超臨界火電機組給水全程控制策略研究

杜景琦，劉友寬，唐立軍，李長更

(云南電網公司電力研究院，昆明 650217)

1 前言

目前，隨著電力需求的不斷增長，600 MW超臨界火電機組因其煤耗低、效率高及負荷適應性好等特點已逐漸成為我國目前發電行業的主流機組。同時超臨界機組控制策略也向高精度、高效率、高穩定性的方向發展。機組自啟停系統(APS)是近幾年自動控制發展的一個方向，而全程給水自動控制是實現APS必須要實現的一個功能。因此，對超臨界火電機組的全程給水控制策略進行分析與研究是非常必要的。

2 超臨界機組給水系統的分析

2.1 超臨界機組給水系統特性

當超臨界火電機組的負荷超過了鍋爐本生點后，給水到過熱蒸汽是一次性完成的，燃料量和給水量同時決定鍋爐的蒸發量。因此，超臨界火電機組的負荷控制與給水控制和燃料量控制是密不可分的，也就是說，給水流量會影響到蒸汽壓力、蒸汽溫度、蒸汽流量及負荷。

主蒸汽焓值為:

式中:

hst——主蒸汽焓值，kJ/kg;

hfw——給水焓值，kJ/kg;

F——燃料量，t/h;

Qn——燃料低位發熱量，kJ/kg;

Η——鍋爐效率，%;

W——給水量，t/h。

從式中可知，在給定了鍋爐負荷情況下hst和hfw是確定的，那么hst和hfw穩定的也就意味著蒸汽溫度及其壓力的相對穩定。如果燃料低位發熱量也穩定的情況下，在一定的負荷下η是基本不變的，F和W的比值 (燃水比)也同樣保持不變。實際運行中燃料的發熱量是不穩定的，發生在燃料側的擾動就會影響燃水比的變化，進而引起hst的變化。除此之外，不同的負荷點下hst和hfw也是變化的，因此燃水比是需要實時修正的。

2.2 給水全程控制系統作用

1)停運階段:在機組停運階段給水泵的出水經兩級高壓加熱器進入省煤器，爐水流過水冷壁管后進入分離器，若水質不合格，那么就開啟分疏箱液位控制閥進行排放，如果水質合格，便可以啟動鍋爐循環泵進行爐水回收。

2)濕態低負荷運行階段:即鍋爐點火后3 min起至鍋爐轉干態前。此階段鍋爐工作特性類似于汽包爐，分疏箱液位由給水旁路閥來控制;給水母管壓力則通過控制汽泵轉速來保證;通過控制再循環爐水流量來保證鍋爐啟動和低負荷時所需的最小流量，同時提供水冷壁安全保護。

3)直流階段:加熱段、蒸發段和過熱段沒有固定的分界線，給水一次性流過三段受熱面。給水控制系統的任務不僅是要向鍋爐輸送合格的工質，還擔負著負荷控制和汽溫控制的任務。因此，鍋爐給水流量控制是基于中間點焓值 (汽水分離器出口焓值)校正、控制動態燃水比值的給水自動控制系統。

3 超臨界機組全程給水控制實現

3.1 給水指令形成及中間點焓值校正回路

給水控制策略中給水指令的形成主要由燃水比計算回路、焓值H控制器及低溫過熱器出口溫度T控制器組成。

圖1 給水指令的形成

如圖1所示，設計溫度與低溫過熱器出口實際溫度的偏差形成了一個PID調節器，即PIDT控制器。當燃水比出現了偏差時，設計溫度與低溫過熱器出口實際溫度的偏差會發生變化，進而通過PIDT控制器去修正分離器出口的焓值來調整實際給水流量，使低溫過熱器出口溫度與設計值保持一致。焓值調節器 (PIDH控制器)是由PIDT控制器的輸出對焓值設定值進行修正后與分離器出口的實際焓值的偏差進行閉環調節而形成的。PIDH控制器的輸出修正計算后的給水流量保證了中間點焓值與設計值一致。對PIDH控制器中的焓值的計算精度是至關重要，在大比熱容區內要保證調節質量的穩定，就更加的要保證焓值的計算精度。另外，為了提高解列后分離器出口焓值的穩定，PIDH控制器還增加了高壓加熱器解列時的減水前饋。隨著負荷的變化PIDH控制器的參數也會自適應發生改變 (變參數調整)。

實際需要的給水流量Fs經過最小流量限制后作為給水主控系統的設定值，當給水主控系統在自動控制運行方式時，給水流量的指令是計算得出的所需給水流量、分離器焓控制器輸出修正量與減溫水流量之和。

3.2 給水主控回路

給水主控主要包括:流量平衡、汽動給水泵(簡稱汽泵)控制、電動給水泵 (簡稱電泵)控制。

圖2 給水主控回路

如圖2中，在給水控制系統投入自動運行方式后，給水指令作為給水主控PID設定值，與給水實測流量形成閉環控制，使給水流量達到設定值。流量平衡回路是為了保證在長期運行的條件下各給水泵的出力比例 (汽泵A、汽泵B、電泵的流量比例按5∶5∶3)不變。PID輸出經函數變換后與給水流量的流量平衡調節輸出共同形成汽泵和電泵的調節指令。

3.3 啟、停鍋爐階段的給水控制

當機組負荷＜30%時，即機組處在啟動或低負荷運行階段。在這個階段，給水管道電動閥全關，通過給水旁路調節閥調節給水流量，維持爐膛保護水冷壁的最小流量要求，同時保證給水管道的上水壓力和減溫水壓力。

3.4 濕態與干態相互轉換

升負荷時，隨著燃料量逐漸的增加，隨之產生的蒸汽量也增加，從分離器下降管返回的水量逐漸減小，分離器入口濕蒸汽的焓值增加。當負荷升到30%時，分離器入口蒸汽干度達到1，飽和蒸汽流入分離器，分離器入口工質的焓值逐漸增加，當負荷增加至35%時，分離器入口蒸汽焓升高到預先的設定值，蒸汽的過熱度也達到要求，鍋爐就進入干態模式。當機組降負荷時，由干態轉換為濕態的過程是濕態轉換為干態的逆過程。

其切換過程如圖3所示。

圖3 干態與濕態轉換過程

4 電廠全程給水控制應用

4.1 濕態控制方案

采用爐水循環泵出口調門調節再循環流量為大于本生流量的某個設定值，儲水箱水位采用傳統亞臨界串級三沖量控制方式，內回路調節凈給水流量 (省煤器流量減爐水再循環流量)與主回路輸出匹配，外回路調儲水箱水位滿足設定要求，蒸汽流量作為主回路的前饋量，控制輸出分旁路與主路兩種方式。

4.2 干態控制方案

給水控制在干態時，爐水循環泵已停運處于直流狀態，給水控制需采用燃水比平衡的方式，通過分離器出口溫度的校正，使給水的燃水比處于真正平衡合理的比值。干態的給水控制采用串級的控制方式，主調的被控量為分離器出口溫度，設定值為對應負荷下分離器出口壓力的蒸汽過熱度函數曲線;副調的被控量為給水凈流量，設定值為燃水比計算得到的給水流量指令疊加給水主調的校正輸出值。

4.3 干/濕態控制邏輯

濕態轉干態條件:機組負荷在30%BMCR～45%BMCR范圍內;給水主路供水，省煤器給水流量在汽泵 (一臺或二臺)給水自動調節方式下;隨著鍋爐蒸發量加大，省煤器給水流量增加，儲水箱水位下降，鍋爐再循環泵出口調門開度及循環流量減小，再循環泵最小流量閥開啟 (循環流量≤7%BMCR)，到出口調門關閉，循環流量為零，再循環泵在最小流量方式運行，中間點溫度在飽和狀態。

干態轉濕態條件:機組運行在干態。機組負荷≤干態轉濕態的轉換設定點 (采用濕態轉干態轉換設定負荷值減5%計算得到，面板顯示)，鍋爐運行方式及給水控制專用畫面的濕態/干態轉換操作面板上顯示轉換條件允許，確認干態轉換濕態運行方式。

5 結束語

對超臨界機組的給水全程控制，首先明確機組的不同運行階段所要控制的對象及合理的實現控制邏輯;其次就是機組不同運行階段切換的判斷條件以及保證機組各個運行狀態的無擾切換。課題對超臨界機組給水系統的特性進行了分析，提出了超臨界機組給水全程控制策略的實現方法，并且在鎮雄電廠#1機組中成功投用。課題的研究成果不僅可以省內新投產的超臨界機組進行推廣應用，對已投產的汽包爐火電機組同樣有參考價值。

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