超超臨界機組垂直管圈水冷壁管防超溫協調控制策略的優化

何穎

（國能浙能寧東發電有限公司 設備管理部，寧夏銀川 750000）

0.前言

超超臨界機組鍋爐采用了目前火力發電技術最新技術，很多技術性能指標都處于先進水平，但鍋爐實際運行中仍然存在一些需要研究的問題。超超臨界機組在低負荷時，易出現水冷壁超溫情況，此時只能降低整體汽溫參數運行，但對電廠在安全性和經濟性上有所影響。有研究者通過開展對水冷壁金屬壁溫的試驗研究工作，認為水冷壁金屬溫度的大幅變化和超溫，與水冷壁的傳熱惡化有較大關系，特別是對于百萬雙切圓鍋爐垂直管圈式水冷壁管，易在熱負荷疊加區出現壁溫超溫以及相鄰管段熱偏差大等問題，從而產生顯著的疲勞應力，嚴重影響鍋爐運行的安全性和穩定性[1]。

本文研究的主要對象是以雙切圓鍋爐垂直管圈式水冷壁管超溫問題為研究對象，從機組INFIT協調控制系統控制策略、易超溫壁溫變化規律、機組主要過程參數上進行全面分析，尋找水冷壁管產生超溫及波動大的原因，采取相應的技術措施來減緩超溫問題的產生。

1.設備簡介

本研究針對某電廠1000 MW超超臨界燃煤發電機組的鍋爐水冷壁管壁溫超溫問題進行研究。鍋爐為超超臨界參數、直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風、緊身封閉布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構、切圓燃燒方式，Π型鍋爐。其用于水冷壁中間混合集箱入口管測量鍋爐金屬壁溫的元件共計608點，前墻210點，后墻210點，左墻94點，右墻94點，安裝位置均在鍋爐54m集箱入口管處。壁溫多數按照每4根管安裝1支壁溫元件原則布置。壁溫元件采用K分度鎧裝熱電偶，集熱塊焊接貼于管壁外表面，材質為304不銹鋼，壁溫元件感溫端緊固定在集熱塊內，溫度元件接線用補償導線接入智能前端，通過雙冗余現場總線DP電纜接入總線控制柜，實現DCS遠端監視。

INFIT系統是針對現代火電機組存在負荷升降速率低、關鍵參數波動大及系統不能很好適應煤種變化等實際問題，通過有機融合預測控制技術、神經網絡學習技術及自適應控制技術而設計研發的先進協調優化控制系統。使機組的協調、汽溫、脫硝控制系統穩態和動態性能均有了明顯的提高。此次研究機組采用INFIT控制系統，用于代替機組原有DCS協調控制系統作用于機組協調控制，在機組運行過程中可實現實時無擾切換。

2.工作內容及優化思路

開展壁溫波動問題的技術分析和INFIT系統的程序優化設計并對INFIT系統的控制策略升級、調試和DCS系統相關控制參數的調整。因直流鍋爐主要控制水煤比和中間點過熱度。一般來說在機組運行工況較穩定時只要監視好中間點過熱度就可以了，不同的壓力下中間點溫度是不斷變化的，但中間點過熱度可維持恒定。中間點過熱度是水煤比是否合適的反饋信號，中間點過熱度變小，說明水煤比偏大，中間點過熱度變大，說明水煤比偏小，當機組在升降負荷和出現異常情況時，如給煤機、磨煤機跳閘等應合理調整給水量及給水延時時間，保持過熱度基本恒定。從歷史趨勢進行分析，機組過熱度發生波動變化，易超溫水冷壁管的壁溫也隨之變化，因此此次調整的主要策略為盡可能在機組各種工況下保證過熱度的穩定[2]。

3. INFIT協調下的中間點過熱度設定值運算規律

投入INFIT協調系統后，機組的中間點過熱度設定值運算規律與原DCS協調時有所不同，DCS協調的設定僅僅是機組負荷的靜態函數。主要規律如下：

首先根據機組運行的歷史數據，通過滾動優化擬合出基本的“分離器壓力、磨煤機組合、燃料熱值—中間點過熱度”的多元函數關系。在機組日常運行中，按照如下規律（優先級從上至下遞減），動態調整中間點過熱度設定值，盡可能使機組運行在最合理、經濟性最高的模式下：

（1）調整中間點過熱度，使機組主汽溫能達到設定值。

（2）調整中間點過熱度，使機組再熱汽溫能達到設定值，同時再熱減溫水量盡量為零（在INFIT再熱汽溫控制投入時才有效）。

（3）調整中間點過熱度，使機組的過熱減溫水量隨負荷點的不同維持在合理數值。

（4）調整中間點過熱度，避免機組水冷壁溫接近超溫限值。

4.優化內容及效果

4.1 解決穩態負荷下煤量大幅波動問題

4.1.1 問題描述

機組在穩態工況下，會頻繁出現煤量±20t/h～30t/h的快速大幅波動，并持續振蕩幾個周期才穩定，理論上會加大壁溫的波動幅度[3]。

4.1.2 問題分析及解決

從歷史曲線進行分析后發現，煤量波動是在總煤量指令不動時發生的，和DCS協調及INFIT協調均無關，問題出在底層的燃料控制回路。

在基建調試結束后，中心給料機廠家建議修改了DCS中的A～F中心給料機控制邏輯，但邏輯設計及定值設置不合理，會周期性的導致A～F給煤機出現斷煤，導致煤量大幅波動。同時也修改了燃料主控邏輯（將調節量從各臺給煤機指令和變為煤量反饋和），但并未相應修改燃料主控的PID參數，導致燃料主控穩定性下降，在出現煤量波動后需振蕩多個周期才能調節穩定。

根據上述分析，專業技術人員修改了DCS燃料主控PID參數及A～F中心給料機的定值設置，消除了煤量大幅波動的問題。

4.2 通過INFIT系統的針對性升級優化減小壁溫波動幅度

4.2.1 優化內容

（1）修改INFIT內部控制權重，減小負荷、主汽壓力的控制權重，增加過熱度的控制權重，整體的協調控制目標更傾向于保證過熱度的穩定。

（2）修正主汽溫對給水指令的影響權重，主汽溫快速降低時，將不會大幅的減小給水流量，避免對過熱度調節造成更多的影響。

（3）修正變負荷工況下INFIT系統內部煤、水控制的匹配度，加負荷時先增加燃料量，給水滯后較長時間再增加，避免水冷壁溫先快速下降，后又快速上升的情況；減負荷時先減少燃料量，給水滯后較長時間在減少，避免水冷壁溫先快速上升，后又快速下降的情況。

（4）水冷壁、末過等區域的壁溫超限定值送入INFIT系統，參與機組協調控制，壁溫超溫后，通過調節鍋爐給水流量，適當降低機組過熱度，減少水冷壁溫超溫次數。

（5）修改主汽壓力、過熱度小幅偏差時，燃料、給水調節的敏感度，理論上可以減小動態過程中的燃燒側、水側的熱偏差，減小壁溫波動。

4.2.2 優化效果

對比了調試前和調試后的機組運行曲線，如圖1所示（所有曲線量程一致，綠線為負荷、紅線為主汽溫、粉線和黑線為易超溫的水冷壁溫、藍線為過熱度）。可看出INFIT投入后：機組過熱度的波動大幅減小，水冷壁壁溫的波動有一定程度的減少，機組主汽溫度的波動和平均溫度均有較明顯的改善。

圖1 23日機組運行曲線（INFIT投入）

18～23日這5d的數據統計列于表1，其中壁溫的波動幅度較難用單一數據衡量，本次統計采用了“A040 P603MAXR—前墻水冷壁壁溫最大值的變化率”的越限次數進行比較，可以一定程度地表征統計意義上壁溫的波動嚴重程度。壁溫最大值的變化率的邏輯為前墻水冷壁壁溫經過大選模塊篩選后形成最大值，最大值經LEADLAG超前滯后模塊后的值進行相減運算，得出前墻壁溫變化率，前墻壁溫變化率進過限值模塊后應用CT計數模塊得出超限次數統計。

表1 數據統計表

5.結論及建議

（1）經過本次控制優化，壁溫的波動情況有所緩解，但目前升級后的INFIT系統投用時間還較短，還需要進一步的投用觀察和數據統計。

（2）控制優化對壁溫波動的抑制有一定的效果，但作用較有限。橫向比較，該機組的過熱度波動幅度已經明顯小于國內其他1000MW機組，但個別壁溫點的波動幅度卻明顯大于國內其他1000MW機組。并且在出現個別壁溫點大幅波動時，機組的過熱度和其他壁溫點都很穩定，可推測主要原因還是在于燃燒側的熱偏差和水側的工質流量偏差。

（3）降低機組運行參數（過熱度、主汽溫）可以一定程度的降低壁溫波動，比如同樣未投入INFIT系統的20日壁溫變化率超限次數明顯小于18日、19日，就是靠在低負荷段大幅降低過熱度和主汽溫（最低到545℃）來實現的，減輕程度也有限。如果采用該手段來減小壁溫波動，會對機組的安全性和經濟性產生影響，視情況可作為短時間抑制壁溫波動和超溫的非常規手段，不建議長期使用。

（4）機組每次啟、停制粉系統均會對壁溫造成大幅波動，停止給煤后磨煤機內仍有較多的存粉，給煤量并不等于實際進入爐膛的煤量，容易造成實際進入爐膛的給粉量突增。建議運行人員采用比較柔和的啟、停操作：啟磨時先把煤量加到30t/h左右的避免振動的最小煤量，穩定一段時間后再緩慢加煤至和其他給煤機一致，停磨時采用相同方法逆向操作，并且每次停磨盡量把存粉吹凈再關閉風門。

（5）投入INFIT協調系統后，當運行人員手動提高中間點過熱度設定值時，控制系統會同時加煤、減水雙向調節，控制速度比DCS協調明顯加快，實際分離器溫度會更快速的控制到設定值附近。因此在正常運行中，若無特別的異常工況，中間點過熱度設定值的一次修正幅度建議不超過4℃，否則將造成燃料、給水的大幅變化，不利于后續的穩定。

（6）在水冷壁雙切圓熱負荷疊加區增加水冷壁測點，水冷壁壁溫測點是監控水冷壁受熱狀態和爐膛燃燒情況的重要途徑，通過水冷壁管壁溫監測系統優化能夠有效監視各受熱管的溫度值，有利于水冷壁受熱面的不安全狀態進行分析并將壁溫超限值作用于INFIT控制系統中，以提高鍋爐水冷壁管運行的安全性。