超臨界循環(huán)流化床給水控制策略研究

陳為平

（廣東華電韶關(guān)熱電有限公司，廣東 韶關(guān) 512400）

我國是煤炭能源消費大國，一次能源特點是富煤、油貧、少氣，煤炭在我國一次能源中占據(jù)主要地位，具體煤炭資源所達比重為60%以上。根據(jù)有關(guān)研究表明，截至2050年，國內(nèi)煤炭在一次能源生產(chǎn)消費中將達到50%以上，而在生產(chǎn)利用煤炭時也會形成大量的環(huán)境污染物，包括氮氧化物、二氧化碳等，因此，對于國內(nèi)當前工業(yè)生產(chǎn)體系中急需解決如何實現(xiàn)煤炭資源高效利用的問題。

1 循環(huán)硫化床鍋爐介紹

循環(huán)硫化床鍋爐是在鼓泡床的前提下研發(fā)的潔凈發(fā)電技術(shù)，相比普通的煤粉爐來說其向外排放的污染物較少，而且具有較高燃燒率，灰渣利用率高。2003年我國引入了首臺300MW循環(huán)硫化床鍋爐及關(guān)鍵技術(shù)，并自主研發(fā)600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐，在四川白馬發(fā)電廠中成功安裝應(yīng)用。近30年來，循環(huán)硫化床在國內(nèi)獲得了廣泛推廣應(yīng)用，尤其國內(nèi)的煤炭資源含硫成分較高，而且成分復(fù)雜，劣質(zhì)煤含量高等，因此在實際生產(chǎn)中循環(huán)流化床具有廣泛應(yīng)用。

從超臨界循環(huán)流化床特點來看，其具有大慣性、大延遲、非線性的特點，設(shè)計給水控制策略前提是深入研究超臨界循環(huán)硫化床的運行機理、特點，構(gòu)建復(fù)雜對象模型，通過機理分析能夠構(gòu)建循環(huán)流化床機理模型，并根據(jù)運行數(shù)據(jù)進行模型的驗證，這一環(huán)節(jié)對于循環(huán)流化床機理模型分析來說是十分重要的。本研究在借鑒傳統(tǒng)煤粉爐給水控制基礎(chǔ)上尋找具有良好動態(tài)性的反饋信號實現(xiàn)指導(dǎo)控制，能夠為設(shè)計有效超臨界循環(huán)流化床機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)提供新的指導(dǎo)思路。從現(xiàn)有循環(huán)硫化床給水控制策略來看，對于鍋爐燃料量和給水量的比值，即燃水比。由于超臨界循環(huán)流化床來說其運行流程復(fù)雜，是一種多變系統(tǒng)，在其受熱各個階段中未明確規(guī)范，各參數(shù)相互影響，其中一種數(shù)變化會導(dǎo)致輸出參數(shù)發(fā)生變化，因此，無法針對某個局部控制量進行超臨界鍋爐控制系統(tǒng)的控制，需要綜合分析不同參數(shù)。對于超臨界鍋爐主要為燃料量和給水這兩個控制系統(tǒng)，只有實現(xiàn)了系統(tǒng)的配合才能夠確保主蒸汽參數(shù)實現(xiàn)穩(wěn)定運行。在比值控制中包括蒸汽量，給水量，燃料量之間的比值，在傳統(tǒng)蒸餾鍋爐中燃水比控制系統(tǒng)使用較廣。

2 自平衡給水控制策略優(yōu)化

2．1 給水控制策略分析

在給水控制策略中，傳統(tǒng)直流鍋爐是根據(jù)煤水比進行調(diào)節(jié)的，一般來說，在系統(tǒng)處于穩(wěn)定工況下，結(jié)合熱量平衡計算公式如下。

在該公式中燃料低位發(fā)熱量用Qar,met表示，根據(jù)該公式可得到下列公式，

在確保燃料發(fā)熱量和給水焓值、效率不變這種情況下，末級過熱器出口位置的焓值是根據(jù)煤水比確定的，確保煤水比不變會使過熱蒸氣焓值持續(xù)穩(wěn)定。從一定程度上，煤水比調(diào)節(jié)在傳統(tǒng)直流鍋爐給水中發(fā)揮重要作用，但由于鍋爐的過熱器出口位置蒸汽溫度對于煤水比變化響應(yīng)較長，無法將其作為反饋信號，進一步需要引入動態(tài)響應(yīng)反饋信號，可以將該信號作為前饋信號，煤水比信號可用于反應(yīng)鍋爐燃料熱量信號。前者包含焓值加熱段的水溫、中間點溫度等，對于鍋爐控制系統(tǒng)的使用是比較廣的。中間點即汽水分離器的出口位置，這一點的溫度對燃水比擾動可將其近似為一階慣性環(huán)節(jié)，在響應(yīng)控制中并不是單調(diào)影響的，相比過熱氣溫來說響應(yīng)時間要少，因此在直流鍋爐中中間點溫度焓值可作為給水控制信號實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。后者包含煙氣、輻射溫度以及爐膛出口的熱量信號，結(jié)合火焰燃料信號可以將熱量信號換算為給水流量前饋指令，能夠反映爐膛中燃料發(fā)熱量變化，以用于解決原有煤水比在控制響應(yīng)中較慢的問題。此外，研究人員將反應(yīng)燃料率輻射能用于反饋信號中，可實現(xiàn)煤水比變化的快速響應(yīng)，但由于輻射信號很難獲取，并且該信號很容易受到外界因素的影響，干擾程度較大，精度低，因此，研究人員從汽水系統(tǒng)吸熱中提取熱量信號，利用燃料發(fā)熱量，水冷壁吸熱量關(guān)系進行熱量信號的計算，但這種計算方法會受到負荷因素的限制。循環(huán)硫化床相對傳統(tǒng)煤粉爐來說，具有燃燒慣性和延遲性，鍋爐蓄熱能力強，入爐燃料量在燃燒時的能量是鍋爐燃料總熱量的5%，其基本是根據(jù)前一刻床料中未燃燒燃料所釋放的熱量確定的，可以利用煤粉爐中煤水比來計算給水中無法燃燒的部分燃料，但這種情況下，也會出現(xiàn)調(diào)節(jié)精度低的問題。

2．2 雙前饋自平衡格式控制

雙前饋自平衡控制超臨界循環(huán)硫化床機組相比煤粉爐來說具有慣性和延遲性，絕大多數(shù)是由于爐膛中床料蓄熱導(dǎo)致的，傳統(tǒng)鍋爐的給水控制策略為煤水比，但選擇煤水比作為控制策略是不合適的，因此，本研究提出了雙前潰自平衡策略，該策略是借助傳統(tǒng)煤粉爐前潰反饋控制，保留原有中間點焓值信號，在前饋部分可使用超前自平衡給水指令，如圖1所示為自平衡給水控制邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。

圖1

從自平衡給水指令上來看，根據(jù)上圖可以發(fā)現(xiàn)在本系統(tǒng)中給出指令包括理論給水指令，經(jīng)過溫度修正后的負荷指令，以及由風煤折算的熱量信號，具體表達方式如下所示。

在該公式中自平衡給出指令設(shè)定值為Gsp，燃碳燃燒所釋放的燃料釋放量為Q，負荷質(zhì)量為W，修正系數(shù)分別為C1和C2，結(jié)合機組的取值范圍，通常針對理論指令是結(jié)合鍋爐汽水平衡特點開展分析，在穩(wěn)定運行時，主蒸汽流量為給水流量，因此，理論上的給水量是與主蒸汽流量具有直接聯(lián)系的，如下所示為給水指令

在公式中，鍋爐焓增修正系數(shù)中可以用K1表示，具體k1的計算公式如下，

式中，hssp為過熱器出口位置的蒸汽焓值，hfwsp為給水焓值的設(shè)定值。

根據(jù)氣機閥門開度和調(diào)節(jié)級壓力設(shè)置主蒸汽流量，針對熱量信號動態(tài)反饋，在超臨界循環(huán)流化床燃燒時爐內(nèi)燃碳為其主要發(fā)熱量。針對床溫和主再熱蒸氣溫度中的主氣壓具有十分重要的影響，在鍋爐隨汽機運行中，當機組處于升負荷狀態(tài)時此時會增加汽機的閥門開度，在短時間內(nèi)利用爐膛蓄熱增加進汽量，進而能夠使汽輪機功率和輸出功率保持一致，當增加主汽流量，在處于機組協(xié)調(diào)控制下進行給煤量的調(diào)節(jié)，可確保能量和蒸汽流量持續(xù)供應(yīng)，從一定程度上也表明，爐膛動態(tài)熱量具有重要意義，可用于反映目前該鍋爐燃料量、給水量的實際使用需求。床料即燃碳量變化，能夠在爐膛發(fā)熱量中實現(xiàn)快速體現(xiàn)，該熱量信號具有超前性，能夠?qū)崿F(xiàn)給水指令的動態(tài)反饋，對于負荷指令在動態(tài)反饋中，由于鍋爐在運行中會受到一定程度負荷影響，比如，對于升負荷來說為確保汽輪機組功率較大，增加主蒸汽流量可以增加給水流量，進而可確保蒸汽流量，因此，利用負荷指令能夠從一定程度上反映鍋爐的給水量。通過負荷指令可換算此時鍋爐需要的給水量，即為直流鍋爐給水指令。針對超臨界循環(huán)硫化床鍋爐在協(xié)調(diào)控制過程中，相比鍋爐側(cè)來說，汽機側(cè)一次響應(yīng)速度快，給水指令相比煤量指令要快。為確保燃料水量的動態(tài)匹配需要實現(xiàn)給水指令延遲，進而能夠降低指令動作速度。在實際使用過程中，負荷指令前饋可通過多階段性環(huán)節(jié)時間常數(shù)進行選定，以確保在處于不同工況下機組的燃料釋放量和給水流量保持同步。

3 結(jié)語

總而言之，對于大型火電機組在給水控制過程中，是有多個子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的，尤其對于超臨界循環(huán)硫化創(chuàng)過率來說其具有熱慣性，因此，給水控制難度是比較高的，一般通過以熱定水的方式，結(jié)合機組的運行特點，可設(shè)計相對應(yīng)的給水控制策略，通過進行回路參數(shù)優(yōu)化設(shè)置。研究發(fā)現(xiàn)，利用這種方案能夠?qū)崿F(xiàn)給水故障減負荷工況下無須人為干預(yù)，即可達到機組在水泵出現(xiàn)跳閘后自動安全快速減負荷的目的，能夠為大型機組推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。