FCB工况下给水控制策略的改进和优化

2020-12-10王厅锋

仪器仪表用户 2020年12期

王厅锋，孙耀，陈钢

（中国能源建设集团华东电力试验研究院有限公司，杭州 310000）

0 引言

印尼卡丁2 号燃煤电站工程建设2 台10 万千瓦燃煤汽轮发电机组，厂址位于印尼东加里曼丹岛邦坦市南部，距离邦坦市区约8.3km，该机组为当地最大装机容量机组之一。由于印尼电力基础建设落后，且受国家地理性质限制，发电装机容量小，稳定性较差，因而FCB 功能成为机组能否商运的必要条件之一。

快速甩负荷（FCB）是当电网发生故障时，机组脱网后快速切除负荷，维持发电机空转或带厂用电（小岛工况），保障机组不停机不停炉或发电机出现故障时停机不停炉。当故障发生时，在保障机组设备安全的前提下，减少锅炉MFT 次数，避免不必要的能量损失，当故障解除时机组快速上网运行，维持电网的安全稳定。

汽包水位的稳定控制是实现汽包炉FCB 工况的一个必要条件，同时也是实现汽包炉FCB 的一个控制难点。由于FCB 工况下，机组各个系统大幅度的动作及机组参数大幅度变化，汽包水位存在严重的“虚假水位”现象，采用传统三冲量水位控制极易造成汽包水位低触发MFT 保护，导致FCB 失败，停机停炉。

1 问题分析

图1 传统三冲量给水控制结构图Fig.1 Structure diagram of traditional three impulse water supply control

汽包水位控制处于三冲量控制时，主蒸汽流量作为水位控制的前馈，给水流量作为内扰因素，共同完成汽包水位的控制[1]，结构图如图1 所示。

在机组FCB 工况过程中，汽轮机侧提前触发OPC 功能快关进汽调节阀，快开高低旁路，开锅炉侧电磁泄压阀，汽机侧主蒸汽压力急剧上升后急剧下降，同时主蒸汽流量急剧下降导致汽包水位快速上升出现虚假水位。当汽包水位处于常规三冲量控制时，给水主控将会快速减少供水量，造成水位短暂上升后急剧回落至危险水位。

2 常见处理方案

2.1 水位控制策略一

中国70 年代以来从国外引进了一批先进机型，FCB 功能也是此时开始传入中国。其中华能大连电厂350MW 单元机组便在当时引进机型中的一台，并于1989 年4 月通过了100%负荷甩至5%负荷的试验。FCB 过程中，汽包水位在-300mm 以下维持长达9min[1]，给水控制在试验开始阶段主要由运行人员手动调节，调节效果受运行人员水平限制。

2.2 水位控制策略二

印尼INDRAMAYU 电厂330MW 单元机组于2011 年1月进行了50%甩负荷转小岛和100%甩负荷转小岛试验，试验过程中解除汽包水位保护[2]。解除水位保护的控制策略并不可取，无法在突发工况下实现FCB 功能。

2.3 水位控制策略三

图2 三冲量水位控制改进后前馈结构图Fig.2 Feedforward structure of improved three impulse water level control

老挝HongSa 电厂626MW 汽包炉单元机组在FCB 过程中，汽包水位控制维持三冲量控制，蒸汽流量前馈采用汽轮机高压缸进汽流量、高旁流量和电磁泄压阀排放量之和代替，其中旁路流量根据蒸汽焓及阀门特性计算，PCV 排放量根据阀门特性、阀前蒸汽压力及比容计算。FCB 过程中，汽包水位最低-198mm，最高122mm，全程无运行人员干涉[3]。但前馈逻辑结构复杂，计算过程繁琐，且受阀门特性影响较大，抗干扰能力低，无法长久保障机组安全。

3 改进和优化后的方案

3.1 理论结构

针对传统三冲量水位控制弊端，对给水主控蒸汽流量前馈进行了改进和优化，在FCB 工况过程中通过一个切换模块将蒸汽流量切换至锅炉设计总燃料量的折算蒸汽流量（根据实际运行情况可手动修正偏差），通过速率限制模块区分50%FCB 工况和100%FCB 工况下的速率限制，限制上限按照最大吨标煤产汽量，结构图如图2 所示，此时系统可模糊判断FCB 工况下的蒸汽流量，减少虚假水位的影响，维持给水系统的稳定，优化后三冲量水位控制图如图3 所示。

3.2 理论基础

上述锅炉设计总燃料量的折算蒸汽流量替代实际蒸汽流量依据热力学第一定律。煤粉在锅炉中燃烧加热锅炉汽包中的水，产生具有一定温度和压强的蒸汽，能量转换公式为[4]

式（1）中，△U 为内能的改变量，增加取正值，减小取负值；Q 为热量，吸热取正值，放热取负值；W 为功率，外界对系统做功取正值，系统对外界做功减小取负值。

图3 三冲量水位控制改进后结构图Fig.3 Structure of improved three impulse water level control

锅炉燃烧过程复杂，做功情况极难计算，在计算吨煤产汽量的过程中引入锅炉热效率η，公式简化为

式（2）中，△U 为水转化为蒸汽吸收的总内能，Q 为煤的总发热量，η 为热效率，吨煤产汽量表达式为

在不同的压力温度下，饱和水蒸气热力性质不同，不同工况下产生一吨饱和蒸汽需要的热量也不相同，具体计算可依据饱和水蒸气焓值表。

例如：13MPa 饱和蒸汽焓值约为2661.8kJ/kg，常温常压水的焓值约84kJ/kg，锅炉设计煤种为烟煤20930kJ/kg，锅炉热效率80%，带入上述公式，可得

在锅炉不同负荷下，对吨煤产汽量进行计算，修正煤-蒸汽流量折算函数，可有效提高函数的准确性，在机组FCB 工况时，减少虚假水位对锅炉汽水系统的影响，维持FCB 过程中汽包水位的可控性。

3.3 实际应用情况

图5 100%FCB机组相关参数Fig.5 Related parameters of 100% FCB unit

2020 年1 月印尼卡丁2 项目二号机组进行了50%FCB，操作员在 LDC 画面上将FCB 功能按钮投入，试验总指挥下试验开始指令后，手动分150kV 并网开关，LCD 画面显示FCB 触发，机组负荷由65MW 瞬间降至1MW，发电机带厂用电运行，给水前馈自动切换至燃料折算蒸汽量214t/h 减至165t/h，汽包水位最高值40mm，最低值-87mm，FCB发生后6min 水位趋于稳定，具体参数如图4 所示。

同月二号机进行了100%FCB，机组负荷110MW 降至0MW，发电机空载运行，给水前馈自动切换至燃料折算蒸汽量345t/h 减至140t/h，汽包水位最低值-82mm，FCB 发生后7min 水位回升后，给水切旁路控制，具体参数如图5所示。