pa，其他主要參數(shù)平穩(wěn)過渡，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

3.3 一次風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)

試驗(yàn)前機(jī)組負(fù)荷610.5MW，主汽壓力25.6Mpa，CCS控制方式投入，爐膛壓力自動(dòng)投入，爐膛風(fēng)量自動(dòng)投入，主汽溫自動(dòng)投入，再熱汽溫自動(dòng)投入，A、B、C、D、F 5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度上限設(shè)置為85%，設(shè)置一次風(fēng)機(jī)電流大于216A時(shí)一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令閉鎖。試驗(yàn)時(shí)運(yùn)行人員就地打閘一次風(fēng)機(jī)A，觸發(fā)一次風(fēng)機(jī)RB，F(xiàn)、D磨煤機(jī)聯(lián)跳動(dòng)作正確。待機(jī)組負(fù)荷降至330MW，RB自動(dòng)復(fù)位，機(jī)組維持TF控制。如圖6所示，期間主蒸汽汽溫下降32.4℃、再熱汽溫下降45.1℃后緩慢回升，爐膛壓力最多降至-1486.4Pa，一次風(fēng)壓最多降至4.76kPa，其他主要參數(shù)平穩(wěn)過渡，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

通過對(duì)RB控制策略的一系列優(yōu)化，在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過程中運(yùn)行人員無手動(dòng)干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了全程自動(dòng)控制，且所有試驗(yàn)項(xiàng)目均一次成功，主要參數(shù)均控制在合理波動(dòng)范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

經(jīng)過對(duì)大別山電廠二期擴(kuò)建工程超超臨界機(jī)組實(shí)際情況的詳細(xì)分析，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用可知，采取適當(dāng)降低壓降速率，提高給水控制速率，關(guān)閉煙氣擋板等一系列措施可以避免發(fā)生RB后汽溫下降過快的問題，爐膛壓力控制回路增加前饋控制和閉鎖條件可以避免爐膛壓力大幅度波動(dòng)；同時(shí)，分析和提出了防止RB誤動(dòng)和拒動(dòng)的措施，使動(dòng)作更加安全可靠，保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上所述，優(yōu)化后的控制策略合理，有效提升了機(jī)組的自動(dòng)化水平，提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性，可以為同類型機(jī)組設(shè)計(jì)和優(yōu)化RB控制策略提供一定的參考和借鑒。