摘要：为提高百万级超超临界机组AGC工况下主汽温度的调节品质，预防主汽温度低跳机事故，结合事故案例论述影响主汽温度调节品质的关键因素和控制要点，并提出优化策略，指出在“煤跟水”类型的中间点温度控制方案中，燃料校正指令必须包含省煤器出口水温和各级过热器汽温的前馈量，给水校正指令必须包含变负荷前馈量及扰动工况下的超驰指令，并合理搭配变负荷工况下燃料和给水前馈量的速率与幅值，精确控制AGC全负荷范围内的水/煤比，达到预防主汽温度低跳机事故的目的。
关键词：超超临界机组；主汽温度；预防；调节品质；水/煤比；优化
Countermeasures to prevent the accident of main-steam temperature low trip of 1000MW ultra-supercritical unit
ZHOU Songguo1 QU Zhanglong1 Guo Yanhao1
(1.Hudian Electric Power Research Institute Co., LTD., Hangzhou 310030, China)
Abstract:In order to improve the regulating quality of main-steam temperature under AGC condition of one million ultra-supercritical unit and to prevent the accident of low jump of main-steam temperature, the key factors and control points affecting the quality of main-steam temperature regulation are discussed in combination with the accident case, and the optimization strategy is put forward. It is pointed out that in the intermediate point temperature control scheme of "coal and water" type, the fuel correction instruction must include the water temperature at the outlet of the economizer and the feed-forward amount of the steam temperature of the various super-heaters. The feed-water correction instruction must contain the feed-forward quantity under variable load and the overdrive instruction under disturbance condition, and reasonably match the speed and amplitude of fuel and feed-water feed-forward under variable load condition to accurately control the water / coal ratio within the full load range of AGC, To achieve the purpose of preventing the accident of low temperature trip of main-steams.
Keyword:ultra-supercritical unit; main-steam temperature; prevent;regulating quality; water-coal ratio; optimize.
引言
国内学者的研究成果表明，超超临界机组水冷壁吸热比例占全炉膛发热量的55%~65%，过热器吸热比占27%~37%，超超临界锅炉汽温调节主要依靠水/煤比调节。水/煤比调节的根本任务就是保持中间点温度（过热度）的稳定，用于保持水冷壁中工质流量和吸热量的合理比例，防止水冷壁发生膜态沸腾或引起管壁过热，维持中间点温度在合理的水平，并保持作为过热汽温超前控制信号应有的相对裕度[1-4]。
关于超超临界机组温度控制的文献包括方彦军的超超临界1000MW机组直流锅炉中间点温度建模[5]、刘常坤的基于仿射非线性系统的中间点温度控制仿真研究[6]、蔡利军的模型预测控制在超超临界机组主汽温度控制中的应用[7]、耿林霄的广义预测控制在过热蒸汽温度控制中的应用[8]等。上述文献没有提到关于主汽温度的事故案例，不能提供预防类似事故的参考意见。
部分机组在AGC模式下连续大范围降负荷过程中，因过热度控制不当，各级减温水调门全关后失去汽温调节裕度，致使主汽温度大幅波动危及机组安全[9-12]，特殊工况（如磨煤机停运）下主汽温度甚至降低到保护动作值，触发停机事故。为了预防类似的事故重复发生，参考现有的汽温控制技术，结合某电厂的一起主汽温度低跳机案例，分析原有的控制策略和相关参数，指出存在的问题，并提出新的优化策略，为其它同类型的机组提供借鉴。
1 设备及控制策略简介
某厂3号机组为1000MW燃煤直接空冷汽轮发电机组，配备东方锅炉厂设计生产的DG3000/26.15-Ⅱ1型高效超超临界参数变压直流炉，采用单炉膛、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。制粉系统采用正压直吹式，配6台HP1203型中速磨煤机。喷燃器共48只，分三层前、后墙对冲布置。
过热器受热面由四部份组成，按蒸汽流程分为：顶棚过热器、包墙过热器/分隔墙过热器、低温过热器、屏式过热器及高温过热器。
锅炉各级蒸汽温度由水/煤比和喷水减温共同控制，过热度控制作为汽温控制的粗调节，减温水控制作为汽温控制的细（精确）调节。过热度采用“煤跟水”控制方式（WFR），控制偏差的输出至燃料校正指令和给水校正指令[4]。
2 异常事件过程分析
2.1 动作过程
某天21:50，机组处于AGC方式连续快速降负荷，目标指令为611MW。
22:10，F给煤机停运，有功675MW，主汽压力22.3MPa，水/煤比6.897，过热度8.8℃，主汽温度598.9℃。
22:15，因过热度急速下跌，运行人员退出燃料自动方式，手动调整燃料和给水。有功611MW，水/煤比8.35，过热度7.51℃，主汽温度587.7℃，一、二级过热器减温水调门开度均为0%。
22:16:19，有功636.6MW，主汽压力23.7MPa，主汽温度563℃，水/煤比4.874，过热度10.37℃。
22:17:13，机组负荷627MW，主汽温度549.4℃，主汽温度低保护动作，汽机跳闸。
2.2 异常分析
2.2.1主要参数变化情况
事故过程中机组主要参变化情况见图1。
图1中显示，事故前机组负荷变动幅度为-284MW，负荷实际变动速率为1.4%Pe，主蒸汽温度波动范围为608.9℃~549.4℃。在主汽温度急速下跌前，过热度和水/煤比系数存在大幅波动的现象。在21:57~22:15期间，过热度由28.3℃下降到6.49℃，在22:08~22:15期间，水/煤比系数由6.86上升到8.35。水/煤比系数未跟随电负荷指令同步下降，不符合锅炉运行参数控制的要求[13]。
2.2.2水/煤比调节品质分析
图2显示，在22:08~22:14期间，过热度设定值由19.8℃上升到25.23℃，过热度实际值由21.49℃下降到6.94℃，过热度控制偏差达到-17.93℃；水/煤比至给水校正指令由18.8t/h下降到-13.6t/h，指令变化了-32.4t/h；水/煤比至燃料校正指令由-40.2t/h上升到-33.4t/h，指令变化了+6.8t.h。显然特殊工况下依靠燃料校正功能无法快速消除过热度偏差，应加大给水流量对过热度的调节力度[14]。22:08时刻锅炉一、二级减温水调门全部关闭后失去汽温调节裕度，导致磨煤机停运时主汽温度快速下跌。
1—主蒸汽温度（100℃~620℃）；2—AGC指令（-1000MW~1060MW）；3—有功功率（-1000MW~1060MW）；4—水/煤比系数（3~10）；5—过热度设定值（-5℃~60℃）；6—过热度实际值（-5℃~60℃）；7—协调控制方式；8—主汽温度低保护动作信号。
图1 异常过程中相关参数的变化趋势（1）
Fig.1 The trend of relevant parameters during fault (1)
1—主汽温度（100℃~620℃）；2—有功功率（-1500MW~1060MW）；3—过热度设定值（-150℃~70℃）；4—过热度实际值（-150℃~70℃）；5—水/煤比至给水校正指令（-150t/h~400t/h）；6—水/煤比至燃料校正指令（-200t/h~100t/h）；7—主汽温度低保护动作信号；8— 一级、二级减温水调门开度（-10%~400%）；9—F给煤机煤量。
图 2异常过程中相关参数的变化趋势（2）
Fig. 2 The trend of relevant parameters during fault（2）
图3显示，在22:08~22:11期间（即箭头标注区域），给水流量变化速率明显滞后于总燃料量。因水/煤比与主汽温度存在反向对应关系[15]，水/煤比控制不当是本次事故的根本原因。
2.2.3逻辑分析
（1）调取机组水/煤比控制逻辑如图4所示。过热度偏差送至中间点温度控制器，并将中间点温度控制偏差的微分量f(x)5、主汽压力设定值的微分量f(x)6和变负荷前馈量引入前馈回路，输出燃料校正指令。给水指令由两部分组成：其一来自锅炉主控对应的水/煤比函数f(x)1经过三阶惯性环节运算后的主指令LAG3；其二由相关蒸汽温度组成的校正指令，包括主汽温控制偏差f(x)2、中间点温度实际值f(x)3及控制偏差f(x)4。
（2）检查水/煤比函数f(x)1数据见表1。表1的数据证明干态方式下（锅炉指令大于400MW区域）水/煤比跟随锅炉指令同步下降，水/煤比函数能够满足锅炉运行的要求。
（3）检查给水指令中的三阶惯性环节（图4中的LAG1/LAG2/LAG3）的滞后时间参数为70s，远大于同类型机组的参数（35s）。
（4）检查水/煤比控制方案时，发现给水指令中缺少变负荷前馈量。图3显示，变负荷初期在变负荷前馈的作用下燃料出现明显的下跌趋势，而给水指令则是跟随锅炉主控按照预定的速率缓慢下降。
（5）由于“煤跟水”控制方案中燃料对过热度的响应速率有限，无法满足特殊工况下中间点温度控制的要求[16]，作为辅助调节手段，给水指令应具备超驰控制功能，用于快速稳定干扰工况下的过热度。检查水/煤比控制逻辑时，发现给水校正功能（图4中SUM2的第二路输入信号）被屏蔽，事故过程中无法发挥给水流量快速调节过热度的作用。
表1 水/煤比函数
Table 1 The function of water/fuel ratio
1—主汽温度（0℃~660℃）；2—AGC指令（-500MW~900MW）；3—有功功率（-500MW~900MW）；4—给水偏置指令（-30t/h~10t/h）；5—水/煤比系数（-1~12）；6—总燃料量（0t/h~600t/h）；7—锅炉主控指令（400MW~1200MW）；8—给水流量实际值（1500t/h~3500t/h）；9—给水流量指令（1500t/h~3500t/h）；10—机前压力实际值（20MPa~40MPa）；11—机前压力设定值（20MPa~40MPa）。
图 3 异常过程中相关参数的变化趋势（3）
Fig. 3 The trend of relevant parameters during fault（3）
f(x) —函数块；LAG —滤波功能块；SUM —加法器；Δ—减法器；PID —比例/积分/微分运算器
图 4 水/煤比控制逻辑图
Fig. 4 The SAMA of Fuel-water Ratio control
3 异常事件关键点
综上所述，总结出本次事故的关键点：
（1）造成主汽温度低跳机的根本原因是水/煤比控制不当。
（2）给水指令三阶惯性环节的滞后时间设置过长，负荷变动过程中给水流量调节速率不能适应燃料变化速率。
（3）给水指令中缺少变负荷前馈，在连续大范围负荷变动中容易造成水/煤比大幅波动。
（4）过热度采用“煤跟水”控制方案，在特殊工况下给水流量对过热度的调节作用过弱，是造成水/煤比系数大幅波动的直接原因。
（5）在事故过程中，运行人员未能根据过热度及主汽温的变化趋势及时调整给水偏置（图3中的曲线4），失去挽救机组安全的机会。
4 优化后的控制策略
由于超超临界机组中水冷壁吸热量比例接近65%，因此省煤器出口水温能够真实反映锅炉热量的变化情况。为提高“煤跟水”控制方案的灵敏度，需将省煤器出口水温引入燃料校正指令前馈回路。为保证各级减温水有足够的调节裕度，还需将各级汽温控制偏差引入燃料校正指令的前馈回路。
因为直流锅炉中主汽压力对给水流量的扰动响应灵敏，所以在“煤跟水”控制方案中选择燃料作为主要调节手段。稳定工况下尽量保持给水流量的稳定，依靠燃料校正指令消除小幅度的过热度控制偏差。变负荷工况下为了提高机组对电网负荷指令的响应速率，并保持合理的水/煤比系数，应在燃料和给水指令中分别设置变负荷前馈量。当过热度控制偏差超出一定范围时，表明动态水/煤比已偏离锅炉运行参数的正常范围，必须触发给水校正功能以快速稳定过热度。
鉴于上述控制思路，针对事故中暴露的问题提出优化控制策略，具体内容如下：
（1）优化给水指令的三阶惯性环节的滞后时间，由70s改为35s，以匹配变负荷工况下给水、燃料的调节速率。
（2）给水和燃料指令中分别设置变负荷前馈量，逻辑见图5。图中SUM3左右两路输入信号分别为升负荷和降负荷的前馈量。以升负荷为例说明图中各个功能块的作用。图中调节器PID1为纯积分器，升负荷初始时刻按照积分时间函数f(x)3设定的速率进行正向积分运算，当PID1输出值达到函数f(x)1的输出值时，则停止积分运算。升负荷结束时刻PID1按照K1设定的速率进行负向积分运算直至输出值到0。图中f(x)2为负荷指令对前馈量的校正函数。分别调整图5中函数f(x)1和函数f(x)3，有效搭配变负荷过程中燃料和给水指令变负荷前馈的幅值及响应速率，合理控制动态的水/煤比系数[17]。
>—大选功能块；<—小选功能块；f(x) —函数块；MUL —乘法器；SUM —加法器；T —模拟量信号切换器；H/L —高/低选通器；H —高限选择器；N —取反功能块；K —增益放大器；PID —比例/积分/微分运算器.
图 5 优化后的控制策略（1）
Fig. 5 The optimized control strategy（1）
（3）增加给水超驰指令，见图6。根据锅炉特性设置过热度与机组负荷对应的函数f(x)1，作为过热度设定值，由SUM1计算出过热度控制偏差，经过偏差死区函数f(x)2处理后，引入给水校正控制器PID，并设置微分前馈量SUM2，经f(x)3输出最终的给水校正指令。图6中函数f(x)1~f(x)3数据见表2~表4。仅当过热度控制偏差越过死区后，方能触发给水校正功能，通过PID控制器及外部微分环节快速调节给水流量，达到稳定过热度的目的。
表2 过热度设定值函数f(x)1
Table 2 The f(x)1’ parameterin Fig.6
表3 过热度死区函数f(x)2
Table 3 The f(x)2’ parameterin Fig.6
（4）在“煤跟水”燃料校正指令中增加温度前馈逻辑，如图7所示。为了提高“煤跟水”控制方案的灵敏度，并保证足够的汽温调节裕度，分别求出机组负荷指令对应的设定温度与省煤器出口水温的偏差（SUM1）、机组负荷指令对应的设定温度与一级减温器前汽温实际值的偏差（SUM2）、各级过热器出口的温度控制偏差，同时引入燃料校正指令前馈回路。图7中函数f(x)1和f(x)2数据见表5和表6。
表4 给水超驰指令函数f(x)3
Table 4 The f(x)3’ parameterin Fig.6
表5 省煤器出口水温跟随函数f(x)1
Table 5 The f(x)1’s parameterin Fig.7
表6 一级减温器前汽温跟随函数f(x)2
Table 6 The f(x)2’s parameterin Fig.7
SUM —加法器；f(x) —函数块；
LAG —滤波功能块；PID—比例/积分/微分运算器. SUM —加法器；f(x) —函数块
图 6 优化后的控制策略（2） 图 7 优化后的控制策略（3）
Fig.6 The optimized control strategy（2） Fig. 7 The optimized control strategy（3）
（5）优化后的水/煤比控制逻辑见图8。保留燃料校正指令前馈回路的中间点温度控制偏差微分量f(x)2和主汽压力设定值微分量f(x)3，增加省煤器出口水温偏差、一级减温器前汽温偏差和各级汽温控制偏差的前馈信号（即图7中SUM3输出信号），以提高中间点温度“煤跟水”控制方案的灵敏度。删除给水校正指令中原有的中间点温度校正指令（即图4中SUM2的第二路输入信号），增加变负荷前馈量（图5中的SUM3输出信号）和超驰指令（即图6中f(x)3输出信号）。优化后的控制策略提高了动态工况下给水流量对过热度的调节力度，能够精确地控制AGC全负荷范围内的水/煤比系数 [18-20]，为主汽温度的稳定提供了保障。
图 8 优化后的控制策略（4）
Fig. 8 The optimized control strategy（4）
5 结论
（1）百万级超超临界机组主汽温度的调节品质受制于多方面的因素，其中水/煤比调节起到主导作用。
（2）为了提高“煤跟水”中间点温度控制方案的灵敏度，应充分利用超超临界机组水冷壁吸热特性，必须在燃料指令校正指令中引入省煤器出口水温控制偏差；为了保证各级减温水的调节裕度，预防主汽温调节失灵的事故，必须将各级过热器汽温的控制偏差引入燃料校正指令。
（3）为了精确控制“煤跟水”中间点温度控制AGC工况下的水/煤比，必须协调控制燃料量和给水流量。①稳定工况下将燃料量作为过热度的主要调节手段，并维持给水流量的稳定；②在扰动工况下应加大给水指令的调节力度，施加微分调节手段，达到快速消除过热度控制偏差的目的；③为提高机组电负荷响应速率，应在燃料和给水指令中分别设置变负荷前馈量，并合理搭配二者的响应速率和幅度。
（4）上述优化方案已先后在新疆农六师发电有限公司三期2×1100MW工程和安徽淮南平圩发电有限责任公司2×1000MW工程得到应用，机组保持长期稳定运行，验证了该方案的有效性[21]，能够作为防止百万级超超临界机组主汽温度低跳机事故的应对策略，具有较好的推广价值。
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作者简介
周松国（1973—），男，高级工程师，从事火电机组自动控制技术的研究，E-mail:546804306@qq.com。
论文作者:周松国1,屈章龙,郭严昊1
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/24
标签：指令论文; 机组论文; 热度论文; 温度论文; 负荷论文; 燃料论文; 锅炉论文; 《电力设备》2019年第5期论文;