600 MW超臨界W形火焰鍋爐機組給水控制策略分析

郭同書，趙明，朱能飛，李雷

(1.國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210032;2.華電四川珙縣發(fā)電有限公司，四川 宜賓 644600)

1 機組概況

華電四川珙縣發(fā)電有限公司(以下簡稱珙縣發(fā)電公司)一期工程為2×600 MW超臨界燃煤發(fā)電機組。鍋爐為東方鍋爐股份有限公司設(shè)計的W形火焰、超臨界直流鍋爐。額定工況下過熱蒸汽壓力為25.4 MPa，溫度為571℃;再熱蒸汽進、出口壓力分別為4.28 MPa和4.10 MPa，進、出口蒸汽溫度分別為311℃和569℃。汽輪機為東方汽輪機廠生產(chǎn)的600MW超臨界參數(shù)、中間一次再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式汽輪機，額定功率為600 MW，機前主蒸汽壓力和溫度分別為24.2 MPa和566℃。

該工程采用TCS3000分散控制系統(tǒng)(DCS)，包括模擬量控制系統(tǒng)(MCS)、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)等10個子系統(tǒng)。數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)采用東汽－日立H5000M系統(tǒng)，給水泵汽輪機電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(MEH)包含在TCS3000系統(tǒng)中。#1機組于2011年2月完成168 h試運行，控制系統(tǒng)投入良好、品質(zhì)優(yōu)良。

直流鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)是滿足機組能量需求、響應(yīng)負荷變動的重要途徑，也是控制主蒸汽溫度的一個最基本手段。現(xiàn)以該工程給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例，分析直流鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點。

2 W形火焰直流鍋爐對象及控制特性

2.1 W形火焰鍋爐特性

珙縣發(fā)電公司機組是國產(chǎn)600 MW超臨界W形火焰鍋爐的首次成功運用。W形鍋爐由下部的拱形燃燒室和上部的輻射爐膛組成，前后突出的爐頂構(gòu)成爐拱，煤粉噴嘴及二次風噴嘴裝在爐拱上并向下噴射。煤粉氣流向下流動擴展，在爐膛下部與二次風、乏氣相遇經(jīng)過180°的轉(zhuǎn)彎向上流動進而形成W形。由于爐膛設(shè)計結(jié)構(gòu)、較低的一次風率、爐內(nèi)溫度高等特點，W形燃燒方式對無煙煤及揮發(fā)分低于12%的劣質(zhì)煤而言，在煤種適應(yīng)性、穩(wěn)燃能力、燃燒效率、負荷調(diào)節(jié)性能等方面具備明顯的優(yōu)勢［1］。但由于存在直流鍋爐的蓄熱相對較小，參數(shù)耦合嚴重，W形鍋爐在配風不當時容易引起區(qū)域結(jié)渣，國內(nèi)對W形鍋爐在運行、管理等方面經(jīng)驗不足等因素［2］，珙縣發(fā)電公司對機組控制系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。

2.2 直流鍋爐的對象特性

直流鍋爐的結(jié)構(gòu)特點主要表現(xiàn)在受熱面和汽水系統(tǒng)上。直流鍋爐沒有汽包，鍋爐給水依靠給水泵的壓頭依次通過加熱、蒸發(fā)和過熱受熱面變成過熱蒸汽。各受熱面之間沒有固定的分界點，隨著鍋爐負荷和工況的變動，各受熱面長度也會相應(yīng)發(fā)生變化。

2.2.1 燃料、給水比控制的意義

穩(wěn)態(tài)工況下鍋爐一次工質(zhì)的熱平衡式［3］

式中:Hgr為過熱蒸汽的焓;Hgs為入口給水的焓;Q1為一次工質(zhì)的有效吸熱量;qVgs為給水流量。

式中:qmr為燃料量;Qdy為單位體積煙氣的放熱量;ηg1為鍋爐熱效率;Ψ1為一次工質(zhì)占鍋爐內(nèi)有效吸熱量的份額。

當鍋爐正常運行或工況變化不大時，其熱效率ηg1和一次工質(zhì)吸熱份額Ψ1變化不大，假定入口給水焓Hgs不變，則由式(1)和式(2)可以得到

對于超臨界鍋爐采用式(3)估算，當燃料量和給水量的比值偏差為10%時，過熱汽溫的變化可達100℃，可見燃料量和給水量的變化對直流鍋爐過熱汽溫的影響很大。因此，為了保持一定的汽溫，必須保證燃料、給水的匹配，即保證

因此，保證燃料、給水比是維持過熱汽溫穩(wěn)定的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，也是直流鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個最重要的目標和特征。

2.2.2 直流鍋爐水動力特性

直流鍋爐與汽包鍋爐最大的不同是水冷壁的水動力系統(tǒng)。直流機組采用定壓運行還是滑壓運行，與直流鍋爐的水動力特性和汽水特性密切相關(guān)［4］。

(1)水動力的多值性。鍋爐水冷壁的水動力特性是指當爐內(nèi)熱負荷一定時，水冷壁中工質(zhì)的流量與壓差的關(guān)系，即Δp=f(qm)，其中qm是質(zhì)量流量。水動力的多值性是指平行工作的水冷壁管道在同樣壓差下對應(yīng)多個不同的流量的情況。直流鍋爐產(chǎn)生水動力多值性的最主要原因是加熱段和蒸發(fā)段的共同存在以及蒸汽和水比容的差異。一般情況下，壓力越低，水冷壁入口水溫越低(欠焓越大)，水動力多值性越嚴重。

(2)臨界壓力附近的大比熱容區(qū)。對于超臨界壓力下的水冷壁，雖然沒有汽水共存區(qū)，但在相變點(22.115 MPa，374℃)附近存在一個“大比熱容區(qū)”，水的物理特性急劇變化，導(dǎo)熱系數(shù)、動力黏度急劇下降，焓和比容急劇上升，工質(zhì)比容變化很大，同樣使水動力特性發(fā)生變化，也會出現(xiàn)多值性的問題。

因此，直流鍋爐壓力運行方式取決于水冷壁能否得到穩(wěn)定的水動力特性，對于低負荷段的流量多值性造成的不穩(wěn)定流動，常采用保證最小流量的方法來解決。

2.3 直流鍋爐的控制特點

鑒于上述直流鍋爐的結(jié)構(gòu)和水動力特性，與亞臨界汽包爐相比，直流鍋爐機組具有一些控制方面的特點［5］。

2.3.1 多輸入、多輸出對象模型

超臨界機組可以看成一個多輸入、多輸出的被控對象，輸入量為給水量、燃料量、汽輪機調(diào)門開度，輸出量為主蒸汽溫度、壓力和流量。

2.3.2 鍋爐和汽輪機的嚴重耦合

鍋爐和汽輪機之間的非線性耦合是超臨界機組難點之一。直流鍋爐的蓄熱相對較小，一般為同參數(shù)汽包爐的1/4～1/2，缺少了汽包的緩沖，鍋爐動態(tài)特性受末端阻力的影響遠比汽包鍋爐大，從而使主蒸汽壓力大幅度變化，嚴重影響了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

2.3.3 非線性強

超臨界機組普遍采用變壓運行方式，因此，超臨界機組也會在亞臨界范圍內(nèi)運行。由于超臨界和亞臨界2個運行區(qū)域工質(zhì)物性的巨大差異以及不同燃燒率下工質(zhì)相變點位置遷移等因素的影響，超臨界機組呈現(xiàn)出很強的非線性特性和變參數(shù)特性，遠比常規(guī)亞臨界機組難控制。

2.3.4 給水控制的多重任務(wù)

汽包爐給水控制的目的主要是維持鍋爐的汽包水位，而超臨界直流爐給水控制的主要目的是保證燃料/給水比、控制中間點溫度，以實現(xiàn)過熱汽溫的粗調(diào)，同時給水還承擔了調(diào)節(jié)機組負荷的任務(wù)。

3 給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析及應(yīng)用效果評價

3.1 給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務(wù)

超臨界直流鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要任務(wù)不再是控制汽包水位，而是以汽水分離器出口溫度(或焓值)作為表征量，保證燃料量與給水量的比例不變，滿足機組不同負荷下的給水量需求［6］。

當機組工況變化時，汽水流程中各點工質(zhì)溫度(或焓值)的動態(tài)特性相似，因此，可以用某中間點的微過熱汽溫來提前判斷給水和燃料是否失調(diào)。珙縣發(fā)電公司以汽水分離器出口作為中間點并控制該點的焓值代替溫度，其優(yōu)點在于［7］:

(1)焓值的物理概念明確，汽水分離器出口焓值對燃料、給水比失調(diào)反應(yīng)快，靈敏度高，系統(tǒng)校正迅速。

(2)汽水分離器出口焓值是分離器出口溫度和壓力的二元函數(shù)，當工質(zhì)參數(shù)變化時具有較好的代表性，能夠在一定程度上克服臨界點汽水大比熱容現(xiàn)象。尤其對滑壓運行的直流爐而言，控制焓值比控制溫度更科學。

(3)焓值代表了過熱蒸汽的做功能力，控制焓值不但有利于過熱汽溫粗調(diào)，也控制了過熱器入口蒸汽的初始做功能力，有利于負荷控制。

3.2 給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制策略

3.2.1 總體說明

珙縣發(fā)電公司2×600 MW超臨界機組給水控制分為4個不同的階段。

(1)啟動階段，從鍋爐上水到點火前，采用給水流量定值控制。

(2)帶部分負荷階段，即在機組燃燒率低于30%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)時，鍋爐處于非直流運行方式，分離器處于濕態(tài)運行，起著汽水分離的作用。類似汽包爐的給水控制汽包水位，此時給水控制分離器水位，分離器中的水位由分離器至除氧器以及分離器至疏水擴容器的組合控制閥進行調(diào)節(jié)。

(3)純直流階段，在機組燃燒率大于30%BMCR后，鍋爐逐步進入直流運行狀態(tài)。鍋爐給水由直流運行時帶焓值修正的燃料、給水比調(diào)節(jié)。

(4)停爐階段，尤其是故障停爐時的給水控制。

上述第(2)項、第(3)項是鍋爐點火后的控制，是直流鍋爐給水回路控制中的重點內(nèi)容。

3.2.2 控制策略

純直流后的給水控制是整個超臨界直流機組控制的核心部分，珙縣發(fā)電公司超臨界機組給水控制采用了典型的歐洲直流鍋爐的控制思路，采用給水來控制燃料、給水比，即中間點焓用給水來修正。因為給水的響應(yīng)較快，沒有制粉系統(tǒng)和燃燒過程的大時滯，比用燃料調(diào)節(jié)燃料、給水比有著明顯的優(yōu)勢。直流方式下給水調(diào)節(jié)原理如圖1所示。

圖1 直流方式下給水控制原理圖

(1)末級減溫器前、后溫差。在運行過程中，鍋爐各受熱面在不同負荷情況下吸熱比例變化較大，若要保持各級減溫器出口汽溫和過熱汽溫為定值，各級噴水量變化會較大。為了克服這一缺點，珙縣發(fā)電公司采用保持末級減溫器前、后溫差的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。燃料、給水比作為過熱蒸汽溫度的粗調(diào)方式，著重于保持汽溫的長期穩(wěn)定，噴水減溫器前、后溫差控制作為輔助調(diào)節(jié)手段，直接影響過熱蒸汽溫度。將調(diào)整燃料、給水比與噴水減溫二者協(xié)調(diào)起來，實現(xiàn)了燃料、給水比控制與噴水減溫控制方式間的解耦作用。

(2)總校正后的給水流量。給水操作臺的3個主給水流量信號經(jīng)主給水溫度修正后取中值，可得主給水量。該機組設(shè)計A側(cè)、B側(cè)的一級和二級減溫水均取自省煤器出口集箱，因此，總噴水量已包含在主給水量之中，主給水量即為總校正后的給水流量，不需要再加上總噴水量。

(3)調(diào)節(jié)過程。A側(cè)、B側(cè)末級減溫器前后溫差取均值，與鍋爐主控(BM)經(jīng)f1(x)形成的要求值進行比較，其偏差送入溫差PID控制器;其輸出與調(diào)速級壓力經(jīng)函數(shù)f2(x)計算的前饋量相加，作為焓值設(shè)定值與用分離器出口溫度和出口壓力計算出的實際焓值比較，偏差送入焓值PID調(diào)節(jié)器;其輸出加上鍋爐主控經(jīng)f3(x)計算的前饋量作為給水量的設(shè)定值，該設(shè)定值與總校正后的給水流量的偏差送入給水調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生給水泵總指令信號，經(jīng)平衡算法后送入2臺汽動給水泵來控制給水量。當汽動給水泵A，B都在自動方式運行時，可手動設(shè)定2臺泵之間的轉(zhuǎn)速偏差，以適用不同負荷要求。當汽動給水泵A，B至少有1臺手動時，自動生成偏置，實現(xiàn)2臺泵負荷的平衡。電動給水泵設(shè)計為定速泵，不參加上述自動控制。

(4)焓值設(shè)定值計算。圖1中焓值的設(shè)定值是汽輪機調(diào)節(jié)級壓力的函數(shù)，由于調(diào)節(jié)級壓力可以代表機組負荷，所以，f2(x)代表了不同負荷對過熱器進口蒸汽的過熱度要求，也代表了汽輪機的能量需求。

(5)給水流量設(shè)定值限制回路。給水流量設(shè)定值經(jīng)鍋爐的最小省煤器入口流量限制和煤水交叉限制，防止在各工況下燃料和給水的失調(diào)。

3.3 給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)品質(zhì)的改善

為了提高機組運行穩(wěn)定性及負荷動態(tài)響應(yīng)能力，應(yīng)加快鍋爐側(cè)的響應(yīng)尤其是給水的快速響應(yīng)，因此，在調(diào)試過程中對給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)做了合理的優(yōu)化，以提高其自適應(yīng)性能。

(1)保證燃料、給水比是直流鍋爐控制的首要任務(wù)，但給水和燃料對負荷的動態(tài)響應(yīng)相差較大，給水響應(yīng)較快，一般只有幾十秒，而給煤變化的純延時一般為2～3 min。因此，圖1中鍋爐主控至給水指令前饋中加了慣性環(huán)節(jié)(LAG)，用以補償給水和給煤不同的動態(tài)特性，防止二者的動態(tài)不匹配。

(2)直流鍋爐給水對負荷的響應(yīng)遠比燃料快，應(yīng)當加快變負荷時給水的響應(yīng)。因此，上述LAG的時間滯后必須合適，在保證燃料、給水比的同時盡量加快給水指令的前饋作用。在調(diào)試過程中慣性時間還區(qū)分了加負荷和減負荷，減負荷的LAG時間略長于加負荷，這是為了加負荷時先加煤再加水，減負荷時先減煤再減水，防止變負荷中間點溫度過低或過高。

(3)變負荷時適當減弱焓控的修正作用。試驗發(fā)現(xiàn)變負荷時盡管焓控調(diào)節(jié)器的入口偏差加大，但在一定范圍內(nèi)不讓焓控修正回路動作，燃料、給水比并未失調(diào)。因此，在加負荷和減負荷時對焓控調(diào)節(jié)器的入口偏差設(shè)置不同的死區(qū)，以減弱焓控的修正作用。

3.4 應(yīng)用效果［8－9］

機組在430～520 MW段升負荷時的實際運行曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，當機組在滑壓運行方式時，給水流量響應(yīng)較快，主蒸汽流量和機組實際負荷幾乎保持相同的上升速率。主蒸汽溫度最大偏差控制在±5℃，分離器出口溫度偏差控制在±8℃。機組運行穩(wěn)定，給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行良好。

圖2 機組在430～520 MW段滑壓升負荷運行的主要運行參數(shù)曲線

4 結(jié)束語

直流鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)在快速響應(yīng)機組負荷需求以及保持機組運行穩(wěn)定性等方面都起著至關(guān)重要的作用，而且其控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，涉及設(shè)備較多，對設(shè)備和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性也有較高要求。本文對珙縣發(fā)電公司600 MW超臨界W形火焰直流鍋爐的給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行了分析和改進，提高了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能，控制效果良好。

［1］車剛，郝衛(wèi)東，郭玉泉.W形火焰鍋爐及其應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.電站系統(tǒng)工程，2004，20(1):38 －40.

［2］李繼峰，曾漢才.國內(nèi)外600 MW級機組鍋爐的技術(shù)特點［J］.華中電力，2001，14(3):22 －24.

［3］馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌.鍋爐原理及計算［M］.北京:科學出版社，2003.

［4］樊泉桂.亞臨界與超臨界參數(shù)鍋爐水動力特性的分析［J］.華北電力大學學報，1999，26(4):33 －38.

［5］戈黎紅，楊景祺.超臨界機組控制策略分析［J］.發(fā)電設(shè)備，2004(Z1):1－4.

［6］陳永陽，林榮文.淺析超臨界機組給水系統(tǒng)［J］.電站輔機，2005，25(4):16 －18.

［7］許海，孫繼紅.600 MW超臨界機組啟動系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的特點［J］.吉林電力，2001(4):13－17.

［8］梁福余，莊建華.國產(chǎn)600 MW超臨界機組全程給水控制策略［J］.華電技術(shù)，2008，30(7):64－67.

［9］李長青，畢艷洲，段新會.超臨界機組給水控制研究［J］.華電技術(shù)，2009，31(7):20 －23.