600MW超臨界循環流化床鍋爐控制系統探究

莫凡

摘 要：超臨界循環流化床鍋爐具有燃燒效率高、污染排放低等一系列的優點，但是目前鍋爐控制系統的技術相對不完善，對超臨界循環流化床鍋爐控制系統的協調控制、煤量控制、風量控制以及給水控制等環節進行了研究與設計，以期為超臨界循環流化床鍋爐在發電系統中的推廣和應用提供一定的借鑒。

關鍵詞：600MW超臨界 循環流化床 鍋爐控制系統設計 實驗

1、引言

近些年來循環流化床技術在很多鍋爐控制系統中得到了廣泛的應用，具有大容量與高參數的超臨界循環流化床是有效降低能源消耗節約能源的方式之一。目前超臨界技術以及循環流化床技術已經相對較為成熟，使用過程中所產生的風險不大，超臨界技術與循環流化床的結合有助于節約成本控制污染且能夠實現高效供電，在燃料的成本以及制造成本等諸多方面相對于傳統的燃煤發電技術都具有很大的優勢，但是當前超臨界流化床鍋爐的研究還未成熟且超臨界鍋爐的控制系統的研究也處于摸索的階段。如果要商業運行還必須達到負載穩定變化的要求，超臨界技術與流化床技術在鍋爐上的集中應用尚屬首次，當前沒有針對這種鍋爐的較為成熟的控制系統。通過對鍋爐控制系統長期的測試和研究，投入運行的機組控制系統能夠長期安全穩定的運行，但是在機組負荷變化期間會出現不穩定的現象，如果在機組負荷變化的過程中保持主要參數的穩定，是保障機組運行品質的關鍵。由于大型的循環流化床CFB鍋爐具有燃燒效率高、污染排放低以及能夠實現高效供電等一系列的優點，但是制約其應用的一直是鍋爐控制系統的應用和推廣，所以本文以600MW超臨界循環流化床鍋爐控制系統為例進行了研究。

2、超臨界循環流化床鍋爐控制系統

2.1 協調控制系統

協調控制系統主要是對鍋爐的慢過程以及汽輪機的快過程中之間的矛盾進行協調，最大限度的保障汽機過程的穩定，并且能夠積極的響應電網的負荷指令。超臨界鍋爐的煤粉直流鍋爐機組協調控制系統具有三個輸入以及三個輸出主要的輸入量包括給煤量、給水量以及汽機閥門的開度，輸出量包括機組的功率，蒸汽溫度以及蒸汽壓力，系統的結構如下圖所示：

Figure 1協調控制系統的結構

為了能夠在負荷變化的過程中保障負荷的速率滿足入網的基本要求，本文提出了基于爐膛內的燃碳的能量平衡理論，以機組的負荷變化的適應性為基礎，利用燃碳的儲蓄熱來位置負荷的變化在整個動態過程中的能量的平衡，因而通過對上述協調控制系統進行改進可以得到如下圖所示的四個輸入三個輸出的協調控制系統的模型：

Figure 2改進的協調控制系統

2.2 煤量控制系統

煤量控制系統傳統的方式是在一定的負荷下將負荷指令轉化為相應的給煤量，從控制系統的角度來講是將碳的燃燒熱量作為超前校正量對燃煤使用量進行校正，實現燃燒的前饋控制，能夠在一定程度上避免CFB鍋爐由于自身原因所存在的慣性以及延遲等，能夠有效的提高機組負荷的響應的速度，給煤控制系統的結構如下圖所示：

Figure 3給煤控制系統結構圖

給煤控制系統最終的控制過程和思路為，在一定的負荷之下將當前的負荷的指令轉化為所需的熱量并將其轉化為燃煤量，再改基礎上外加目標負荷所需的發熱了與當前燃碳燃燒所發出熱量的差值的微分對給煤量進行補償，能夠在很大程度上實現給煤控制的快速的響應，能夠快速的跟蹤負荷的變化并實現快速的給煤變化。

2.3 風量控制系統

風量擾動實驗風量的變化能夠對機組的參數產生十分顯著的影響，本控制系統實現對風量控制的思路如下，當負載升高的時候增加風量，通過提升燃燒的速率來降低爐膛內存儲的碳量，碳轉化為熱量。與此同時增加燃煤量，碳損耗得到補充。通過對風量與煤量的合理的控制能夠有效的保障燃煤的穩定性，提高系統負荷變化過程中的響應的速度以及精度的控制。可以在碳的動態熱量平衡模型中加入風量輸入，通過風量實現超前校正可以明顯改善鍋爐的流化效果，通過流化床的熱量擴散的作用使得主蒸汽壓力的數值能夠隨著主蒸汽壓力的給定值進行變化，控制風和煤的比例維持在較為合理的程度進而保證爐膛內碳的穩定，進而有效的控制爐膛內燃燒的穩定，在負荷動態變化的過程中可以利用負荷變化所需的熱量與燃碳發熱量之間差值的微分來對風量進行修正，風量系統結構如下圖所示：

Figure 4風量控制系統的結構

2.4 給水控制系統

超臨界流化床鍋爐所采用的積水控制系統為三點法，在頭部采用碳構造的燃燒發熱模型進行校正，在中間部分采用分離器出口焓值進行校正，在尾部采用主蒸汽流量調節進行校正。給水控制系統的模型如下圖所示：

Figure 5超臨界流化床鍋爐給水控制系統結構

通過實踐本文對給水控制系統對輸出功率負荷的變化進行了實際測試，給水控制系統運行了六個小時，其中運行的工況為600MW到800MW之間，通過觀測數據發現在機組的動態以及靜態工況期間給水是不穩定的其波動的范圍在100到150t之間，在對控制系統進行優化之后運行六小時機組的當機組的負荷從300MW上升到600MW期間，給水量相對較為穩定其波動的范圍為5-10t，發電功率能夠緊隨給定值進行快速的響應，系統的動態以及靜態的工況均較好。

3、控制系統運行實踐

在系統優化之前負荷在動態變化過程中所出現的最大的偏差為30MW，而靜態過程中的功率的偏差為1.5MW。主蒸汽壓力的動態偏差的最大值為0.8MPa，而穩定之后主蒸汽壓力的偏差穩定在0.6MPa以內，主蒸汽的溫度控制在正負5°以內，其中流化床的溫度在860°到890°之間。在控制系統優化之后，通過運行一段時間在負荷上升之前的功率為420MW，目標的負荷功率為540MW，在負荷上升的過程中機組的參數變化始終保持平穩，均為出現超調的現象。負荷在動態變化的過程中的最大的偏差為8MW，靜態功率的最大偏差為1.3MW。主蒸汽壓力在負荷動態變化過程中的最大值為0.5MPa，而穩定之后的主蒸汽壓力值控制在0.3MPa以內，主蒸汽溫度的偏差控制在正負2度以內，流化床的溫度與改善之前一致，從上述參數的變化來看超臨界流化床鍋爐控制系統在優化之后有效的控制了負荷變化過程中機組參數的穩定，基本達到了預期的效果。

結語

通過對超臨界流化床鍋爐控制系統的研究，有針對性的對超臨界流化床鍋爐的協調控制系統、風量控制系統、煤量控制系統以及給水控制系統進行了優化設計，最后進行了集成測試，測試的結果表明相對于傳統的控制系統優化之后的鍋爐控制系統在負荷發生變化的過程中能夠有效的控制輸出功率、蒸汽壓力以及溫度的偏差，達到了預期的效果。

參考文獻

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