華電寧夏靈武發(fā)電公司 陰峰 北京必可測科技股份有限公司 黃俊飛

前言

大容量超超臨界火力發(fā)電機組作為當前電網(wǎng)主力機組，具有效率高、能耗低等特點，在相當長的一段時間內作為火電主力參與寬負荷調峰運行。

由于其機組容量大、鍋爐遲滯性長、熱慣性大、煤質多變、影響爐內燃燒情況的因素較多，原有控制回路設計均為50%以上負荷運行，低負荷區(qū)間存在燃燒不穩(wěn)定、主要參數(shù)波動大及脫硝系統(tǒng)無法正常運行等情況，與實際寬負荷調峰需求存在較大差異，要求鍋爐在寬負荷區(qū)間內變化迅速，這對機組控制策略提出了新的要求。

1 系統(tǒng)簡介

華電寧夏靈武發(fā)電有限公司3號機組為1000MW超超臨界空冷燃煤機組，鍋爐為東方鍋爐（集團）股份有限公司制造的高效超超臨界參數(shù)變壓直流爐，采用單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型鍋爐。制粉系統(tǒng)采用正壓直吹式，設有兩臺50%容量的動葉可調軸流式一次風機提供一次熱、冷風輸送煤粉。采用兩臺靜葉可調吸風機和兩臺動葉可調送風機，配有6臺中速碗式磨。汽輪機為超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、直接空冷凝汽式，設計額定功率為1060MW。

2 寬負荷調峰分析

根據(jù)鍋爐燃燒特性，機組實現(xiàn)寬負荷調峰，存在下列難點：

低負荷穩(wěn)燃。較低負荷下鍋爐燃燒的穩(wěn)定性；動態(tài)變化時燃料量改變對火焰穩(wěn)定的干擾特性。

主再熱汽溫高效。較低負荷下主再熱汽溫的穩(wěn)定，避免低負荷段汽溫大幅變化，影響效率及安全。

環(huán)保指標正常。維持較低負荷下鍋爐煙溫正常，滿足脫硝系統(tǒng)投入條件。

高參數(shù)大容量火電機組的寬負荷深度調峰控制實現(xiàn)，建立在鍋爐全幅度燃燒穩(wěn)定、機組參數(shù)全幅度平穩(wěn)變化、環(huán)保指標全幅度不超標的基礎上，解決好總風量與燃料量配比——控制氧量變化、給水/燃料配比——控制低負荷干態(tài)運行及水動力安全，磨煤機的風粉比——確保機組負荷響應速率及燃燒穩(wěn)定性、一次風與二次風的量值及剛度比——保證入爐煤的燃燒[1]。只有在解決這些問題后，才能夠實現(xiàn)機組寬負荷段升負荷、降負荷、不同變化率、不同負荷段、不同變化幅度等情況下機組的安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行及深度調峰。

通過上述機理分析，為實現(xiàn)寬負荷段的快速調峰，需從鍋爐穩(wěn)燃、汽溫高效、脫硝入口煙溫合適三者入手，采用多角度復合調節(jié)手段，中高負荷段提高鍋爐響應特性，爭取較多的電量獎勵；低負荷段減弱煤量波動，提高鍋爐輸入能量，保持較高的汽溫與脫硝煙溫，從多角度改變能量輸入。

3 控制策略介紹

針對機組特性，從下列角度著手，實現(xiàn)寬負荷深度調峰：

通過動態(tài)改變一次風壓、送風量、煤量、減溫水、空冷背壓等，采用多變量方式提高鍋爐響應能力。

采用復合鍋爐——汽機協(xié)調回路，保證機組能量平衡。

優(yōu)化BTU煤質校正回路，便于煤質變化時進行相應的調整。

根據(jù)電網(wǎng)AGC考核方式，增加相應輔助回路提高指標。

增加深度調峰輔助回路，保證低負荷下鍋爐燃燒穩(wěn)定。

3.1 鍋爐主控系統(tǒng)

鍋爐主控創(chuàng)造性的將汽包爐常用的DEB方式結合至超超臨界鍋爐，采用DEB（直接能量平衡）與DIB（直接指令平衡）相結合的方式，其作用函數(shù)式（1）。

式（1）中，u(t)為調節(jié)器輸出，e(t)為偏差輸入，kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間,p1為調節(jié)級壓力，ps設定壓力，pt為主汽壓力，p0為分離器壓力。

鍋爐熱量信號f（p1,ps,pt,p0）與汽機能量需求信號f（p1,ps,pt）作為機爐能量平衡前饋，以保證機組負荷變化過程中能量轉換的快速收斂；閉環(huán)校正回路采用DIB方式調節(jié)，通過主汽壓力作為機爐能量平衡的定量指標，保證二者之間能量穩(wěn)定平衡。其邏輯框圖見圖1。

圖1 鍋爐主控邏輯圖

采用動態(tài)可變微分方式。考慮鍋爐慣性與汽機調門快速性之間的時序特性，采用動態(tài)可變積分方式，抵消負荷變化初期微分過調現(xiàn)象，同時增強動態(tài)下鍋爐壓力收斂特性。其傳遞函數(shù)如式（2）。

式（2）中，Δ為鍋爐能量供給與汽機能量需求的時間差值，根據(jù)鍋爐特性得出；td、td1為微分時間。

其邏輯圖見圖2。

圖2 可變微分邏輯圖

3.2 多變量聯(lián)合調節(jié)

機組穩(wěn)態(tài)工況下，通過鍋爐主控快速調節(jié)入爐能量，保證能量的快速收斂。動態(tài)工況下，由于鍋爐慣性，勢必會造成負荷變化初期鍋爐能量供給無法滿足汽機需求、主汽壓力偏差暫態(tài)加大的現(xiàn)象，需要通過額外的能量補給，保證機爐能量平衡。

3.2.1 動態(tài)變負荷前饋

根據(jù)變負荷速率、負荷跨度及壓力變化趨勢動態(tài)確定前饋量，并根據(jù)壓力偏差該功能可提前剎車或延遲結束；當負荷開始變化時，該前饋量迅速變化，以快速補償鍋爐慣性；負荷變化結束時，前饋量緩慢結束，保證鍋爐能量的穩(wěn)定。其傳遞函數(shù)見式（3）,控制邏輯圖見圖3。

式中，Q為負荷指令，f1(ΔQ)為剎車函數(shù)，f2(Pt,Ps)為壓力模糊函數(shù)。

圖3 變負荷前饋邏輯圖

由上圖可知，變負荷前饋主線為負荷變化率的二階微分，即加速度函數(shù)，這與常規(guī)的一階微分（速度函數(shù)）[2]相比，具有超前響應強、收斂快速的特點,能夠有效抑制鍋爐大慣性長延遲的問題。其仿真對比曲線見圖4。

圖4 變負荷前饋仿真圖

其壓力模糊校正塊向量函數(shù)如式4：

式中，a、b、c、α、β、θ為加權值，Pt為主汽壓力，Ps為壓力設定，Yg為輸出增益，Yt為輸出慣性時間。通過壓力模糊校正塊，能夠有效實現(xiàn)動態(tài)過程中變負荷前饋對壓力的幅值、時域的自適應調整特性。

3.2.2 多變量聯(lián)合調節(jié)

原有控制回路變負荷前饋，其作用對象僅為水、燃料[3]，通過強化入爐煤量、隨動調節(jié)給水實現(xiàn)鍋爐能量的超前補充。鍋爐制粉、燃燒、換熱環(huán)節(jié)的慣性特性，該部分能量無法快速增減，其變負荷初期的壓力偏差較大現(xiàn)象無法得到有效抑制。根據(jù)鍋爐能量輸入機理，將變負荷前饋協(xié)同作用至給水、燃料、送風、一次風、制粉系統(tǒng)冷熱風、空冷、減溫水、脫硝等回路，通過能量供給、蒸汽側、燃燒側、排汽側共同作用，實現(xiàn)鍋爐能量提前輸出、燃燒速率快速改變，從而保證動態(tài)下汽機能量需求與鍋爐輸入的平衡，減少壓力偏差，提高過熱度、汽溫等參數(shù)穩(wěn)定性。其控制邏輯圖見圖5。

圖5 多變量聯(lián)合調節(jié)邏輯圖

3.3 水煤互調控制

常規(guī)超臨界過熱度控制常采用下列兩種[4]：

給水調節(jié)過熱度。通過給水流量增減調節(jié)中間點溫度，其特點為溫度調節(jié)快速準確，但對主汽壓力有一定干擾性。

燃料調節(jié)過熱度。通過改變煤量調節(jié)中間點溫度，其特點為溫度調節(jié)緩慢，單對主汽壓力影響較小。

針對上述兩種調節(jié)方式特點，采用水煤互調方式。給水作為過熱度主要調節(jié)手段，保證調節(jié)快速性；煤量作為調節(jié)的輔助手段，當過熱度偏差較小時，緩慢調節(jié)，保證熱量與水量的一致性；過熱度偏差較大時，快速動作煤量，加快調節(jié)迅速性。當過熱度調節(jié)（給水）自動時，過熱度（煤量）調節(jié)自動投入。具體邏輯見圖6。

圖6 水煤互調邏輯圖

4 優(yōu)化過程

靈武電廠3號機組分別進行了35～50%、50～100%AGC隨動試驗，具體試驗情況見下。

4.1 35～50%低負荷調峰AGC隨動試驗

圖7 35～50%低負荷調峰趨勢圖

表1 35--50%低負荷調峰主要參數(shù)表

由以上圖表可以看出，35～50%低負荷調峰工況下汽溫、汽壓、過熱度、氧量等主要參數(shù)變化平穩(wěn)，脫硝系統(tǒng)投入正常，實際負荷變化率＞1.5%Pe/min（15MW/min），系統(tǒng)運行正常，機組具備35～50%區(qū)間低負荷調峰AGC方式運行能力。

4.2 50～100%負荷AGC方式三角波試驗（幅度70MW）

圖8 50～100%AGC三角波趨勢圖

表2 50～100%AGC三角波主要參數(shù)一表

由以上圖表可以看出，50～100%負荷AGC方式三角波工況（7%Pe幅度）下，汽溫、汽壓、過熱度、氧量等主要參數(shù)變化平穩(wěn)，實際負荷變化率＞2%Pe/min（20MW/min），系統(tǒng)運行正常，機組具備50～100%區(qū)間復雜工況下AGC調峰能力。

4.3 50～100%負荷AGC隨動試驗

圖9 50～100%AGC隨動試驗趨勢圖

由以上圖表可以看出，50～100%AGC調峰方式下進行下汽溫、汽壓、過熱度、氧量等主要參數(shù)變化平穩(wěn)，脫硝系統(tǒng)投入正常，實際負荷變化率＞2%Pe/min（20MW/min），系統(tǒng)運行正常，機組具備50～100%區(qū)間AGC快速調峰能力。

表3 50～100%AGC隨動波主要參數(shù)一表

5 結語

大容量超超臨界機組低負荷調峰難點在于滿足機組運行安全的前提下，既要維持鍋爐燃燒的穩(wěn)定、環(huán)保脫硝系統(tǒng)正常、控制住各個主要參數(shù)處于較高范圍，又要確保機組性能指標滿足電網(wǎng)調峰需求，實現(xiàn)穩(wěn)定與快速的協(xié)調統(tǒng)一，這對新經(jīng)濟形勢下的大容量火電機組自動控制提出了新的難點。

通過對靈武電廠3號機組相關控制系統(tǒng)的設計與優(yōu)化，實現(xiàn)了機組35～100%負荷段全自動AGC方式下調峰運行，鍋爐燃燒穩(wěn)定，脫硝系統(tǒng)運行良好，各個主要參數(shù)變化平穩(wěn)高效，機組具備35～100%寬負荷調峰靈活性運行的能力，對提高電廠經(jīng)濟性、電網(wǎng)安全性及全面推廣綠色環(huán)保能源起到了積極的作用。