關于600MW超臨界循環(huán)流化床機組RB控制策略研究
作者：鄭曉敏
在四川白馬循環(huán)流化床示范電站（以下簡稱白馬電廠）超臨界循環(huán)流化床機組進行試驗前及試驗過程中對控制方案進行了優(yōu)化，試驗獲得了成功。
白馬電廠600 MW超臨界循環(huán)流化床機組是目前世界上投產(chǎn)的最大容量循環(huán)流化床機組。鍋爐由東方鍋爐廠設計、生產(chǎn)，型號為DG1900/25.4 -119型．是東方鍋爐廠完全白主開發(fā)的第一臺600 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐機組。鍋爐采用雙布風板單爐膛、H型布置、平衡通風、一次中間再熱、循環(huán)流化床燃燒方式，采用外置式換熱器調(diào)節(jié)爐膛床溫及再熱蒸汽溫度．采用高溫冷卻式旋風分離器進行氣固分離．鍋爐整體呈左右對稱布置。給煤系統(tǒng)采用4條給煤線，爐膛左、右側(cè)各2條。給水系統(tǒng)配置2臺50%BMCR調(diào)速汽動給水泵，1臺30%BMCR定速電動給水泵作為啟動泵。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量1900 t/h,主蒸汽額定溫度為571℃，主蒸汽壓力25.4 MPa,再熱蒸汽額定溫度為569℃，再熱蒸汽壓力4.529 MPa。汽輪機為東方汽輪機廠生產(chǎn)的N600-24.2/566/566型超臨界參數(shù)、單軸、一次中間再熱、三缸四排汽凝汽式汽輪機。主蒸汽額定溫度為566 ℃，主蒸汽壓力24.2 MPa,再熱蒸汽額定溫度為566℃，再熱蒸汽壓力3.967 MPa。分散控制系統(tǒng)采用國電智深公司的EPDF-NT+控制系統(tǒng)，實現(xiàn)機爐電一體化控制。
1 超臨界循環(huán)流化床機組RB控制策略
超臨界循環(huán)流化床機組的RB控制功能與超臨界煤粉爐基本相同，都是在輔機故障的情況下將負荷快速降至機組允許的最大出力。但流化床鍋爐在燃燒工藝上又與煤粉爐不同，煤粉爐的RB控制由模擬量控制系統(tǒng)(MCS)和爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)( FSSS)共同完成，而流化床機組的RB控制僅由MCS來實現(xiàn)。燃料控制主要是控制RB狀態(tài)下對應的煤量．保證鍋爐在低負荷時燃燒穩(wěn)定，不存在快速切除部分燃料系統(tǒng)及快速投入油槍助燃的功能。此外，床溫超溫RB、分離器超溫RB則是流化床機組特有的項目。600 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐煙風系統(tǒng)、給煤系統(tǒng)工藝又與普通300 MW等級流化床鍋爐不全相同，因此控制策略也有所差別。
1.1 RB允許及復位條件
如圖1所示，當煙風系統(tǒng)、給煤系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、汽輪機主控都投入自動，并且機組負荷大于350 MW時，允許投入RB功能。當RB發(fā)生1 200 s后或機組負荷小于330 MW (50%BMCR)時RB自動復位，當出現(xiàn)危及機組安全運行的工況時，可手動復位RB過程。
600 MW超臨界循環(huán)流化床機組RB功能對自動控制系統(tǒng)有著嚴格的要求，例如煙風系統(tǒng)、給煤系統(tǒng)等，若系統(tǒng)退出自動方式，將難以實現(xiàn)鍋爐安全降負荷，以下對幾個較為復雜的系統(tǒng)進行說明。
1.1.1給煤系統(tǒng)
鍋爐采用回料器、外置床返料管聯(lián)合給煤形式．為保證給煤的均勻性，鍋爐設12個給煤點，分別布置在6臺回料器至爐膛灰道和6臺外置式換熱器至爐膛的灰道上。因此給煤控制設計為2個燃料主控，分別控制爐膛左、右側(cè)的給煤機。當兩側(cè)燃料主控都在自動時，可設分配系數(shù)來分配兩側(cè)的給煤量。
在RB過程中，給煤量變化很大，為保證左、右側(cè)給煤量和床壓的均衡，當兩側(cè)燃料主控都在自動時．才允許投入RB功能。
1.1.2 一次風系統(tǒng)
一次風系統(tǒng)分為兩級控制，一次風機控制熱一次風壓力，2個一次風風門分別控制進入爐膛兩側(cè)“支腿”的一次風量。
鍋爐正常運行時，雙“支腿”是爐膛流化層的密相區(qū)，2只“支腿”之間床壓處于相對平衡狀態(tài)。由于一次風量、給煤量及給煤粒徑等原因，這種平衡有可能在運行中打破，引起一側(cè)“支腿”流化作用強于另外一側(cè)，床料也因此被吹向另外一側(cè)．造成一側(cè)床壓降低，另一側(cè)床壓升高，嚴重時會造成一側(cè)床料塌死，另外一側(cè)床料被吹空。當某側(cè)一次風量設定值和測量值的偏差高于設定風量的15%時．表明該側(cè)爐膛堆積的床料在持續(xù)增加．此時，采取在一次風壓調(diào)節(jié)器輸出疊加一個前饋環(huán)節(jié)，瞬間增大一次風壓力，將爐膛床料吹向兩“支腿”．以恢復雙“支腿”的正常流化狀態(tài)。一次風壓力設定值為爐膛差壓（兩側(cè)大選后）的函數(shù)．這是克服“翻床”的關鍵。當某側(cè)床料增多時．其床壓必然升高，而不管是哪一側(cè)床壓升高，兩側(cè)床壓的大值必然升高。所以，一次風壓設定值跟蹤爐膛差壓的大值，可以避免“翻床”的發(fā)生。一次風量指令為鍋爐指令的函數(shù)并受最低流化風量的限制。
為保證鍋爐在所有工況下的流化正常，避免“翻床”發(fā)生，一次風壓和一次風量投入自動也是RB投入的條件之一。
1.1.3二次風系統(tǒng)
二次風經(jīng)空氣預熱器（空預器）加熱后進人兩側(cè)爐膛的內(nèi)外側(cè)，作為燃燒及燃燒調(diào)整用風。2個內(nèi)二次風門分別控制進入兩側(cè)爐膛內(nèi)側(cè)的燃燒風．風量指令為鍋爐指令的函數(shù)。2個外二次風門調(diào)節(jié)燃燒調(diào)整用風，用于控制總風量，維持正常的風煤比，總風量控制中有氧量校正環(huán)節(jié)。二次風機則控制二次風壓力。
為保證鍋爐的正常燃燒，維持正常的風煤比，RB期間二次風系統(tǒng)必須要投入自動。
1.1.4給水系統(tǒng)
為保證機組工質(zhì)和能量的平衡，當給水流量控制和焓值控制都投入自動時，允許投入RB。
1.2 參數(shù)越限RB
參數(shù)越限RB為流化床鍋爐特有，包括分離器超溫RB和床溫超溫RB，邏輯如圖2所示。
1.2.1 分離器超溫RB
RB功能投入時，任意旋風分離器出口煙氣溫度大于1 030 ℃．觸發(fā)分離器超溫RB，機組負荷小于330 MW自動復位。
1.2.2 J-溫超溫RB
RB功能投入時，爐膛左、右側(cè)上部床溫大于980 ℃（每側(cè)3取2后相“或”），觸發(fā)床溫超溫RB,機組負荷小于330 MW自動復位。
參數(shù)越限RB曰標負荷為300 MW，鍋爐降負荷速率為100%ECR/min。
1.3輔機RB
輔機RB包括引風機RB、二次風機RB.給水泵RB。邏輯如圖3所示。
1.3.1 引風機RB
RB功能投入時，2臺引風機運行．任意一臺跳閘，觸發(fā)引風機RB,機組負荷小于引風機最大出力(330 MW)自動復位。
1.3.2二次風機RB
RB功能投入時，2臺二次風機運行，任意一臺跳閘，觸發(fā)二次風機RB,機組負荷小于二次風機最大出力(460 MW)臼動復位。
1.3.3 給水泵RB
RB功能投入時．2臺汽動給水泵運行．任意一臺跳閘，觸發(fā)給水泵RB,機組負荷小于給水泵最大出力(330 MW)自動復位。
引風機RB目標負荷為300 MW,二次風機RB目標負荷為400 MW,鍋爐降負荷速率均為lOO%ECR/min。
由于流化床鍋爐的熱容量很大。RB發(fā)生煤量下降后的鍋爐蓄熱及蒸發(fā)量仍較大，給水泵跳閘時極易造成多項參數(shù)大幅變化．因此應RB目標負荷設定得更低一些，故在給水泵RB時目標負荷設定為260 MW．鍋爐降負荷速率為100%EC R/min，并行控制燃料系統(tǒng)和風量系統(tǒng)。而在給水控制中給水前饋指令設計采用鍋爐自平衡指令，跟隨主蒸汽流量，所以不受RB工況影響。
在發(fā)生RB特別是風機RB時，首要任務是維持爐膛平衡，將各主要參數(shù)保持在一定范圍內(nèi),故針對RB 工況增加了部分邏輯。
鍋爐共有2臺一次風機和2臺二次風機向爐膛送風，每臺風機出力約占總風量的1/4。增加邏輯當引風機RB發(fā)生時，聯(lián)鎖跳閘對側(cè)二次風機，在滿足鍋爐風量的前提下，維持爐膛壓力的平衡。當二次風機RB發(fā)生時，引風機超馳關一定數(shù)值、持續(xù)一定時間，邏輯通過爐膛壓力調(diào)節(jié)器前饋實現(xiàn)一動作過程為以較快的速率關一定的數(shù)值．保持一定時間后再以較慢的速率恢復，關閉數(shù)值用機組負荷修正，確保在不同負荷下應有不同的動作幅度一另在RB過程中．爐膛壓力調(diào)節(jié)器變參數(shù)．加快調(diào)節(jié)速度一次風機跳閘時，極易出現(xiàn)“踏床”現(xiàn)象．故鍋爐廠將一次風機RB功能取消．直接觸發(fā)MFT。
1.4 RB發(fā)生后機組動作情況
1 .4.1 機爐控制方式轉(zhuǎn)換
RB發(fā)生時，汽輪機切換為汽輪機跟隨(TF)方式，控制主蒸汽壓力；鍋爐切換至鍋爐輸入( BI)方式．輸入指令為RB鍋爐負荷指令
1.4.2 RB鍋爐負荷指令
RB目標負荷運算根據(jù)不同工況選擇RB目標負荷，鍋爐降負荷速率均設定為lOO% ECR/min。機組正常運行時．跟蹤鍋爐指令．RB發(fā)生后切換至RB目標負荷．通過降負荷速率限制輸出為RB鍋爐負荷指令。
1.4.3主蒸汽壓力設定
RB發(fā)生時．主蒸汽壓力設定切換為滑壓方式，設定值為機組負荷通過RB滑壓曲線給定．RB結(jié)束后切換為定壓方式。
1.4.4聯(lián)鎖及超馳控制
發(fā)生引風機RB時，聯(lián)鎖跳閘對側(cè)二次風機。發(fā)生二次風機RB時，引風機超馳關一定數(shù)值、一定時間。
1.4.5降負荷過程
RB過程中，在鍋爐輸入(BI)方式下，各子系統(tǒng)受RB鍋爐負荷指令并行控制，快速降低鍋爐負荷，機組負荷隨鍋爐負荷降低而自動減少，當機組負荷小于機組出力限制值時，RB自動復位。
2 RB控制策略的要點及優(yōu)化措施
2.1 偏差大切手動邏輯屏蔽
在機組正常運行狀態(tài)下，當各主要子系統(tǒng)的設定值與反饋偏差大以及執(zhí)行機構(gòu)的指令與反饋偏差大時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)將切至手動方式。而在RB工況時應對上述邏輯閉鎖，使各主要控制系統(tǒng)仍處于自動狀態(tài)，直至RB結(jié)束。
2.2風機過電流保護控制
當風機跳閘時，平衡回路控制邏輯會將跳閘風機的控制指令疊加至運行的風機。因此將跳閘風機超馳關閉的速率限制為動、靜葉實際動作能達到的最大速度，則指令疊加至運行風機時的速率與其相同，即保證指令能快速轉(zhuǎn)移又保證風機的過電流閉鎖控制起作用。此外應根據(jù)最大允許電流與動、靜葉開度的對應關系設置好最大指令限制值，確保運行風機的安全。
2.3 雙平衡回路調(diào)節(jié)器的上限切換
對于雙平衡回路的調(diào)節(jié)器，當一臺設備跳閘，另一臺設備指令達最大時，必須要將調(diào)節(jié)器的上限切換為正常上限的1／2。例如風機跳閘后指令轉(zhuǎn)移至運行風機，易出現(xiàn)運行風機指令已達最大，但調(diào)節(jié)器指令仍在中間位置，此時繼續(xù)調(diào)節(jié)指令無效。
2.4 RB目標負荷煤質(zhì)修正
RB鍋爐目標指令是由RB發(fā)生時的燃料量與機組負荷的燃功比，再乘以RB目標負荷計算得到．這樣可以有效避免煤質(zhì)變化引起的RB目標燃料量的偏差。
2.5 RB滑壓曲線的合理設置
滑壓曲線的合理設定對RB非常重要，在汽機跟隨方式下，壓力設定值直接影響調(diào)速汽門的開度，既影響機組降負荷的速率，又影響四段抽汽和冷再熱蒸汽的壓力。前者關系到RB過程的時間．后者則決定了汽動給水泵是否可以正常運行。如壓力設定過低，則負荷降的過慢，不利于機爐間的平衡。如果壓力設定過高，則調(diào)速汽門關閉過多，負荷降得過快，控制擾動量過大，易造成多項參數(shù)大幅波動，導致過程不穩(wěn)定。而且四段抽汽、冷再熱蒸汽壓力下降過多，不能滿足小汽機出力的要求。因此必須合理設置RB滑壓曲線。
2.6 給水控制系統(tǒng)變參數(shù)
給水控制中，應根據(jù)給水泵RB和非給水泵RB兩種工況對給水指令前饋信號的慣性時間常數(shù)進行切換，加快響應速度，并且焓值調(diào)節(jié)器應在RB時變參數(shù)。
3 RB試驗情況
通過實際切除設備的方式進行了RB試驗。各項RB功能觸發(fā)后機組均在20 min內(nèi)重新達到了穩(wěn)態(tài)。其中引風機RB過程為15 min，二次風機RB過程9 min 29 s，給水泵RB過程為20 min。各項RB試驗中機組主要參數(shù)變化情況見表1~3。
由試驗數(shù)據(jù)可見，各項RB試驗中各主要參數(shù)變化不劇烈，都在可控范圍之內(nèi)。因此可以認為本機組的RB試驗是成功的，控制策略是合理的。
RB過程中的重要問題及解決方案：
(1)發(fā)生風機RB后爐膛壓力波動大，引風機RB時聯(lián)鎖跳閘一臺二次風機，二次風機RB時引風機超馳關一定數(shù)值，有利于維持爐膛壓力平衡。
(2)發(fā)生給水泵RB后給水流量迅速下降，但鍋爐熱慣性較大，將RB目標負荷設置更低一些．并行控制燃料和風量，降低鍋爐熱量，有利于整個過程的汽、水平衡。
(3) RB發(fā)生后，蒸汽溫度快速上升，減溫調(diào)節(jié)必須動作迅速。采用基于物理機理的單調(diào)節(jié)器、內(nèi)模控制減溫調(diào)節(jié)方案能有效地解決這一問題。
(4) RB過程中維持鍋爐正常流化、床壓平衡至關重要，采用帶有防止“翻床”功能分兩級控制一次風量、風壓的調(diào)節(jié)方案能夠保證正常、快速降低一次風量，也有利于機組減負荷。
(5)鍋爐物料循環(huán)對蒸汽溫度及床溫有很大影響，RB期間必須并行控制燃料和一、二次風量，并保證合適的風煤比。
4結(jié)語
通過對首臺600 MW超臨界循環(huán)流化床(CFB)機組RB控制策略的改進和優(yōu)化．成功地完成了RB試驗，為機組在高度自動化方式下安全、穩(wěn)定運行提供了保障。但如何進一步適應其特點，設計出更為合理的控制策略并不斷優(yōu)化相關參數(shù)，提高RB功能品質(zhì)，是需要繼續(xù)深入研究的課題。
5摘要：分析了白馬電廠世界首臺600 MW超臨界循環(huán)流化床機組的RB控制策略：在RB發(fā)生后進行控制方式轉(zhuǎn)換、超馳聯(lián)鎖、偏差閉鎖、限值閉鎖、參數(shù)切換等。實現(xiàn)機組在高度自動化狀態(tài)下完成RB動作過程，以最優(yōu)減負荷速率使機組重新穩(wěn)定在負荷目標附近并將各主要參數(shù)控制在正常運行范圍內(nèi)。在風機RB時進行聯(lián)鎖和超馳控制可以提高爐膛壓力調(diào)節(jié)品質(zhì)，給水泵RB時選擇更低的目標負荷有利于整個過程的汽、水平衡，采用物理機理模型的減溫調(diào)節(jié)方案可抑制蒸汽溫度上升過快，分兩級控制的一次風調(diào)節(jié)方案能保證鍋爐正常流化和床壓平衡。試驗證明，控制策略品質(zhì)良好，可推廣應用于同類型機組。
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