1 000 MW二次再熱機組汽溫控制策略

胡尊民，于國強，殳建軍，張?zhí)旌?/p>

(江蘇方天電力技術有限公司，南京 211102)

0 引言

1 000 MW二次再熱機組的直流塔式鍋爐是上海鍋爐廠有限責任公司針對二次再熱汽輪機自行研制的新型鍋爐，此技術提高了機組的熱效率，但也使鍋爐受熱面布置及調(diào)溫方式變得更加復雜。二次再熱機組需要控制主汽溫和兩級再熱汽溫，考慮到3個溫度之間的影響，二次再熱機組汽溫要比一次再熱機組汽溫難控制，需要考慮的因素更多。再熱汽溫具有非線性、大慣性、大延遲的動態(tài)特性，并且過熱汽溫、一次再熱汽溫、二次再熱汽溫之間存在很強的耦合關系，這使得3個溫度的調(diào)節(jié)更加困難[1]。本文結(jié)合國電泰州發(fā)電有限公司1 000 MW二次再熱機組實際應用，分析二次再熱汽溫的控制方法。

1 設備概況

該公司二次再熱機組鍋爐為上海鍋爐廠有限責任公司生產(chǎn)的2 710 t/h超超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動噴嘴調(diào)溫、平衡通風、全鋼架懸吊結(jié)構、露天布置、采用機械刮板撈渣機固態(tài)排渣。鍋爐設計燃用神華煤，爐后尾部煙道出口有2臺選擇性催化還原(SCR)脫硝反應裝置，下部各布置1臺轉(zhuǎn)子直徑為17 286 mm的三分倉容克式空氣預熱器。鍋爐制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機冷一次風機直吹式制粉系統(tǒng)，每臺鍋爐配置6臺中速磨煤機，鍋爐最大出力(BMCR)工況時，5臺投運，1臺備用。BMCR工況及鍋爐額定(BRL)工況主要參數(shù)見表1。

2 汽溫控制原則

二次再熱機組的汽溫控制包括過熱汽溫、一次再熱汽溫、二次再熱汽溫。具體的調(diào)節(jié)手段有控制機組的汽水分離器出口焓值、控制燃燒器擺動噴嘴的角度、控制調(diào)溫擋板的開度以及控制過熱器及一/二次再熱器間減溫水流量。

表1 BMCR，BRL工況主要參數(shù)

二次再熱機組過熱汽溫的基本調(diào)節(jié)是控制進入鍋爐系統(tǒng)的燃水比，進而控制啟動分離器出口工質(zhì)焓值，過熱器兩級減溫水作輔助調(diào)節(jié)。

常規(guī)1 000 MW機組塔式鍋爐再熱汽溫的調(diào)節(jié)以燃燒器擺動噴嘴調(diào)節(jié)為主。鍋爐運行時，通過控制燃燒器噴嘴擺動調(diào)節(jié)爐膛火焰的中心點來調(diào)節(jié)再熱汽溫，然后通過調(diào)節(jié)再熱器減溫水的流量，對再熱蒸汽出口溫度進行細致的調(diào)節(jié)。

二次再熱機組由于有2個再熱器，爐膛布置不同，汽溫調(diào)節(jié)與常規(guī)機組也不相同。一、二次再熱器出口的平均汽溫通過燃燒器擺動噴嘴控制，通過調(diào)節(jié)爐膛內(nèi)整個火焰中心點的位置，控制熱量在過熱器與再熱器之間的分配。該鍋爐一、二次高溫再熱器都設置了一部分吸收輻射熱的受熱面，火焰中心的變化對再熱汽溫的影響顯著，可保證一、二次再熱器在較大負荷范圍內(nèi)達到額定汽溫。當一、二次再熱汽溫都偏低時，燃燒器噴嘴向上調(diào)整，抬高爐膛火焰中心的高度；當一、二次再熱汽溫都偏高時，燃燒器噴嘴向下調(diào)整，降低爐膛火焰中心的高度。燃燒器噴嘴擺動調(diào)節(jié)再熱汽溫的同時也會對過熱汽溫有影響，當過熱汽溫變化后再通過過熱汽溫本身的調(diào)節(jié)手段調(diào)節(jié)回來。這需要控制好2種調(diào)節(jié)手段之間的耦合關系，減少耦合參數(shù)的相互影響。

通過控制調(diào)溫擋板的角度，調(diào)節(jié)經(jīng)過一、二次再熱器的煙氣比例，進而平衡一、二次再熱器的出口溫度，對2個再熱器出口溫度進行基本調(diào)節(jié)，最終通過2個再熱器各自的減溫水調(diào)節(jié)對2個再熱器出口汽溫進行微調(diào)。根據(jù)鍋爐廠要求，為保證擺動機構能正常工作，擺動系統(tǒng)不允許長時間停在同一位置，尤其不允許長時間停在向下的同一角度，每班至少應人為地緩慢擺動1～2次，否則時間一長，噴嘴容易卡死，擺動幅度應大于20°，否則擺動效果不理想。

3 過熱器汽溫控制邏輯

過熱器是整個爐膛吸熱的主力，過熱汽溫控制的好壞對整個機組的長期安全運行有重要影響。結(jié)合常規(guī)1 000 MW機組的塔式鍋爐汽溫控制邏輯，設計出該1 000 MW二次再熱機組的汽溫控制邏輯，并在調(diào)試過程中進行修改完善。二次再熱鍋爐的過熱汽溫控制分為汽水分離器出口焓值控制、過熱器一級噴水減溫控制、過熱器二級噴水減溫控制3個部分。

3.1 焓值控制

二次再熱機組過熱汽溫調(diào)節(jié)：通過控制汽水分離器出口焓值，調(diào)節(jié)一次過熱器入口蒸汽溫度，粗略控制過熱器出口蒸汽溫度；然后通過兩級過熱器噴水減溫對過熱汽溫進行微調(diào)，保證過熱器出口汽溫較好地保持在設定值。焓值設定值是根據(jù)鍋爐廠提供的汽水分離器出口壓力函數(shù)，同時設計偏置修正接口，由運行人員根據(jù)實際情況手動調(diào)整。焓值偏差經(jīng)過比例、積分、微分(PID)調(diào)節(jié)器運算后作為系數(shù)修正機組基礎給水指令，基礎指令加上焓值修正值組成機組的干態(tài)給水指令。通過調(diào)節(jié)機組省煤器入口凈補水流量來控制汽水分離器出口的焓值，最終從總體上控制過熱器出口汽溫的升降。過熱器焓值調(diào)節(jié)過程中發(fā)現(xiàn)，由于整個機組的設計壓力較大(達31 MPa)，在變負荷過程中焓值波動也比常規(guī)機組大很多，可以達到60 kJ/kg左右。當機組升負荷時，分離器出口焓值迅速下降，機組負荷變動完成后，焓值又會逐漸恢復。大的偏差會導致焓值運算修正的變化，從而破壞機組的燃水比。為解決這個問題，調(diào)試時將焓值修正的參數(shù)設計為變參數(shù)模式，同時在變負荷時及變負荷后120 s內(nèi)將PID積分參數(shù)由正常調(diào)節(jié)的400左右變化到10 000，比例參數(shù)保持在0.3左右不變。修改后，經(jīng)過實際檢驗調(diào)節(jié)效果良好。控制邏輯如圖1所示。

圖1 焓值控制邏輯

3.2 一次過熱器噴水減溫控制邏輯

過熱器噴水減溫調(diào)節(jié)采用PID串級控制作為控制手段。串級控制可以將干擾加在副回路中，通過副回路控制對其進行抑制，大大減弱其對主回路的影響；副回路的慣性由副回路調(diào)節(jié)，能夠大大提高控制系統(tǒng)的響應速度。PID串級控制在常規(guī)一次再熱機組汽溫控制中有較廣泛的應用，控制效果良好。

過熱器一次減溫噴水控制的PID主控制器的設定值為機組負荷的函數(shù)，函數(shù)設定參照鍋爐廠設計要求。一次過熱器減溫噴水指令設計了AC和BD共2組減溫調(diào)節(jié)閥，2組減溫噴水裝置可以分別設定偏置。過熱器一級減溫器溫度控制通過PID串級調(diào)節(jié)回路控制，控制邏輯如圖2所示。該控制系統(tǒng)采用了國電智深的NT+分散控制系統(tǒng)，此控制器的PID串級邏輯為，當副控制器輸出達到下限或上限時，PID邏輯運算塊內(nèi)部會強制使設定值跟蹤實際值，這就導致減溫水調(diào)節(jié)閥關閉時，串級回路主控制器輸出會有較大的擾動。當一次過熱器溫度再次升高時，雖然汽溫沒有達到鍋爐廠的設計溫度，減溫水也會打開進行降溫，導致機組二次減溫器入口溫度短時間內(nèi)不能上升。反之，當一次過熱器溫溫度過高，減溫水調(diào)節(jié)閥指令達到100%時，串級回路副控制器的設定值也會跟蹤實際值，從而導致當一次減溫器出口溫度開始下降但還是高于設計值時，減溫水調(diào)節(jié)閥又會向下關小，從而削弱噴水減溫調(diào)溫效果，給機組的汽溫控制帶來更大的慣性。為了解決這個問題，在過熱器減溫水調(diào)節(jié)閥的手操器上加上一個禁增禁減的條件，當減溫調(diào)節(jié)閥指令小于0.5%且調(diào)節(jié)閥處于自動狀態(tài)時，禁止指令減少；同時，當減溫調(diào)節(jié)閥指令大于99.5%且調(diào)節(jié)閥處于自動狀態(tài)時，禁止指令增加。通過這樣調(diào)整，解決了串級回路上下限反向跟蹤的困擾。

圖2 過熱器一次減溫器控制邏輯

3.3 二次過熱器噴水減溫控制邏輯

二次過熱器噴水減溫也采用PID串級控制。其主控制器控制的是末級過熱器的出口溫度，設定值由機組負荷的函數(shù)和手動設定偏差組成；副控制器控制二次過熱器出口溫度，其設定值由主控制器的輸出、校核煤量的一階前饋及機組負荷指令的二階前饋組成；通過煤量及機組負荷的前饋，保證機組在變負荷及煤量擾動過程中，對機組二次過熱器出口蒸汽溫度進行預估判斷，維持過熱汽溫的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。二次過熱器串級回路也有一次過熱器噴水減溫調(diào)節(jié)相同的問題，處理方法與一次減溫調(diào)節(jié)一致；同時，因為二次噴水減溫是過熱器出口溫度的最后一次調(diào)節(jié)手段，調(diào)節(jié)時要求響應速度更快，防止機組超溫。控制邏輯如圖3所示。

圖3 二次減溫器控制邏輯

4 再熱器汽溫調(diào)節(jié)邏輯

二次再熱機組的再熱汽溫包括一次再熱器出口溫度和二次再熱器出口溫度。2個再熱汽溫的調(diào)節(jié)手段包括燃燒器擺動噴嘴調(diào)節(jié)、煙氣擋板調(diào)節(jié)、事故噴水減溫調(diào)節(jié)、微量噴水減溫調(diào)節(jié)4個部分，其中燃燒器擺動噴嘴動作后對2個再熱汽溫的影響方向是相同的，因此燃燒器擺角調(diào)節(jié)再熱汽溫由一個控制回路實現(xiàn)，為保證再熱汽溫沒有個別點超溫，調(diào)節(jié)參數(shù)為2個再熱汽溫大值。煙氣擋板的作用是調(diào)節(jié)2個再熱器出口汽溫的偏差，其通過控制單位時間內(nèi)流過一、二次再熱器內(nèi)的煙氣流量比例來調(diào)節(jié)。單位時間內(nèi)爐膛內(nèi)再熱煙氣量是一定的，一次再熱煙氣增加了，二次再熱煙氣必然要減少，因此，雖然有2組煙氣擋板，但是2組煙氣擋板的控制也是由同一個PID調(diào)節(jié)回路控制的。

4.1 燃燒器擺動噴嘴控制

該機組共配備了3組燃燒器擺動噴嘴，從下到上分別為AB層燃燒器擺動噴嘴、CD層燃燒器擺動噴嘴、EF層燃燒器擺動噴嘴。控制方式一般分為2種：最上一組單獨控制、下2組同步控制，3組同步控制。該機組采用3組同步控制方式，同時在每層的每個角單獨設計了手動偏置塊，運行過程中運行人員可對每層擺動噴嘴的每個角單獨調(diào)整，也能保證每組燃燒器擺動噴嘴在手、自動切換過程中無擾。

調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過控制燃燒器擺動噴嘴的擺動位置，控制爐膛內(nèi)燃燒中心點在整個爐膛的位置，從而控制爐膛煙氣在過熱器、一/二次再熱器之間的分配，調(diào)節(jié)再熱器出口蒸汽溫度。擺動噴嘴向上擺動爐膛火焰中心會向上移動，擺動噴嘴向下擺動則爐膛中心位置向下移動。燃燒器擺動噴嘴的擺動對2個再熱汽溫的影響是相同的，而對過熱汽溫的影響是相反的[2]。

因為燃燒器擺角和再熱器減溫噴水都是直接調(diào)節(jié)再熱器出口蒸汽溫度的，所以燃燒器擺角和再熱汽溫噴水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設定值相同，為一、二次再熱汽溫設定值的大值。2個再熱汽溫設定值均為機組負荷的函數(shù)，隨機組負荷變化而變化。

控制系統(tǒng)設計為單回路控制系統(tǒng)，采用反饋-前饋復合控制方式，靜態(tài)前饋為負荷前饋信號，動態(tài)前饋由機組負荷指令加速信號及磨煤機運行數(shù)量加速信號兩者組成。為防止再熱蒸汽任意點超溫，其被控量是一、二次再熱汽溫的大值。

當被調(diào)量超過再熱汽溫設定值時，輸出指令使燃燒器擺動噴嘴向下擺動；當被調(diào)量小于再熱汽溫設定值時，輸出指令使燃燒器擺動噴嘴向上擺動。為防止燃燒器小范圍來回調(diào)節(jié)，PID內(nèi)設置1%調(diào)節(jié)死區(qū)。考慮到燃燒器擺動噴嘴實際結(jié)構的特殊性，在邏輯中還設置了擺角禁升和禁降條件。(1)禁止上擺條件：任意一個再熱器微量噴水閥控制指令大于10%；再熱器出口蒸汽溫度最大值大于618 ℃；燃燒器擺動噴嘴控制指令大于68%。(2)禁止下擺條件：燃燒器擺動噴嘴指令小于32%；一/二次再熱器蒸汽溫度最大值小于570 ℃。

該機組設計的汽機調(diào)節(jié)閥的截流較小，升負荷過程中如果壓力上升趕不上負荷上升速度，汽機調(diào)節(jié)閥全部打開也不能保證機組負荷升速率。為保證機組在升負荷過程中有較好的特性，同時避免變負荷過程中汽溫變化對燃燒器擺動噴嘴汽溫調(diào)節(jié)的影響，在變負荷時將擺動噴嘴調(diào)節(jié)的積分參數(shù)從1 200變化至20 000，同時還設計了20 MW/min變負荷速率對應±5%的燃燒器擺動噴嘴前饋，超前時間參數(shù)為30 s。利用擺動噴嘴的變化快速改變主汽溫與再熱汽溫，間接改變過熱器、再熱器的噴水減溫水流量，保證機組壓力得到快速響應。控制邏輯如圖4所示。

圖4 燃燒器擺動噴嘴控制邏輯

4.2 煙氣擋板控制

鍋爐煙氣擋板的作用是通過控制擋板的節(jié)流面積調(diào)節(jié)單位時間內(nèi)流過一次、二次再熱器的煙氣流量，控制一、二次再熱器的出口蒸汽溫度相等。機組有2組煙氣擋板，分別控制一次、二次再熱器的煙氣流量，因為煙氣擋板是調(diào)節(jié)2個再熱器出口蒸汽溫度偏差的，所以2組煙氣擋板采用同一個PID控制回路自動調(diào)節(jié)，但2組擋板的控制指令是相反的，具體對應關系如圖5所示。當一次再熱器出口蒸汽溫度小于二次再熱器出口蒸汽溫度時，開大一次再熱器擋板，同時關小二次再熱器擋板；當一次再熱器出口蒸汽溫度高于二次再熱器出口蒸汽溫度時，關小一次再熱器擋板，同時開大二次再熱器擋板。煙氣擋板安裝在爐膛出口尾部煙道的進口處，調(diào)節(jié)擋板對應于前后煙道的比例分割成上下2部分，不存在極限關閉位置，所以對運行過程中的調(diào)節(jié)沒有任何影響。該調(diào)節(jié)擋板與Π形雙煙道水平布置的煙氣調(diào)節(jié)擋板在使用上沒有本質(zhì)的區(qū)別，使用時是安全可靠的。其中前煙道擋板安裝在一次再熱器煙道內(nèi)，后煙道擋板安裝在二次再熱器煙道內(nèi)。調(diào)溫擋板結(jié)構如圖6所示。

圖5 煙氣擋板控制邏輯

圖6 煙氣擋板結(jié)構

基于系統(tǒng)的工藝要求，煙氣擋板控制系統(tǒng)設計為單回路再熱汽溫偏差控制，煙氣擋板調(diào)節(jié)聯(lián)動控制前后煙道擋板。主要控制任務是控制一、二次再熱汽溫之間的偏差，為防止頻繁糾偏、減小與擺角調(diào)節(jié)回路的相互影響，該偏差設置適當死區(qū)。當煙氣通道建立指令到來時，強制煙氣擋板開度為60%。控制邏輯如圖5所示。

4.3 再熱器事故噴水控制

再熱器事故噴水調(diào)節(jié)閥分為一次再熱器事故噴水調(diào)節(jié)閥和二次再熱器事故噴水調(diào)節(jié)閥。每個再熱器設計2只事故噴水調(diào)節(jié)閥，每個調(diào)節(jié)閥單獨控制汽溫。因一/二次再熱器事故噴水調(diào)節(jié)閥控制原理一致，只是調(diào)節(jié)參數(shù)及控制設備不同，現(xiàn)以一次再熱器事故噴水調(diào)節(jié)閥控制邏輯為例介紹事故噴水調(diào)節(jié)閥的汽溫調(diào)節(jié)邏輯。

一次再熱事故噴水控制是再熱噴水的一種應急輔助手段，當微量噴水調(diào)節(jié)裝置無法有效控制再熱器出口溫度時，事故噴水裝置才起作用。一次再熱事故噴水的溫度目標設定值與微量再熱噴水閥調(diào)節(jié)溫度設定值相同，均為控制一次再熱器出口集箱溫度大值。同時，用再熱器再熱微量噴水閥位作為事故噴水閥控制的前饋信號，微量噴水閥的開度不大于20%時，閉鎖事故減溫水調(diào)節(jié)閥打開，當再熱器微量噴水調(diào)節(jié)閥開度大于20%時，加快事故噴水調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)速度，具體函數(shù)對應關系如圖7所示。實際應用過程中發(fā)現(xiàn)，當再熱器微量噴水調(diào)節(jié)閥開度大于20%，而再熱汽溫還處于超溫狀態(tài)較長時間，使得再熱器事故噴水調(diào)節(jié)PID輸出有一定值時，如果此時再熱汽溫降至設定溫度以下，而事故噴水PID調(diào)節(jié)輸出還未到0，微量噴水調(diào)節(jié)閥開度小于20%，再熱器事故噴水就會超馳關閉，這會對再熱器出口溫度產(chǎn)生較大的擾動。為解決這個問題，曾經(jīng)先將再熱器事故噴水超馳關閉的開度修改為15%，但這樣只能減弱超馳的影響，不能從根本上解決問題。最終實踐表明，不用PID調(diào)節(jié)的積分作用，調(diào)節(jié)再熱器效果更好，調(diào)節(jié)更平穩(wěn)。控制邏輯如圖7所示。

圖7 再熱器事故噴水控制邏輯

4.4 再熱器微量噴水控制

再熱器微量噴水調(diào)節(jié)閥也分為一次再熱器微量噴水和二次再熱器微量噴水調(diào)節(jié)，每個再熱器有4個微量噴水調(diào)節(jié)閥，分為AC，BD 2組，分別調(diào)節(jié)兩側(cè)再熱汽溫。因為一次、二次再熱器微量噴水調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)汽溫的原理一致，控制邏輯也基本相同，現(xiàn)以一次再熱器的一組微量噴水調(diào)節(jié)閥邏輯為例，介紹微量噴水調(diào)節(jié)再熱汽溫的控制邏輯。

一次再熱器微量噴水控制采用PID串級控制方法，控制方法也與一次過熱器減溫水控制方法相同。主控制器控制再熱器出口溫度,設定值為機組再熱汽溫設定值加手動偏置。主控制器的輸出加上機組負荷及校正后煤量的動態(tài)前饋作為副控制器的設定值，副控制器控制一次再熱器微量噴水減溫器出口溫度。當一次再熱器出口溫度接近飽和溫度時，保護回路產(chǎn)生作用，關小微量噴水減溫調(diào)節(jié)閥。控制邏輯如圖8所示。

圖8 再熱器微量噴水控制邏輯

5 結(jié)束語

經(jīng)過168 h試運行，本文設計的控制邏輯對整個機組的汽溫控制基本可以達到設計要求。為了機組的安全考慮，整個機組試運行期間再熱汽溫設定值基本維持在600 ℃，未在設計溫度613 ℃長期試驗過。為保證對二次再熱汽溫控制有更好的效果，希望內(nèi)模控制、自抗擾等自動控制技術能在二次再熱機組汽溫控制中試驗應用。