超超臨界機組多級煙氣換熱自動控制探討

上海電力建設啟動調整試驗所有限公司 金麒麟

隨著鍋爐機組容量和運行參數的提高，空預器入口煙溫隨之提高[1]。為控制排煙溫度，目前一些新建機組和部分在役機組通過各種技術方式增加煙氣余熱回收裝置，對常規給水及凝結水系統進行改造，高壓側給水和低壓側凝結水利用鍋爐的煙氣溫度進行加熱，汽輪機抽汽量減少的同時，能增加汽輪機做功工質，從而提升鍋爐效率，使得汽輪機熱耗率及機組發電煤耗率有效降低。整個多級煙氣換熱涉及的系統包括煙氣系統、抽汽系統、凝結水系統、給水系統、吹灰系統等。

1 高低壓省煤器系統

1.1 煙氣側系統布置

鍋爐煙氣通過空預器主路加熱一、二次風溫，對于未配備空預器旁路加熱系統的機組，空預器出口煙溫受鍋爐負荷、一二次風量的影響較大，其熱損耗的利用率無有效的控制手段?？疹A器煙氣旁路系統則是在鍋爐尾部煙道設置一套與現有的空預器并聯布置的旁路通路，在確保一、二次風溫溫升滿足機組設計要求的情況下，根據鍋爐負荷調節空預器旁路煙道擋板的開度，使一部分煙氣通過煙道旁路上的高/低壓省煤器，利用這部分煙氣中的熱量給高壓給水和低壓凝結水加熱。降溫后的旁路煙氣與空預器主路出口煙氣匯合后，再與安裝在除塵器前煙道的低溫省煤器完成熱交換。

對于采用排煙加熱的設備，其換熱能效，受機組負荷變化影響，為保證煙氣溫度在酸露點之上，避免除塵器、煙道、引風機等發生低溫腐蝕[2]，需綜合考慮煙氣溫度控制方案。當機組負荷低于30%時，由于鍋爐排煙溫度過低，高/低壓省煤器及低低溫省煤器不投入運行。高/低壓省煤器系統圖如圖1所示。

圖1 高/低壓省煤器系統示意圖

1.2 水側系統布置

高壓省煤器從3號高加入口前引出部分鍋爐給水至高壓省煤器進行加熱，分兩路分別通過高壓省煤器進出口聯箱。加熱后的給水與高加出口的給水進行混合后，匯入主給水管道。高壓省煤器進口的電動調節閥通過控制流經高壓省煤器的給水量，從而調節進入鍋爐省煤器的最終給水溫度。

低壓省煤器從8號低加入口引出部分凝結水，通過增壓泵進入低壓省煤器，加熱后的凝結水從低壓省煤器出水集箱引出，匯入除氧器。運行過程中，通過改變7號低加出口閥門的開度，可有效調節低壓省煤器進口水溫，進而影響熱交換器的煙氣換熱量。高/低壓省煤器將煙氣余熱引入機組回熱系統后，能夠有效地提高給水溫度和凝結水溫度。

1.3 控制方案

高/低壓省煤器系統被控參數通常包括：空預器出口混合后的煙氣溫度、高壓省煤器出水溫度以及低壓省煤器出水溫度。

空預器主要是利用鍋爐尾部煙氣余熱來加熱爐膛一、二次風的換熱設備，未配備空預器旁路加熱系統的機組，空預器出口煙溫受鍋爐負荷、一二次風量的影響較大，其熱損耗的利用率無有效的控制手段。通過在空預器增設旁路煙道及擋板，在確保煙氣溫度高于酸露點溫度的同時，實時調節一、二次風的工作溫度與設定溫度的偏差。當兩者設定溫度的偏差在一定范圍內，煙氣擋板的開度為鍋爐負荷的函數，負荷小于30%BMCR時，擋板保持關閉。當風溫偏差超出設定時，煙氣擋板的開度設定根據溫度偏差量進行動態修正。同時，把空預器出口混合后的煙溫與煙氣酸露點溫度值作為煙氣擋板閉鎖增的保護條件，尤其是在鍋爐負荷相對較低階段?？刂品桨溉鐖D2所示。

圖2 高/低壓省煤器控制方案示意圖

圖3 低溫省煤器系統示意圖

高、低壓省煤器水側分別通過高省進水調節閥，以及低省增壓泵的頻率調節控制進入省煤器的給水及凝結水流量。鍋爐負荷以及被加熱工質流量的變化，最終會對給水及除氧器的水溫產生一定影響。高壓省煤器溫度設定值為當前給水壓力下飽和溫度減去裕量值，在保證省煤器不沸騰的情況下，盡可能提高給水溫度以達到降低煤耗經濟運行的目標。低壓省煤器則通過鍋爐負荷對應的函數，疊加ΔT作為低省給水出口水溫的設定值。當水溫小于設定值時，表明此時煙溫過低，換熱量不足，通過關小閥門或降低變頻泵的指令，減少被換熱的工質流量，提高工質溫升，反之亦然。

需要注意的是，為了保證增壓泵最低通流量，當增壓泵運行時，兩路進水閥開度之和應當大于50%。

2 低溫省煤器系統

2.1 系統布置

低溫省煤器布置在空預器至除塵器之間的煙道內，可有效回收排煙余熱，加熱熱媒水，降低排煙溫度。低溫熱媒水進入煙氣換熱器系統，經煙氣換熱器系統內翅片管換熱面吸收煙氣熱量，變成高溫熱煤水。高溫熱煤水分別進入一次風暖風器和二次風暖風器加熱空預器入口冷風，與冷風換熱后變為低溫熱媒水，通過循環水泵再次進入煙氣換熱器系統吸收煙氣熱量，完成閉式循環。整個熱水循環系統采用變頻水泵建立閉式循環。

在機組啟動的階段或煙氣換熱系統無法投運時，熱水循環系統可采用輔助蒸汽進行加熱，盡快提高一、二次風進風溫度，縮短機組啟動時間。隨著鍋爐負荷升高，逐步退出輔汽系統。

2.2 控制方案

低溫省煤器整個控制方案要確保系統運行中的入口水溫和出口煙溫在酸露點溫度之上，避免除塵器、煙道、引風機腐蝕的風險。控制重點在于讓管壁溫度略高于露點溫度，而排煙溫度略高于管壁溫度，同時又要保證暖風器的換熱效率最高?？紤]機組負荷有一定的滯后性，選擇比機組負荷能夠更快反應鍋爐負荷變化的參數，如主蒸汽流量、總燃料量、總風量等，作為控制前饋[3]。

暖風器水側的調節閥通過調節流經一、二次風暖風器的閉環水流量，從而控制一、二次風溫度的配比，取一、二次風暖風器的溫度與其設定溫度的偏差大值作為被控對象。

低低溫省煤器共有四組出口煙溫，取四組的最小值作為被控對象，確保煙溫高于酸露點溫度。假如采用常規的單回路調節系統，由于溫度對象都有較大的慣性，且從煙溫變化傳導到水溫，再經由水溫傳導到風溫，整個控制系統路徑過長，變化速率慢，尤其是當燃燒工況不穩定、鍋爐增加負荷或者啟停制粉系統時，更為明顯。為了提高系統的響應速度和精度，采用動態前饋和靜態前饋相結合的方式調節。

當鍋爐負荷變化或制粉系統啟停時，最先變化的參數就是風量，而且低低溫省煤器最終被調量也是一、二次暖風器出口的風溫。因此，采用一次風和二次風的指令疊加限幅后作為靜態前饋。另外，低低溫省煤器上游空預器主路和旁路的換熱量也會影響除塵器入口煙溫PID的調節，因此分別通過對空預器進、出口溫度進行微分、限幅處理后作為循環泵頻率控制的動態前饋。對于負擔調峰任務的機組，還可增加負荷指令微分前饋[4]，更加快速的響應系統被調量的變化。

通過動態和靜態前饋的設置，可改善因負荷變化及入口煙溫變化引起的擾動?；A控制方案如圖4所示。

圖4 低溫省煤器控制框圖

綜上，超超臨界機組多級煙氣換熱系統有效利用鍋爐排煙余熱，提高了機組的熱效率，其中煙氣出口溫度調節及煙氣側進出口溫降是主要控制任務。隨著煙氣換熱器數量的增加，安裝位置和換熱方式也趨于多元化，需要對各個熱力參數有針對性地進行控制，才能在確保機組及設備安全正常運行的前提下，最大限度地利用煙氣余熱，實現機組的節能減排。