3炉2机母管制背压式供热机组协调控制研究

房国成，王　磊，金龙飞

(1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁　沈阳　110006; 2.大庆油田工程建设公司油建电力公司，黑龙江　大庆　163000)

在风电、水电、核电、火电等电力系统发电企业中，火电厂毫无疑问是整个电力系统中非常重要的组成部分，而自动控制水平对整个电力事业的发展又起到至关重要的作用[1]。随着我国电力事业的飞速发展，火电机组的自动化水平越来越高，单元制机组的自动控制更是非常成熟，机炉协调控制和整个系统的运行参数也非常稳定；但对于母管制机组的协调控制却经验不足，也没有相对成熟的控制方法。

保证整个火电机组安全稳定运行的重要因素就是机组的自动控制水平，也就是机组的协调控制方式，协调控制系统是从国外随DCS引进的控制概念[2]，在协调方式下，设计一个机组负荷控制回路，一个主汽压力控制回路的结构，狭义归纳为协调机组负荷和主汽压力的控制系统。但从本质上讲，它表现为一种能量平衡，生产携带热能的蒸汽离不开水、燃料、风量等，为了增大机组负荷，相关辅机也要按比例参与调整，保证系统的物量平衡和出力平衡[3-4]。

1　系统概述

本文所研究的母管制机组配置2台汽轮机和3台锅炉，锅炉采用哈尔滨锅炉厂有限责任公司根据国内最新技术、国家最新标准设计制造的HG-350/11.5-HM1型超高温高压、单炉筒横置式、单炉膛、自然循环、平衡通风、悬吊结构、全钢结构煤粉炉。汽轮机为东方汽轮机厂有限责任公司生产的冲动式、高温高压、单缸单轴、一级调整抽汽、背压式CB50-10.5/3.8/1.3型汽轮机。发电机为山东济南发电设备厂生产的50WX18Z-047LLT型空冷发电机。

中压供热汽源为汽轮机一级可调整抽汽，通过汽轮机座缸阀进行调节，抽汽口位置为汽轮机第7级叶片后，蒸汽从抽汽口抽出后接三通，一路蒸汽供给1号高加加热使用，另一路与邻机管路并联接入中压供热母管，提供外网中压供热；中压抽汽管道从汽轮机房引出，接至供热母管，抽汽管道上装有安全阀、气动逆止阀、气动调节阀和电动隔断阀。汽轮机排汽管道上装有安全阀、逆止阀和电动隔断阀。

低压供热汽源为汽轮机排汽，在汽轮机内部做功后的蒸汽仍具有较高参数，蒸汽从汽轮机排出后，通过三通分成两路，一路通向2号高加、除氧器进汽母管、小机进汽母管，另一路经液压阀、气动逆止阀、电动隔离门后与邻机管路并联接入低压供热母管。为方便2台机组低压供热管路隔离，2台机组低压供热管路之间装有电动门和手动门[5]。

2　单元制机组协调控制

机组的CCS协调控制方式指机组锅炉主控和汽轮机主控均在自动控制方式下，一般情况下分为以下4种控制方式。

a. “锅炉引、送风机动叶、静叶自动方式”运行，“一次风机自动方式”运行，至少投入1台给煤机给煤量自动控制方式运行，投入锅炉“给煤量自动控制方式”运行，投入锅炉“燃料主控自动控制方式”运行，投入“锅炉主控自动控制方式”运行，机组就转换为“锅炉跟随方式”运行，机组处于“锅炉跟随方式”运行时，点击“CCS遥控方式请求”按钮，汽轮机DEH主控盘上“遥控请求”按钮灯亮，点击DEH主控盘上“遥控方式”按钮，机组负荷控制中心画面“汽轮机主控手动控制方式”运行，将其投入自动控制方式运行，机组就转换为CCS协调控制方式运行[6-7]。

b. 手动方式：汽轮机主控和锅炉主控均在手动控制方式。

c. 汽轮机跟随方式：锅炉主控为手动方式，汽轮机主控为自动方式，跟踪机前压力，通过开关调门来维持压力稳定。此方式下汽轮机高压调门摆动幅度较大，一般不建议使用。

d. 锅炉跟随方式：锅炉主控为自动方式，汽轮机主控为手动方式。负荷变化时手动开大或关小调门，当机前压力变化时，锅炉采取自动增加燃料量方式维持压力稳定[8]。

3　母管制背压机组协调控制

3.1　协调控制的主要方向

将与主蒸汽母管连通的3台锅炉和2台汽轮机以及高压和低压热用户作为一个整体来综合考虑，把3台锅炉与2台汽轮机进行解耦控制，实现抑制锅炉自振，减小炉间互扰，合理分配负荷目的[9]。当母管压力不稳定时，协调控制系统可以优化分配，同时调节多台锅炉的负荷，使得母管压力能够在最快的时间内得到稳定。

3.2　控制原则及调节对象

根据3炉2机的结构采用“就近原则”，减少蒸汽在母管内的横向流动，减少流动损失，实现快速响应并消除扰动因素，稳定母管压力，提高机组安全，保证蒸汽品质，提高锅炉效率。调节对象是多个变量，包括主蒸汽流量、电负荷以及主蒸汽母管的压力。

3.3　基于能量平衡的控制策略

将母管压力及汽轮机能量变化信号转化为热量负荷需求信号，将并列运行的锅炉作为蒸汽供给的一个整体，以3台锅炉并列运行为例，其理想热量信号为

(D1+(Cb1·dPb1/dt))+(D2+(Cb2·dPb2/dt))+(D3+(Cb3·dPb3/dt))=Di+∑Cbi·dPbi/dt

(1)

对于母管制机组，汽轮机侧能量信号可以使用D·P0/PM来表示汽轮机侧总的蒸汽流量需求(其中D为汽轮机侧总蒸汽流量,P0为母管压力定值,PM为母管压力)。当机组能量平衡时，锅炉产生的能量与汽轮机所需能量平衡，即：

Di+∑Cbi·dPbi/dt=D·P0/PM

(2)

当控制系统处于稳态时,dPbi/dt=0,即PM=P0。这表明系统能量达到平衡时，母管压力等于定值压力。

对于调压锅炉，控制系统不仅要消除调压炉自身燃烧率的自发性扰动，还要消除其它各台锅炉燃烧率的扰动及汽轮机侧蒸汽流量变化对母管压力的影响。非调压炉稳定本炉的热负荷，不参与母管压力调节，将流量需求信号按设定的规则动态分配给参与调压的锅炉。

3.4　主蒸汽母管压力要求

主蒸汽母管压力协调控制中要计算的内容分为母管蒸汽中需求量计算、调压锅炉组总负荷计算和调压锅炉组总负荷优化分配3个方面。通过这些相关量的计算得到实现母管协调控制各台锅炉所需的蒸汽负荷。将所有并列运行的锅炉分为提供固定负荷的锅炉和参与母管协调控制的调压锅炉2种。固定负荷锅炉的蒸发量在母管压力变化时保持不变，其所提供的蒸汽负荷值为预设值；调压锅炉根据蒸汽锅炉总需求量的变化调整自身的蒸汽量，维持母管压力稳定。所有调压锅炉定义为调压锅炉组。

母管蒸汽总需求量变化时，根据所有固定负荷锅炉的总蒸发量，计算出调压锅炉组需要承担的总蒸发量，以该蒸发量为给定值，以当前调压锅炉组的实际蒸发量为被调量，调整调压锅炉组的实际总蒸发量，使之达到给定值。

调压锅炉组的总负荷进行优化分配，计算出调压锅炉组内各台调压锅炉所应承担的蒸汽负荷。由于每台锅炉的特性各不相同，分配时需要根据各台调压锅炉的自身特性，优化分配。不同特性的调压锅炉，承担不同的负荷变化量，所有调压锅炉根据分配的蒸汽负荷变化量调整燃烧状态，最终实现母管压力稳定控制。

4　结束语

对于母管制背压式机组的协调控制，必须同时控制好机组背压、主蒸汽压力和主蒸汽流量3个参数，当2台及2台以上锅炉运行时，所有锅炉均参与调节主汽压力，这样才能最大限度地保证母管蒸汽压力，同时在汽轮机侧控制机组背压，尽量减小主汽压力波动对系统的影响，从而保证机组的安全稳定运行。