基于实际工况的主蒸汽压力设定值速率限制策略

2014-11-20胡雄辉毛发龙王印松

湖南电力 2014年3期

胡雄辉，毛发龙，王印松

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007;2.中国能源建设集团公司湖南省电力勘测设计院，湖南长沙410007;3.华北电力大学，河北保定071000)

在火力发电机组的自动控制系统中，锅炉/汽轮机的协调控制系统是其中最主要的控制系统之一。在锅炉/汽轮机协调控制系统的实施方案中，又可以分为以汽轮机跟随为基础的协调控制方式(CCTF)和以锅炉跟随为基础的协调控制方式(CCBF)〔1〕。在CCBF中，通过调整入炉燃料量来保证主蒸汽压力跟随其设定值;通过调整主蒸汽调节阀的开度来保证汽轮发电机的输出功率跟随其设定值。

主蒸汽压力是反映锅炉和汽轮机之间能量供需关系的一个重要物理量〔2〕，主蒸汽压力稳定，则机组燃烧、汽温、给水的调节难度较小，各参数也容易进入稳定状态，主蒸汽压力稳定性较差，则容易引起燃烧不稳定、超温、超压等情况发生〔3〕，影响机组安全、稳定和经济运行。如何保持主汽压力稳定，保持主蒸汽压力按照机组负荷要求及时、平稳变化是火电厂热工自动控制的重要研究课题〔4〕。

在CCBF方式下，主蒸汽压力的调节主要依靠调整锅炉燃烧来实现〔5〕。主蒸汽压力低于其设定值，则相应增加入炉燃料量;反之，减少入炉燃料，以保证主蒸汽压力在设定值附近运行。主蒸汽压力与设定值之间的压力偏差越大，需要增加或减少的燃料量就越多。所以在调节过程中压力偏差越小，燃料量变化越小，锅炉燃烧越稳定，主蒸汽温调节、给水调节以及送、引风调节也就越平稳;压力偏差越大，燃料量变化越大，在燃烧调节不好的情况下，容易出现主蒸汽压力反向超调情况，造成主蒸汽压力反复波动，汽温、给水以及送、引风等自动调节也容易出现反复摆动的情况。调整锅炉燃烧是控制主蒸汽压力稳定、保持压力偏差较小的重要手段，同样，保持压力偏差较小也是稳定锅炉燃烧的重要手段〔6〕。

1 传统的主蒸汽压力设定值调整方法

调整主汽压力设定值的目的是在当前负荷下，保证汽轮机主蒸汽调节阀的开度处于一个比较经济的工作区域〔7〕，并且使调节阀门的开度有一定的调整范围;同时也要确保在机组正常运行中，主蒸汽压力与其设定值的偏差不会太大，防止协调控制系统因为压力偏差大而退出自动控制方式〔8〕。但是，传统的协调控制方案中的压力速率限制策略存在一定缺陷，可能会因为压力设定值的不合理，造成压力偏差越来越大，降低主汽压力调节品质，进而退出自动控制方式。

1.1 主蒸汽压力设定值的计算

主蒸汽压力设定值的调整分为手动方式和自动方式2种〔9〕，即定压运行方式和滑压运行方式。在定压运行方式下，主蒸汽压力设定由运行人员根据机组负荷和实际运行情况在“定压压力设定站”进行手动设定，经过限速以后形成主蒸汽压力设定值，分别送到锅炉燃烧控制系统和汽轮机控制系统。在滑压运行方式下，利用机组负荷指令，经设定的滑压曲线函数进行运算，产生滑压压力设定值，经过限速模块运算以后，形成限速以后的主蒸汽压力设定值，分别送到锅炉燃烧控制系统和汽轮机控制系统〔10〕。在滑压运行方式下，运行人员可以通过“滑压偏置设置站”，对滑压曲线产生的压力设定值进行修正，使实际的主蒸汽压力设定值符合机组运行的要求。

1.2 通过调整设定值的方式加快燃烧调节

机组正常运行情况下，主蒸汽压力会在其设定值附近波动。当主蒸汽压力与设定值存在偏差时，燃烧调节系统自动调节，使主蒸汽压力自动回归到设定值附近。实际操作中，当主蒸汽压力高于设定值，出现较大偏差时，有的运行人员习惯将压力设定值降低，通过进一步扩大压力偏差的方式，加快燃烧调节。相反，当主蒸汽压力低于设定值，出现较大偏差时，增加压力设定值。实际上，这种操作方式不利于主蒸汽压力的稳定，反而由于压力偏差过大，造成燃料量出现过调、主蒸汽压力超调，产生压力振荡〔12〕。

同样，在出现燃烧扰动或者负荷变化时，主蒸汽压力容易出现快速变化，为了防止主蒸汽压力进一步变化，运行人员往往将主蒸汽压力设定值往压力变化的反方向调整，希望通过扩大压力偏差的方式来加快燃烧调节，以达到主蒸汽压力稳定的目的。实际上，通过改变压力设定值扩大压力偏差的方式，调节效果不明显，反而容易因为压力偏差过大，造成协调控制系统退出自动控制方式。

1.3 滑压运行中压力设定值持续单向变化

机组滑压运行时，主蒸汽压力设定值将根据机组负荷和滑压曲线综合计算得出，当负荷变化幅度较大时，压力设定值会出现持续的单向变化。机组在实际运行中，特别是大幅度变负荷时，常有启、停磨煤机 (或给粉机)等操作，燃料容易出现短时间的欠缺或富余，主蒸汽压力不能完全按照滑压曲线运行，如果压力设定值一味的按照滑压曲线变化，可能造成压力偏差过大而退出自动协调控制。

2 基于火电机组实际工况的主蒸汽压力设定值限速方法

燃料量的变化对主蒸汽压力影响的动态特性是一个带延时的惯性环节〔13〕。由于锅炉制粉系统及煤粉管道布置不同，对应的延时时间和惯性也不一样。根据物理系统的结构特点很容易看出:对于中储式制粉系统，主蒸汽压力动态特性的延时时间和惯性时间常数最小;对于直吹式双进双出钢球磨煤机系统，主蒸汽压力动态特性的延时时间和惯性时间常数次之;对于中速磨煤机制粉系统，主蒸汽压力动态特性的延时时间和惯性时间常数最大。在机组正常运行中，由于存在燃烧扰动、负荷变化等情况，主蒸汽压力经常出现波动。主蒸汽压力一旦发生波动，就说明锅炉、汽轮机的能量供需的动态平衡已被打破。对于燃料调节系统来说，一方面要防止主蒸汽压力偏差进一步拉大;另一方面要防止主蒸汽压力回调时的反向超调，造成压力回归稳态的时间延长。

在燃烧控制系统的动态过程中，合理地调整压力设定值，会改进主蒸汽压力的动态品质，改善调节效果。经过反复实践摸索，文中提出了一种通过限制主蒸汽压力设定值的变化速率，以改进压力设定值产生条件的计算方法。改进后的压力设定值计算SAMA图如图2所示。在锅炉/汽轮机协调控制方式下，对主蒸汽压力设定值的上升速率和下降速率分别进行了逻辑限制;产生最终压力设定值上升速率限制值和下降速率限制值，通过DCS系统中参数自适应调整功能块对图1的“压力设定限速”功能块进行调整。

图1 基于火电机组实际工况的主蒸汽压力设定值速率限制

2.1 压力升速率限制

当限速以后的压力设定值比实际主汽压力高0.3 MPa(可根据需要对定值进行调整)，或实际压力下降速率达到0.2 MPa/min时，将压力升速率切换为0，也就是说以上2种情况任意一种出现，禁止实际压力设定值往上升，但是系统产生的“未限速压力设定值”予以保留，只是根据机组实际运行情况，暂时不增加压力设定值，一旦限制条件消失，限速后的压力设定值仍然按照设定速率向未限速压力设定值变化。

2.2 压力降速率限制

当限速以后的压力设定值比实际主汽压力低0.3 MPa(可根据需要对定值进行调整)，或实际压力上升速率达到0.2 MPa/min时，将压力下降速率切换为零，也就是说以上2种情况任意一种出现，则禁止实际压力设定值往下降，但是系统产生的未限速压力设定值予以保留，只是根据机组实际运行情况，暂时不降低压力设定值，一旦限制条件消失，限速后的压力设定值仍然按照设定速率向未限速压力设定值变化。

采用这种压力设定值变化速率限制方法，对机组滑压运行方式下的主蒸汽压力稳定比较有利。在滑压运行方式下，当大幅度增加或减少负荷时，压力设定值按照滑压曲线变化，当工况不满足时，短时禁止压力设定值变化;当条件恢复以后，压力设定值继续往滑压曲线靠拢。这种方法能够减轻运行人员的操作压力，降低劳动强度。运行人员需要修改主蒸汽压力设定值时，可以将压力设定值一次性设置到位，不必考虑压力偏差过大问题;限制逻辑能够自动将主蒸汽压力设定值平缓引向目标值，同时能够在一定程度上防止对压力设定值的误操作。

3 结论

基于火电机组实际工况的主汽压力设定值速率限制策略已经在大唐华银金竹山火力发电分公司3号机组 (600 MW超临界机组)、深能源妈湾发电有限公司5号机组 (300 MW亚临界)、大唐湘潭发电有限责任公司2号机组 (300 MW亚临界)等机组成功应用，运行时间已经超过1年，经实际应用证明该策略适应机组各种的运行工况要求。并具有以下优点:

1)防止压力设定值设置不当造成压力偏差过大而使炉膛燃烧波动，有利于改善主蒸汽压力调节品质，提高炉膛燃烧的稳定性;

2)降低了运行人员调整主蒸汽压力设定值的难度，在一定程度上防止了误操作;

3)有利于提高滑压运行的投入率。在滑压运行情况下，减少运行人员对压力设定值的干预。

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