余熱鍋爐主蒸汽減溫水控制策略

蔣 剛

(中海油阜寧熱電有限責任公司，江蘇 阜寧 224400)

我國燃氣輪機電廠余熱鍋爐減溫水系統的控制邏輯均采用純反饋式，這種控制方式適合機組負荷變化平穩，不適用機組快速負荷變動。純反饋式減溫水控制方式對于快速負荷變動機組，其控制線很容易超出機組主蒸汽溫度控制的上下限。運行人員通過報警才發現問題，采用人工干預，手動退出自動控制邏輯，手動全開或全關減溫水調門。此時機組主蒸汽溫度已越線，對機組設備造成了不可避免的損傷。為改善純反饋式減溫水控制策略的劣勢，以適應機組負荷快速變動的要求，減輕運行人員監盤時工作壓力，如果我們能提前知道機組負荷變動的因素，將所需的減溫水量提前計算好，并計算好主蒸汽溫度變化的時間差，提前進行減溫水控制，就能有效的防止主蒸汽溫度越線。在實際運行中，我們手動設置負荷目標值和升降負荷速率，全程手動干預，提前增減減溫水量，主蒸汽溫度控制曲線很平穩，并未出現主蒸汽溫度越線情況。因此根據機組的運行模式，找到機組主蒸汽溫度變化的基礎因素，為減溫水調門自動控制邏輯增加相應的前饋邏輯[1]，可以有效的防止機組高溫設備的損傷。

下面從余熱鍋爐結構特點[2]闡述主蒸汽溫度超溫根本原因，以杭州東方凌日鍋爐集團股份有限公司生產的MHDB-6F.03-Q1型雙壓、無再熱、臥式、無補燃、自身除氧、自然循環燃氣輪機余熱鍋爐為例。燃氣輪機排出的煙氣通過進口煙道進入鍋爐本體，依次水平橫向沖刷各受熱面模塊，再經出口煙道由主煙囪排出。沿煙氣流動方向各受熱面模塊均分成六個單元，各受熱面模塊組成見表1。

表1 余熱鍋爐受熱面結構

燃氣-蒸汽聯合循環電廠余熱鍋爐的結構特點是燃氣輪機排出的高溫煙氣依次從高壓過熱器、高壓蒸發器、高壓省煤器、低壓過熱器、低壓蒸發器、凝結水加熱器六個模塊經煙囪排入大氣。燃氣輪機增加負荷，高溫煙氣量和溫度都增加。模塊一是高壓過熱器，過熱器的蒸汽流量沒有增加，蒸汽流量主要是由模塊二中的蒸發器產生的，高溫煙氣還沒有流過蒸發器，主蒸汽流量并沒有增加。主蒸汽溫度會升高，壓力增加，同時汽包的壓力升高，使飽和溫度升高，需要的汽化潛熱就更多了，在燃氣輪機負荷增加初期，主蒸汽流量會減少，更加劇了主蒸汽溫度的升高。這時只有通過開大減溫水量來降低主蒸汽溫度。暫時將主蒸汽溫度限制在合格范圍內，防止對生產設備造成損傷，待高溫煙氣流經蒸發器后，產生新增飽和蒸汽量，滿足模塊一高壓過熱器需要的量時，可以看到減溫水量有一個減少的過程。由于余熱鍋爐設計原因，蒸發器、省煤器換熱面積不足造成的主蒸汽流量不足，無法在某一特定負荷下滿足過熱器需求，這時在新的平衡穩定后仍需要大量的減溫水來維持主蒸汽溫度不超溫。

燃氣輪機快速變動負荷后，鍋爐由于其結構特點，引起主蒸汽溫度變化。

1 案例分析

1.1 系統概述

以南方某燃氣-蒸汽聯合循環為例，燃氣輪機采用GE的6F機組，余熱鍋爐采用MHDB-6F.03-Q1型，主蒸汽采用一級減溫方式。

1.2 異常現象

燃氣-蒸汽聯合循環機組負荷變化，排煙溫度變化如圖1，主蒸汽溫度變化如圖2，減溫水量變化如圖3，主蒸汽流量變化如圖4。圖1、圖2、圖3、圖4均對應同一變化過程。

圖1 排煙溫度變化

圖2 主蒸汽溫度變化

圖3 減溫水量變化

圖4 主蒸汽流量變化

從圖1中可以看出當燃氣輪機排煙溫度升高，當負荷加滿后，機組排煙溫度穩定在610 ℃，過程時長17 min。

圖2 主蒸汽溫度變化曲線，在燃氣輪機快速增加負荷過程中，主蒸汽溫度快速上升，達到538 ℃額定溫度后，在第12 min時已達547 ℃，對余熱鍋爐過熱器、主蒸汽管路造成高溫蠕變損傷和汽輪機調節級過負荷。圖3減溫水量變化曲線，減溫水控制邏輯是純反饋，投入點靠后，沒能控制住主蒸汽溫度。

燃氣輪機負荷快速變化還有一個降負荷過程，純反饋控制單元。只有當主蒸汽溫度降低到設定值才開始關閉減溫水閥開度，此時減溫水量已經出現過調，整個變化過程主蒸汽溫度出現先降后升，對主蒸汽管路產生高溫蠕變損傷。

1.3 人工提前干預減溫水運用效果

采取人工提前干預主蒸汽溫度，手動增加一個前饋環節，通過提前投入減溫水，已達到防止主蒸汽溫度超溫。

方便對比，選取同一變化過程。對比圖5和圖1，可以看出，燃氣輪機在相同的工況變化過程中，燃氣輪機的排煙溫度一致。圖6中提前投入減溫水，彌補蒸汽流量不足。圖7中主蒸汽溫度在整個過程中未出現超溫現象，對比圖2，提前知道燃氣輪機負荷和排煙溫度的變化，通過提前投入減溫水提前彌補主蒸汽流量的不足，將主蒸汽溫度控制在合格范圍內，有效防止減溫水控制不及時發生損傷設備的危險。圖8為主蒸汽流量變化曲線。

圖5 排煙溫度變化

圖6 減溫水量變化

圖7 主蒸汽溫度變化

圖8 主蒸汽流量變化

燃氣輪機負荷直接反應在燃氣輪機排煙溫度和燃氣輪機排煙流量。運行人員根據燃氣輪機運行歷史數據和運行經驗，估算出燃氣輪機負荷對應的主蒸汽流量。根據余熱鍋爐現在的主蒸汽流量計算出差值，調整減溫水流量，補足流量差，防止因主蒸汽流量與煙氣流量不匹配，造成主蒸汽溫度異常。

提前控制的操作是一種人工前饋工作模式，優化了由于純反饋造成調節線性滯后的特點，改善了純反饋調節的過調特性。

2 減溫水控制邏輯修訂

2.1 燃氣輪機基礎數據收集

收集燃氣輪機不同負荷、不同季節的環境工況下，余熱鍋爐對應的主蒸汽溫度流量數據，在燃氣輪機快速升負荷過程中，為減溫水用量提供前饋基礎數據，及時彌補主蒸汽流量的差值，控制主蒸汽溫度在合格線內，根據運行經驗，收集了主蒸汽溫度容易超溫的兩個季節的數據(冬季和夏季)[3]，繪制成曲線。

2.2 修改減溫水控制邏輯

數據收集完成，繪制成曲線并擬合成數學計算公式[4]。在原有減溫水控制邏輯增加前饋邏輯，以燃氣輪機負荷和環境溫度為變量，通過擬合余熱鍋爐主蒸汽流量公式計算出穩態時余熱鍋爐的主蒸汽流量，與當前余熱鍋爐的主蒸汽流量做差，計算出減溫水流量，為減溫水控制調門提供前饋基礎數據。保留減溫水控制邏輯中的純反饋邏輯，限制前饋邏輯出現過調。

2.3 效果

減溫水控制邏輯單元中，增加了前饋邏輯單元，提高了減溫水控制的靈敏度，減弱了原有純反饋控制邏輯的滯后性，防止前饋控制單元出現過調，保留原有的純反饋控制邏輯。在前饋單元出現過調，由反饋單元及時修正減溫水量防止過調。通過減溫水控制邏輯的修改，實現了減溫水控制人工調整的效果，并能實時自動完成主蒸汽溫度的調整，防止主蒸汽減溫水過調。人為干預減溫水控制是在減溫水控制調門退出自動控制后，主蒸汽溫度已超出限值，對設備造成損傷。修改邏輯后，前饋邏輯單元實現了減溫水的實時自動監控主蒸汽流量與燃氣輪機負荷的匹配情況，防止出現不匹配，造成主蒸汽溫度超限值。

3 結語

文中以燃氣輪機快速增加負荷為例，詳細闡述了余熱鍋爐結構特點易造成主蒸汽溫度超溫的機理，通過提前干預減溫水操作方式，有效的防止主蒸汽溫度超限的發生。提出優化減溫水自動控制邏輯，將以前的純反饋控制邏輯增加前饋單元，實現代替人工提前干預環節，收到了良好的控制效果，達到了燃氣輪機快速變動負荷情況下，保證主蒸汽溫度不超限的安全運行模式，達到了控制預期，實現了控制目標。