對(duì)超臨界發(fā)電廠直流鍋爐給水控制系統(tǒng)探討

丘翊仙

（廣東紅海灣發(fā)電有限公司，廣東 惠州 516600）

1、機(jī)組簡(jiǎn)介

汕尾電廠一期2×600MW工程三大主機(jī)均由東方鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)提供。

鍋爐型號(hào)：DG1900/25.4--Ⅱ2。鍋爐采用單爐膛，倒U型布置、平衡通風(fēng)、一次中間再熱、前后墻對(duì)沖燃燒、尾部雙煙道，再熱汽溫采用煙氣擋板調(diào)節(jié)，復(fù)合變壓運(yùn)行，超臨界本生直流爐。鍋爐的循環(huán)系統(tǒng)由啟動(dòng)分離器、貯水罐、下降管、下水連接管、水冷壁上升管、及汽水連接管等組成。在負(fù)荷≥28%B-MCR后，直流運(yùn)行，一次上升，啟動(dòng)分離器入口具有一定的過熱度。機(jī)組正常情況下投入2臺(tái)各帶50%BMCR負(fù)荷的汽動(dòng)給水泵，35%BMCR負(fù)荷容量的電動(dòng)泵備用。

汽輪機(jī)型式:TC4F-40沖動(dòng)式，單軸三缸四排汽再熱凝汽式汽輪機(jī)，而且小汽輪機(jī)與主機(jī)共用一套抗燃油液壓控制油系統(tǒng)。汽機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用數(shù)字式電液控制系統(tǒng)。

發(fā)電機(jī)型號(hào)：QFSN-600-2-22A，水-氫-氫冷卻方式汽輪發(fā)電機(jī)。氫油水系統(tǒng)采用集裝式布置。

DCS控制系統(tǒng)由愛默生公司提供的OVATION分散控制系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）、鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）、汽機(jī)旁路控制系統(tǒng)（BPC）、給水泵汽輪機(jī)控制(MEH)、電氣控制（ECS）等功能、汽機(jī)控制系統(tǒng)（DEH）、和其它控制系統(tǒng)（有數(shù)據(jù)通訊接口）的監(jiān)控功能，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)工藝系統(tǒng)的全過程控制，以滿足各種運(yùn)行工況的要求，確保機(jī)組安全、高效運(yùn)行。

2、給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1、控制的難點(diǎn)與控制任務(wù)

2.11、控制的難點(diǎn)

（1）直流鍋爐蓄熱量小，蒸汽壓力等參數(shù)更容易受負(fù)荷變化的影響，尤其是單元制運(yùn)行方式下帶變動(dòng)負(fù)荷的直流鍋爐，如何提高鍋爐對(duì)負(fù)荷變動(dòng)的響應(yīng)速度，比汽包鍋爐控制提出更高要求。

（2）直流鍋爐屬多變量相關(guān)被控對(duì)象，汽溫控制與負(fù)荷控制之間存在關(guān)聯(lián)，在提高鍋爐對(duì)負(fù)荷變化的響應(yīng)速度，穩(wěn)定汽壓的同時(shí)，要保持汽溫的穩(wěn)定，與汽包鍋爐控制存在差異。由于燃料量與給水流量均可作為汽壓或汽溫的調(diào)節(jié)變量，因此，直流鍋爐負(fù)荷控制與汽溫控制之間存在不同的變量配對(duì)選擇及解耦方式選擇，這些不同的選擇即組成直流鍋爐控制系統(tǒng)的不同方案。

（3）直流鍋爐汽溫被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性存在很大差異，其出口汽溫更容易受到各種擾動(dòng)的影響。

影響汽溫的因素很多，通常包括給水溫度，燃料發(fā)熱量，火焰中心的移動(dòng)，過?？諝饬康淖兓笆軣崦嬉蚪Y(jié)焦、積灰所引起的傳熱系數(shù)的改變等。但對(duì)汽溫影響最大的是作為調(diào)節(jié)變量的燃料量與給水流量之間比例的改變。因此，保持鍋爐燃水比例關(guān)系對(duì)于汽溫控制是非常重要的。

在這個(gè)意義下，直流鍋爐汽溫控制可分為燃水比控制與噴水減溫相互獨(dú)立的分段調(diào)節(jié)法、燃水比控制與噴水減溫相互聯(lián)系的調(diào)節(jié)方法、以及燃水比控制與噴水減溫共同調(diào)節(jié)出口汽溫的方法。

2.12、控制任務(wù)與控制原則

直流鍋爐給水控制系統(tǒng)不同的設(shè)計(jì)可能有不同的控制任務(wù)。超臨界發(fā)電機(jī)組沒有汽包，鍋爐給水控制系統(tǒng)的主要任務(wù)不再是控制汽包水位，而是以汽水分離器出口溫度或焓值作為表征量，保證給水量與燃料量的比例不變，滿足機(jī)組不同負(fù)荷下給水量的要求。

根據(jù)該機(jī)組實(shí)際情況，給水控制系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下控制任務(wù)：

（1）控制給水量以響應(yīng)鍋爐負(fù)荷的變化；

（2）保證汽水分離器出口溫度在相變點(diǎn)之上；

（3）通過控制給水量來調(diào)節(jié)過熱器中間點(diǎn)的溫度；

（4）盡量保持給水流量穩(wěn)定，以保證省煤器和給水管道安全運(yùn)行。

針對(duì)超臨界發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的特點(diǎn)，其控制原則如下：

（1）要求保持燃料量與給水流量之間比值關(guān)系不變，保證過熱蒸汽溫度為額定值。當(dāng)有較大的溫度偏差，若僅依靠噴水減溫的方法來校正溫度，需要大量的減溫水，這不僅進(jìn)一步加劇燃水比例失調(diào)，還會(huì)引起噴水點(diǎn)前各段受熱面金屬和工質(zhì)溫度升高，影響鍋爐安全運(yùn)行。

（2）采用微過熱汽溫作為燃水比校正信號(hào)，不能直接采用燃料量或給水流量來調(diào)節(jié)過熱汽溫。雖然鍋爐出口汽溫可以反映燃水比例的變化，但由于遲延很大，不能以此作為燃水比例的校正信號(hào)。因此，通過保持一定的燃水比例，維持微過熱點(diǎn)的汽溫（或焓值）一定，以間接控制出口汽溫。

2.2、被控量與前饋量

在確定初步控制任務(wù)后，決定使用分離器出口蒸汽焓值作為給水控制對(duì)象的被控量。這是因?yàn)楦鶕?jù)焓熵圖確定焓值，可以保證汽水分離器出口溫度在相變點(diǎn)之上，而且考慮到正常運(yùn)行時(shí)過熱管道基本為定壓運(yùn)行，保證焓值不變可以從系統(tǒng)上保證過熱器溫度。

在確定焓值為被控量之后，給煤量就成了主要的外部擾動(dòng)因素。由于給煤量的變化需要經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間才能引起爐膛熱量的變化，進(jìn)而影響焓值，因此給煤量擾動(dòng)存在延遲性，作為控制通道不合適，而作為擾動(dòng)通道則沒有什么影響。

給水控制的目的是控制總給水流量，以滿足當(dāng)前鍋爐輸入指令?？偨o水流量在省煤器入口測(cè)量。鍋爐輸入指令經(jīng)反映鍋爐負(fù)荷－給水流量關(guān)系的函數(shù)關(guān)系生成穩(wěn)態(tài)的給水流量指令，該指令與給水回路的鍋爐輸入加速指令相加，指令相加后的指令接受總?cè)剂狭康慕徊嫦拗?，以保證調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生的不平衡始終不超出規(guī)定限值。

另外，在機(jī)組啟動(dòng)工況下，考慮到機(jī)組的熱平衡，有一啟動(dòng)偏置加到鍋爐給水流量指令中、同時(shí)該偏置也加到最小給水流量限值中。為了避免省煤器汽化現(xiàn)象的發(fā)生，在給水流量指令上還加上經(jīng)保證省煤器出口一定過冷度計(jì)算給出的正偏置，以增加給水流量。

主調(diào)節(jié)器對(duì)給水流量偏差進(jìn)行比例加積分運(yùn)算、產(chǎn)生送給下一級(jí)副調(diào)節(jié)器（鍋爐給水泵流量調(diào)節(jié)器）的鍋爐給水泵流量指令。

2.3、控制流程

在控制任務(wù)、被控量與前饋量確定之后，即可得到如圖1的省煤器入口給水流量設(shè)定值。按照傳統(tǒng)給水三沖量的設(shè)計(jì)原則，將省煤器入口實(shí)際給水流量作為反饋，得到完整的給水控制框圖。在圖1中，機(jī)組相對(duì)負(fù)荷即功率指令。由于功率指令改變時(shí)，給煤量需經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間才能轉(zhuǎn)化為熱量，而給水量變化也有滯后性，為了避免兩者變化不同步造成主汽溫度、壓力和實(shí)際功率的波動(dòng)，在機(jī)組相對(duì)負(fù)荷后增加1個(gè)延遲環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，使兩者變化同步。焓值由汽水分離器出口的溫度和壓力構(gòu)成的二元函數(shù)換算而來，具體數(shù)值可以從水蒸氣焓熵表上查得。

3、實(shí)際運(yùn)行中存在的問題及改進(jìn)措施

在機(jī)組運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)上述控制方案存在一系列技術(shù)問題，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了大量更改。

（1）引入減溫器溫差作為1個(gè)被控量。當(dāng)過熱器中間點(diǎn)溫度變化過大時(shí)，可以直接控制給水量，使之與爐膛熱量平衡，盡快從根本上消除造成過熱汽溫變化的擾動(dòng)。引入減溫器溫差的同時(shí)，在減溫器溫差的控制通道中增加了手操器，這樣既可以防止切換時(shí)出現(xiàn)偏差，又給運(yùn)行人員提供1個(gè)參與改變焓值設(shè)定的手段，同時(shí)也可以將控制通道的作用限制在一定范圍內(nèi)。

（2）被控量汽水分離器出口焓值由溫度代替。這是一個(gè)迫不得已的辦法，盡管焓值比溫度的變化更敏感，線性度更好，但是從電廠資料中無法獲得焓值隨負(fù)荷變化的設(shè)定值。該焓值由溫度代替后，因?yàn)閮H僅依靠溫度無法保證汽水分離器出口蒸汽的過熱狀態(tài)，即無法保證相變點(diǎn)，所以在溫度值設(shè)定端增加即時(shí)壓力下對(duì)應(yīng)的飽和溫度，以保證分離器出口始終是微過熱蒸汽。

（3）修正爐水循環(huán)泵流量。在鍋爐完全由濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)后，爐水循環(huán)泵流量對(duì)給水流量沒有影響。但在其他狀態(tài)下，爐水循環(huán)泵流量變化會(huì)改變省煤器入口給水流量，這時(shí)就必須進(jìn)行爐水循環(huán)泵流量修正，因此，在該處增加了1個(gè)類似微分的前饋環(huán)節(jié)。

（4）在鍋爐主控?cái)_動(dòng)通道上增加1個(gè)環(huán)節(jié)。由于給煤量轉(zhuǎn)化為熱量的滯后性，如果直接增加給水量，有可能會(huì)造成兩者變化不同步，進(jìn)而對(duì)主汽壓力、溫度、負(fù)荷等都造成擾動(dòng)，而增加該環(huán)節(jié)，調(diào)試人員可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整延遲環(huán)節(jié)。

（5）增加了汽水分離器實(shí)際出口溫度的微分前饋環(huán)節(jié)。當(dāng)實(shí)際溫度有微小變化時(shí)，要盡量克服通道延遲，盡快消除擾動(dòng)造成的偏差。

（6）最難調(diào)節(jié)的是增減負(fù)荷時(shí)的過熱器主蒸汽溫度。因?yàn)樵摐囟戎饕獩Q定于煤水是否平衡，所以在增減負(fù)荷時(shí)，由于水快煤慢，會(huì)造成分離器出口溫度有較大波動(dòng)，進(jìn)而造成負(fù)荷大幅波動(dòng)。通過在初期運(yùn)行時(shí)修正代表給煤滯后的函數(shù)值f（x），可以找到1個(gè)比較好的平衡點(diǎn)。

通過一系列的改進(jìn)，最終的給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2。

4、整定及投入原則

在整定時(shí)，首先將焓值手操器置為手動(dòng)，在負(fù)荷不變時(shí)整定給水流量PID，原則是快，因?yàn)樗莾?nèi)回路，相當(dāng)于焓值回路的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；然后，在負(fù)荷不變時(shí)整定焓值PID（外回路）；最后，做變負(fù)荷擾動(dòng)。在轉(zhuǎn)干態(tài)前（負(fù)荷小于33%），由于焓值手操器切手動(dòng)，所以給水泵屬于流量定值調(diào)節(jié)，其值為630 t/h（33%額定流量）加運(yùn)行人員手動(dòng)偏置值（焓值手操器設(shè)定值），給水旁路閥也屬于流量定值調(diào)節(jié)；在轉(zhuǎn)干態(tài)后（負(fù)荷大于33%），爐水循環(huán)泵停止，361閥關(guān)閉，分離器出口蒸汽為過熱狀態(tài)，這時(shí)焓值手操器自動(dòng)投入，給水泵變?yōu)檎{(diào)節(jié)分離器出口溫度（或焓值），給水旁路閥可以切主閥，退出自動(dòng)調(diào)節(jié)，也可以中停主給水閥，給水旁路閥依然屬于流量定值調(diào)節(jié)。省煤器入口流量為循環(huán)泵流量加給水泵出口流量。

需要注意的是，在轉(zhuǎn)干態(tài)前或未并網(wǎng)時(shí)，分離器出口蒸汽接近飽和態(tài)，還不是過熱蒸汽。

5、效果

在最初的調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題都是由于超臨界直流爐的構(gòu)造引起的，改進(jìn)后的給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可以基本克服調(diào)試中出現(xiàn)的問題，有效完成控制任務(wù)，同時(shí)能快速響應(yīng)，在主要的邏輯設(shè)計(jì)上可以滿足該超臨界機(jī)組的任務(wù)要求，是1個(gè)較為成功的給水控制方案。

[1]樊泉桂.亞臨界與超臨界參數(shù)鍋爐[M].北京：中國電力出版社，2006.