采用汽动引风机的1 000 MW级汽轮发电机组RB试验

2012-02-08陈志刚郝德锋赵志丹王家兴孔德伟王晓勇

电力建设 2012年8期

陈志刚，郝德锋，赵志丹，王家兴，孔德伟，王晓勇

(1.西安热工研究院有限公司，西安市 710032; 2.华能沁北发电有限公司，河南省济源市 459012)

0 引言

目前，汽动引风机在新建1 000 MW级机组中已逐步得到应用，但相关的辅机故障减负荷(run back，RB)试验尚无成熟的控制策略和丰富的工程实际经验。本文对某台采用汽动引风机的汽轮发电机组在调试、RB试验过程中出现的问题进行分析和总结，并在此基础上给出了送、引风机控制逻辑的优化策略。通过RB试验的严峻考验，证明了该策略的可行性，同时也为其他采用汽动引风机机组的安全、稳定运行提供借鉴。

1 设备概况

某超超临界1 000 MW机组配套东方锅炉厂制造的超超临界本生滑压运行直流锅炉，型号为DG3110/26.15-II2，单炉膛、一次中间再热、平衡通风、尾部双烟道结构;配套哈尔滨汽轮机厂制造的超超临界凝汽式汽轮机，型号为CCLN1000－25/600/ 600，一次中间再热、单轴、四缸四排汽;控制系统采用艾默生控制系统(上海)有限公司提供的OVATION系统［1］。

烟风系统采用2台动叶可调轴流送风机和2台由小汽机驱动、入口导叶可调的轴流引风机。每台引风机配置1台杭州汽轮机厂生产的NK63/56/0型单缸、单流、单轴、反动式、纯冷凝汽轮机。控制驱动功能由二次油压驱动油动机来实现。引风机小汽机正常工作汽源采用主机四段抽汽，启/停及备用汽源采用辅助蒸汽。小汽机与引风机通过减速箱(转速比为5 574/722)连接。

2 机组RB控制概述

RB控制策略主要由模拟量控制系统(modulating control system，MCS)和燃烧器管理系统(furnace safeguard supervisory system，FSSS)共同实现［2］。FSSS的任务主要是按照一定顺序及时间切除运行磨煤机(除了需保留的磨煤机)，同时投入预置油枪稳燃。MCS中一般包含几个特有的RB控制回路:运行辅机最大出力计算、负荷指令变化率设定、控制模式自动切换、主汽压力滑压设定值生成回路及其压力变化率设定等［3］。

机组在协调控制系统(coordinated control system，CCS)模式且负荷大于600 MW时，许可运行人员投入机组RB功能。

针对风烟系统机组RB功能对应的目标负荷值及速率为:

(1)RB功能投入，1台送风机跳闸触发送风机RB功能，机组目标负荷为600 MW，变化速率为1 000 MW/min;

(2)RB功能投入，1台引风机跳闸触发引风机RB功能，机组目标负荷为600 MW，变化速率为1 000 MW/min;

(3)RB功能投入，1台一次风机跳闸触发一次风机RB功能，机组目标负荷为550 MW，变化速率为1 000 MW/min。

在发生RB时，机组控制方式自动由CCS模式切为汽机跟踪(turbine follow，TF)模式，锅炉主控处于目标负荷自动预设模式，汽机主控根据机组滑压设定值维持机前压力按一定速率下滑，FSSS自动按预设跳磨顺序切除燃料并保留3台磨煤机运行，同时燃料主控自动维持目标负荷对应的燃料量，机组负荷降低到辅机许可的出力范围内［4-5］。

3 针对RB工况汽动引风机控制策略的优化

采用汽动引风机的机组，在炉膛负压控制手段上还保留着静叶调节和小汽机转速调节，需要重新解决静叶调节向转速调节过渡、2台引风机小机并列运行、引风机运行“与否”判据确定、RB工况引风机控制方式切换、防小汽机超速和炉膛负压波动过大造成锅炉总燃料跳闸(master fuel trip，MFT)保护动作等一系列控制逻辑优化问题。在机组RB动作时，由于送风指令快降(燃料量突降、氧量调节叠加)造成引风机负载快速减小，而引风机小汽机调节存在一定的迟滞导致炉膛负压过大，进而影响炉膛燃烧甚至造成小汽机超速的严重后果［6］。因此在RB工况下，需要送风指令充分考虑到引风机的调节特性，使送风指令的下降速度、幅度及时间与之匹配，达到两者同步平稳下滑。

3.1 引风机静叶控制与转速控制切换逻辑

引风机运行信号采用引风机小机挂闸，并且小汽机转速大于2 600 r/min的信号作为判据。炉膛负压控制采用引风机静叶开度及小汽机转速2种控制模式。对于引风机静叶开度控制只要小汽机转速大于2 800 r/min就具备投自动条件;对于小汽机转速控制需要引风机静叶开度大于70%，并且小汽机转速大于2 800 r/min时才具备投自动条件［7］。

在机组启动及运行过程中，炉膛负压先由静叶开度调节来控制，随着风烟量的增大，静叶开度逐渐增大到70%时运行人员即可投入小汽机转速自动控制。小汽机转速控制进入自动后，静叶开度就被锁定在当前开度值上，炉膛负压控制模式就由静叶开度调节过渡为小汽机转速调节。

考虑到在RB工况下小汽机转速调节的阶跃性，为了确保引风机小汽机转速调节保持在遥控模式而不被切为就地控制模式，增加在RB触发后屏蔽小汽机转速指令和反馈偏差大于500 r/min时小汽机控制切就地模式。

3.2 防汽动引风机小汽机超速逻辑

在引风机小汽机静叶开度突降、发生一次风机RB或锅炉MFT时，由于实际风量的突变引起引风机小汽机实际负载的突降，造成小汽机实际转速的飞升并严重威胁设备的安全运行。一般情况下，引风机小汽机的运行转速为3 000～5 500 r/min，而引风机小汽机的超速转速为5 897 r/min。因此如何在小汽机实际负载突降的情况下，快减小汽机设定转速，并稳定实际转速使其处于安全水平，成为控制逻辑的关键所在。

为防超速，在引风机小汽机转速控制逻辑回路内增加转速快降前馈。如图1所示，该前馈由2个部分组成，一部分为在锅炉发生MFT时，首先锁定当前目标负荷值，进而根据预置函数得出快减转速量，然后通过预置设定速率进入小汽机转速控制回路;另一部分由炉膛压力偏差信号预置1个带死区的转速设定输出回路，并经过速率限制后进入小汽机转速控制回路。

为避免引风机小汽机在高转速时因静叶快关造成小汽机意外超速，在引风机静叶控制回路内增加闭锁减功能。即引风机小机转速在手动模式、静叶开度大于85%且小机转速大于5 300 r/min时，闭锁该风机静叶减功能。

图1 引风机小汽机转速快降前馈回路Fig.1Feed-forward loop of steam turbine-driven IDF with speed quick drop

3.3 送风机控制回路优化

根据送、引风机容量匹配及调节速度差异较大的实际情况，有针对性地对送风控制指令回路进行改造，以适应调节速度差异较大的特性。在机组负荷大于600 MW并且两侧送、引风机全运行，若一侧送风机(或引风机)跳闸，则在逻辑内增加跳闸同侧引风机(或送风机)联锁信号，维持风烟系统单侧运行进而使送、引风机容量匹配。

在机组发生RB时，由燃料突降及氧量调节回路对送风指令进行修正，造成送风指令快速回落到机组RB目标负荷对应的送风量上。由于引风机小汽机调节速度远慢于送风机，易造成炉膛负压过大并严重影响炉膛燃烧及造成引风机小汽机超速事故。为此，在原送风指令回路内增加随机组负荷变速率限制回路，使送风指令下降速度受限于机组负荷的衰减速度。即先慢后快并平滑过渡，进而和引风机小汽机转速调节速度相匹配［8-9］。逻辑框图如图2所示。

图2 增加变速率限制后送风控制指令回路Fig.2Control instruction loop for FDF with variable speed rate limit increased

由图2可知，经过氧量修正后的送风指令先经过惯性环节，取大后根据MFT、RB和正常运行模式的切换速率对其限速后成为新的送风指令，去控制执行回路。

在机组发生RB时，考虑到氧量调节对送风指令的影响，特在控制逻辑内增加氧量调节跟踪功能。同时为避免送风指令下降过慢造成运行送风机过出力问题，增加了送风机动叶调节最大开度限制逻辑［10］。

4 机组RB试验

在对送、引风机的控制策略进行优化后，于2012年2月24日针对一次风机、送风机和引风机进行了RB试验。

4.1 一次风机RB试验

RB试验前机组的负荷为900 MW，处于协调方式、滑压运行，A、B、C、E、F 5台磨煤机运行，机组处于稳定运行状态。

运行人员手动停止A一次风机，触发一次风机RB动作。

(1)一次风机RB发生后，机组由协调控制切为TF控制方式，滑压运行;

(2)一次风机RB发生后，锅炉主控指令自动切至550 MW;

(3)一次风机RB发生后，按顺序跳闸F、B磨煤机，保留A、C、E 3台磨煤机运行;

(4)A层磨煤机少油点火自动投入，D油层自动间隔投入;

(5)燃料设定自动进入RB发生后所预置目标值，燃料主控闭锁30 s后转入自动调节;

(6)RB发生后在给水、燃料、机组负荷和主汽压力等稳定后可由运行人员手动复位RB信号。

一次风机RB相关过程曲线见图3。通过图3的炉膛负压曲线可知，在热一次风母管压力从11.3 kPa突降到4.2 kPa的过程中，炉膛负压从－139 Pa突降到－2 kPa后快速反弹并稳定在－120 Pa左右，为炉膛的稳定燃烧创造了良好的条件。

图3 一次风机RB试验Fig.3RB test for PAF

4.2 送引风机RB试验

RB试验前机组的负荷为900 MW，处于协调方式、滑压运行，A、B、C、E、F 5台磨煤机运行，机组处于稳定运行状态。由于送、引风机RB控制回路均为跳闸同侧，送、引风机保留单侧运行模式，且RB发生后控制模式切换与一次风机RB相同，故不再赘述。

送风机RB动作相关过程曲线见图4。通过图4的炉膛负压曲线可知，在运行引风机小汽机转速设定从4 953 r/min升到5 600 r/min的过程中，小汽机的实际转速仅从4 954 r/min升到5 023 r/min;运行送风机开度由50%开大到64%，炉膛负压从－82 Pa升到1 100 Pa后缓慢回落到110 Pa左右。

1～10同图 3;11—B送风机动叶反馈，%(量程0～100);12—B送风机电流，A(量程0～600);13—B引风机小汽机转速设定，r/min(量程0～7 000);14—B引风机小汽机实际转速，r/min(量程0～7 000)

引风机RB动作相关过程曲线见图5。通过图5的炉膛负压曲线可知，在运行引风机小汽机转速设定从4 785 r/min升到5 600 r/min的过程中，小机的实际转速仅从4 781 r/min升到5 124 r/min;运行送风机开度由46%开大到67%，炉膛负压从－47 Pa升到1 388 Pa后缓慢回落到360 Pa左右。