超临界350MW机组汽动引风机控制优化及其快速减负荷功能分析_高明帅

收稿日期 作者简介 高明帅 男 硕士 主要从事发电厂热工控制系统调试及优化研究 超临界 机组汽动引风机 控制优化及其快速减负荷功能分析 高明帅 张红侠 马 涛 涂孝飞 华北电力科学研究院有限责任公司 北京 内蒙古京能康巴什热电有限公司 内蒙古 鄂尔多斯 华北电力科学研究院 西安 有限公司 陕西 西安 摘 要 依据某超临界 机组汽动引风机系统设备性能 设计了汽动引风机的启动控制方案 借鉴国内机组的汽动引风机炉膛压力控制策略 结合该机组汽动引风机的特性及运行工况 对引风机入口导叶及引风机汽轮机转速 种炉膛压力控制方式之间的自动无扰切换进行了 优化 从炉膛内风量质量守恒的角度分析了引风机快速减负荷 试验结果 并给出了汽 动引风机 过程相对于电动引风机 过程中炉膛压力变化趋势相反的原因 为优化同类 型引风机控制提供依据 关 键 词 超临界 机组 汽动引风机 炉膛压力 控制 试验 自动无扰切换 中图分类号 文献标识码 文 章 编 号 编 号 传统的炉膛压力控制方式是在电机恒速运行状 态下 由电动或气动执行器调节引风机挡板开度 通 过改变引风量控制炉膛压力 在实际应用中 引风 机启 停及运行中对引风机挡板的调节均可实现灵 活平稳操作 但引风机挡板开度一般在 之间 从而使得一部分电能消耗在引风机挡板 第 卷 第 期 年 月 热 力 发 电 阻力上 从而降低了机组的经济性 另外 引风机 挡板的机械联接机构在调节过程中存在滞后 线性 度及调节性能差等问题 在炉膛压力闭环控制中 压力过大会增大燃料耗量 压力过小会影响燃料的 充分燃烧 对此本文对引风机控制系统结构和方案 进行优化 对引风机控制系统的优化通常采取 种方式 一是对电动引风机进行变频改造 通过改变电动机 的电源频率 从而达到控制引风机转速的目的 实 现对炉膛压力的自动调节控制 该调节方式可以有 效地降低引风机的耗功 提高机组的经济性 二是改 变传统引风机的电动驱动机构 利用汽动引风机汽 轮机 小汽轮机 驱动引风机 通过调节小汽轮机转 速控制引风机的出力 从而降低节流损耗 同时 也减少了引风机启动过程对厂用电系统的冲击 提 高了厂用电系统运行的安全性和稳定性 因此 在引风机控制系统优化研究中 本文以汽动引风机 作为对象 分析汽动引风机的启动方案 炉膛压力的 控制策略以及汽动引风机 动作对机组特性的影 响 以实现引风机的最优控制 设备概况 某超临界 空冷机组锅炉为上海锅炉 厂有限责任公司生产的超临界参数变压运行螺旋管 圈直流炉 为单炉膛 一次再热 平衡通风 固态排 渣 全钢结构 全悬吊结构 型布置 采用四角切圆 燃烧方式 锅炉风烟系统采用平衡通风方式 配置 台 型 变 速 离 心 式 引 风 机 其 由 型小汽轮机驱动 通过调节为入口导叶开 度及风机变速控制炉膛压力 引风机小汽轮机技术 参数见表 启动控制优化 根据引风机厂家所提供的资料 当引风机转速 低于 时 引风机出 入口挡板允许关闭 在引风机由 升速至额定转速的 过程中 允许风机出 入口挡板关闭 小汽 轮机在冷态启动过程中 当其转速达到 时需进行 暖机 待暖机结束后可继续升速 根据引风机和小汽轮机在启动过程中的不同特 性 将汽动引风机的启动控制优化为 在汽动引风机 冲转前 保持引风机出口挡板和入口旁路风挡板为 开启状态 在小汽轮机暖机过程中 关闭入口挡板及 入 口导叶 在小 汽轮 机转 速 由 升 速 至 表 引风机小汽轮机技术参数 项目参数 引风机 叶轮直径 轴的材质 叶片材质 数量 片 比转数 转子重量 转子转动惯量 转速 小汽轮机 最大功率 额定功率 额定工作压力 额定工作温度 调速范围 引风机变 速齿轮箱 满负荷下效率 输入功率 输入转速 输出转速 传动比 此时对应的引风机转速满足锅炉启动 的要求 的过程中 需将入口导叶开至 以保持 风机处于通流状态 在小汽轮机升速过程中尽可能 提高小汽轮机升速率 以避免升速时间过长导致排 汽温度升高 由调试期间的机组参数可知 当小汽轮 机转速在 以下时 引风机出力损失较 大 易导致排汽温度上升 因此当小汽轮机转速升至 以上时 投入遥控方式 由炉侧控制小 汽轮机转速 并调节引风机入口导叶开度控制炉膛 压力 炉膛压力控制优化 由于通过调节引风机入口导叶开度和小汽轮机 转速可控制炉膛压力 因此炉膛压力控制包括入口 导叶控制方式和小汽轮机转速控制方式 入口导叶 控制方式仅用于机组启 停过程和机组低负荷运行 阶段 其采用常规单回路控制策略 并引入送风机导 叶开度作为前馈指令 小汽轮机转速控制方式采用 串级控制策略 主调节器用于控制炉膛压力 根据投 入自动控制方式的引风机台数和主蒸汽流量进行变 参数控制 并引入送风机导叶开度函数作为前馈指 令 副调节器用于小汽机转速控制 借鉴国内汽动引风机的炉膛压力控制方案 并根据调试阶段中得到的各种数据 以机组经济性 及稳定性作为重点 对所得数据进行分析 得出炉膛 压力控制中 引风机入口导叶控制方式与小汽轮机 转速控制方式最优切换定值 另外 为了实现控制 第 期高明帅 等 超临界 机组汽动引风机控制优化及其快速减负荷功能分析 方式的自动无扰切换 在机组启动初期小汽机转速 保持定速 仅自动调节引风机入口导叶开度 当引 风机入口导叶开至无节流状态时 控制方式切至小 汽轮机转速控制方式 通过操作界面上的 联合投 入 控制方式切换允许 按钮 台引风机入口导 叶手 自动控制方式 小汽轮机转速的手 自动控制 方式 引风机入口导叶开度及小汽轮机转速实现 种控制方式的无扰切换 在联合投入功能生效后 种控制方式才允许 切换 联合投入功能既可手动退出 也可在 种控制 方式均为手动控制方式时自动退出 为了防止误操 作 设计了联合投入功能的投入允许条件 即 侧 汽动引风机入口导叶或小汽机转速任一为自动控制 方式 侧汽动引风机入口导叶或小汽机转速任一 为自动控制方式 两侧汽动引风机入口导叶均为自 动控制方式或两侧小汽轮机转速均为自动控制方 式 以 汽动引风机为例的 种控制方式切换控 制逻辑如图 所示 引风机入口导叶控制方式切至小汽轮机转速控制方式 小汽轮机转速控制 带回滞死区超限报警功能块方式切至引风机入口导叶控制方式 图 以 汽动引风机为例的 种控制方式切换控制逻辑 在控制方式切换控制中 引风机入口导叶控制 总操作指令及小汽轮机转速控制总操作指令与 台 汽动引风机入口导叶开度和小汽轮机转速无关 从 而可有效地避免因信号波动及引风机出力等问题而 造成的一侧引风机入口导叶为自动控制方式 另一 侧小汽轮机转速为自动控制方式的情况 在控制方 式切换过程中 引风机入口导叶开度设定值具有 的 回 滞 死 区 小 汽 轮 机 转 速 设 定 值 具 有 热 力 发 电 年 的回滞死区 从而避免了由于开度反馈或 转速波动造成的 种控制方式频繁切换 在 种控 制方式切换判断条件中 为了避免出现引风机入口 导叶与小汽轮机转速同时处于自动控制方式 在切 换条件中设计了 个脉冲信号 以保证在引风机入 口导叶控制方式切至小汽轮机转速控制方式时 先 将处于自动控制方式的入口导叶切至手动控制方 式 再将小汽轮机转速投入自动控制方式 小汽轮机 转速控制方式切换至引风机入口导叶控制方式时 先将处于自动控制方式的小汽轮机转速切至手动控 制方式 再将引风机入口导叶投入自动控制方式 试验及分析 对于汽动引风机 由于小汽轮机转速对炉膛压 力的调节具有一定的滞后性 而 时要求送 引风 机快速改变出力并达到相互平衡 因此将小汽轮 机转速的升 降速率设定为 进行汽动 引风机 试验 试验过程的机组主要参数变化趋 势如图 所示 图 汽动引风机 时的机组主要参数趋势 汽 动 引 风 机 动 作 后 机 组 负 荷 由 降 至 主 蒸 汽 压 力 由 降 至 主 蒸 汽 温 度 由 降 至 再 热 蒸 汽 温 度 由 降至 炉膛压力 先 降至 后升至 并逐渐趋于稳 定 试验开始 后 机组各主要参数均趋于 稳定 送风机 时的机组主要参数变化趋势如图 所示 对比图 图 发现 送 引风机 时的炉膛 压力变化趋势一致 与采用电动引风机的同类型常 规机组送 引风机 时的主要参数变化曲线进行 对比发现 汽动引风机 时的炉膛压力变化趋势 与 电动引风机 时相 反 忽略 炉 膛 及尾部 烟 道 图 送风机 时的机组主要参数趋势 漏风 烟气中固体物质的体积 为了维持炉膛压力稳 定 锅炉引风机风量须与送风机风量保持平衡 遵循 质量守恒定律 式中 为炉膛内风量总质量 为炉膛进口风 质量流量 为炉膛出口风质量流量 该机组锅炉总风量由送风机入口导叶控制 炉 膛压力由小汽轮机转速控制 表 为机组负荷由 升至 并达到稳定状状后 送 引 风机主要参数变化 表 不同负荷机组下送 引风机主要参数变化 项目起始工况 终止工况增量 负荷 总风量 送风机导叶开度 送风机导叶开度 炉膛压力 引风机小汽轮机转速 引风机小汽轮机转速 由表 可见 小汽轮机转速增至 送风机入口导叶开度平均增加约 锅炉总风 量增 加 炉 膛 压 力 稳 态 偏 差 仅 为 则可得出 式中 为送风机入口导叶 开度变化量 为引风机转速变化量 由式 式 可得 送风机入口导叶开度平均 增加约 则引风机小汽轮机转速平均增加约 可保持炉膛压力稳定 引风机 过程相关参数变化见表 第 期高明帅 等 超临界 机组汽动引风机控制优化及其快速减负荷功能分析 表 引风机 过程相关参数变化 时间炉膛压力 引风机转速 引风机转速 送风机导叶开度 送风机导叶开度 引风机 动作 后 炉膛压力最低降至 送风机导叶开度减少了约 送风机导叶增加约 引风机小汽轮机转速降 低约 引风机转速下降约 根据本机组送 引风机配比特性 引风机小汽轮机转 速降低量无法与送风机入口导叶开度下降量匹配 导致送风量远小于锅炉的引风量 炉膛压力降至 最低 引风机 动作 后 送风机入口导叶开 度降至 送风机入口导叶仍为最大出力状态 小汽轮机转速继续降低了约 引风机 转速继续降低了约 通过计算可得 此 时 虽然引风机转速降低量对炉膛压力的影响仍小 于 台送风机停运的影响 但二者对炉膛压力影响 程度近 于 相 同 因 此 炉 膛 压 力 由 最 低 值 升 高 约 引风机 动作 后 炉膛压力增至最 高值 送风机仍处于最大出力状态 小汽轮机转速继续降低了约 小汽轮机 转速升 高 了 约 小 汽 轮 机 转 速 降 低 了 送风机入口导叶开度无变化 使得锅炉 风量不变 而引风量减少 从而造成炉膛压力增至最 大值 当引风机 动作 后 小汽轮机转速 降至 以下 联锁关闭 引风机入口导 叶 此时机组为单侧送 引风机运行 炉膛压力逐渐 趋于设定值 达到稳定状态 根据上述分析可知 通过小汽轮机转速调节炉 膛压力时 由于小汽轮机转速受小汽轮机高 低压调 节阀开度控制 同时小汽轮机转速升降速率又受到 设备安全性能的限制 从而增大了汽动引风机对炉 膛压力调节的惯性 送风机导叶开度变化对炉膛压 力控制的惯性时间较小 因此对于采用电动送风机 及汽动引风机的锅炉 控制系统对炉膛压力惯性时 间与采用电动送风机和引风机不同 结 语 本文根据汽动引风机特性 设计了汽动引风机 启动控制方案 并结合机组经济性和稳定性运行的 要求 优化了汽动引风机入口导叶控制方式与小汽 轮机转速控制方式的切换控制 既实现了 种控制 方式之间的自动无扰切换 又提高了机组的运行效 率 根据机组升 降负荷过程的数据 得到了机组 送 引风机的配比特性 并以此作为基础 对汽动引 风机 过程中炉膛压力的变化进行了分析 解析 了炉膛负压在汽动引风机 与电动引风机 中 变化不同的原因 对优化同类型机组的汽动引风机 具有借鉴意义 参 考 文 献 段玉燕 超超临界 机组引风机驱动方式比较 热力发电 刘广彬 李爱英 刘萍 等 变频调速器在锅炉引风机控 制系统中的应用 电气传动 倪霄峰 陈菲 高压变频器在 机组引风机上的 应用 浙江电力 吴斌 引风机驱动方式的能效分析 电力勘测设计 热 力 发 电 年 马晓珑 刘超 超超临界 机组采用汽轮机驱 动引风机的可行性 热力发电 孙叶柱