淺談發電廠集控的汽水系統與鍋爐控制

摘 要：隨著我國經濟的發展，對能源的需求量也日益增加，發電廠的容量不斷提高，這也給發電廠的集控系統提出了更高的要求，本文結合作者自身工作實踐，介紹了發電廠的汽水循環系統，詳細分析和研究了鍋爐的三種控制方式，希望能為廣大同行提高有益經驗。

關鍵詞：發電廠；集控；汽水系統；鍋爐控制

引言

隨著我國國民經濟的進步和電力工業的飛速發展，現代發電廠正向著規模化和集中控制的方向發展。大容量和特大容量的發電廠不斷增多。近年來，我國建設的火電廠中，至少為300MW的發電機組，目前還有一批600MW和1000MW的超臨界和超超臨界機組將投運。

火電廠的工作原理即為利用燃料燃燒所產生的熱量來加熱鍋爐中的水，使其受熱后成為蒸汽和過熱蒸汽，這些具有很大熱量的蒸汽推動汽輪機轉動，產生的動能帶動發電機發電。火電廠的集控運行是指利用計算機、控制、通信、圖形顯示技術，對火電廠的生產和運行過程進行集中控制，將機、爐、電的控制集合為一體的方法，包括正常情況下的運行狀態和參數的監視、緊急情況下的事故處理和啟停機控制等。

對于現代火電廠來說，鍋爐、汽輪機和發電機是其三大核心設備。下文中，將就發電廠集控運行中的汽水系統和鍋爐控制展開研究。

1 發電廠集控的汽水系統

發電廠主要有三大主系統：燃燒系統、汽水系統和電氣系統。其中，發電廠的汽水系統主要由鍋爐、汽輪機、凝汽器、加熱器、除氧器等組成，包括給水系統、水冷系統和補水系統三個方面。汽水系統的循環圖如下圖1所示：

由省煤器、汽包、下降管、水冷壁、過熱器等設備組成，汽水系統主要任務是使鍋爐中的水汽經過吸收-蒸發-過熱處理等環節后，成為過熱蒸汽。

如上圖1所示，汽水系統主要由汽包、水冷壁、過熱器和再熱器、省煤器等構成。鍋爐給水后，汽包接收省煤器的來水，鍋爐內燃料燃燒產生的高溫煙氣加熱汽包中的水，產生的高溫蒸汽經過過熱器加熱，汽包中出來的飽和蒸汽變為過熱蒸汽，推動汽輪機旋轉，帶動發電機做功，在汽輪機高壓缸中，經過膨脹做功的蒸汽再引入再熱器，再次升溫后送入汽輪機再次做功，達到能量的最大化使用。汽輪機中的凝汽器則將汽輪機排氣口排出的氣體經過冷卻后凝結為水，經過低壓加熱器加熱，并經過除氧器除去水中妨礙傳熱和腐蝕金屬的游離氧，再經高壓加熱器加熱后送回鍋爐，補充水系統用來在鍋爐和汽輪機之間補充工質損失。經過如圖中所示過程后，發電廠就完成了一次完整的汽水循環。

2 發電廠集控的鍋爐控制

鍋爐是火力發電廠的三大核心設備之一，在發電廠的運行中，燃料首先在鍋爐的爐膛中燃燒，成為很高溫度的煙氣，當煙氣從鍋爐的水管中流通時，加熱了鍋爐內的水，使之成為飽和蒸汽，再經過過熱流程，成為過熱蒸汽，最后通過管道去推動汽輪機做功。

鍋爐根據容量、燃燒方式、循環方式等的區別，又可以分為各種不同類型。我單位所使用的為哈爾濱鍋爐廠生產的2330MW鍋爐，使用亞臨界參數、一次中間再熱、單爐膛、自然循環汽包爐，固態干式排渣。

鍋爐的汽包水位是鍋爐運行的一個重要參數，反映出鍋爐的蒸汽量與給水量的關系。汽包的水位太高或太低，都會對鍋爐的正常運行帶來不利影響。當汽包水位過高時，內部的蒸汽空間變小，產生蒸汽飽和水量大，影響蒸汽質量。當汽包水位過低時，因補水不及時，蒸汽產生量會急劇加快，造成缺水，干鍋，甚至發生爆炸事故。所以，鍋爐的給水自動控制系統是鍋爐的控制中的核心環節。

在鍋爐的給水控制中，需要注意的是當鍋爐中的蒸汽增加時，由于鍋爐的汽泡量也隨之增加，產生的“虛假水位”現象，“虛假水位”現象可能引起控制系統減少給水量，進而加劇蒸汽和給水量之間的不平衡，帶來水位偏差。

現代鍋爐的控制主要有以下三種方式：

（1）單沖量給水控制系統：

單沖量給水控制系統是指變送器將實測的汽包水位信號PID送到調節器，與給定的定值比較偏差，再根據偏差來決定調節信號，并經運算放大器輸出信號。也即單沖量給水控制系統只根據汽包水位PID的變化來控制給水閥門開度，決定水位的給定值。

單沖量給水控制系統控制簡單，運行可靠，但是其不能反映出“虛假水位”的現象，控制器可能反向誤動作。另外，它對蒸汽量和給水量的擾動也不夠靈敏，所以，其僅適用于蒸汽量比較穩定的較小容量鍋爐。

（2）雙沖量給水控制系統

雙沖量給水控制系統使用鍋爐水位變化量H和蒸汽量信號D這兩個變量來協同控制調節器，決定鍋爐的進水量。雙沖量給水控制系統彌補了單沖量給水控制系統的不足，當蒸汽量發生變化時，雖然鍋爐水位變化量H已經很難測量準確，但蒸汽量信號D將使給水調節閥動作，進而給出控制信號，增加給水量來抵消“虛假水位”影響。

雙沖量給水控制系統適用于蒸汽量經常變化的鍋爐。雖然可以抵消“虛假水位”影響，但同單沖量給水控制系統相同，它仍然不能及時反映和補償給水擾動。

隨著現代鍋爐向著大容量的方向發展，參數也隨之復雜。一般情況下，鍋爐的容量越大，汽包的容量和容許波動的量都越小，當給水量不足引起缺水現象時，更容易發生事故，另外，如果幾臺較大容量的鍋爐并列運行，還可能發生水位控制互相干擾的情況。這種情況下，雙沖量給水控制系統由于不能反映給水量的自發變化和擾動，已經不再適用，在此背景下，產生了三沖量給水控制系統。

（3）三沖量給水控制系統

三沖量給水控制系統又分為單級和串級兩種方式。

（a）單級三沖量給水控制系統：

單級三沖量給水控制系統使用汽包水位H為主要控制信號，將蒸汽流量D作為前饋信號，給水量W作為輔助反饋信號，即為三沖量給水控制系統。

三個控制量之間互相反饋，來協調控制。蒸汽量D發生變化時，調節器隨之動作，調節給水量W。給水量W發生變化時，調節器也隨之動作，控制給水量W在合適位置。

（b）串級三沖量給水控制系統：

串級三沖量給水控制系統分為主副兩個調節器。汽包水位H為主調節器的控制信號，用來控制副調節器進行水位校正。而副調節器除了接收控制信號H以外，還接收給水量W和蒸汽量D這兩個控制信號。

這樣，當蒸汽量D發生擾動時，副調節器隨之動作，控制給水流量W。當給水量W發生擾動時，副調節器隨之動作，使給水量W維持恒定。

三沖量給水控制系統的結構較之前兩種復雜，但是它有效的彌補了單沖量和雙沖量系統的不足，是目前控制大型容量鍋爐最有效的方式，也是目前發電廠最常用的控制方式。

上述各種控制系統中，測量汽包水位的變送器均為三重化，最終的水位信號從中選出一路，當汽包發生故障時，也可由控制人員來決定切換至另一路信號，確保安全穩定運行。

3 結束語

發電廠的汽水系統和鍋爐控制是一個極其復雜的系統，實際的電廠集控運行中，包括鍋爐的水位控制、溫度控制、節能控制等多個方面，隨著計算機、自動控制等4C技術的發展，我國火電廠的集控控制正向著更加智能化的方向發展。