呂 建，杜鴻飛，王映奇

（山西世紀中試電力科學技術有限公司，山西 太原 030001）

1 設備簡介

鍋爐在火力發(fā)電廠的作用十分重要。鍋爐產(chǎn)生的蒸汽推動汽輪機運轉(zhuǎn)，汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，這就是電廠鍋爐的學名叫“蒸汽發(fā)生器”原因。其工作原理是：工業(yè)鍋爐在冷態(tài)下，汽包水位標高以下的蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)充滿的水是靜止的。當上升管在鍋爐內(nèi)受熱時，部分水就生成蒸汽，形成了密度較小的汽水混合物。而下降管在爐外不受熱，管中水分密度較大，這樣在兩者密度差的作用下就產(chǎn)生了推動力，汽水混合物在水冷壁內(nèi)向上流動，經(jīng)過上聯(lián)箱、導管進入汽包，下降管中由汽包來的水則向下流動，經(jīng)下聯(lián)箱補充到水冷壁內(nèi)，這樣不斷的循環(huán)流動，就形成了自然循環(huán)。山西某電廠鍋爐采用SG-1177/25.4-M4604型超臨界循環(huán)流化床CFB（circulating fluid bed）鍋爐，循環(huán)流化床燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風、全鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)，在負荷≥30%鍋爐最大連續(xù)出力BMCR（boiler maximum continuous rating）時，直流運行[1]；每臺機組配置2臺一次風機、2臺二次風機，均采用變頻調(diào)節(jié)，2臺引風機采用動葉調(diào)節(jié)，1臺100%的汽動給水泵和1臺40%的全壓電動給水泵。汽輪機為上海汽輪機廠生產(chǎn)的型號為CJK350-24.2/0.4/566/566的一次中間再熱、單軸、雙缸雙排、間接空冷（兩機一塔）、凝汽式汽輪機。分散控制系統(tǒng)采用北京國電智深控制技術有限公司的EDPF-NT Plus系統(tǒng)。

2 故障減負荷控制要點及策略

2.1 機組控制方式切換

機組發(fā)生故障減負荷RB（run back），由機爐協(xié)調(diào)方式轉(zhuǎn)換到汽機跟隨方式，汽機控制機側(cè)主汽壓力，鍋爐主控為開環(huán)控制，切除部分燃料，控制機組負荷。

2.2 燃料控制

RB動作后依據(jù)目標負荷的燃料主控指令直接迫降至目標煤量，運行給煤機平均動作減少煤量有利于維持整體床溫的平衡。

2.3 給水控制

機組給水控制的目的是要實現(xiàn)爐內(nèi)熱負荷與給水流量的匹配達到機組帶負荷所需的蒸汽流量。超臨界循環(huán)流化床鍋爐具有蓄熱大、燃燒滯后性強的特性，RB動作后總風量和總給煤量的大幅減少引起爐膛稀相區(qū)和密相區(qū)物料濃度占比發(fā)生變化，從而水冷壁和水冷蒸發(fā)屏吸熱比例變化。結(jié)合超臨界循環(huán)流化床機組的特性，RB給水控制有針對性地采用給水自平衡控制策略，根據(jù)機組在干態(tài)直流穩(wěn)態(tài)工況下給水流量與主蒸汽流量幾乎相等的特性[2]，以經(jīng)過鍋爐給水省煤器入口焓值與鍋爐出口主汽焓值的焓增，和設計的焓增之比修正主蒸汽流量信號作為自平衡給水指令的穩(wěn)態(tài)部分；以經(jīng)過鍋爐給水省煤器入口焓值與鍋爐分離器出口汽溫焓值的焓增，和設計的焓增之比修正鍋爐設計主給水流量作為動態(tài)熱量變化的校正部分；以變負荷給水前饋和主汽壓力偏差前饋綜合作用作為給水動態(tài)和穩(wěn)態(tài)的雙重校正部分。以上3部分共同作用作為給水設定的輸出值。

自平衡給水流量計算公式為

其中，Qdfw代表自平衡給水流量；Qz代表主蒸汽流量；Qsf代表鍋爐設計主蒸汽流量；M1代表CFB機組焓值增量矯正參數(shù)，M1=（末級過熱器實際焓值-省煤器入口實際焓值）/（末級過熱器預設焓值-省煤器入口預設焓值)；M2代表CFB機組分離器中間點焓值增量矯正參數(shù)，M2=（分離器出口實際焓值-省煤器入口實際焓值）/(分離器出口預設焓值-省煤器入口預設焓值)；F1代表爐膛燃燒內(nèi)擾引起的熱量不平衡信號，F(xiàn)1的值以變負荷給水前饋值和壓力偏差函數(shù)值綜合計算得出。

從汽水熱平衡的物理意義理解，Qz×M1代表了吸熱量的穩(wěn)態(tài)校正部分，Qsf×M2代表了吸熱量的動態(tài)部分。引風機和二次風機RB動作時給水控制，通過兩階慣性時間（60 s），防止RB過程中爐膛熱負荷高減水太快水冷壁溫、中間點溫度過高。一次風機RB動作時給水控制，通過兩階慣性時間（50 s），是因為一次風機跳閘后爐膛熱負荷迅速降低，應快減給水流量，維持較高的過熱度有利于汽溫的穩(wěn)定，同時閉鎖給水前饋流量指示器FI（flow indicator）的值，防止RB動作初期出現(xiàn)壓力偏差大預加給水造成過熱度失控。給水自動投入留有給水流量偏置修改功能，如發(fā)生主要參數(shù)失控可進行手動干預。具體RB工況給水控制邏輯如圖1所示。

圖1 RB工況給水控制邏輯圖

2.4 主蒸汽壓力控制

依據(jù)不同輔機RB動作，選擇相應的滑壓速率，由汽機控制主蒸汽壓力至目標壓力設定值。設置合理的目標壓力和滑壓速率是RB試驗成功的關鍵之一，其會影響降負荷速度和蒸汽溫度的穩(wěn)定；滑壓速率的設置應結(jié)合協(xié)調(diào)變負荷過程中實際主蒸汽壓力和目標壓力的變化予以確定，滑壓速率設置不合理，會存在機跟隨方式下主蒸汽壓力的調(diào)節(jié)偏差大，主蒸汽壓力波動大而切除自動控制方式等問題。RB動作初期因鍋爐蓄熱量大且存在短暫富氧燃燒，實際主蒸汽壓力變化相對慢，可能高于目標壓力，設置閉鎖汽輪機調(diào)節(jié)閥開度增大的邏輯，有利于后期鍋爐熱量和蒸汽溫度的維持。綜合協(xié)調(diào)控制模式的滑壓曲線和滑壓速率，確定二次風機和引風機RB動作后滑壓速率為0.75 MPa/min，一次風機滑壓速率為1 MPa/min。

2.5 主汽溫和再熱汽溫的控制

RB動作后，燃料和風量的快速降低，爐膛熱負荷減少，造成主汽溫和再熱汽溫波動；再熱器受熱面布置于煙道尾部，煙氣量的大幅減少，再熱蒸汽溫度受爐內(nèi)高溫物料輻射換熱影響較小，故一次風機RB動作后再熱蒸汽溫度下降更加劇烈，所以在引風機、二次風機和一次風機RB時要設計不同的減溫水超馳控制策略，實現(xiàn)主汽溫和再熱汽溫的控制。

a）引風機、二次風機RB動作，過熱減溫水調(diào)節(jié)閥開度超馳關至0，再熱減溫水調(diào)節(jié)閥開度超馳關至0，自動調(diào)節(jié)跟蹤。

b）一次風機RB動作，過熱減溫水調(diào)節(jié)閥超馳關閉至0并切為手動控制；再熱減溫水調(diào)節(jié)閥超馳關至0并切為手動控制。

2.6 爐膛負壓控制

鍋爐RB發(fā)生后因總風量和總?cè)剂狭康木薹兓?，會增加負壓的調(diào)節(jié)難度。因此，應有針對性地設計控制策略以有利于負壓調(diào)節(jié)，具體如下。

a）二次風機RB動作時不會聯(lián)鎖跳閘同側(cè)引風機，依靠前饋函數(shù)關系超馳關小每臺引風機動葉指令。一次流化風量和二次風量隨著目標負荷指令以40 km3/h的速率下降至設定值，風量以一定速率下降，一是起到配合爐膛負壓調(diào)節(jié)作用，二是以維持爐內(nèi)富氧燃燒，保證風煤配比。跳閘風機指令置最小，運行風機依靠偏置平衡回路邏輯將運行風機指令疊加至指令輸出上限。

b）為防止運行風機和變頻器過流造成風機跳閘，設置引風機動葉、一次風機和二次風機變頻器指令輸出上限，設置風機變頻器電流越限報警邏輯和電流越限閉鎖增變頻指令邏輯。

c）協(xié)調(diào)運行方式下，自動控制邏輯切手動控制條件為執(zhí)行機構(gòu)指令與反饋偏差大，被調(diào)量與設定值偏差大切手動控制，RB動作后依據(jù)控制特點需要，屏蔽相應輔機切手動邏輯，以滿足劇烈工況下自動調(diào)節(jié)的要求。

3 RB試驗過程

3.1 RB方式運行條件

機組汽輪機主控、燃料主控、給水自平衡控制、一次風機和二次風機變頻均投入自動、引風機動葉控制投入自動，且機組負荷大于170 MW，允許投入RB。結(jié)合機組鍋爐燃燒特性和風機允許最大出力情況，設置RB的觸發(fā)負荷和目標負荷。

a）引風機RB：2臺引風機運行時，其中1臺跳閘，置目標負荷為210 MW，當小于當前負荷指令30 MW，引風機RB動作。

b）二次風機RB：2臺二次風機運行時，其中1臺跳閘，置目標負荷為210 MW，當小于當前負荷指令30 MW，二次風機RB動作。

c）一次風機RB：保證物料的正常流化是關鍵，結(jié)合風機實際出力情況，2臺一次風機運行時，其中1臺跳閘，置目標負荷170 MW，當小于當前負荷指令20 MW，一次風機RB動作。

機組設置RB復位條件有3種方式：一是RB動作后12 min復位，二是RB動作后實際負荷與目標負荷之差小于20 MW發(fā)5 s脈沖復位，三是手動復位。

3.2 RB試驗經(jīng)過

2021年7月20日—21日，在機組90%額定負荷以上，采取就地事故按鈕手動跳閘風機的方式，分別進行二次風機、引風機、一次風機RB試驗，各試驗均采取全程自動控制，整個動態(tài)過程各主要參數(shù)運行平穩(wěn)，具體情況如下。

a）二次風機RB試驗：協(xié)調(diào)控制模式下，機組負荷320.2 MW、主蒸汽壓力22.63 MPa、總?cè)剂腺|(zhì)量流量210 t/h，就地事故按鈕跳閘1號二次風機，觸發(fā)二次風機RB。2號二次風機變頻器負荷率由74.5%迅速增加至95%，二次風體積流量維持在208 km3/h，總?cè)剂腺|(zhì)量流量下降至132.2 t/h，給水質(zhì)量流量下降至683.7 t/h，過熱度控制在53.2℃，過熱蒸汽和再熱蒸汽參數(shù)穩(wěn)定，未出現(xiàn)汽溫巨幅波動；引風機和一次風機減少出力，維持參數(shù)穩(wěn)定，負壓最大波動至-368.3 Pa，床溫由890.8℃下降至838.7℃。RB動作12 min后負荷下降至235.2 MW，滿足時間復位條件，RB自動復位。各項參數(shù)穩(wěn)定，滿足試驗要求。

b）引風機RB試驗：協(xié)調(diào)控制模式下，機組負荷319.6 MW、主蒸汽壓力22.75 MPa、總?cè)剂腺|(zhì)量流量212.1 t/h，就地事故按鈕跳閘2號引風機，觸發(fā)引風機RB。引風機跳閘后聯(lián)跳同側(cè)二次風機，1號二次風機變頻器負荷率由74.2%迅速增加至95%，二次風體積流量維持在212 km3/h，總?cè)剂腺|(zhì)量流量下降至135.6 t/h，給水質(zhì)量流量下降至661.6 t/h，過熱度控制在40.2℃，過熱蒸汽和再熱蒸汽參數(shù)穩(wěn)定，未出現(xiàn)汽溫巨幅波動；1號引風機維持爐膛負壓，負壓最大波動至348 Pa，床溫由883.6℃下降至840.2℃。RB動作12 min后，負荷下降至223.5 MW后復位。引風機RB動作后各項參數(shù)穩(wěn)定，滿足試驗要求。

c）一次風機RB試驗：協(xié)調(diào)控制模式下，機組負荷319.3 MW、主蒸汽壓力22.4 MPa、總?cè)剂腺|(zhì)量流量197 t/h，就地事故按鈕跳閘1號一次風機，觸發(fā)一次風機RB。2號一次風機變頻器負荷率由76.5%迅速增加至90%，流化風體積流量瞬間低至111 km3/h后維持在210 km3/h，總?cè)剂腺|(zhì)量流量下降至122.1 t/h，給水質(zhì)量流量下降至690.6 t/h，過熱度最低降至6.8℃，過熱蒸汽和再熱蒸汽參數(shù)出現(xiàn)明顯波動；負壓最大波動至-1 615 Pa，床溫由887.2℃下降至816.6℃。RB動作12 min后，負荷下降至237.7 MW后復位。

4 RB試驗過程中存在的問題分析

二次風機和引風機RB試驗完成，各項主要參數(shù)穩(wěn)定且滿足機組試驗要求，一次風機RB試驗過程中存在以下主要問題。

4.1 爐膛負壓波動大

一次風機RB試驗過程中負壓最低為-1 615 Pa，主要原因：一是試驗中由于冷渣器排渣不暢，鍋爐床層壓力較高，一次風機跳閘后，導致原爐膛稀相區(qū)大量物料回落密相區(qū)，阻力增大，造成一次流化風量迅速降低；二是一次風機對引風機的前饋量偏小，造成負壓波動較大；三是運行的2號一次風機通過偏置平衡回路疊加至變頻器輸出指令上限90%，未能達到風機最大出力；四是一次風機跳閘后，出口門聯(lián)鎖關閉時間為45 s，入口調(diào)門未超馳關，一次風量形成短路，造成一次流化風量低于臨界流化風量[3-4]。

4.2 汽溫偏低

一次風機RB試驗過程中汽溫偏低，主要原因：一是給水前饋中壓力偏差函數(shù)修正給水未閉鎖，RB動作后造成給水流量增大，主汽壓力升高，過熱度降低；二是當爐內(nèi)燃燒急劇減弱時給水慣性時間較長造成水煤比失調(diào)，導致汽溫波動大。

5 RB試驗邏輯優(yōu)化

對于上述存在的問題有針對性地提出優(yōu)化方案，并在2號機組進行試驗達到了預期的效果。

5.1 爐膛負壓波動大

根據(jù)上述爐膛負壓波動大的原因提出針對性解決措施：一是使冷渣器變頻超馳增10%的變頻指令，加大冷渣器的排渣能力；二是優(yōu)化一次風機前饋負荷指令對應的函數(shù)關系，關小每臺引風機動葉的指令；三是通過參數(shù)分析一次風機變頻90%開度未出現(xiàn)超電流，故重新設定上限為95%達到風機允許最大出力；四是一次風機跳閘后超馳關閉跳閘一次風機入口調(diào)門指令至0%的邏輯。

5.2 汽溫波動大

根據(jù)上述汽溫波動大的原因提出針對性解決措施：一是用壓力偏差函數(shù)修正給水，RB動作閉鎖該前饋值，RB動作結(jié)束后以一定的速率緩慢釋放；二是給水慣性時間由原來的50 s改為30 s，快速匹配爐內(nèi)燃燒工況。

6 結(jié)束語

超臨界CFB機組在RB動作過程中，因風量和燃料量的巨幅變化，鍋爐床層壓力較高，通過增大冷渣器變頻出力，有效降低一次風阻力，設置合適的風煙聯(lián)鎖邏輯并增加合適的超馳控制前饋便于負壓調(diào)節(jié)。同時，RB動作后爐內(nèi)燃燒急劇減弱，給水控制應該依據(jù)不同輔機RB設定相應的給水慣性時間，有利于主再熱汽溫的控制。另外，應直接平均減少運行給煤機的煤量，有利于整體床溫的均勻性。