引言
為充分利用鍋爐蓄熱,盡量滿足電網(wǎng)需求,普通煤粉爐往往采用爐跟機(jī)協(xié)調(diào)控制(以下簡稱CCSl)模式。在CCSl模式下,汽輪機(jī)控制機(jī)組有功功率" title="有功功率">有功功率,鍋爐控制主汽壓力,當(dāng)主汽壓力測量值與設(shè)定值偏差過大時(一般為0.5-0.8MPa),壓力拉回控制回路動作,犧牲一點機(jī)組功率來穩(wěn)定主汽壓力,達(dá)到機(jī)爐協(xié)調(diào)控制的目的。由于CFB鍋爐燃煤顆粒比普通煤粉爐大得多,其燃燒過程滯后時間相對較長,特別是在煤質(zhì)大幅波動時,鍋爐控制主汽壓力難度很大。實際運(yùn)行中,壓力拉回控制回路經(jīng)常動作,引起機(jī)組負(fù)荷波動,并且隨著壓力的波動,汽包水位、主蒸汽和再熱蒸汽溫度等主要參數(shù)也不容易維持,對鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不利。
為在煤質(zhì)大幅波動時維持鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行" title="穩(wěn)定運(yùn)行">穩(wěn)定運(yùn)行,白馬示范電站30OMW CFB鍋爐機(jī)組嘗試采用以機(jī)跟爐為主的協(xié)調(diào)控制(以下簡稱CCS2)方案。在CCS2模式下,汽輪機(jī)控制主汽壓力,鍋爐控制機(jī)組有功功率,當(dāng)機(jī)組實際功率與功率設(shè)定值相差過大時,功率拉回控制回路動作,通過改變主汽壓力設(shè)定值,控制汽輪機(jī)調(diào)門開度,利用鍋爐蓄熱,穩(wěn)定機(jī)組功率。在CCS2模式下,由于主汽壓力穩(wěn)定,汽包水位、主蒸汽和再熱蒸汽溫度等主要參數(shù)也相對穩(wěn)定,鍋爐工作在相對穩(wěn)定的工況下。
為克服煤質(zhì)波動的影響,在CCS控制回路中設(shè)計了煤質(zhì)修正及氧量校正計算。在CCS2模式下,經(jīng)加入煤質(zhì)修正及氧量校正計算邏輯,機(jī)組負(fù)荷基本能控制在上網(wǎng)負(fù)荷的±2%以內(nèi),滿足了電網(wǎng)要求,CCS能長期穩(wěn)定投入。
一、CCS2控制方案
在CCS2模式下,鍋爐主控控制機(jī)組功率,汽輪機(jī)主控控制主汽壓力,并設(shè)計有功率拉回控制回路。
l.1 鍋爐主控
鍋爐主控原理見圖1。
圖1中,協(xié)調(diào)控制來的鍋爐負(fù)荷指令經(jīng)輔機(jī)故障減負(fù)荷(RB)計算后與爐膛總風(fēng)量進(jìn)行低選,計算出鍋爐所需的熱負(fù)荷;給煤量測量值經(jīng)煤質(zhì)修正和氧量校正后得出鍋爐實際輸入的熱值,二者比較后送入PI調(diào)節(jié)器控制給煤量。同時,RB計算值通過3個函數(shù)塊直接計算出燃燒所需的一次風(fēng)量、下二次風(fēng)量和總風(fēng)量,去控制一次風(fēng)量、下二次風(fēng)量和上二次風(fēng)量調(diào)門的開度。鍋爐主控中的2個關(guān)鍵點是煤質(zhì)修正和氧量校正。
1.1.1 煤質(zhì)修正
因鍋爐燃煤來源廣泛,各煤礦煤質(zhì)差別很大,如果不對煤質(zhì)進(jìn)行修正,只按設(shè)計煤種進(jìn)行調(diào)整,將導(dǎo)致輸入熱量過多或太少,引起機(jī)組負(fù)荷大幅波動,CCS調(diào)節(jié)品質(zhì)惡化,甚至無法投入自動運(yùn)行。所以必須對燃煤煤質(zhì)進(jìn)行在線修正,克服煤質(zhì)的波動,改善CCS調(diào)節(jié)品質(zhì),使CCS能穩(wěn)定可靠地投入自動運(yùn)行。
(1)煤質(zhì)修正原理:煤質(zhì)修正見圖1上部藍(lán)色虛線框所示。其中蒸汽吸熱量計算公式為:
蒸汽吸熱量(MW)=0.001338F[(2.867THP+1847)-(5.021TFW-80.2)+173.9]
式中:F為主蒸汽流量,kg/s;THP為主蒸汽溫度,℃; TFW為給水溫度,℃。
煤質(zhì)修正原理:操作員根據(jù)經(jīng)驗通過手操器M/A手動預(yù)置一個k值(此值為當(dāng)前入爐煤的煤質(zhì)和設(shè)計煤質(zhì)的比值),然后將手操器投入自動運(yùn)行。此時,由當(dāng)前總給煤量轉(zhuǎn)換(kg/s×18.495MJ/kg)來的熱值(MW),乘上預(yù)置的k值,計算出送入爐膛的燃料側(cè)熱量,和計算出的蒸汽吸熱量作比較,二者的差值進(jìn)入純積分塊進(jìn)行運(yùn)算。若蒸汽吸熱量大于燃料側(cè)熱量,則積分器輸出將增加,即k值增加;反之則減小。積分器運(yùn)算輸出值為618.00-973.15MW(設(shè)計煤種熱值為18.495MJ/kg,額定負(fù)荷熱值為824.7MW),經(jīng)過手操器換算成0.75-1.18。
煤質(zhì)修正原理可理解為當(dāng)煤量一定時,若煤質(zhì)突然變好,則爐膛放熱將增加,從蒸汽側(cè)算出的熱量將增加,積分塊的輸出將增加,即k值增加,此系數(shù)乘以總給煤量后導(dǎo)致修正后的熱量增加。這樣,鍋爐主控制器測得的熱量增加后,若超過其設(shè)定的熱量,PI控制器的輸出值將減小,去減少給煤量,以減小輸入的熱量,最終達(dá)到蒸汽側(cè)熱量和給煤側(cè)熱量相平衡。
(2)煤質(zhì)修正方案修改:原設(shè)計方案中,蒸汽吸熱量計算只考慮了主汽流量、主汽溫度和給水溫度,沒有考慮主汽壓力,導(dǎo)致主汽壓力變化時計算出的熱量值不準(zhǔn)確。經(jīng)研究,引入了汽包壓力微分信號進(jìn)行修正(見圖1):當(dāng)主汽壓力升高時,通過微分作用增加熱量;當(dāng)主汽壓力降低時,通過微分作用減少熱量;主汽壓力穩(wěn)定時,微分器不起作用。修正后的方案可準(zhǔn)確反映鍋爐產(chǎn)生的熱量。
(3)煤質(zhì)修正參數(shù)整定" title="參數(shù)整定">參數(shù)整定:為了快速反映煤質(zhì)的變化,熱值計算積分塊的積分時間應(yīng)短一些;但由于煤質(zhì)波動引起熱值的變化有一定時間的滯后,為避免產(chǎn)生虛假的煤質(zhì)修正系數(shù),熱值計算積分塊的積分時間又需要長一些。綜合這2個方面因素,積分器實際參數(shù)整定為Ti=23min。
1.1.2 氧量校正
為加快CCS的反應(yīng)速度,判斷給煤煤質(zhì)發(fā)生的突然變化,及時對燃燒工況進(jìn)行調(diào)整,在CCS中設(shè)計了氧量校正回路。當(dāng)氧量變化時及時調(diào)整給煤量,快速改善燃燒工況,克服煤質(zhì)的擾動。
(1)氧量校正方案修改:通常普通煤粉爐設(shè)計的氧量校正輸出是去改變風(fēng)量,但由于CFB鍋爐燃料燃燒時間大大長于煤粉爐,再加上煤質(zhì)時好時壞大幅波動,氧量輸出去改變風(fēng)量實際效果不好。原設(shè)計方案為氧量輸出同時改變風(fēng)量和煤量,但實際運(yùn)行中,煤量和風(fēng)量控制存在交叉干擾,參數(shù)不好整定,效果仍然不好。
分析CFB鍋爐的燃燒情況可知,在煤質(zhì)波動時,風(fēng)量已不是主要矛盾,煤才是主要矛盾(例如當(dāng)氧量突然降低,則是煤質(zhì)變好,此時應(yīng)該減煤,不應(yīng)該加風(fēng))。因此,最后修改的方案是氧量控制器的輸出只去改變煤量,而不改變風(fēng)量。這樣修改還可減少風(fēng)量頻繁波動對CFB鍋爐受熱面造成的磨損。
氧量校正控制回路的工作原理" title="工作原理">工作原理見圖1中部粉紅色虛線框部分。氧量控制采用單回路PI調(diào)節(jié)方案,設(shè)定值是鍋爐負(fù)荷指令的函數(shù),操作員可根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。左、右側(cè)煙氣含氧量二者選小值作為測量值,設(shè)定值和測量值經(jīng)比較后進(jìn)行PI運(yùn)算,運(yùn)算輸出進(jìn)入手操器,氧量控制輸出可由操作員手動進(jìn)行調(diào)整,輸出限制在0.78-1.20。
(2)氧量校正參數(shù)整定:氧量校正PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定原則是盡量加強(qiáng)比例作用,提高系統(tǒng)對煤質(zhì)變化的響應(yīng)速度" title="響應(yīng)速度">響應(yīng)速度;積分作用要弱一點,避免系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。實際參數(shù)為:Kp=1.75,Ti=30min。
煤質(zhì)修正計算對煤質(zhì)的判斷是一個較長的過程,而氧量校正對煤質(zhì)的判斷是一個短時的過程。氧量校正可及時改變給煤量,有利于煤質(zhì)修正的快速計算(見圖2、4)。煤質(zhì)修正和氧量校正的配合使用,能及時克服給煤量的擾動,保證爐內(nèi)良好的燃燒工況。
1.1.3 煤質(zhì)修正和氧量校正實際控制曲線
圖2為煤質(zhì)修正和氧量校正控制曲線,過程持續(xù)時間" title="持續(xù)時間">持續(xù)時間約為30min。圖2中各熱量的顯示量程為700-900MW;煤質(zhì)修正系數(shù)和氧量校正系數(shù)顯示量程為0.85-1.10;給煤量顯示量程為120-200t/h。
從圖2可看出,很長一段時間蒸汽吸熱量低于給煤側(cè)輸入的熱量,積分器輸出不斷減小,k值也因此不斷減小,使測得的鍋爐輸入熱量不斷減少,鍋爐主控調(diào)節(jié)器輸出控制作用,去增加給煤量。一段時間后蒸汽吸熱量大于給煤側(cè)輸入的熱量,積分器輸出停止減小并開始緩慢增大。整個過程可明顯看出氧量校正的作用:剛開始氧量控制的輸出有一個明顯減小(氧量測量值增大),導(dǎo)致給煤量有一個明顯增加;持續(xù)一段時間后,氧量控制的輸出又不斷增大,導(dǎo)致給煤量又有明顯的減少??梢?,氧量校正能很好地彌補(bǔ)煤質(zhì)修正調(diào)節(jié)速度慢的缺點。
1.2 汽輪機(jī)主控
汽輪機(jī)主控主要是維持主汽壓力穩(wěn)定。為充分利用鍋爐蓄熱,減少機(jī)組功率的波動,在主汽壓力設(shè)定值回路中加入了功率拉回回路(見圖3)。
功率拉回控制回路工作原理和CCSl模式的壓力拉回控制回路相似。在機(jī)組功率測量值超過設(shè)定值一定限度時,增加主汽壓力設(shè)定值,汽輪機(jī)調(diào)門為提升主汽壓力將向關(guān)方向動作,降低主汽流量,將功率"拉回"設(shè)定值,此時主汽壓力增加,鍋爐蓄熱增加;相反,若機(jī)組功率測量值低于設(shè)定值一定限度,將減小主汽壓力設(shè)定值,汽輪機(jī)調(diào)門向開方向動作,增加主汽流量,利用鍋爐蓄熱,提升機(jī)組功率。具體整定參數(shù)如圖3所示。
1.3 控制實例
圖4為機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的CCS2控制曲線。圖4中,機(jī)組負(fù)荷設(shè)定值為30OMW,主汽壓力設(shè)定值為16.7MPa,整個過程持續(xù)時間約9h。整個過程中煤質(zhì)變化基本分為3個階段:第1階段(約4h),煤質(zhì)相對較好,給煤量在180t/h左右小幅波動;第2階段(約4h),煤質(zhì)逐漸變差,煤質(zhì)修正系數(shù)逐漸減小(有一段時間滯后),給煤量穩(wěn)定在新水平(210t/h)附近;第3階段,煤質(zhì)有一個突然變好的過程,引起機(jī)組負(fù)荷較大波動。
在圖4的第3階段可明顯看到氧量控制和煤質(zhì)修正配合控制的作用:在煤質(zhì)突然轉(zhuǎn)好時首先反映在氧量上,由于氧量突然下降,在氧量控制作用下立即減煤(l5min內(nèi)煤量由212t/h減至187t/h);同時,煤質(zhì)修正計算出的煤質(zhì)修正系數(shù)緩慢增大,進(jìn)一步去減少給煤量。30min后,氧量、負(fù)荷恢復(fù)正常,k值、煤量穩(wěn)定在新的工況上。整個過程中k值變化范圍為0.75-0.87,對應(yīng)的煤量為175-212t/h,主汽壓力很穩(wěn)定(設(shè)定值和測量值基本重合)。第1、2階段機(jī)組有功功率基本滿足要求,第3階段,在煤質(zhì)突然大幅波動時,負(fù)荷最高升至307MW,超過設(shè)定值7MW(超過了調(diào)度要求的±2%的目標(biāo)),但此時若在CCSl模式下,主汽壓力必然大幅升高,引起壓力拉回控制回路動作,功率同樣要超調(diào),并且還會引起其他主要參數(shù)值波動。
綜上所述,CCS2模式下,在煤質(zhì)波動相對穩(wěn)定時,控制指標(biāo)基本滿足要求;在煤質(zhì)波動幅度大且變化快時,負(fù)荷最大超調(diào)量也可控制在l0MW內(nèi)。
二、CCS2模式存在的問題
2.1 機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度
因為機(jī)組負(fù)荷由鍋爐控制,不能滿足調(diào)度對一次調(diào)頻控制指標(biāo)的要求,主要表現(xiàn)在功率響應(yīng)速度慢一些,另外,機(jī)組升負(fù)荷率也達(dá)不到常規(guī)煤粉爐的要求,所以,調(diào)度下達(dá)升降負(fù)荷速率指標(biāo)時,有必要將CFB鍋爐和常規(guī)煤粉爐區(qū)別對待,經(jīng)實測,300MW CFB鍋爐升負(fù)荷率基本能達(dá)到3MW/min,但達(dá)不到調(diào)度下達(dá)的4MW/min的要求。
2.2 CFB鍋爐的防磨
一次風(fēng)從鍋爐布風(fēng)板底部進(jìn)入爐膛,因此對鍋爐燃燒影響特別大。為加快負(fù)荷響應(yīng)速度,曾嘗試用改變一次風(fēng)量來進(jìn)行控制,即在機(jī)組負(fù)荷大于設(shè)定值時,減小一次風(fēng)量,以減弱燃燒,達(dá)到快速降負(fù)荷的目的;在機(jī)組負(fù)荷小于設(shè)定值時,增加一次風(fēng)量,以增強(qiáng)燃燒,達(dá)到快速加負(fù)荷的目的。這樣修改后確實能加快負(fù)荷響應(yīng)速度,但因為CFB鍋爐存在受熱面磨損的問題,頻繁改變一次風(fēng)量,將加快鍋爐的磨損,其結(jié)果很可能是得不償失,所以最后去掉了這個功能。鍋爐其他自動控制方案中也應(yīng)盡可能采用一些手段來減輕對鍋爐受熱面的磨損。
三、結(jié)語
在相對較低的負(fù)荷時(112-240MW),為滿足電網(wǎng)需要,可使用CCS1,此時可將壓力拉回控制回路取消;高負(fù)荷時(超過240MW),為保證整個機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行,最好使用CCS2。
雖然CCS2能克服煤質(zhì)大幅波動的惡劣工況,但也只能是基本可用。要真正提高CCS的調(diào)節(jié)品質(zhì),燃煤來源廣泛的電廠需要增加混煤設(shè)施,盡量保證燃煤煤質(zhì)穩(wěn)定。另外,選擇業(yè)績良好的碎煤機(jī),保證燃煤粒徑滿足設(shè)計要求,使燃煤在爐內(nèi)良好燃燒,也能在一定程度上提高CCS的調(diào)節(jié)品質(zhì)。