劉瓊偉,王德憲,師曉紅,李 闖,趙 旭,趙強(qiáng)盛,仇建明

(京能十堰熱電有限公司,湖北 十堰 442000)

0 引 言

隨著電網(wǎng)新能源容量的不斷增加,傳統(tǒng)的火電機(jī)組逐步向靈活性調(diào)峰角色轉(zhuǎn)變。寬負(fù)荷調(diào)峰模式下對(duì)機(jī)組重要輔機(jī)設(shè)備的可靠性要求也越來越高,尤其是配置100%容量汽動(dòng)給水泵的機(jī)組,一旦汽泵發(fā)生故障跳閘就會(huì)造成機(jī)組非停。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)300 MW級(jí)火電機(jī)組給水泵按照100%容量汽動(dòng)給水泵和50%啟動(dòng)電動(dòng)給水泵配置[1]。在機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)采用電泵上水,并網(wǎng)穩(wěn)定后切換汽泵來控制給水流量。這種配置方式在建設(shè)初期降低了成本,但是在后期運(yùn)行過程中存在較大運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),比如在軸承密封水系統(tǒng)異常[2]、EH油伺服系統(tǒng)故障[3]、推力瓦溫度高[4]、除氧器水位低、汽泵入口濾網(wǎng)堵塞、汽源壓力下降等事故工況下,汽泵很容易出現(xiàn)出力受限或跳閘,進(jìn)而引起機(jī)組非停。

針對(duì)單汽泵運(yùn)行的安全性問題,國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究和應(yīng)用,其中采用輔機(jī)故障減負(fù)荷(runback, RB)策略[5]較多:2008年,湖南電力試驗(yàn)研究院胡雄輝在華能岳陽3號(hào)亞臨界機(jī)組首次應(yīng)用汽泵跳閘聯(lián)啟電泵RB試驗(yàn)并獲得成功[6];2015年,鄒包產(chǎn)、韓秋喜、李云等人提出了采用滑壓方式快速下降汽包壓力的方式保證電泵快速出力;2018年,華北電科院邢智煒、岳濤、劉磊等人提出了汽泵跳閘后,聯(lián)啟電泵并優(yōu)化勺管折線函數(shù)實(shí)現(xiàn)汽泵和電泵并列運(yùn)行的方案[7];2019年,揭其良、于湛銘、孫永斌等人提出了RB動(dòng)作后對(duì)變負(fù)荷速率、壓力變化率進(jìn)行修正的策略[8];2021年,江溢洋研究了RB觸發(fā)時(shí)在采用優(yōu)化滑壓函數(shù)的同時(shí)減少燃料量投油穩(wěn)燃的控制策略[9]。通過上述研究發(fā)現(xiàn),汽泵聯(lián)鎖啟動(dòng)電泵并觸發(fā)RB目前主要應(yīng)用在亞臨界機(jī)組上,而超臨界機(jī)組直流爐對(duì)水動(dòng)力的安全性要求更高,結(jié)合現(xiàn)有的輔機(jī)故障減負(fù)荷策略,研究汽泵和電泵的RB控制,具有實(shí)際應(yīng)用意義。

1 機(jī)組概況

1.1 主機(jī)配置

某電廠一期工程為2臺(tái)350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組,鍋爐采用上鍋生產(chǎn)的 SG-1219/25.4-M4424 型超臨界變壓運(yùn)行螺旋管圈直流鍋爐,為一次中間再熱、單爐膛、 四角切向燃燒、平衡通風(fēng),固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架全懸吊結(jié)構(gòu) П 型,配置A/B兩層交流等離子點(diǎn)火裝置。汽輪機(jī)采用東汽生產(chǎn)的C350/260-24.2/1.5/0.4/569/569,超臨界、一次中間再熱、單軸三缸雙排汽、8 級(jí)回?zé)?、抽汽式凝汽式機(jī)組。發(fā)電機(jī)采用東方汽輪發(fā)電機(jī)有限公司生產(chǎn)的汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)三相交流隱極式同步發(fā)電機(jī),型號(hào)為 QFSN-350-2-20。

1.2 給水泵配置

單臺(tái)機(jī)組配備1臺(tái)100%汽動(dòng)給水泵和1臺(tái)50%電動(dòng)給水泵,汽泵采用北京電力設(shè)備總廠生產(chǎn)的TGQ14/6-1型單軸、單缸、凝汽式汽輪機(jī),汽動(dòng)給水泵主泵與其前置泵同軸布置,汽動(dòng)給水泵主泵與前置泵分別布置在小汽輪機(jī)兩側(cè),主泵由小汽輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng),前置泵由小汽輪機(jī)通過齒輪箱驅(qū)動(dòng)。電泵采用荏原機(jī)械淄博生產(chǎn)的250DCS5FM臥式、多級(jí)、雙殼體離心泵,額定功率8 700 kW,額定電壓6 kV,額定電流1 046.5 A。

1.3 汽動(dòng)給水泵RB試驗(yàn)技術(shù)分析

汽動(dòng)給水泵RB控制策略是在既定負(fù)荷30%～60%工況,在汽泵發(fā)生跳閘或出力不足時(shí)觸發(fā)汽泵RB回路并聯(lián)啟電泵,電泵快速出力并克服上水阻力,避免鍋爐觸發(fā)鍋爐主燃料跳閘(boiler main fuel trip,MFT)?？刂屏鞒虉D1所示。

圖1 汽動(dòng)給水泵RB控制流程圖

該控制方案主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)。

1.3.1 電泵投備時(shí)間長(zhǎng)

1)電泵入口電動(dòng)門開行程時(shí)間為25 s,出口電動(dòng)門則為50 s,因此增加了電泵啟動(dòng)和快速出力的時(shí)間。

2)正常工況下電泵液力耦合器輔助油泵處于停運(yùn)狀態(tài),這也不利于電泵聯(lián)鎖啟動(dòng)時(shí)勺管快速出力。

1.3.2 給水泵全停跳閘MFT

在MFT保護(hù)控制回路中,小機(jī)跳閘后若電泵未運(yùn)行或者跳閘延時(shí)3 s后跳閘MFT。在汽泵RB發(fā)生時(shí),首先要避免電泵啟動(dòng)過載跳閘,保證啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間小于給水泵雙停的時(shí)間差。

1.3.3 電泵帶載啟動(dòng)拉低6 kV母線電壓

不同于機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng),電泵聯(lián)鎖帶載啟動(dòng)會(huì)明顯拉低6 kV母線電壓,對(duì)同負(fù)荷段其他負(fù)載產(chǎn)生較大影響。

1.3.4 電泵入口流量低存在汽蝕風(fēng)險(xiǎn)

離心電泵在啟動(dòng)運(yùn)行后需要保證入口壓頭滿足電泵必須汽蝕余量,保證電泵運(yùn)行安全,因此需要對(duì)再循環(huán)門的控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化。

1.3.5 電泵運(yùn)行后不出力或出力不足

電泵運(yùn)行后,要實(shí)現(xiàn)快速出力才能保證鍋爐受熱面水動(dòng)力安全。一方面是再循環(huán)門控制和勺管開度控制是保證電泵有效出力的關(guān)鍵;另一方面是汽泵RB動(dòng)作后,鍋爐主控切手動(dòng),在汽輪機(jī)跟蹤方式(turbine follow mode, TF)運(yùn)行。該模式下汽機(jī)主控調(diào)壓,鍋爐主控跟隨實(shí)際煤量控制功率[10-11]。通過對(duì)滑壓曲線的優(yōu)化,有利于加快電泵快速上水。需要解決以下問題:

1)電泵出口電動(dòng)門聯(lián)鎖開啟時(shí)間及汽泵惰走時(shí)與電泵并列運(yùn)行時(shí)是否搶水;

2)勺管開度特性與再循環(huán)門開度曲線是否匹配;

3)勺管開度特性與給水上水壓力相匹配。理論上,給水壓力要大于啟動(dòng)分離器出口壓力與受熱面給水上升壓力之和。

1.3.6 鍋爐長(zhǎng)時(shí)間斷水存在觸發(fā)MFT風(fēng)險(xiǎn)

受熱面水動(dòng)力不足引起鍋爐斷水,給水流量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值,且水冷壁、過熱器等受熱面超溫均存在MFT主保護(hù)動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn),分析如下:

1)給水流量低低。汽泵跳閘后電泵短時(shí)間內(nèi)不出力,給水流量低于313 t/h時(shí),延時(shí)時(shí)間不合理時(shí)會(huì)觸發(fā)MFT;

2)受熱面超溫風(fēng)險(xiǎn)。給水泵跳閘或者出力不足時(shí),水冷壁、分離器出口、過熱器、再熱器等受熱面處于斷水工況存在較大超溫風(fēng)險(xiǎn),要考慮停運(yùn)上層制粉系統(tǒng)。

1.3.7 汽泵RB動(dòng)作后鍋爐存在燃燒惡化風(fēng)險(xiǎn)

汽泵RB動(dòng)作后,鍋爐主控指令超馳降低機(jī)組負(fù)荷至目標(biāo)值,同時(shí)跳閘上層制粉可能會(huì)引起鍋爐燃燒惡化。

2 汽泵RB試驗(yàn)優(yōu)化研究

2.1 電泵投備及自啟動(dòng)邏輯優(yōu)化

2.1.1 電泵進(jìn)、出口電動(dòng)門聯(lián)開

該工程采用離心電泵,理論上需要關(guān)門啟動(dòng),但考慮到電泵出口配置了逆止門,在電泵投入備用后可以提前自動(dòng)開啟,有效縮短電泵啟動(dòng)時(shí)間。

2.1.2 液力耦合器輔助油泵聯(lián)啟

由于汽泵跳閘或出力不足偶然性較大,為保證勺管快速出力,考慮在電泵投備后自啟輔助油泵。

2.1.3 電泵聯(lián)啟邏輯優(yōu)化

如圖2所示,電泵投入備用狀態(tài)下,在汽泵跳閘或者給水流量低于333 t/h時(shí),延時(shí)2 s,啟動(dòng)電泵。

圖2 電泵投備及自啟邏輯

2.2 電泵帶載啟動(dòng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)過程

汽泵RB結(jié)果取決于電泵帶載啟動(dòng)是否成功,為此在2020年機(jī)組檢修停機(jī)期間,開展了電泵帶載聯(lián)鎖啟動(dòng)試驗(yàn),主要針對(duì)6 kV母線電壓壓降及電泵啟動(dòng)是否過載等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。2020年10月31日13∶18∶43,機(jī)組實(shí)際負(fù)荷234.32 MW,電泵電流為0 A,6 kV母線電壓為6.36 kV;13∶18∶45,啟動(dòng)電泵,電泵啟動(dòng)電流為1 498 A,6 kV母線電壓為5.73 kV; 13∶18∶49,電泵電流恢復(fù)至171.4 A,6 kV母線電壓恢復(fù)至6.35 kV,電泵啟動(dòng)結(jié)束。此次電泵試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)如圖3所示。

圖3 電泵試運(yùn)行參數(shù)

2.2.2 啟動(dòng)過載試驗(yàn)

由表1可知,電泵啟動(dòng)電流約為1 498 A,持續(xù)時(shí)間為5 s。參照電泵啟動(dòng)運(yùn)行說明書,電泵過載速斷電流保護(hù)定值為7.35 In,速斷動(dòng)作時(shí)間為0.05 s,實(shí)際數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于保護(hù)定值,允許該工況下的帶載啟動(dòng)。

表1 電泵試啟參數(shù)

2.2.3 給水泵雙停時(shí)間測(cè)試

13∶18∶43電泵啟動(dòng)指令發(fā)出后;13∶18∶44前置泵運(yùn)行,間隔為1 s;而雙泵停運(yùn)跳閘MFT時(shí)間為3 s,滿足設(shè)計(jì)要求。但考慮到電泵啟動(dòng)到正常運(yùn)行時(shí)間為5 s,可將雙泵停運(yùn)跳閘MFT延時(shí)改為6 s。

2.2.4 廠用6 kV母線耐壓測(cè)試

分析表1可知,電泵聯(lián)啟瞬間電壓下降至5.73 kV,依據(jù)式(1)計(jì)算出電壓偏差δU：

(1)

式中:U為火電廠6 kV母線電壓,kV;UN為火電廠6 kV母線的標(biāo)稱電壓,kV。

按照GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》規(guī)定“20 kV及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%”。分析表1數(shù)據(jù),此次試驗(yàn)電壓偏差計(jì)算結(jié)果為-4.5%,電泵啟動(dòng)試驗(yàn)工況滿足母線電壓質(zhì)量要求。

2.3 電泵防汽蝕及快速出力控制優(yōu)化

2.3.1 汽泵RB負(fù)荷控制優(yōu)化

在TF模式下,鍋爐主控通過輸出給煤量變化實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組功率的控制[12-14]。在汽泵跳閘或出力不足時(shí),設(shè)定RB目標(biāo)負(fù)荷145 MW,并觸發(fā)汽泵RB動(dòng)作,如圖4所示;鍋爐主控超馳減負(fù)荷指令,如圖5所示,圖中SP為設(shè)定點(diǎn),PV為過程值。

圖4 汽泵RB負(fù)荷設(shè)定回路

圖5 汽泵RB負(fù)荷控制回路

圖6 TF控制回路優(yōu)化

2.3.2 主汽壓力控制邏輯優(yōu)化

汽泵RB動(dòng)作后,機(jī)組由CCS(協(xié)調(diào)控制系統(tǒng))模式轉(zhuǎn)為TF模式,由汽機(jī)主控制器維持機(jī)組實(shí)際負(fù)荷對(duì)應(yīng)的壓力設(shè)定值。為了保證電泵快速出力,汽泵RB動(dòng)作后,參考其他輔機(jī)RB控制策略來迅速改變壓力設(shè)定函數(shù)和壓力變化率,函數(shù)設(shè)定見表2和表3。

表2 機(jī)組負(fù)荷對(duì)應(yīng)的滑壓函數(shù)f2(x)設(shè)定

表3 壓力變化速率f1(x)設(shè)定

為了加快電泵出力,該方案中采用給水壓力和分離器出口壓力偏差函數(shù)來設(shè)定主蒸汽壓力變化速率。

2.3.3 電泵再循環(huán)門和勺管控制邏輯及優(yōu)化

電泵聯(lián)鎖啟動(dòng)后,需要預(yù)防入口流量低汽蝕、電泵啟動(dòng)后長(zhǎng)時(shí)間不出力等兩種工況,其關(guān)鍵在于再循環(huán)門和電泵勺管的控制?？紤]到汽泵跳閘或者出力不足為突發(fā)事故工況,該試驗(yàn)對(duì)汽泵再循環(huán)及勺管控制回路進(jìn)行了優(yōu)化。

1)電泵投入備用后,再循環(huán)門超馳開至100%;在電泵聯(lián)啟正常運(yùn)行后,以鍋爐負(fù)荷對(duì)應(yīng)的開度變化速率控制關(guān)閉再循環(huán)門,如圖7所示。

圖7 再循環(huán)門控制控制回路

不同的鍋爐負(fù)荷對(duì)給水冷卻量的要求不同,為此設(shè)置了不同負(fù)荷下的開度速率函數(shù)來對(duì)再循環(huán)門進(jìn)行自動(dòng)控制,鍋爐負(fù)荷越高對(duì)應(yīng)再循環(huán)門開度速率越大,電泵出口給水量增加越快,充分保證鍋爐給水量,函數(shù)關(guān)系見表4。

表4 鍋爐負(fù)荷對(duì)應(yīng)f2(x)函數(shù)關(guān)系表

2)電泵投入備用后,機(jī)組負(fù)荷大于145 MW時(shí),勺管開度超馳開至20%,在電泵聯(lián)鎖啟動(dòng)后,根據(jù)機(jī)組負(fù)荷指令函數(shù)f1(x),并以5%/s逐步增大勺管開度,保證電泵快速出力,如圖8所示。

圖8 電泵勺管控制回路優(yōu)化

結(jié)合電泵再循環(huán)門的開度變化來逐步開啟電泵勺管,一方面減少電泵再循環(huán)流量并保證汽泵必須汽蝕裕量,另一方面是保證電泵出口給水壓力不斷增大,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速上水。鍋爐負(fù)荷對(duì)應(yīng)勺管開度函數(shù)見表5。

表5 鍋爐負(fù)荷對(duì)應(yīng)的勺管開度函數(shù)f1(x)關(guān)系表

2.4 鍋爐斷水保護(hù)控制優(yōu)化

在鍋爐MFT保護(hù)回路中,省煤器入口流量低于313 t/h延時(shí)15 s跳閘MFT,設(shè)置該保護(hù)的目的是防止受熱面超溫。在現(xiàn)有MFT回路中,分離器、水冷壁、過熱器、再熱器等受熱面均設(shè)置了超溫保護(hù),咨詢廠家并結(jié)合首次電泵聯(lián)鎖啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)該保護(hù)跳閘時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)應(yīng)時(shí)間函數(shù)見表6。

表6 機(jī)組負(fù)荷對(duì)應(yīng)給水流量低時(shí)間函數(shù)

2.5 鍋爐穩(wěn)燃控制策略

2.5.1 等離子自啟穩(wěn)燃

汽泵RB發(fā)生時(shí),B層等離子自動(dòng)投入,每個(gè)對(duì)角拉弧投入間隔時(shí)間為10 s,投入順序?yàn)锽1、B3、B2、B4。

2.5.2 跳磨邏輯優(yōu)化

汽泵RB發(fā)生后, FSSS按從上到下依次跳閘,按照E磨、D磨的順序跳閘對(duì)應(yīng)的磨煤機(jī),保留下層3臺(tái)機(jī)運(yùn)行。

3 汽泵RB試驗(yàn)過程及分析

3.1 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過程

2021年4月3日20:25:33,由運(yùn)行人員投入汽泵RB回路,勺管自動(dòng)開至20%;

20:33:19,機(jī)組實(shí)際負(fù)荷207.32 MW,勺管開度19.62%,母線電壓6.26 kV,電泵電流為0 A;

20:33:20,運(yùn)行人員手動(dòng)觸發(fā)汽泵跳閘動(dòng)作按鈕,汽泵跳閘,METS動(dòng)作;

20:33:21,電泵正常聯(lián)鎖啟動(dòng),啟動(dòng)瞬間6 kV母線電壓拉低至5.48 kV,汽機(jī)RB正常動(dòng)作,機(jī)組由協(xié)調(diào)模式切換至機(jī)跟隨模式;

20:33:22,E磨煤機(jī)、D磨煤機(jī)跳閘;

20:33:23,鍋爐給水流量低于313 t/h;

20:33:40,電泵勺管開度39.5%,再循環(huán)開度50%,電泵開始出力;

20:33:44,B層等離子啟弧成功;

20:33:46,給水流量達(dá)到347 t/h,出力正常,水冷壁、過熱器、再熱器各受熱面溫度高、給水流量低低等MFT保護(hù)條件均未觸發(fā),試驗(yàn)成功,試驗(yàn)過程如圖9所示。

圖9 汽泵RB試驗(yàn)過程曲線

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 電泵啟動(dòng)過載分析

20:33:20,汽泵跳閘;

20:33:21,電泵運(yùn)行信號(hào)觸發(fā),遠(yuǎn)小于給水泵雙停跳閘時(shí)間,且啟動(dòng)電流為1 498 A,未超過過載保護(hù)定值。

20:33:21,勺管開度19.62%,電泵啟動(dòng)后母線電壓5.48 kV,供電電壓偏差為-8.67%,略超過-7%。

3.2.2 鍋爐斷水及超溫分析

20:33:24,鍋爐給水流量252.93 t/h,低于313 t/h開始斷水;

20:33:41,電泵開始出力;

20:33:45,鍋爐給水流量319.65 t/h正常出力,鍋爐整體斷水時(shí)間為21 s,遠(yuǎn)小于給水流量低動(dòng)作MFT動(dòng)作保護(hù)時(shí)間。

3.2.3 鍋爐受熱面超溫分析

結(jié)合表7可知,在鍋爐斷水工況下,螺旋水冷壁、分離器出口溫度、過熱器受熱面溫度、再熱器受熱面均遠(yuǎn)小于報(bào)警值,不存在受熱面超溫風(fēng)險(xiǎn)。

表7 各受熱面超溫?cái)?shù)據(jù)分析

4 結(jié) 語

在既定60%額定負(fù)荷下,汽泵RB試驗(yàn)研究表明,該機(jī)組RB控制方案中,針對(duì)100%容量汽動(dòng)給水泵在跳閘或者出力不足時(shí),通過電泵聯(lián)啟邏輯控制優(yōu)化后,能夠達(dá)到避免給水泵全停和防止鍋爐受熱面超溫的效果,可有效避免機(jī)組MFT動(dòng)作,減少機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)。此次RB試驗(yàn)控制方案實(shí)施成功,對(duì)同類型機(jī)組具有參考意義。