火电机组非常规RB及核心控制策略研究与应用

邢智炜，刘磊，尤默，秦天牧

(华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045)

随着“双碳”目标的提出，电网接入新能源的比例逐步提高，但是新能源的随机波动性会对电网的稳定运行产生不利影响。同时，火电机组逐步向调峰调频功能转变，机组非计划停运对电网的影响更加突出。为保障机组的安全运行，对火电机组辅机故障的快速减负荷(runback，RB)功能提出了更高的要求。随着机组设备的迭代更新以及技术的不断发展，机组RB功能不应局限于传统RB类型，而应该更多考虑机组运行的事故工况，通过自动化逻辑设置，保障事故工况下机组的运行安全。

机组的常规RB功能(例如送/引风机RB、一次风机RB、给水泵RB、磨煤机RB等)已有较多的现场应用经验和逻辑积累[1-6]。相关研究对RB过程中容易造成非计划停运的主要风险点进行了分析，并对重要运行参数的控制策略提出了优化方案[7-10]。此外，针对现场不同的设备配置情况，如循环流化床锅炉、汽动给水泵与电动给水泵并列运行等，部分电厂及科研院所等也进行了差异化控制策略设计[11-13]。

对于配置空冷岛采用直接空气冷却(以下简称“空冷”)方式的火电机组，在夏季工况下经常由于背压升高出现机组带负荷困难的情况，进而造成锅炉持续增加煤量、汽机高调阀全部开展，不仅对负荷调节有影响，同时也影响机组高负荷下对故障的调整能力。另外，机组运行过程中，高压给水系统若出现故障导致高压加热器(以下简称“高加”)解列，将对主蒸汽(以下简称“主汽”)温度产生较大扰动，甚至超出允许的工作温度。机组高加解列事故工况难以通过运行人员的手动干预和调整使机组恢复稳定运行。此外，机组空气预热器(以下简称“空预器”)系统在运行过程中可能出现由于膨胀不均造成转子卡涩电流增大、空预器堵灰造成差压升高甚至停运等事故工况，极易造成机组跳闸。针对这些非常规RB类型，目前很少有机组进行逻辑设计并开展试验，有必要根据RB功能需求进行逻辑设计，减少运行人员的手动操作，通过RB功能实现机组自动降负荷，保障机组事故工况下主要运行参数平稳过渡。DL/T 1213—2013《火力发电机组辅机故障减负荷技术规程》中针对空预器RB定义了基本功能，即1台空预器主电动机跳闸后辅电动机未联启成功，联跳相应数量的磨煤机，机组切至汽机跟随方式，负荷自动减至剩余空预器带负荷能力对应的负荷目标值[14]。

对于机组风烟系统，空预器停运后，部分电厂的逻辑设计会连锁停运同侧送风机、引风机、一次风机，整个系统扰动过大，容易出现机组跳闸的情况；另一方面，由于高负荷下空预器停运，可能由于受热膨胀不均造成空预器卡涩甚至损坏，影响RB后系统恢复甚至设备安全。因此针对空预器RB试验，建议采用强制空预器停运信号的方式触发。大部分电厂在调试及生产过程中，很少开展空预器RB试验，电厂的安全运行存在隐患。DL/T 5210.6—2019 《电力建设施工质量验收规程 第6部分：调整试验》已于2020年开始执行，其中针对机组整套试运期间RB试验的验收，明确规定了需要开展空预器RB试验[15]。但目前电厂中空预器RB整个逻辑方案还需要完善，特别是空预器停运后，如何保障风烟系统的稳定性，是需要重点考虑的内容。

对于空冷机组排汽装置压力(即机组背压)高工况及高加解列工况，国家标准和行业标准都未作出定义和要求。高加解列后可能出现机组负荷突增以及主汽压力升高的情况，如何对其进行控制，确保负荷升高不会触发发电机过流保护，确保压力平稳下降，以及如何对后期的温度下降进行控制，都需要进行自动控制逻辑设计[16-17]。目前控制策略与常规辅机RB在本质上并无太大区别，未真正解决高加解列过程中带来的机组负荷突增，给水、汽温快速变化的核心问题。空冷机组背压受环境温度、风速和风向、粉尘等外部因素的影响较大，机组背压非常不稳定。部分电厂针对背压过高进行了RB逻辑设计，但仅通过协调降负荷进行控制，针对背压过高的恶劣工况控制效果并不理想[18-19]。

鉴于此，本文针对空预器停运、高加解列、空冷机组背压升高等几种非常规RB的控制需求，设计相应控制方案，并对不同RB过程中的重点问题有针对性地设计控制逻辑，旨在提高RB过程中机组动态稳定性。将本文方案应用在超超临界百万机组中，通过现场试验验证该方案的可行性和有效性。

1 设备概况

某电厂新建2台1 000 MW超超临界空冷燃煤发电机组，锅炉为上海电气锅炉厂超超临界变压运行直流炉，汽轮机为上海电气汽轮机厂超超临界直接空冷凝汽式汽轮机。汽轮机额定主汽压力28 MPa，额定主汽温度为600 ℃，额定主汽流量为2 984 t/h。

对于机组的风烟系统，每台机组配置2台汽电联合驱动引风机，2台动叶可调轴流送风机，2台动叶可调轴流一次风机，2台容克式四分仓空预器。送风机、一次风机出口均设有联络挡板。机组冷却方式为直接空冷，配置8排共64个冷却单元。在机组热耗率验收(turbine heat acceptance，THA)工况下，汽轮机设计排汽背压为11 kPa。

对于机组高加系统，采用可调整抽汽的0号高加和非调整抽汽的1号、2号、3号高加。其中0号高加的设计可以有效提高机组低负荷运行时的给水温度以及机组热经济性。高加给水系统采用大旁路。在3号高加入口和0号高加出口设有进、出口液动三通阀，在机组THA工况下，高加系统共可以提高给水温度114 ℃。

2 空预器RB

2.1 控制策略设计

空预器RB的控制难点是风烟系统控制。空预器停运后，部分电厂的逻辑设计会连锁停运同侧引风机、送风机和一次风机，同时停运单侧3大风机会对风烟系统产生过大扰动，引起炉膛负压、一次风压等参数剧烈波动，造成机组跳闸。部分电厂在空预器跳闸后存在一次风压过高、短时过量煤粉进入炉膛引起壁温超限等情况[20]。

因此，本控制方案采用单侧空预器停运触发空预器RB后只连锁停运本侧送风机、引风机，保留一次风机运行，通过超驰关闭部分一次风机动叶开度，降低两侧一次风机出力，同时开启一次风机联络门，维持一次风压的稳定。空预器RB的触发及复位逻辑如图1所示。当机组处于机组协调控制(coordinated control system，CCS)方式下，机组负荷高于550 MW且任意空预器停运信号触发时，通过RS触发器触发空预器RB动作，通过“S”端触发置位空预器RB动作；负荷低于520 MW或运行人员手动复位时，通过“R”端触发复位空预器RB。

图1 机组空预器RB触发及复位逻辑Fig.1 Trigger and reset logic of air preheater RB

本方案根据RB目标负荷及降负荷速率折算生成目标煤量和目标给水流量，对煤、水进行控制。各类型RB目标负荷及变负荷速率控制逻辑如图2所示。RB被触发后根据类型不同，设置不同的目标负荷和变负荷速率。通过切换功能块“T”实现不同类型RB控制参数的切换。而对于高加解列RB被触发后，通过机组当前负荷叠加-200 MW偏置给出RB目标负荷。

图2 机组RB动作过程中目标负荷、变负荷速率控制逻辑Fig.2 Control logic of target load and load changing rate during RB action

RB过程中给煤量、给水流量控制逻辑如图3所示。RB动作后根据不同的RB类型，设定不同的目标负荷和变负荷速率，通过当前煤量折算给出锅炉主控输出的目标煤量，利用煤水比折算出目标给水流量。而对机组中间点温度的调节，则通过给水惯性时间来控制。

图3 机组RB动作过程中煤量、给水流量控制逻辑Fig.3 Control logic of coal and feed-water during RB action

机组柔性滑压控制逻辑如图4所示。机组负荷指令通过滑压曲线折算，并叠加运行人员设置偏置后，经过速率限制及三阶惯性环节，形成机组主汽压力设定值。按照柔性RB的设计思路，同时考虑滑压速率对锅炉上水阻力及主汽温度下降的影响，采用先慢后快的滑压控制策略，前20 s采用0.6 MPa/min控制，之后为2 MPa/min控制[21]。空预器RB被触发后，逻辑设计按照从上到下顺序，间隔跳闸上层3台磨煤机，保留下层3台磨煤机运行。

图4 机组RB动作过程中柔性滑压速率控制逻辑Fig.4 Flexible control logic of pressure changing rate during RB action

对于风烟系统的控制策略，当空预器RB动作后，跳闸同侧送风机、引风机，连锁关送风机、引风机挡板，连锁关本侧空预器出口二次风门，连锁关本侧空预器进口烟气挡板。为减小一次风机的扰动，本方案中空预器RB不停运一次风机，关本侧空预器出口热一次风门，连锁开一次风机联络门。超驰关两侧一次风机动叶，一次风机动叶根据不同负荷设计不同的超驰关闭数值。

2.2 空预器RB动作过程及趋势

空预器RB过程趋势如图5所示。

RB被触发时，机组负荷911 MW，主汽压力26.5 MPa，给水流量2 801 t/h，煤量367 t/h，主汽温度576 ℃，炉膛负压-83 Pa。RB动作后快速间隔跳闸上层2台磨煤机，保留3台磨煤机运行。炉膛负压先升后降，RB动作46 s后最高升至1 231 Pa，165 s后最低降至-742 Pa之后恢复稳定。由于炉膛负压保护定值为±2 500 Pa，RB过程中参数具有较大的安全裕量。一次风压先降后升，RB动作7 s后降至10.54 kPa，22 s最高升至13.24 kPa，之后逐渐稳定至9.4 kPa。本方案通过联跳同侧送风机、引风机使风烟系统快速达到平衡，同时减少了风机跳闸对负压的扰动，避免RB动作初期负压剧烈波动。

RB动作过程中，燃料迅速降至202 t/h 并维持稳定；给水流量随煤量按惯性下降，在RB动作120 s后稳定至1 500 t/h；机组负荷在RB动作530 s后最低降至517 MW自动复位RB。汽机综合阀位在RB触发158 s后最低降至61%，之后开始回升；主汽压力跟随滑压曲线平稳下降，在RB动作354 s后稳定至16.4 MPa；主汽温度在RB动作195 s后最低降至552 ℃之后开始回升。在空预器RB动作过程中，机组主要参数平稳过渡，未出现影响机组安全的剧烈波动。

1—机组负荷；2—主汽压力设定；3—机组主汽压力；4—给水流量指令；5—机组主给水流量；6—总燃料量；7—汽机综合阀位；8—机组主汽温度；9—炉膛负压；10—空预器RB动作。

3 高背压RB

3.1 控制策略设计

本方案根据汽轮机排汽装置的背压保护条件进行设计，排汽装置压力高于65 kPa时直接触发汽机跳闸，或排汽装置高于中低压连通管压力对应的折线函数、延时900 s触发汽机跳闸。本文对于机组的高背压RB设计，采用协调迫降负荷和RB快降负荷结合的方式进行。当机组背压接近折线函数对应的保护定值时，采用协调迫降负荷方式，降低机组出力；当机组背压接近跳机保护值(65 kPa)时，直接触发RB快降负荷。本方案协调迫降负荷及高背压RB的触发逻辑如图6所示。

图6 机组协调迫降负荷及高背压RB触发逻辑Fig.6 Trigger logic of coordinated fast drop load and high back pressure RB

当负荷高于700 MW，机组背压“三取二”高于折线保护定值3 kPa(大机背压保护定值为折线函数，延时900 s)时，触发协调迫降负荷逻辑。机组解除AGC模式，按照目标负荷700 MW、速率3%Pe/min (Pe为额定负荷)，进行快降负荷。协调迫降负荷复位后，负荷指令保持当前值。

当负荷高于500 MW、机组背压高于60 kPa时(大机背压保护高于65 kPa，无延时直接跳机)，触发高背压RB快降负荷。高背压RB的动作定值和协调迫降负荷的动作定值设定预留一定裕度，使机组优先通过协调快降负荷的方式调整背压值，如果实际背压升高过快则需通过RB动作快速降负荷来保障机组安全。高背压RB动作后按照从上到下顺序，逻辑设计间隔跳闸上层3台磨煤机，保留下层3台磨煤机。滑压速率前20 s为0.6 MPa/min，之后为1.5 MPa/min。

为了保障机组背压的控制效果，高背压RB动作后，连锁启动备用真空泵，同时增加运行空冷风机频率指令加大风机出力。

3.2 高背压RB动作过程及趋势

高背压RB动作过程趋势如图7所示。

RB被触发时，机组负荷908 MW，主汽压力26.7 MPa，给水流量2 764 t/h，煤量365 t/h，主汽温度587 ℃，炉膛负压-153 Pa。高背压RB动作后连锁启动真空泵，并增加空冷风机频率至最大。通过修改保护背压动作定值触发RB。RB动作后快速间隔跳闸2台磨煤机，保留下层3台磨煤机。炉膛负压14 s后最低降至-832 Pa之后恢复稳定；煤量迅速降至220 t/h 并维持稳定；给水流量随煤量按惯性下降，在RB动作150 s后稳定至1 628 t/h；机组负荷在RB动作406 s后最低降至577 MW；汽机综合阀位在RB动作182 s后最低降至62%，之后开始回升；主汽压力跟随滑压曲线平稳下降，RB动作后309 s稳定至18.6 MPa；主汽温度RB动作205 s后最低降至562 ℃之后开始回升；整个RB动作过程286 s，背压下降2.5 kPa。

按照本文的逻辑设置，RB动作后，通过对机组主参数较少的扰动，实现了快速降低锅炉热负荷并减小机组出力的目的，从而降低机组背压，保障机组稳定运行。

4 高加解列RB

4.1 控制策略设计

对于机组触发高加解列的工况，汽轮机抽汽量瞬间的减少造成进入汽轮机做功的蒸汽量增加，导致电功率短时间突增，此时需要根据不同工况核算负荷的增加情况，避免达到发电机过流保护定值。高加解列RB动作后，目标负荷为当前负荷减200 MW，通过减少一定负荷维持系统稳定，控制逻辑如图8所示，因此在逻辑中设计了当负荷高于1 050 MW时汽机调门禁增的逻辑。高加解列后，主汽压力会出现短期升高的现象，需要防止压力过高造成安全阀动作，对于带安全门功能的汽轮机高压旁路，要避免压力升高至快开动作值造成旁路快开。根据以上分析，设置滑压速率前20 s内为1 MPa/min，之后为0.6 MPa/min。本文控制策略中，高加解列RB逻辑设计如图8所示。

1—机组负荷；2—主汽压力设定；3—机组主汽压力；4—给水流量指令；5—机组主给水流量；6—总燃料量；7—汽机综合阀位；8—机组主汽温度；9—炉膛负压；10—高背压RB动作。

图8 高加解列RB过程中锅炉给水偏置及除氧器上水调门控制Fig.8 Control of feed water bias and deaerator water valve in the process of high pressure heater quitting RB

当机组处于CCS控制方式且负荷高于550 MW，高加汽侧解列动作被触发后，通过RS触发器触发高加解列RB动作。高加解列动作600 s后自动复位，或者运行人员可以通过手动进行复位。高加解列RB动作后，直接切除燃料主控，负荷超过850 MW时，逻辑设计按照从上到下的顺序，跳闸1台磨煤机，其余磨煤机维持煤量稳定；负荷低于850 MW时不跳磨煤机。

此外，由于主汽压力升高可能造成锅炉上水困难，可以通过瞬间增加给水流量来缓解，但对于后期汽温的降低，需要同步缓慢将给水流量降低。本文设计了高加解列RB动作后，在给水指令上瞬间增加100 t/h的偏置，有利于瞬时上水，5 s之后按照一定速率降至-100 t/h。考虑到除氧器液位会出现下降趋势，高加解列RB动作后，利用脉冲对除氧器上水调门直接增加10个开度前馈，30 s后按照一定速率恢复。

4.2 高加解列RB动作过程及趋势

高加解列RB动作过程趋势如图9所示。

运行人员通过手动触发高加汽侧解列。RB被触发时，机组负荷901 MW，主汽压力25.3 MPa，给水流量2 933 t/h，煤量378 t/h，主汽温度582 ℃，炉膛负压-113 Pa。RB动作后迅速跳闸1台磨煤机，其余磨煤机维持当前燃料量。炉膛负压15 s后最低降至-463 Pa之后恢复稳定；煤量迅速降至303 t/h 并维持稳定；给水流量在RB动作25 s后先增加60 t/h，后跟随煤量下降至2 218 t/h附近并保持稳定；在RB动作89 s后机组负荷最高上升至949 MW；主汽压力随机组负荷出现略微上升之后下降，在RB动作120 s后最高升至25.84 MPa；机组综合阀位逐渐下降至61%附近并维持稳定；磨煤机跳闸250 s后主汽温最低降至571 ℃后开始回升，给水温度10 min后最多下降113 ℃后开始回升，后期主汽温度未发生明显波动。

按照本方案策略进行滑压速率及综合阀位的控制，RB动作后机组负荷仅升高50 MW左右，与发电机过流保护定值有较大裕量。给水系统的逻辑设计保障了锅炉上水的稳定，同时过程中主汽温度仅下降10 ℃左右，控制效果良好。

1—机组负荷；2—主汽压力设定；3—机组主汽压力；4—给水流量指令；5—机组主给水流量；6—总燃料量；7—汽机综合阀位；8—机组主汽温度；9—炉膛负压；10—高加解列RB动作。

5 结束语

本文根据现场实际需要，设计了空预器RB、高背压RB、高加解列RB等几种非常规RB功能的控制策略，并在兆瓦级高背压机组中进行实际应用验证。空预器RB控制策略中，对风烟系统的动作情况进行了有针对性的设计，减少了风烟系统扰动；高背压RB策略中，设计了优先协调快降负荷，后进行RB迫降负荷的逻辑方案；在高加解列RB中，针对可能出现的主汽压力升高影响锅炉上水的情况，设计了给水偏置及除氧器上水调门“先增后降”的控制逻辑，保障了汽温控制效果和锅炉正常上水。RB试验结果表明，本文所提控制策略能够保障各类型RB动作后，机组平稳快速降负荷，主要参数控制效果良好，可以为同类型火电机组提供参考。