楊小龍， 殳建軍， 陶 鑫

(1. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211100； 2.國電投協(xié)鑫濱海發(fā)電有限公司， 江蘇鹽城 224500)

輔機故障減負荷(RB)功能是指機組主要輔機故障跳閘造成機組實發(fā)功率受到限制時，為適應(yīng)設(shè)備出力，控制系統(tǒng)強制將機組負荷按照一定的速率減到尚在運行的輔機所能承受的最大負荷[1]。如果多臺輔機故障，則按照影響機組負荷最大的工況來確定目標負荷。完善的RB控制策略是建立在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)穩(wěn)定投入的基礎(chǔ)上，應(yīng)做到對內(nèi)協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)，以確保運行工況的平穩(wěn)過渡；對外協(xié)調(diào)鍋爐安全監(jiān)視系統(tǒng)(FSSS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)、汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)，以確保平穩(wěn)、快速地把機組負荷降到安全工況內(nèi)[2]。該功能在國內(nèi)外的大型火電機組上基本都有配備，但由于機組主設(shè)備與控制邏輯策略的匹配仍然存在很多問題，特別是在RB發(fā)生后主蒸汽壓力(簡稱主汽壓)和主蒸汽溫度(簡稱主汽溫)的控制方面仍然存在較大的難度[3]。在某電廠1 000 MW機組調(diào)試過程中，根據(jù)以往的經(jīng)驗，結(jié)合該機組的主、輔設(shè)備特點，在RB邏輯策略設(shè)計過程中考慮了RB觸發(fā)后磨煤機組停運(簡稱跳磨)次序和時間間隔對于主汽溫的影響，同時在RB過程中對爐膛負壓控制依據(jù)不同的RB工況引入前饋以保證RB發(fā)生后爐膛壓力不大幅度擾動。在非給水泵汽輪機RB工況下，對于給水引入了一次風母管壓力微分前饋部分，有利于一次風機RB后主汽溫的穩(wěn)定。特別是在RB發(fā)生后，機組通過定煤量而非定熱負荷的方式來確定目標負荷；單獨設(shè)定RB工況下滑壓曲線來產(chǎn)生壓力設(shè)定值，避免RB工況下通過定速率來改變壓力設(shè)定值，使汽輪機調(diào)節(jié)閥不會大范圍變動。根據(jù)實際試驗效果，優(yōu)化后的RB控制策略具有清晰、簡單的架構(gòu)和優(yōu)異的控制效果。

1 機組概況

該電廠1號機組鍋爐采用HG-3077/28.25-YM4型單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼結(jié)構(gòu)的超超臨界直流鍋爐。每臺鍋爐配有6套中速磨煤機制粉系統(tǒng)。汽輪機為N1050-27/600/610型超臨界、一次中間再熱、單軸、凝汽式汽輪機。機組額定負荷為1 000 MW。旁路采用西門子公司的高、低壓旁路二級串聯(lián)布置，高壓旁路容量為45%BMCR(鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量)蒸汽流量，低壓旁路容量為45%BMCR蒸汽流量，機組配置2臺50%BMCR的汽動給水泵。

分布式控制系統(tǒng)(DCS)采用了福克斯波羅控制系統(tǒng)，設(shè)計包含數(shù)據(jù)采集、模擬量控制、順序控制等系統(tǒng)。汽輪機控制系統(tǒng)采用DEH(數(shù)字控制部分采用SPPA-T3000分散控制系統(tǒng))。

2 RB控制策略優(yōu)化設(shè)計

該機組RB控制策略在RB觸發(fā)復(fù)位回路、RB負荷允許回路和RB動作回路三個方面都經(jīng)過了細致的優(yōu)化，使得RB后系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性等達到優(yōu)良水平。

2.1 RB功能激活回路

RB功能激活條件經(jīng)過簡化，只留有3個基本條件(見圖1)：(1)給水主控投入自動；(2)機組負荷大于500 MW；(3)RB子環(huán)功能手動確認投入。

圖1 RB功能激活回路

上述3個條件同時成立時，RB功能投入。在激活條件中無需燃料主控在自動，只要滿足基本的給水主控投入自動及運行負荷高于500 MW的條件就可以投入RB功能。這是因為該RB優(yōu)化策略是基于定RB后單套制粉系統(tǒng)的燃料量而非定熱負荷的方式。

2.2 RB觸發(fā)與復(fù)位回路

該機組RB觸發(fā)回路包含各種輔機異常減負荷工況，包含磨煤機、送風機、引風機、一次風機、空氣預(yù)熱器、給水泵汽輪機等6種RB工況，其中，磨煤機RB不設(shè)跳磨臺數(shù)限制，實際情況下機組每觸發(fā)一次磨煤機RB，都會相應(yīng)地產(chǎn)生對應(yīng)的給煤機指令。RB觸發(fā)過程中使用RB前負荷指令和輔機跳閘信號后允許機組最大負荷做比較，如果有多種RB工況發(fā)生，則各自觸發(fā)，互不影響各自RB條件的判斷。在RB觸發(fā)回路中，除磨煤機RB外，其余皆引入輔機跳閘信號進行判斷，使得RB不會產(chǎn)生誤動。以一次風機RB為例，圖2為一次風機RB觸發(fā)回路。

圖2 一次風機RB觸發(fā)與恢復(fù)回路

磨煤機RB觸發(fā)條件單獨考慮，磨煤機RB的觸發(fā)信號以機組RB前負荷指令和當前運行的制粉系統(tǒng)所能承受的最大負荷進行判斷。磨煤機RB觸發(fā)與自動恢復(fù)回路見圖3。RB觸發(fā)信號發(fā)生后，產(chǎn)生RB動作，RB復(fù)位回路則設(shè)計了兩種方式，首先為手動復(fù)位模式，此模式優(yōu)先級最高，其次為RB發(fā)生后3 min后復(fù)位條件達到后自動復(fù)位。需要注意的是磨煤機RB恢復(fù)條件給磨出力留有裕量，而其余RB恢復(fù)條件允許比目標負荷高20 MW。

圖3 磨煤機RB觸發(fā)與恢復(fù)回路

2.3 RB目標負荷產(chǎn)生回路

一般機組RB邏輯設(shè)計中，鍋爐主控在RB動作后切為手動，而燃料主控則是處于自動狀態(tài)，通過給定鍋爐主控的輸出即熱負荷目標值，經(jīng)過一定速率產(chǎn)生風、煤、水的指令來使機組負荷降到安全范圍內(nèi)[4-6]。這相當于把RB后實際的負荷變化當作一種線性來擬合，而實際上機組實發(fā)負荷的變化在RB過程中是一個多階的慣性環(huán)節(jié)。這種方式有助于穩(wěn)定主汽溫，而不利于主汽壓的調(diào)節(jié)。為了使得RB發(fā)生后主汽壓穩(wěn)定，該機組依據(jù)不同RB工況直接給定總?cè)剂狭壳乙圆幌匏俜绞絹泶_保燃料迅速降至目標負荷對應(yīng)的燃料量。

表1為不同RB工況下給定的燃料量，其中目標煤量速率不限。通過目標燃料量，采用負荷-燃料量的反函數(shù)計算得到鍋爐主控指令，進而產(chǎn)生給水指令。同時根據(jù)輔機出力的不同，邏輯設(shè)計考慮多種RB工況同時觸發(fā)時的優(yōu)先級關(guān)系。由于除磨煤機RB外，RB觸發(fā)后要投入油槍，煤量指令還需扣除燃油折算煤量。機組燃油量是由燃油母管進油和回油量計算得出，在實際情況中存在燃油測點不準的情況。為了避免對煤量的影響，根據(jù)投油油槍數(shù)和單支油槍的最大進油量進行了燃油量的限制，消除了有可能造成的煤量指令的偏差。

表1 不同RB工況下定燃料量

2.4 RB動作時主汽壓目標回路

機組RB后，機組轉(zhuǎn)為汽輪機跟隨(TF)方式運行。汽輪機控制機前壓力，機前壓力設(shè)定值由協(xié)調(diào)邏輯產(chǎn)生后送至DEH。RB觸發(fā)后，風、煤、水急劇減少，主汽壓的設(shè)定值需要下降到合適的值。主汽壓設(shè)定值的產(chǎn)生和下降速率既要考慮到在RB過程中不引起汽輪機流量指令的大幅變化進而導(dǎo)致汽輪機調(diào)節(jié)閥頻繁大幅振蕩，又要避免主蒸汽過熱度不夠而引起汽輪機進汽帶水的情況發(fā)生。因此，主汽壓的控制是RB過程的關(guān)鍵點之一。

2.4.1 正常工況下主汽壓設(shè)定值回路

火電機組運行方式需要根據(jù)機組所處的負荷段進行調(diào)整。一般來說，為了機組能穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟運行，又能兼顧一次調(diào)頻和自動發(fā)電控制(AGC)變負荷的要求，需要采取定-滑-定方式運行[7]。該機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CCS)設(shè)計在0%～30%負荷段為定壓運行，在30%～95%負荷段為滑壓運行，在95%～105%負荷段運行方式轉(zhuǎn)為定壓運行。按照設(shè)計數(shù)據(jù)，結(jié)合機組運行過程中電網(wǎng)對機組的要求，因此設(shè)定滑壓運行負荷段裕留8%節(jié)流以應(yīng)對變負荷和調(diào)頻的快速性需求，該機組汽輪機額定一級壓力p0為25.7 MPa，通過p0可以計算滑壓段曲線，各斷點見表2。

表2 正常工況下滑壓曲線

2.4.2 RB工況下主汽壓設(shè)定值回路

該機組控制策略中設(shè)計并優(yōu)化了RB工況下的兩條滑壓曲線，分別為非給水泵汽輪機RB下的滑壓曲線以及給水泵汽輪機RB滑壓曲線。由于RB發(fā)生后，機組電負荷的下降速率和RB前機組負荷有關(guān)(這是因為不同負荷段爐膛的蓄熱及輔機的出力導(dǎo)致)，主汽壓滑動速率依據(jù)邏輯優(yōu)化沒有固定成一個常數(shù)值，而是依據(jù)RB滑壓曲線匹配負荷的變動產(chǎn)生，使得壓力設(shè)定值能夠匹配上實際機組負荷的劇烈變化，保證能夠平穩(wěn)控制機前壓力并能保證一定的蒸汽過熱度。而主汽壓主要受到給水的影響且變化迅速，因此單獨設(shè)計了一條滑壓曲線來適配給水泵汽輪機RB下的工況，特別需要注意的是在80%～100%負荷段給水泵RB滑壓曲線和正常工況下滑壓曲線是重合的。在主汽壓滑壓設(shè)定過程中，為了防止負荷下降過快引起滑壓過快造成汽輪機調(diào)節(jié)閥全開而引起的主汽溫下降，限制滑壓最大速率為6 MPa/min。此外，由于RB工況下滑壓曲線高于正常工況，而RB發(fā)生瞬間不允許機前壓力設(shè)定值上升，因此設(shè)定上升速率為0。在3 min后允許壓力設(shè)定值能夠隨著負荷波動有所上升(見表3)，3種情況下的滑壓曲線見圖4。

表3 RB工況下滑壓曲線

圖4 滑壓曲線

2.5 RB動作回路

2.5.1 RB回路優(yōu)化

當RB發(fā)生后，機組切換到TF模式運行，鍋爐主控、燃料主控、給煤機自動切至手動狀態(tài)。DEH切為初壓方式，接受來自CCS側(cè)的RB工況滑壓指令以調(diào)節(jié)機前壓力[8-9]。

RB工況下，機前壓力設(shè)定值通過RB工況下的滑壓曲線來確定，速率由機組實際下降速度來確定，RB滑壓值高于正常工況下的滑壓值，特別注意初始時刻壓力設(shè)定值跟蹤機前壓力。

RB發(fā)生后，運行中給煤機指令以不同RB工況降至機組最大限制負荷所對應(yīng)的煤量，鍋爐主控、燃料主控和各給煤機切為手動，為了不引起運行給煤機指令的短時變動，考慮到了跳磨的時間間隔以及燃油的投油過程，即跳磨結(jié)束后給煤機指令才下發(fā)以及給煤機指令需扣除燃油折算煤量。

由于機組鍋爐通常存在較大的熱慣性，按常規(guī)設(shè)計自動控制減煤，鍋爐熱負荷短時間內(nèi)下降不足，同時由于煤量下降較大使磨煤機偏離最佳工作區(qū)，因此將原有自動調(diào)節(jié)改為動靜結(jié)合控制，動態(tài)時快速跳磨，靜態(tài)后轉(zhuǎn)為自動控制，穩(wěn)定煤量至目標負荷所對應(yīng)的燃料量。跳磨邏輯經(jīng)過優(yōu)化，如果機組下5層磨煤機運行則按照F→A磨煤機順序進行跳磨，間隔時間設(shè)計為10 s；如果機組上5層磨煤機運行則按照B→C磨煤機順序跳磨，間隔時間設(shè)計為10 s；如果機組在中低負荷運行，只運行了4臺磨煤機，且4臺磨煤機之間有間隔，則跳最上層磨煤機，直至保留3臺磨煤機運行。優(yōu)化后跳磨方式充分考慮了機組制粉系統(tǒng)的投運狀況且保證了主汽溫的平穩(wěn)。一次風機RB時風壓瞬間下降過快，適當縮短跳磨間隔時間為5 s；給水泵汽輪機跳閘時，給水量會短時下降，適當縮短跳磨間隔時間為5 s。

整個RB過程中分離器出口焓、爐膛負壓、風壓、給水等子系統(tǒng)維持自動調(diào)節(jié)狀態(tài)，以控制機組主要參數(shù)在一定范圍內(nèi)波動，RB發(fā)生時該調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)偏差大切手動條件被屏蔽。

如果僅僅根據(jù)動態(tài)偏差控制，由于受調(diào)節(jié)器速度的限制執(zhí)行機構(gòu)來不及動作，直接引發(fā)運行工況的惡化乃至機組跳閘，所以送風機、引風機、一次風機需要采用必要的超馳控制和前饋控制。

非磨煤機RB發(fā)生后，所有減溫水調(diào)節(jié)閥先超馳關(guān)閉60 s，再釋放為正常調(diào)節(jié)。

2.5.2 一次風機RB優(yōu)化

運行磨煤機冷風調(diào)節(jié)擋板跳出自動，并全開15 s，一方面保證風粉混合物溫度不會達到煤層跳閘條件，另一方面在RB初期可使磨煤機一次風量有短暫的上升，增加煤粉輸送量，保證爐膛熱量的供給。

由于一次風機RB后一次風母管壓力減少較大，跳磨間隔很短，輸送到爐膛內(nèi)的粉量驟減，對汽溫影響很大。在這種工況下，增加了一次風機RB工況下一次風母管壓力至給水的微分前饋，提前減少給水。

3 試驗結(jié)果驗證

該機組經(jīng)過RB試驗的檢驗，驗證了RB邏輯經(jīng)過優(yōu)化后在RB發(fā)生后機組主要運行參數(shù)都能得到較好的控制，各參數(shù)與保護定值還有較大的裕量。

3.1 一次風機RB試驗結(jié)果

機組在918 MW負荷穩(wěn)定運行，B、C、D、E、F 5臺磨煤機運行，機前壓力穩(wěn)定在25.2 MPa，手動停B一次風機，磨煤機按B→C的順序，間隔5 s，跳剩3臺磨煤機。機組以TF方式運行，汽輪機調(diào)節(jié)壓力，機組自動退出協(xié)調(diào)模式并退出燃料主控自動以及給煤機自動，以TF方式運行進行汽輪機調(diào)節(jié)壓力，總?cè)剂狭恐噶钪苯咏o到210 t/h，單臺給煤機煤量平均分配。機前壓力設(shè)定值以滑壓方式下降，下降速率不大于RB的最大允許速率6 MPa/min，并發(fā)出調(diào)節(jié)信號送往汽輪機側(cè)DEH，調(diào)節(jié)機前壓力。RB后各參數(shù)調(diào)節(jié)曲線見圖5，各動態(tài)參數(shù)見表4。

圖5 一次風機RB曲線

3.2 給水泵RB試驗結(jié)果

試驗前該機組在922 MW負荷穩(wěn)定運行，B、C、D、E、F 5臺磨煤機運行，機前壓力穩(wěn)定在25.3 MPa，手動停B給水泵，RB發(fā)生，A給水泵轉(zhuǎn)速指令升至5 900 r/min；磨煤機按B→C的順序，間隔5 s，跳剩3臺磨煤機。機組以TF方式運行，汽輪機調(diào)節(jié)壓力，機組自動退出協(xié)調(diào)模式并退出燃料主控自動以及給煤機自動，以TF方式運行進行汽輪機調(diào)節(jié)壓力，總?cè)剂狭恐噶钪苯咏o到200 t/h，單臺給煤機煤量指令平均分配。機前壓力設(shè)定值以滑壓方式下降，發(fā)出調(diào)節(jié)信號送往汽輪機側(cè)DEH，調(diào)節(jié)機前壓力。RB后各參數(shù)調(diào)節(jié)效果見圖6，各動態(tài)參數(shù)見表5。

圖6 給水泵RB曲線

4 結(jié)語

該機組RB邏輯經(jīng)過設(shè)計優(yōu)化，確保了機組在輔機等設(shè)備故障跳閘時機組能安全可靠地運行。完全滿足在主要輔機跳閘后，在沒有人工干預(yù)的情況下，快速自動減到安全負荷內(nèi)運行，減少了機組非計劃停運的次數(shù)，提升了該機組的經(jīng)濟安全效益。