呂 建，杜鴻飛，王映奇

（山西世紀(jì)中試電力科學(xué)技術(shù)有限公司，山西 太原 030001）

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

鍋爐在火力發(fā)電廠的作用十分重要。鍋爐產(chǎn)生的蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，這就是電廠鍋爐的學(xué)名叫“蒸汽發(fā)生器”原因。其工作原理是：工業(yè)鍋爐在冷態(tài)下，汽包水位標(biāo)高以下的蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)充滿的水是靜止的。當(dāng)上升管在鍋爐內(nèi)受熱時(shí)，部分水就生成蒸汽，形成了密度較小的汽水混合物。而下降管在爐外不受熱，管中水分密度較大，這樣在兩者密度差的作用下就產(chǎn)生了推動(dòng)力，汽水混合物在水冷壁內(nèi)向上流動(dòng)，經(jīng)過(guò)上聯(lián)箱、導(dǎo)管進(jìn)入汽包，下降管中由汽包來(lái)的水則向下流動(dòng)，經(jīng)下聯(lián)箱補(bǔ)充到水冷壁內(nèi)，這樣不斷的循環(huán)流動(dòng)，就形成了自然循環(huán)。山西某電廠鍋爐采用SG-1177/25.4-M4604型超臨界循環(huán)流化床CFB（circulating fluid bed）鍋爐，循環(huán)流化床燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、全鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)，在負(fù)荷≥30%鍋爐最大連續(xù)出力BMCR（boiler maximum continuous rating）時(shí)，直流運(yùn)行[1]；每臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)、2臺(tái)二次風(fēng)機(jī)，均采用變頻調(diào)節(jié)，2臺(tái)引風(fēng)機(jī)采用動(dòng)葉調(diào)節(jié)，1臺(tái)100%的汽動(dòng)給水泵和1臺(tái)40%的全壓電動(dòng)給水泵。汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的型號(hào)為CJK350-24.2/0.4/566/566的一次中間再熱、單軸、雙缸雙排、間接空冷（兩機(jī)一塔）、凝汽式汽輪機(jī)。分散控制系統(tǒng)采用北京國(guó)電智深控制技術(shù)有限公司的EDPF-NT Plus系統(tǒng)。

2 故障減負(fù)荷控制要點(diǎn)及策略

2.1 機(jī)組控制方式切換

機(jī)組發(fā)生故障減負(fù)荷RB（run back），由機(jī)爐協(xié)調(diào)方式轉(zhuǎn)換到汽機(jī)跟隨方式，汽機(jī)控制機(jī)側(cè)主汽壓力，鍋爐主控為開(kāi)環(huán)控制，切除部分燃料，控制機(jī)組負(fù)荷。

2.2 燃料控制

RB動(dòng)作后依據(jù)目標(biāo)負(fù)荷的燃料主控指令直接迫降至目標(biāo)煤量，運(yùn)行給煤機(jī)平均動(dòng)作減少煤量有利于維持整體床溫的平衡。

2.3 給水控制

機(jī)組給水控制的目的是要實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)熱負(fù)荷與給水流量的匹配達(dá)到機(jī)組帶負(fù)荷所需的蒸汽流量。超臨界循環(huán)流化床鍋爐具有蓄熱大、燃燒滯后性強(qiáng)的特性，RB動(dòng)作后總風(fēng)量和總給煤量的大幅減少引起爐膛稀相區(qū)和密相區(qū)物料濃度占比發(fā)生變化，從而水冷壁和水冷蒸發(fā)屏吸熱比例變化。結(jié)合超臨界循環(huán)流化床機(jī)組的特性，RB給水控制有針對(duì)性地采用給水自平衡控制策略，根據(jù)機(jī)組在干態(tài)直流穩(wěn)態(tài)工況下給水流量與主蒸汽流量幾乎相等的特性[2]，以經(jīng)過(guò)鍋爐給水省煤器入口焓值與鍋爐出口主汽焓值的焓增，和設(shè)計(jì)的焓增之比修正主蒸汽流量信號(hào)作為自平衡給水指令的穩(wěn)態(tài)部分；以經(jīng)過(guò)鍋爐給水省煤器入口焓值與鍋爐分離器出口汽溫焓值的焓增，和設(shè)計(jì)的焓增之比修正鍋爐設(shè)計(jì)主給水流量作為動(dòng)態(tài)熱量變化的校正部分；以變負(fù)荷給水前饋和主汽壓力偏差前饋綜合作用作為給水動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)的雙重校正部分。以上3部分共同作用作為給水設(shè)定的輸出值。

自平衡給水流量計(jì)算公式為

其中，Qdfw代表自平衡給水流量；Qz代表主蒸汽流量；Qsf代表鍋爐設(shè)計(jì)主蒸汽流量；M1代表CFB機(jī)組焓值增量矯正參數(shù)，M1=（末級(jí)過(guò)熱器實(shí)際焓值-省煤器入口實(shí)際焓值）/（末級(jí)過(guò)熱器預(yù)設(shè)焓值-省煤器入口預(yù)設(shè)焓值)；M2代表CFB機(jī)組分離器中間點(diǎn)焓值增量矯正參數(shù)，M2=（分離器出口實(shí)際焓值-省煤器入口實(shí)際焓值）/(分離器出口預(yù)設(shè)焓值-省煤器入口預(yù)設(shè)焓值)；F1代表爐膛燃燒內(nèi)擾引起的熱量不平衡信號(hào)，F(xiàn)1的值以變負(fù)荷給水前饋值和壓力偏差函數(shù)值綜合計(jì)算得出。

從汽水熱平衡的物理意義理解，Qz×M1代表了吸熱量的穩(wěn)態(tài)校正部分，Qsf×M2代表了吸熱量的動(dòng)態(tài)部分。引風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作時(shí)給水控制，通過(guò)兩階慣性時(shí)間（60 s），防止RB過(guò)程中爐膛熱負(fù)荷高減水太快水冷壁溫、中間點(diǎn)溫度過(guò)高。一次風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作時(shí)給水控制，通過(guò)兩階慣性時(shí)間（50 s），是因?yàn)橐淮物L(fēng)機(jī)跳閘后爐膛熱負(fù)荷迅速降低，應(yīng)快減給水流量，維持較高的過(guò)熱度有利于汽溫的穩(wěn)定，同時(shí)閉鎖給水前饋流量指示器FI（flow indicator）的值，防止RB動(dòng)作初期出現(xiàn)壓力偏差大預(yù)加給水造成過(guò)熱度失控。給水自動(dòng)投入留有給水流量偏置修改功能，如發(fā)生主要參數(shù)失控可進(jìn)行手動(dòng)干預(yù)。具體RB工況給水控制邏輯如圖1所示。

圖1 RB工況給水控制邏輯圖

2.4 主蒸汽壓力控制

依據(jù)不同輔機(jī)RB動(dòng)作，選擇相應(yīng)的滑壓速率，由汽機(jī)控制主蒸汽壓力至目標(biāo)壓力設(shè)定值。設(shè)置合理的目標(biāo)壓力和滑壓速率是RB試驗(yàn)成功的關(guān)鍵之一，其會(huì)影響降負(fù)荷速度和蒸汽溫度的穩(wěn)定；滑壓速率的設(shè)置應(yīng)結(jié)合協(xié)調(diào)變負(fù)荷過(guò)程中實(shí)際主蒸汽壓力和目標(biāo)壓力的變化予以確定，滑壓速率設(shè)置不合理，會(huì)存在機(jī)跟隨方式下主蒸汽壓力的調(diào)節(jié)偏差大，主蒸汽壓力波動(dòng)大而切除自動(dòng)控制方式等問(wèn)題。RB動(dòng)作初期因鍋爐蓄熱量大且存在短暫富氧燃燒，實(shí)際主蒸汽壓力變化相對(duì)慢，可能高于目標(biāo)壓力，設(shè)置閉鎖汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大的邏輯，有利于后期鍋爐熱量和蒸汽溫度的維持。綜合協(xié)調(diào)控制模式的滑壓曲線和滑壓速率，確定二次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作后滑壓速率為0.75 MPa/min，一次風(fēng)機(jī)滑壓速率為1 MPa/min。

2.5 主汽溫和再熱汽溫的控制

RB動(dòng)作后，燃料和風(fēng)量的快速降低，爐膛熱負(fù)荷減少，造成主汽溫和再熱汽溫波動(dòng)；再熱器受熱面布置于煙道尾部，煙氣量的大幅減少，再熱蒸汽溫度受爐內(nèi)高溫物料輻射換熱影響較小，故一次風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作后再熱蒸汽溫度下降更加劇烈，所以在引風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)RB時(shí)要設(shè)計(jì)不同的減溫水超馳控制策略，實(shí)現(xiàn)主汽溫和再熱汽溫的控制。

a）引風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作，過(guò)熱減溫水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度超馳關(guān)至0，再熱減溫水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度超馳關(guān)至0，自動(dòng)調(diào)節(jié)跟蹤。

b）一次風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作，過(guò)熱減溫水調(diào)節(jié)閥超馳關(guān)閉至0并切為手動(dòng)控制；再熱減溫水調(diào)節(jié)閥超馳關(guān)至0并切為手動(dòng)控制。

2.6 爐膛負(fù)壓控制

鍋爐RB發(fā)生后因總風(fēng)量和總?cè)剂狭康木薹兓?，?huì)增加負(fù)壓的調(diào)節(jié)難度。因此，應(yīng)有針對(duì)性地設(shè)計(jì)控制策略以有利于負(fù)壓調(diào)節(jié)，具體如下。

a）二次風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作時(shí)不會(huì)聯(lián)鎖跳閘同側(cè)引風(fēng)機(jī)，依靠前饋函數(shù)關(guān)系超馳關(guān)小每臺(tái)引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令。一次流化風(fēng)量和二次風(fēng)量隨著目標(biāo)負(fù)荷指令以40 km3/h的速率下降至設(shè)定值，風(fēng)量以一定速率下降，一是起到配合爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)作用，二是以維持爐內(nèi)富氧燃燒，保證風(fēng)煤配比。跳閘風(fēng)機(jī)指令置最小，運(yùn)行風(fēng)機(jī)依靠偏置平衡回路邏輯將運(yùn)行風(fēng)機(jī)指令疊加至指令輸出上限。

b）為防止運(yùn)行風(fēng)機(jī)和變頻器過(guò)流造成風(fēng)機(jī)跳閘，設(shè)置引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉、一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)變頻器指令輸出上限，設(shè)置風(fēng)機(jī)變頻器電流越限報(bào)警邏輯和電流越限閉鎖增變頻指令邏輯。

c）協(xié)調(diào)運(yùn)行方式下，自動(dòng)控制邏輯切手動(dòng)控制條件為執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令與反饋偏差大，被調(diào)量與設(shè)定值偏差大切手動(dòng)控制，RB動(dòng)作后依據(jù)控制特點(diǎn)需要，屏蔽相應(yīng)輔機(jī)切手動(dòng)邏輯，以滿足劇烈工況下自動(dòng)調(diào)節(jié)的要求。

3 RB試驗(yàn)過(guò)程

3.1 RB方式運(yùn)行條件

機(jī)組汽輪機(jī)主控、燃料主控、給水自平衡控制、一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)變頻均投入自動(dòng)、引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉控制投入自動(dòng)，且機(jī)組負(fù)荷大于170 MW，允許投入RB。結(jié)合機(jī)組鍋爐燃燒特性和風(fēng)機(jī)允許最大出力情況，設(shè)置RB的觸發(fā)負(fù)荷和目標(biāo)負(fù)荷。

a）引風(fēng)機(jī)RB：2臺(tái)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，其中1臺(tái)跳閘，置目標(biāo)負(fù)荷為210 MW，當(dāng)小于當(dāng)前負(fù)荷指令30 MW，引風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作。

b）二次風(fēng)機(jī)RB：2臺(tái)二次風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，其中1臺(tái)跳閘，置目標(biāo)負(fù)荷為210 MW，當(dāng)小于當(dāng)前負(fù)荷指令30 MW，二次風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作。

c）一次風(fēng)機(jī)RB：保證物料的正常流化是關(guān)鍵，結(jié)合風(fēng)機(jī)實(shí)際出力情況，2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，其中1臺(tái)跳閘，置目標(biāo)負(fù)荷170 MW，當(dāng)小于當(dāng)前負(fù)荷指令20 MW，一次風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作。

機(jī)組設(shè)置RB復(fù)位條件有3種方式：一是RB動(dòng)作后12 min復(fù)位，二是RB動(dòng)作后實(shí)際負(fù)荷與目標(biāo)負(fù)荷之差小于20 MW發(fā)5 s脈沖復(fù)位，三是手動(dòng)復(fù)位。

3.2 RB試驗(yàn)經(jīng)過(guò)

2021年7月20日—21日，在機(jī)組90%額定負(fù)荷以上，采取就地事故按鈕手動(dòng)跳閘風(fēng)機(jī)的方式，分別進(jìn)行二次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)，各試驗(yàn)均采取全程自動(dòng)控制，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程各主要參數(shù)運(yùn)行平穩(wěn)，具體情況如下。

a）二次風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)：協(xié)調(diào)控制模式下，機(jī)組負(fù)荷320.2 MW、主蒸汽壓力22.63 MPa、總?cè)剂腺|(zhì)量流量210 t/h，就地事故按鈕跳閘1號(hào)二次風(fēng)機(jī)，觸發(fā)二次風(fēng)機(jī)RB。2號(hào)二次風(fēng)機(jī)變頻器負(fù)荷率由74.5%迅速增加至95%，二次風(fēng)體積流量維持在208 km3/h，總?cè)剂腺|(zhì)量流量下降至132.2 t/h，給水質(zhì)量流量下降至683.7 t/h，過(guò)熱度控制在53.2℃，過(guò)熱蒸汽和再熱蒸汽參數(shù)穩(wěn)定，未出現(xiàn)汽溫巨幅波動(dòng)；引風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)減少出力，維持參數(shù)穩(wěn)定，負(fù)壓最大波動(dòng)至-368.3 Pa，床溫由890.8℃下降至838.7℃。RB動(dòng)作12 min后負(fù)荷下降至235.2 MW，滿足時(shí)間復(fù)位條件，RB自動(dòng)復(fù)位。各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定，滿足試驗(yàn)要求。

b）引風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)：協(xié)調(diào)控制模式下，機(jī)組負(fù)荷319.6 MW、主蒸汽壓力22.75 MPa、總?cè)剂腺|(zhì)量流量212.1 t/h，就地事故按鈕跳閘2號(hào)引風(fēng)機(jī)，觸發(fā)引風(fēng)機(jī)RB。引風(fēng)機(jī)跳閘后聯(lián)跳同側(cè)二次風(fēng)機(jī)，1號(hào)二次風(fēng)機(jī)變頻器負(fù)荷率由74.2%迅速增加至95%，二次風(fēng)體積流量維持在212 km3/h，總?cè)剂腺|(zhì)量流量下降至135.6 t/h，給水質(zhì)量流量下降至661.6 t/h，過(guò)熱度控制在40.2℃，過(guò)熱蒸汽和再熱蒸汽參數(shù)穩(wěn)定，未出現(xiàn)汽溫巨幅波動(dòng)；1號(hào)引風(fēng)機(jī)維持爐膛負(fù)壓，負(fù)壓最大波動(dòng)至348 Pa，床溫由883.6℃下降至840.2℃。RB動(dòng)作12 min后，負(fù)荷下降至223.5 MW后復(fù)位。引風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作后各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定，滿足試驗(yàn)要求。

c）一次風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)：協(xié)調(diào)控制模式下，機(jī)組負(fù)荷319.3 MW、主蒸汽壓力22.4 MPa、總?cè)剂腺|(zhì)量流量197 t/h，就地事故按鈕跳閘1號(hào)一次風(fēng)機(jī)，觸發(fā)一次風(fēng)機(jī)RB。2號(hào)一次風(fēng)機(jī)變頻器負(fù)荷率由76.5%迅速增加至90%，流化風(fēng)體積流量瞬間低至111 km3/h后維持在210 km3/h，總?cè)剂腺|(zhì)量流量下降至122.1 t/h，給水質(zhì)量流量下降至690.6 t/h，過(guò)熱度最低降至6.8℃，過(guò)熱蒸汽和再熱蒸汽參數(shù)出現(xiàn)明顯波動(dòng)；負(fù)壓最大波動(dòng)至-1 615 Pa，床溫由887.2℃下降至816.6℃。RB動(dòng)作12 min后，負(fù)荷下降至237.7 MW后復(fù)位。

4 RB試驗(yàn)過(guò)程中存在的問(wèn)題分析

二次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)完成，各項(xiàng)主要參數(shù)穩(wěn)定且滿足機(jī)組試驗(yàn)要求，一次風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)過(guò)程中存在以下主要問(wèn)題。

4.1 爐膛負(fù)壓波動(dòng)大

一次風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)過(guò)程中負(fù)壓最低為-1 615 Pa，主要原因：一是試驗(yàn)中由于冷渣器排渣不暢，鍋爐床層壓力較高，一次風(fēng)機(jī)跳閘后，導(dǎo)致原爐膛稀相區(qū)大量物料回落密相區(qū)，阻力增大，造成一次流化風(fēng)量迅速降低；二是一次風(fēng)機(jī)對(duì)引風(fēng)機(jī)的前饋量偏小，造成負(fù)壓波動(dòng)較大；三是運(yùn)行的2號(hào)一次風(fēng)機(jī)通過(guò)偏置平衡回路疊加至變頻器輸出指令上限90%，未能達(dá)到風(fēng)機(jī)最大出力；四是一次風(fēng)機(jī)跳閘后，出口門(mén)聯(lián)鎖關(guān)閉時(shí)間為45 s，入口調(diào)門(mén)未超馳關(guān)，一次風(fēng)量形成短路，造成一次流化風(fēng)量低于臨界流化風(fēng)量[3-4]。

4.2 汽溫偏低

一次風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)過(guò)程中汽溫偏低，主要原因：一是給水前饋中壓力偏差函數(shù)修正給水未閉鎖，RB動(dòng)作后造成給水流量增大，主汽壓力升高，過(guò)熱度降低；二是當(dāng)爐內(nèi)燃燒急劇減弱時(shí)給水慣性時(shí)間較長(zhǎng)造成水煤比失調(diào)，導(dǎo)致汽溫波動(dòng)大。

5 RB試驗(yàn)邏輯優(yōu)化

對(duì)于上述存在的問(wèn)題有針對(duì)性地提出優(yōu)化方案，并在2號(hào)機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的效果。

5.1 爐膛負(fù)壓波動(dòng)大

根據(jù)上述爐膛負(fù)壓波動(dòng)大的原因提出針對(duì)性解決措施：一是使冷渣器變頻超馳增10%的變頻指令，加大冷渣器的排渣能力；二是優(yōu)化一次風(fēng)機(jī)前饋負(fù)荷指令對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，關(guān)小每臺(tái)引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉的指令；三是通過(guò)參數(shù)分析一次風(fēng)機(jī)變頻90%開(kāi)度未出現(xiàn)超電流，故重新設(shè)定上限為95%達(dá)到風(fēng)機(jī)允許最大出力；四是一次風(fēng)機(jī)跳閘后超馳關(guān)閉跳閘一次風(fēng)機(jī)入口調(diào)門(mén)指令至0%的邏輯。

5.2 汽溫波動(dòng)大

根據(jù)上述汽溫波動(dòng)大的原因提出針對(duì)性解決措施：一是用壓力偏差函數(shù)修正給水，RB動(dòng)作閉鎖該前饋值，RB動(dòng)作結(jié)束后以一定的速率緩慢釋放；二是給水慣性時(shí)間由原來(lái)的50 s改為30 s，快速匹配爐內(nèi)燃燒工況。

6 結(jié)束語(yǔ)

超臨界CFB機(jī)組在RB動(dòng)作過(guò)程中，因風(fēng)量和燃料量的巨幅變化，鍋爐床層壓力較高，通過(guò)增大冷渣器變頻出力，有效降低一次風(fēng)阻力，設(shè)置合適的風(fēng)煙聯(lián)鎖邏輯并增加合適的超馳控制前饋便于負(fù)壓調(diào)節(jié)。同時(shí)，RB動(dòng)作后爐內(nèi)燃燒急劇減弱，給水控制應(yīng)該依據(jù)不同輔機(jī)RB設(shè)定相應(yīng)的給水慣性時(shí)間，有利于主再熱汽溫的控制。另外，應(yīng)直接平均減少運(yùn)行給煤機(jī)的煤量，有利于整體床溫的均勻性。