关于600MW超临界循环流化床机组RB控制策略研究

作者：郑晓敏   

    在四川白马循环流化床示范电站（以下简称白马电厂）超临界循环流化床机组进行试验前及试验过程中对控制方案进行了优化，试验获得了成功。

    白马电厂600 MW超临界循环流化床机组是目前世界上投产的最大容量循环流化床机组。锅炉由东方锅炉厂设计、生产，型号为DG1900/25.4 -119型．是东方锅炉厂完全白主开发的第一台600 MW超临界循环流化床锅炉机组。锅炉采用双布风板单炉膛、H型布置、平衡通风、一次中间再热、循环流化床燃烧方式，采用外置式换热器调节炉膛床温及再热蒸汽温度．采用高温冷却式旋风分离器进行气固分离．锅炉整体呈左右对称布置。给煤系统采用4条给煤线，炉膛左、右侧各2条。给水系统配置2台50%BMCR调速汽动给水泵，1台30%BMCR定速电动给水泵作为启动泵。锅炉最大连续蒸发量1900 t/h,主蒸汽额定温度为571℃，主蒸汽压力25.4 MPa,再热蒸汽额定温度为569℃，再热蒸汽压力4.529 MPa。汽轮机为东方汽轮机厂生产的N600-24.2/566/566型超临界参数、单轴、一次中间再热、三缸四排汽凝汽式汽轮机。主蒸汽额定温度为566 ℃，主蒸汽压力24.2 MPa,再热蒸汽额定温度为566℃，再热蒸汽压力3.967 MPa。分散控制系统采用国电智深公司的EPDF-NT+控制系统，实现机炉电一体化控制。

1  超临界循环流化床机组RB控制策略

    超临界循环流化床机组的RB控制功能与超临界煤粉炉基本相同，都是在辅机故障的情况下将负荷快速降至机组允许的最大出力。但流化床锅炉在燃烧工艺上又与煤粉炉不同，煤粉炉的RB控制由模拟量控制系统(MCS)和炉膛安全监控系统( FSSS)共同完成，而流化床机组的RB控制仅由MCS来实现。燃料控制主要是控制RB状态下对应的煤量．保证锅炉在低负荷时燃烧稳定，不存在快速切除部分燃料系统及快速投入油枪助燃的功能。此外，床温超温RB、分离器超温RB则是流化床机组特有的项目。600 MW超临界循环流化床锅炉烟风系统、给煤系统工艺又与普通300 MW等级流化床锅炉不全相同，因此控制策略也有所差别。

1.1  RB允许及复位条件

    如图1所示，当烟风系统、给煤系统、给水系统、汽轮机主控都投入自动，并且机组负荷大于350 MW时，允许投入RB功能。当RB发生1 200 s后或机组负荷小于330 MW (50%BMCR)时RB自动复位，当出现危及机组安全运行的工况时，可手动复位RB过程。

    600 MW超临界循环流化床机组RB功能对自动控制系统有着严格的要求，例如烟风系统、给煤系统等，若系统退出自动方式，将难以实现锅炉安全降负荷，以下对几个较为复杂的系统进行说明。

1.1.1给煤系统

    锅炉采用回料器、外置床返料管联合给煤形式．为保证给煤的均匀性，锅炉设12个给煤点，分别布置在6台回料器至炉膛灰道和6台外置式换热器至炉膛的灰道上。因此给煤控制设计为2个燃料主控，分别控制炉膛左、右侧的给煤机。当两侧燃料主控都在自动时，可设分配系数来分配两侧的给煤量。

    在RB过程中，给煤量变化很大，为保证左、右侧给煤量和床压的均衡，当两侧燃料主控都在自动时．才允许投入RB功能。

1.1.2    一次风系统

    一次风系统分为两级控制，一次风机控制热一次风压力，2个一次风风门分别控制进入炉膛两侧“支腿”的一次风量。

    锅炉正常运行时，双“支腿”是炉膛流化层的密相区，2只“支腿”之间床压处于相对平衡状态。由于一次风量、给煤量及给煤粒径等原因，这种平衡有可能在运行中打破，引起一侧“支腿”流化作用强于另外一侧，床料也因此被吹向另外一侧．造成一侧床压降低，另一侧床压升高，严重时会造成一侧床料塌死，另外一侧床料被吹空。当某侧一次风量设定值和测量值的偏差高于设定风量的15%时．表明该侧炉膛堆积的床料在持续增加．此时，采取在一次风压调节器输出叠加一个前馈环节，瞬间增大一次风压力，将炉膛床料吹向两“支腿”．以恢复双“支腿”的正常流化状态。一次风压力设定值为炉膛差压（两侧大选后）的函数．这是克服“翻床”的关键。当某侧床料增多时．其床压必然升高，而不管是哪一侧床压升高，两侧床压的大值必然升高。所以，一次风压设定值跟踪炉膛差压的大值，可以避免“翻床”的发生。一次风量指令为锅炉指令的函数并受最低流化风量的限制。

    为保证锅炉在所有工况下的流化正常，避免“翻床”发生，一次风压和一次风量投入自动也是RB投入的条件之一。

1.1.3二次风系统

    二次风经空气预热器（空预器）加热后进人两侧炉膛的内外侧，作为燃烧及燃烧调整用风。2个内二次风门分别控制进入两侧炉膛内侧的燃烧风．风量指令为锅炉指令的函数。2个外二次风门调节燃烧调整用风，用于控制总风量，维持正常的风煤比，总风量控制中有氧量校正环节。二次风机则控制二次风压力。

    为保证锅炉的正常燃烧，维持正常的风煤比，RB期间二次风系统必须要投入自动。

1.1.4给水系统

    为保证机组工质和能量的平衡，当给水流量控制和焓值控制都投入自动时，允许投入RB。

1.2  参数越限RB

    参数越限RB为流化床锅炉特有，包括分离器超温RB和床温超温RB，逻辑如图2所示。

1.2.1  分离器超温RB

    RB功能投入时，任意旋风分离器出口烟气温度大于1 030 ℃．触发分离器超温RB，机组负荷小于330 MW自动复位。

1.2.2 J-温超温RB

    RB功能投入时，炉膛左、右侧上部床温大于980 ℃（每侧3取2后相“或”），触发床温超温RB,机组负荷小于330 MW自动复位。

    参数越限RB曰标负荷为300 MW，锅炉降负荷速率为100%ECR/min。

1.3辅机RB

    辅机RB包括引风机RB、二次风机RB.给水泵RB。逻辑如图3所示。

1.3.1  引风机RB

    RB功能投入时，2台引风机运行．任意一台跳闸，触发引风机RB,机组负荷小于引风机最大出力(330 MW)自动复位。

1.3.2二次风机RB

    RB功能投入时，2台二次风机运行，任意一台跳闸，触发二次风机RB,机组负荷小于二次风机最大出力(460 MW)臼动复位。

1.3.3  给水泵RB

    RB功能投入时．2台汽动给水泵运行．任意一台跳闸，触发给水泵RB,机组负荷小于给水泵最大出力(330 MW)自动复位。

    引风机RB目标负荷为300 MW,二次风机RB目标负荷为400 MW,锅炉降负荷速率均为lOO%ECR/min。

    由于流化床锅炉的热容量很大。RB发生煤量下降后的锅炉蓄热及蒸发量仍较大，给水泵跳闸时极易造成多项参数大幅变化．因此应RB目标负荷设定得更低一些，故在给水泵RB时目标负荷设定为260 MW．锅炉降负荷速率为100%EC R/min，并行控制燃料系统和风量系统。而在给水控制中给水前馈指令设计采用锅炉自平衡指令，跟随主蒸汽流量，所以不受RB工况影响。

    在发生RB特别是风机RB时，首要任务是维持炉膛平衡，将各主要参数保持在一定范围内,故针对RB 工况增加了部分逻辑。

锅炉共有2台一次风机和2台二次风机向炉膛送风，每台风机出力约占总风量的1/4。增加逻辑当引风机RB发生时，联锁跳闸对侧二次风机，在满足锅炉风量的前提下，维持炉膛压力的平衡。当二次风机RB发生时，引风机超驰关一定数值、持续一定时间，逻辑通过炉膛压力调节器前馈实现一动作过程为以较快的速率关一定的数值．保持一定时间后再以较慢的速率恢复，关闭数值用机组负荷修正，确保在不同负荷下应有不同的动作幅度一另在RB过程中．炉膛压力调节器变参数．加快调节速度一次风机跳闸时，极易出现“踏床”现象．故锅炉厂将一次风机RB功能取消．直接触发MFT。

1.4  RB发生后机组动作情况

1 .4.1  机炉控制方式转换

    RB发生时，汽轮机切换为汽轮机跟随(TF)方式，控制主蒸汽压力；锅炉切换至锅炉输入( BI)方式．输入指令为RB锅炉负荷指令

1.4.2  RB锅炉负荷指令

    RB目标负荷运算根据不同工况选择RB目标负荷，锅炉降负荷速率均设定为lOO% ECR/min。机组正常运行时．跟踪锅炉指令．RB发生后切换至RB目标负荷．通过降负荷速率限制输出为RB锅炉负荷指令。

1.4.3主蒸汽压力设定

    RB发生时．主蒸汽压力设定切换为滑压方式，设定值为机组负荷通过RB滑压曲线给定．RB结束后切换为定压方式。

1.4.4联锁及超驰控制

    发生引风机RB时，联锁跳闸对侧二次风机。发生二次风机RB时，引风机超驰关一定数值、一定时间。

1.4.5降负荷过程

    RB过程中，在锅炉输入(BI)方式下，各子系统受RB锅炉负荷指令并行控制，快速降低锅炉负荷，机组负荷随锅炉负荷降低而自动减少，当机组负荷小于机组出力限制值时，RB自动复位。

2  RB控制策略的要点及优化措施

2.1  偏差大切手动逻辑屏蔽

    在机组正常运行状态下，当各主要子系统的设定值与反馈偏差大以及执行机构的指令与反馈偏差大时，调节系统将切至手动方式。而在RB工况时应对上述逻辑闭锁，使各主要控制系统仍处于自动状态，直至RB结束。

2.2风机过电流保护控制

    当风机跳闸时，平衡回路控制逻辑会将跳闸风机的控制指令叠加至运行的风机。因此将跳闸风机超驰关闭的速率限制为动、静叶实际动作能达到的最大速度，则指令叠加至运行风机时的速率与其相同，即保证指令能快速转移又保证风机的过电流闭锁控制起作用。此外应根据最大允许电流与动、静叶开度的对应关系设置好最大指令限制值，确保运行风机的安全。

2.3  双平衡回路调节器的上限切换

    对于双平衡回路的调节器，当一台设备跳闸，另一台设备指令达最大时，必须要将调节器的上限切换为正常上限的1／2。例如风机跳闸后指令转移至运行风机，易出现运行风机指令已达最大，但调节器指令仍在中间位置，此时继续调节指令无效。

2.4 RB目标负荷煤质修正

    RB锅炉目标指令是由RB发生时的燃料量与机组负荷的燃功比，再乘以RB目标负荷计算得到．这样可以有效避免煤质变化引起的RB目标燃料量的偏差。

2.5 RB滑压曲线的合理设置

    滑压曲线的合理设定对RB非常重要，在汽机跟随方式下，压力设定值直接影响调速汽门的开度，既影响机组降负荷的速率，又影响四段抽汽和冷再热蒸汽的压力。前者关系到RB过程的时间．后者则决定了汽动给水泵是否可以正常运行。如压力设定过低，则负荷降的过慢，不利于机炉间的平衡。如果压力设定过高，则调速汽门关闭过多，负荷降得过快，控制扰动量过大，易造成多项参数大幅波动，导致过程不稳定。而且四段抽汽、冷再热蒸汽压力下降过多，不能满足小汽机出力的要求。因此必须合理设置RB滑压曲线。

2.6  给水控制系统变参数

    给水控制中，应根据给水泵RB和非给水泵RB两种工况对给水指令前馈信号的惯性时间常数进行切换，加快响应速度，并且焓值调节器应在RB时变参数。

3 RB试验情况

    通过实际切除设备的方式进行了RB试验。各项RB功能触发后机组均在20 min内重新达到了稳态。其中引风机RB过程为15 min，二次风机RB过程9 min 29 s，给水泵RB过程为20 min。各项RB试验中机组主要参数变化情况见表1~3。

    由试验数据可见，各项RB试验中各主要参数变化不剧烈，都在可控范围之内。因此可以认为本机组的RB试验是成功的，控制策略是合理的。

    RB过程中的重要问题及解决方案：

    (1)发生风机RB后炉膛压力波动大，引风机RB时联锁跳闸一台二次风机，二次风机RB时引风机超驰关一定数值，有利于维持炉膛压力平衡。

    (2)发生给水泵RB后给水流量迅速下降，但锅炉热惯性较大，将RB目标负荷设置更低一些．并行控制燃料和风量，降低锅炉热量，有利于整个过程的汽、水平衡。

    (3) RB发生后，蒸汽温度快速上升，减温调节必须动作迅速。采用基于物理机理的单调节器、内模控制减温调节方案能有效地解决这一问题。

    (4) RB过程中维持锅炉正常流化、床压平衡至关重要，采用带有防止“翻床”功能分两级控制一次风量、风压的调节方案能够保证正常、快速降低一次风量，也有利于机组减负荷。

    (5)锅炉物料循环对蒸汽温度及床温有很大影响，RB期间必须并行控制燃料和一、二次风量，并保证合适的风煤比。

4结语

通过对首台600 MW超临界循环流化床(CFB)机组RB控制策略的改进和优化．成功地完成了RB试验，为机组在高度自动化方式下安全、稳定运行提供了保障。但如何进一步适应其特点，设计出更为合理的控制策略并不断优化相关参数，提高RB功能品质，是需要继续深入研究的课题。

5摘要：分析了白马电厂世界首台600 MW超临界循环流化床机组的RB控制策略：在RB发生后进行控制方式转换、超驰联锁、偏差闭锁、限值闭锁、参数切换等。实现机组在高度自动化状态下完成RB动作过程，以最优减负荷速率使机组重新稳定在负荷目标附近并将各主要参数控制在正常运行范围内。在风机RB时进行联锁和超驰控制可以提高炉膛压力调节品质，给水泵RB时选择更低的目标负荷有利于整个过程的汽、水平衡，采用物理机理模型的减温调节方案可抑制蒸汽温度上升过快，分两级控制的一次风调节方案能保证锅炉正常流化和床压平衡。试验证明，控制策略品质良好，可推广应用于同类型机组。