660 MW超超臨界機(jī)組過(guò)熱汽溫控制策略分析

古 郁

(中電國(guó)際蕪湖發(fā)電廠，安徽 蕪湖 241009)

0 引言

汽溫和汽壓是超超臨界機(jī)組控制的難點(diǎn)，尤其是汽溫控制。過(guò)熱器出口汽溫的控制主要是由給水控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)給水量，制粉系統(tǒng)協(xié)調(diào)給煤量以一定的煤水之比來(lái)達(dá)到汽機(jī)進(jìn)口的流量及溫度要求，而減溫噴水可以補(bǔ)償局部的熱量和工質(zhì)分配的不平衡，改變瞬態(tài)過(guò)熱汽溫。對(duì)過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)方法的基本要求是:調(diào)節(jié)慣性小、可調(diào)范圍大，對(duì)循環(huán)熱效率影響?。?］。

中電國(guó)際蕪湖發(fā)電廠五期工程1#、2#鍋爐(以下簡(jiǎn)稱中電蕪湖)是北京 B＆W公司設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)660 MW超超臨界鍋爐，按美國(guó)B＆W公司SWUP鍋爐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

本文以該工程過(guò)熱汽溫控制策略為出發(fā)點(diǎn)，介紹實(shí)際工程中的控制方法，解決汽溫控制上的大慣性、大遲延問(wèn)題，并在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1 中間點(diǎn)控制

1.1 煤水比

在亞臨界至超(超)臨界壓力轉(zhuǎn)變過(guò)程中，臨界壓力工況點(diǎn)附近存在著最大比熱容區(qū)，直流鍋爐工質(zhì)定壓比熱容變得很大，工質(zhì)溫度隨焓值的變化很不敏感，動(dòng)態(tài)特性差異非常顯著［2］。因此，過(guò)熱汽溫控制需要將提供快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的減溫噴水與提供穩(wěn)態(tài)汽溫調(diào)整的煤水比協(xié)調(diào)起來(lái)，利用各自在汽溫調(diào)整上的優(yōu)勢(shì)，獲得整體汽溫調(diào)整和響應(yīng)性能的最優(yōu)。煤水比調(diào)整是保持汽溫的最終手段，但存在遲延大的缺點(diǎn)。

煤水比控制方式主要有兩種:穩(wěn)燃調(diào)水和穩(wěn)水調(diào)燃。前者改變過(guò)熱汽溫快，但將會(huì)引起負(fù)荷波動(dòng);后者改變過(guò)熱汽溫慢，但負(fù)荷控制精確。

在穩(wěn)定工況下，當(dāng)鍋爐給水量從G0變化到G1，對(duì)應(yīng)的燃料量B0變化到B1時(shí)，過(guò)熱器出口焓值的變化量可寫(xiě)為［2］:

由式(1)可計(jì)算出煤水比變化對(duì)汽溫的影響。當(dāng)直流鍋爐的燃料量與給水量不相適應(yīng)時(shí)，出口汽溫將發(fā)生劇烈變化。實(shí)際運(yùn)行中，為維持額定汽溫，必須嚴(yán)格控制煤水比。

1.2 焓值控制策略

中電蕪湖鍋爐煤水比控制是基于中間點(diǎn)焓值。目前國(guó)內(nèi)超(超)臨界機(jī)組的實(shí)際使用中，采用焓值控制的不多。焓值控制具有對(duì)煤水比失配反應(yīng)快、系統(tǒng)校正迅速的優(yōu)點(diǎn)。焓物理概念明確，焓值代表了過(guò)熱蒸汽的做功能力，隨工況改變焓給定值不但有利于負(fù)荷控制，而且也能實(shí)現(xiàn)過(guò)熱汽溫(粗)調(diào)整［3－5］。焓值控制策略的關(guān)鍵點(diǎn)就是對(duì)過(guò)熱器入口焓的設(shè)定。

1.2.1 過(guò)熱器入口焓的設(shè)定

過(guò)熱器入口焓設(shè)定值與分離器(儲(chǔ)水箱)出口壓力密切相關(guān)。分離器出口壓力代表負(fù)荷，也代表過(guò)熱器入口過(guò)熱度的要求成分，最終的焓控設(shè)定值必須保證在最大和最小焓值之間。

①分離器出口(儲(chǔ)水箱)壓力分別經(jīng)過(guò)3個(gè)F(X)函數(shù)發(fā)生器，得出最大(Hmax)、最小(Hmin)和基準(zhǔn)焓值(Hnorm)。分離器出口壓力與分離器出口壓力經(jīng)一階慣性環(huán)節(jié)后的值進(jìn)行大選，分別經(jīng)過(guò)2個(gè)F(X)函數(shù)發(fā)生器，得出高1、高2這2個(gè)值。焓值生成回路如圖1所示。

圖1 焓值生成回路Fig.1 Enthalpy value generating loop

②分離器出口溫度高1值減去分離器出口溫度，經(jīng)系數(shù)修正后，與“鍋爐指令反饋算出的總的減溫水流量與實(shí)際的減溫水流量的差值”進(jìn)行小選，而后送到焓值修正的PI調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器的輸出值即為焓控設(shè)定值的修正值?；鶞?zhǔn)焓值和“焓設(shè)定值的修正值”相疊加后，可得到正常工況時(shí)的焓設(shè)定值。焓修正值生成回路如圖2所示。

圖2 焓修正值生成回路Fig.2 Enthalpy correction loop

當(dāng)發(fā)生分離器出口溫度高高或機(jī)組在非直流方式下運(yùn)行10 min以及開(kāi)始降負(fù)荷等異常工況時(shí)，焓控的設(shè)定值切到最小的焓值，從而迅速增加給水，強(qiáng)制抑制水冷壁管溫度上升，隨后通過(guò)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)，逐漸將焓設(shè)定值恢復(fù)至正常。異常工況焓值系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 異常工況焓值系統(tǒng)框圖Fig.3 Enthalpy value system under abnormal condition

焓控的設(shè)定值與過(guò)熱器入口焓相減后，得到偏差信號(hào)，送到焓控PI調(diào)節(jié)器，得到焓值控制器輸出。正常時(shí)焓控的設(shè)定值減去給水的焓，可得出省煤器到分離器處的實(shí)際焓增。省煤器到分離器處的實(shí)際焓增是對(duì)給水指令中的靜態(tài)前饋部分的修正，靜態(tài)前饋部分確定了鍋爐負(fù)荷指令與給水流量之間的比值。該比值還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況作必要的修正。如當(dāng)加熱器未投用時(shí)，水冷壁入口的給水焓值顯然會(huì)偏低。為確保主汽溫度，應(yīng)適當(dāng)減小穩(wěn)態(tài)的給水流量，故設(shè)計(jì)了根據(jù)給水入口焓對(duì)靜態(tài)給水前饋指令的修正回路。

1.2.2 焓控制器和溫度控制器界限

蒸汽溫度控制要求建立正確的燃料與給水比例，焓修整控制器通過(guò)對(duì)分離器出口目標(biāo)焓值進(jìn)行修正，使一級(jí)減溫器的溫降達(dá)到目標(biāo)值。如果主蒸汽溫度偏離整定值，則實(shí)測(cè)的分離器出口焓值會(huì)偏離目標(biāo)值;如果在運(yùn)行中實(shí)測(cè)焓值超過(guò)初始設(shè)定焓值(目標(biāo)焓值)±450 kJ/kg時(shí)，則首先調(diào)整初始設(shè)定焓值(目標(biāo)焓值)，使其處于實(shí)測(cè)值的±450 kJ/kg之內(nèi)，即目標(biāo)焓值達(dá)到“目標(biāo)焓值控制界限”內(nèi)時(shí)，再進(jìn)行焓修正控制。焓控制器和溫度控制器界限如圖4所示。

圖4 焓控制器和溫度控制器界限Fig.4 Limits of enthalpy controller and temperature controller

為了防止大的波動(dòng)，焓的修正每次以100 kJ/kg為一個(gè)單位進(jìn)行，如當(dāng)實(shí)測(cè)分離器出口焓值比目標(biāo)焓值大440 kJ/kg時(shí)，第一步先將分離器出口焓值減去100 kJ/kg(這時(shí)實(shí)測(cè)焓值只比目標(biāo)焓值高340 kJ/kg)，待煤水比穩(wěn)定后再將分離器出口焓值減去100 kJ/kg(這時(shí)實(shí)測(cè)焓值只比目標(biāo)焓值高240 kJ/kg)。依此類(lèi)推，最后焓差不足100 kJ/kg時(shí)，就直接修正至目標(biāo)值，通過(guò)煤水比的調(diào)節(jié)使第一級(jí)減溫器的溫降恢復(fù)至其目標(biāo)值。

同理，當(dāng)實(shí)測(cè)分離器出口焓值低于目標(biāo)焓值時(shí)，則分離器出口焓值進(jìn)行正(加)的修正，通過(guò)煤水比的調(diào)節(jié)使第一級(jí)減溫器的溫降恢復(fù)至其目標(biāo)值。值得注意的是，為了保證分離器出口具有一定的過(guò)熱度，當(dāng)進(jìn)入爐膛的流量大于爐膛最小給水流量+682 t/h時(shí)，才允許對(duì)分離器出口焓值進(jìn)行負(fù)(減)的修正。

2 噴水減溫控制

采用噴水減溫能改變瞬態(tài)過(guò)熱汽溫，是對(duì)過(guò)熱汽溫的一種細(xì)調(diào)整手段［6］。末級(jí)過(guò)熱器出口汽溫控制分兩個(gè)運(yùn)行區(qū)間:一個(gè)是濕態(tài)運(yùn)行區(qū)，一個(gè)是直流運(yùn)行區(qū)。濕態(tài)運(yùn)行發(fā)生在機(jī)組啟動(dòng)期間，此時(shí)通過(guò)爐膛的水流量大于通過(guò)過(guò)熱器的蒸汽流量，多余的水被收集在貯水箱中。當(dāng)通過(guò)爐膛的工質(zhì)全部進(jìn)入過(guò)熱器時(shí)，鍋爐進(jìn)入直流運(yùn)行區(qū)，此時(shí)，除了要控制末級(jí)過(guò)熱器的出口汽溫外，還要防止每個(gè)過(guò)熱器管組入口進(jìn)入飽和狀態(tài)。

在超超臨界燃煤鍋爐中，通常使用三級(jí)噴水控制來(lái)提高可控性，可防備汽水分離器、水冷壁和過(guò)熱器上較大的溫度變化以及煤種引起的過(guò)熱器特性變化。

第一級(jí)噴水減溫只能作為主汽溫度的粗調(diào)節(jié)裝置，但能有效地控制分隔屏式過(guò)熱器進(jìn)口溫度參數(shù)，保證屏式過(guò)熱器管壁的溫度不超過(guò)允許值。主蒸汽溫度偏差信號(hào)主要用于第三級(jí)減溫器，這是因?yàn)榈谌?jí)減溫器對(duì)主汽溫度的控制最靈敏［7－9］。

若鍋爐超出力運(yùn)行，必須注意鍋爐各段受熱面的溫度水平，并適當(dāng)調(diào)節(jié)減溫水量，防止管壁過(guò)熱。中電蕪湖鍋爐過(guò)熱器設(shè)置了三級(jí)減溫(共6點(diǎn))。三級(jí)減溫器控制框圖如圖5所示。

圖5 三級(jí)減溫器控制框圖Fig.5 Block diagram of the 3-stage de-super-heater control

過(guò)熱汽溫減溫控制一般設(shè)計(jì)為二階超前/滯后PID串級(jí)控制系統(tǒng)［10］。中電蕪湖鍋爐減溫控制不是由傳統(tǒng)的串聯(lián)控制器組成的，而是由2個(gè)并聯(lián)的子回路組成以改進(jìn)控制(基于前饋+單回路控制)。第一個(gè)子回路提供本級(jí)減溫器出口汽溫控制，其整定值是經(jīng)與機(jī)組負(fù)荷有關(guān)的本級(jí)過(guò)熱器管組時(shí)間相應(yīng)函數(shù)延遲后得到的本級(jí)減溫器出口汽溫。第二個(gè)子回路控制實(shí)測(cè)本級(jí)過(guò)熱器出口汽溫與其整定值的比較，其偏差再加上一個(gè)與負(fù)荷有關(guān)的本級(jí)過(guò)熱器出口汽溫變化率的修正。本級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口汽溫需求值要經(jīng)過(guò)鍋爐負(fù)荷變化時(shí)過(guò)燒量或欠燒量的瞬態(tài)修正，以考慮溫度的瞬態(tài)變化。將本級(jí)過(guò)熱器出口汽溫偏差乘以本級(jí)過(guò)熱器出口蒸汽比熱與進(jìn)口蒸汽比熱的比值，并換算成本級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口汽溫偏差。該比值即為末級(jí)過(guò)熱器出口蒸汽壓力的函數(shù)。

系統(tǒng)在滑壓運(yùn)行時(shí)，比例加積分控制器的增益需作為機(jī)組負(fù)荷的函數(shù)而變化。如果一級(jí)過(guò)熱器出口的溫度值超過(guò)了該負(fù)荷對(duì)應(yīng)的一級(jí)過(guò)熱器出口的最大溫度限值，則溫度控制器將優(yōu)先降低分離器出口的溫度整定值，而不是像正常情況下那樣去維持一級(jí)減溫器的溫降。

3 優(yōu)化控制策略

中電蕪湖鍋爐試運(yùn)期間，根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)汽溫控制策略作出相應(yīng)調(diào)整。

①增設(shè)前饋信號(hào)作為PI調(diào)節(jié)器的設(shè)定值。該前饋信號(hào)為前級(jí)噴水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度指令或前級(jí)減溫噴水量對(duì)本級(jí)噴水影響權(quán)重。

②為控制過(guò)熱汽溫，在水控制回路中設(shè)計(jì)了ΔT控制器。ΔT控制器將一級(jí)減溫器前溫度設(shè)計(jì)值與測(cè)量值進(jìn)行比較，得到分離器出口蒸汽焓設(shè)定的修正值，進(jìn)入焓值調(diào)節(jié)器與實(shí)際的蒸汽焓進(jìn)行偏差運(yùn)算，輸出作為省煤器出口到分離器出口單位工質(zhì)焓增的修正值。修正的分離器出口蒸汽焓設(shè)定值減去省煤器出口實(shí)際焓值，即得到省煤器出口到分離器出口單位工質(zhì)焓增的基本值，基本值與修正值之和作為單位工質(zhì)在此段內(nèi)的最終焓增。在畫(huà)面增加ΔT控制器顯示，更有利于運(yùn)行人員操作。

4 過(guò)熱汽溫控制效果

經(jīng)過(guò)機(jī)組調(diào)試和正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)過(guò)熱汽溫控制策略的修改和控制參數(shù)的調(diào)整，汽溫、中間點(diǎn)焓值都控制在設(shè)定范圍之內(nèi)。經(jīng)過(guò)對(duì)運(yùn)行參數(shù)的分析，在大負(fù)荷范圍和高負(fù)荷變化速率的工況下，過(guò)熱汽溫都能及時(shí)調(diào)整，克服了大慣性和大延遲缺點(diǎn)，滿足機(jī)組安全運(yùn)行的需要。期間焓值最大動(dòng)態(tài)偏差為72 kJ/kg，一級(jí)減溫前汽溫最大動(dòng)態(tài)偏差為4 K，末級(jí)過(guò)熱汽溫始終控制在可調(diào)范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

中電蕪湖鍋爐采用基于中間點(diǎn)焓值校正給水自動(dòng)控制系統(tǒng)，確保分離器出口(過(guò)熱器進(jìn)口)的焓值等于給定值，減溫噴水沒(méi)有采用常規(guī)的串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而采用基于與鍋爐響應(yīng)特性匹配的前饋控制，克服了過(guò)熱汽溫大慣性和大遲延的問(wèn)題。過(guò)熱汽溫控制要協(xié)調(diào)好煤水比控制和減溫噴水之間的相互作用，使得燃料量、給水量和蒸發(fā)量等呈比例的調(diào)節(jié)，確保機(jī)組安全運(yùn)行。

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