600 MW超臨界W形火焰鍋爐機(jī)組給水控制策略分析

郭同書，趙明，朱能飛，李雷

(1.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 210032;2.華電四川珙縣發(fā)電有限公司，四川 宜賓 644600)

1 機(jī)組概況

華電四川珙縣發(fā)電有限公司(以下簡(jiǎn)稱珙縣發(fā)電公司)一期工程為2×600 MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。鍋爐為東方鍋爐股份有限公司設(shè)計(jì)的W形火焰、超臨界直流鍋爐。額定工況下過熱蒸汽壓力為25.4 MPa，溫度為571℃;再熱蒸汽進(jìn)、出口壓力分別為4.28 MPa和4.10 MPa，進(jìn)、出口蒸汽溫度分別為311℃和569℃。汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的600MW超臨界參數(shù)、中間一次再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)，額定功率為600 MW，機(jī)前主蒸汽壓力和溫度分別為24.2 MPa和566℃。

該工程采用TCS3000分散控制系統(tǒng)(DCS)，包括模擬量控制系統(tǒng)(MCS)、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)等10個(gè)子系統(tǒng)。數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)采用東汽－日立H5000M系統(tǒng)，給水泵汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(MEH)包含在TCS3000系統(tǒng)中。#1機(jī)組于2011年2月完成168 h試運(yùn)行，控制系統(tǒng)投入良好、品質(zhì)優(yōu)良。

直流鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)是滿足機(jī)組能量需求、響應(yīng)負(fù)荷變動(dòng)的重要途徑，也是控制主蒸汽溫度的一個(gè)最基本手段。現(xiàn)以該工程給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例，分析直流鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)。

2 W形火焰直流鍋爐對(duì)象及控制特性

2.1 W形火焰鍋爐特性

珙縣發(fā)電公司機(jī)組是國(guó)產(chǎn)600 MW超臨界W形火焰鍋爐的首次成功運(yùn)用。W形鍋爐由下部的拱形燃燒室和上部的輻射爐膛組成，前后突出的爐頂構(gòu)成爐拱，煤粉噴嘴及二次風(fēng)噴嘴裝在爐拱上并向下噴射。煤粉氣流向下流動(dòng)擴(kuò)展，在爐膛下部與二次風(fēng)、乏氣相遇經(jīng)過180°的轉(zhuǎn)彎向上流動(dòng)進(jìn)而形成W形。由于爐膛設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、較低的一次風(fēng)率、爐內(nèi)溫度高等特點(diǎn)，W形燃燒方式對(duì)無煙煤及揮發(fā)分低于12%的劣質(zhì)煤而言，在煤種適應(yīng)性、穩(wěn)燃能力、燃燒效率、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能等方面具備明顯的優(yōu)勢(shì)［1］。但由于存在直流鍋爐的蓄熱相對(duì)較小，參數(shù)耦合嚴(yán)重，W形鍋爐在配風(fēng)不當(dāng)時(shí)容易引起區(qū)域結(jié)渣，國(guó)內(nèi)對(duì)W形鍋爐在運(yùn)行、管理等方面經(jīng)驗(yàn)不足等因素［2］，珙縣發(fā)電公司對(duì)機(jī)組控制系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。

2.2 直流鍋爐的對(duì)象特性

直流鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在受熱面和汽水系統(tǒng)上。直流鍋爐沒有汽包，鍋爐給水依靠給水泵的壓頭依次通過加熱、蒸發(fā)和過熱受熱面變成過熱蒸汽。各受熱面之間沒有固定的分界點(diǎn)，隨著鍋爐負(fù)荷和工況的變動(dòng)，各受熱面長(zhǎng)度也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。

2.2.1 燃料、給水比控制的意義

穩(wěn)態(tài)工況下鍋爐一次工質(zhì)的熱平衡式［3］

式中:Hgr為過熱蒸汽的焓;Hgs為入口給水的焓;Q1為一次工質(zhì)的有效吸熱量;qVgs為給水流量。

式中:qmr為燃料量;Qdy為單位體積煙氣的放熱量;ηg1為鍋爐熱效率;Ψ1為一次工質(zhì)占鍋爐內(nèi)有效吸熱量的份額。

當(dāng)鍋爐正常運(yùn)行或工況變化不大時(shí)，其熱效率ηg1和一次工質(zhì)吸熱份額Ψ1變化不大，假定入口給水焓Hgs不變，則由式(1)和式(2)可以得到

對(duì)于超臨界鍋爐采用式(3)估算，當(dāng)燃料量和給水量的比值偏差為10%時(shí)，過熱汽溫的變化可達(dá)100℃，可見燃料量和給水量的變化對(duì)直流鍋爐過熱汽溫的影響很大。因此，為了保持一定的汽溫，必須保證燃料、給水的匹配，即保證

因此，保證燃料、給水比是維持過熱汽溫穩(wěn)定的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，也是直流鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個(gè)最重要的目標(biāo)和特征。

2.2.2 直流鍋爐水動(dòng)力特性

直流鍋爐與汽包鍋爐最大的不同是水冷壁的水動(dòng)力系統(tǒng)。直流機(jī)組采用定壓運(yùn)行還是滑壓運(yùn)行，與直流鍋爐的水動(dòng)力特性和汽水特性密切相關(guān)［4］。

(1)水動(dòng)力的多值性。鍋爐水冷壁的水動(dòng)力特性是指當(dāng)爐內(nèi)熱負(fù)荷一定時(shí)，水冷壁中工質(zhì)的流量與壓差的關(guān)系，即Δp=f(qm)，其中qm是質(zhì)量流量。水動(dòng)力的多值性是指平行工作的水冷壁管道在同樣壓差下對(duì)應(yīng)多個(gè)不同的流量的情況。直流鍋爐產(chǎn)生水動(dòng)力多值性的最主要原因是加熱段和蒸發(fā)段的共同存在以及蒸汽和水比容的差異。一般情況下，壓力越低，水冷壁入口水溫越低(欠焓越大)，水動(dòng)力多值性越嚴(yán)重。

(2)臨界壓力附近的大比熱容區(qū)。對(duì)于超臨界壓力下的水冷壁，雖然沒有汽水共存區(qū)，但在相變點(diǎn)(22.115 MPa，374℃)附近存在一個(gè)“大比熱容區(qū)”，水的物理特性急劇變化，導(dǎo)熱系數(shù)、動(dòng)力黏度急劇下降，焓和比容急劇上升，工質(zhì)比容變化很大，同樣使水動(dòng)力特性發(fā)生變化，也會(huì)出現(xiàn)多值性的問題。

因此，直流鍋爐壓力運(yùn)行方式取決于水冷壁能否得到穩(wěn)定的水動(dòng)力特性，對(duì)于低負(fù)荷段的流量多值性造成的不穩(wěn)定流動(dòng)，常采用保證最小流量的方法來解決。

2.3 直流鍋爐的控制特點(diǎn)

鑒于上述直流鍋爐的結(jié)構(gòu)和水動(dòng)力特性，與亞臨界汽包爐相比，直流鍋爐機(jī)組具有一些控制方面的特點(diǎn)［5］。

2.3.1 多輸入、多輸出對(duì)象模型

超臨界機(jī)組可以看成一個(gè)多輸入、多輸出的被控對(duì)象，輸入量為給水量、燃料量、汽輪機(jī)調(diào)門開度，輸出量為主蒸汽溫度、壓力和流量。

2.3.2 鍋爐和汽輪機(jī)的嚴(yán)重耦合

鍋爐和汽輪機(jī)之間的非線性耦合是超臨界機(jī)組難點(diǎn)之一。直流鍋爐的蓄熱相對(duì)較小，一般為同參數(shù)汽包爐的1/4～1/2，缺少了汽包的緩沖，鍋爐動(dòng)態(tài)特性受末端阻力的影響遠(yuǎn)比汽包鍋爐大，從而使主蒸汽壓力大幅度變化，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

2.3.3 非線性強(qiáng)

超臨界機(jī)組普遍采用變壓運(yùn)行方式，因此，超臨界機(jī)組也會(huì)在亞臨界范圍內(nèi)運(yùn)行。由于超臨界和亞臨界2個(gè)運(yùn)行區(qū)域工質(zhì)物性的巨大差異以及不同燃燒率下工質(zhì)相變點(diǎn)位置遷移等因素的影響，超臨界機(jī)組呈現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性特性和變參數(shù)特性，遠(yuǎn)比常規(guī)亞臨界機(jī)組難控制。

2.3.4 給水控制的多重任務(wù)

汽包爐給水控制的目的主要是維持鍋爐的汽包水位，而超臨界直流爐給水控制的主要目的是保證燃料/給水比、控制中間點(diǎn)溫度，以實(shí)現(xiàn)過熱汽溫的粗調(diào)，同時(shí)給水還承擔(dān)了調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷的任務(wù)。

3 給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析及應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

3.1 給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務(wù)

超臨界直流鍋爐給水調(diào)節(jié)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，保證燃料量與給水量的比例不變，滿足機(jī)組不同負(fù)荷下的給水量需求［6］。

當(dāng)機(jī)組工況變化時(shí)，汽水流程中各點(diǎn)工質(zhì)溫度(或焓值)的動(dòng)態(tài)特性相似，因此，可以用某中間點(diǎn)的微過熱汽溫來提前判斷給水和燃料是否失調(diào)。珙縣發(fā)電公司以汽水分離器出口作為中間點(diǎn)并控制該點(diǎn)的焓值代替溫度，其優(yōu)點(diǎn)在于［7］:

(1)焓值的物理概念明確，汽水分離器出口焓值對(duì)燃料、給水比失調(diào)反應(yīng)快，靈敏度高，系統(tǒng)校正迅速。

(2)汽水分離器出口焓值是分離器出口溫度和壓力的二元函數(shù)，當(dāng)工質(zhì)參數(shù)變化時(shí)具有較好的代表性，能夠在一定程度上克服臨界點(diǎn)汽水大比熱容現(xiàn)象。尤其對(duì)滑壓運(yùn)行的直流爐而言，控制焓值比控制溫度更科學(xué)。

(3)焓值代表了過熱蒸汽的做功能力，控制焓值不但有利于過熱汽溫粗調(diào)，也控制了過熱器入口蒸汽的初始做功能力，有利于負(fù)荷控制。

3.2 給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制策略

3.2.1 總體說明

珙縣發(fā)電公司2×600 MW超臨界機(jī)組給水控制分為4個(gè)不同的階段。

(1)啟動(dòng)階段，從鍋爐上水到點(diǎn)火前，采用給水流量定值控制。

(2)帶部分負(fù)荷階段，即在機(jī)組燃燒率低于30%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)時(shí)，鍋爐處于非直流運(yùn)行方式，分離器處于濕態(tài)運(yùn)行，起著汽水分離的作用。類似汽包爐的給水控制汽包水位，此時(shí)給水控制分離器水位，分離器中的水位由分離器至除氧器以及分離器至疏水?dāng)U容器的組合控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(3)純直流階段，在機(jī)組燃燒率大于30%BMCR后，鍋爐逐步進(jìn)入直流運(yùn)行狀態(tài)。鍋爐給水由直流運(yùn)行時(shí)帶焓值修正的燃料、給水比調(diào)節(jié)。

(4)停爐階段，尤其是故障停爐時(shí)的給水控制。

上述第(2)項(xiàng)、第(3)項(xiàng)是鍋爐點(diǎn)火后的控制，是直流鍋爐給水回路控制中的重點(diǎn)內(nèi)容。

3.2.2 控制策略

純直流后的給水控制是整個(gè)超臨界直流機(jī)組控制的核心部分，珙縣發(fā)電公司超臨界機(jī)組給水控制采用了典型的歐洲直流鍋爐的控制思路，采用給水來控制燃料、給水比，即中間點(diǎn)焓用給水來修正。因?yàn)榻o水的響應(yīng)較快，沒有制粉系統(tǒng)和燃燒過程的大時(shí)滯，比用燃料調(diào)節(jié)燃料、給水比有著明顯的優(yōu)勢(shì)。直流方式下給水調(diào)節(jié)原理如圖1所示。

圖1 直流方式下給水控制原理圖

(1)末級(jí)減溫器前、后溫差。在運(yùn)行過程中，鍋爐各受熱面在不同負(fù)荷情況下吸熱比例變化較大，若要保持各級(jí)減溫器出口汽溫和過熱汽溫為定值，各級(jí)噴水量變化會(huì)較大。為了克服這一缺點(diǎn)，珙縣發(fā)電公司采用保持末級(jí)減溫器前、后溫差的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。燃料、給水比作為過熱蒸汽溫度的粗調(diào)方式，著重于保持汽溫的長(zhǎng)期穩(wěn)定，噴水減溫器前、后溫差控制作為輔助調(diào)節(jié)手段，直接影響過熱蒸汽溫度。將調(diào)整燃料、給水比與噴水減溫二者協(xié)調(diào)起來，實(shí)現(xiàn)了燃料、給水比控制與噴水減溫控制方式間的解耦作用。

(2)總校正后的給水流量。給水操作臺(tái)的3個(gè)主給水流量信號(hào)經(jīng)主給水溫度修正后取中值，可得主給水量。該機(jī)組設(shè)計(jì)A側(cè)、B側(cè)的一級(jí)和二級(jí)減溫水均取自省煤器出口集箱，因此，總噴水量已包含在主給水量之中，主給水量即為總校正后的給水流量，不需要再加上總噴水量。

(3)調(diào)節(jié)過程。A側(cè)、B側(cè)末級(jí)減溫器前后溫差取均值，與鍋爐主控(BM)經(jīng)f1(x)形成的要求值進(jìn)行比較，其偏差送入溫差PID控制器;其輸出與調(diào)速級(jí)壓力經(jīng)函數(shù)f2(x)計(jì)算的前饋量相加，作為焓值設(shè)定值與用分離器出口溫度和出口壓力計(jì)算出的實(shí)際焓值比較，偏差送入焓值PID調(diào)節(jié)器;其輸出加上鍋爐主控經(jīng)f3(x)計(jì)算的前饋量作為給水量的設(shè)定值，該設(shè)定值與總校正后的給水流量的偏差送入給水調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生給水泵總指令信號(hào)，經(jīng)平衡算法后送入2臺(tái)汽動(dòng)給水泵來控制給水量。當(dāng)汽動(dòng)給水泵A，B都在自動(dòng)方式運(yùn)行時(shí)，可手動(dòng)設(shè)定2臺(tái)泵之間的轉(zhuǎn)速偏差，以適用不同負(fù)荷要求。當(dāng)汽動(dòng)給水泵A，B至少有1臺(tái)手動(dòng)時(shí)，自動(dòng)生成偏置，實(shí)現(xiàn)2臺(tái)泵負(fù)荷的平衡。電動(dòng)給水泵設(shè)計(jì)為定速泵，不參加上述自動(dòng)控制。

(4)焓值設(shè)定值計(jì)算。圖1中焓值的設(shè)定值是汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)壓力的函數(shù)，由于調(diào)節(jié)級(jí)壓力可以代表機(jī)組負(fù)荷，所以，f2(x)代表了不同負(fù)荷對(duì)過熱器進(jìn)口蒸汽的過熱度要求，也代表了汽輪機(jī)的能量需求。

(5)給水流量設(shè)定值限制回路。給水流量設(shè)定值經(jīng)鍋爐的最小省煤器入口流量限制和煤水交叉限制，防止在各工況下燃料和給水的失調(diào)。

3.3 給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)品質(zhì)的改善

為了提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性及負(fù)荷動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，應(yīng)加快鍋爐側(cè)的響應(yīng)尤其是給水的快速響應(yīng)，因此，在調(diào)試過程中對(duì)給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)做了合理的優(yōu)化，以提高其自適應(yīng)性能。

(1)保證燃料、給水比是直流鍋爐控制的首要任務(wù)，但給水和燃料對(duì)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)相差較大，給水響應(yīng)較快，一般只有幾十秒，而給煤變化的純延時(shí)一般為2～3 min。因此，圖1中鍋爐主控至給水指令前饋中加了慣性環(huán)節(jié)(LAG)，用以補(bǔ)償給水和給煤不同的動(dòng)態(tài)特性，防止二者的動(dòng)態(tài)不匹配。

(2)直流鍋爐給水對(duì)負(fù)荷的響應(yīng)遠(yuǎn)比燃料快，應(yīng)當(dāng)加快變負(fù)荷時(shí)給水的響應(yīng)。因此，上述LAG的時(shí)間滯后必須合適，在保證燃料、給水比的同時(shí)盡量加快給水指令的前饋?zhàn)饔谩Ｔ谡{(diào)試過程中慣性時(shí)間還區(qū)分了加負(fù)荷和減負(fù)荷，減負(fù)荷的LAG時(shí)間略長(zhǎng)于加負(fù)荷，這是為了加負(fù)荷時(shí)先加煤再加水，減負(fù)荷時(shí)先減煤再減水，防止變負(fù)荷中間點(diǎn)溫度過低或過高。

(3)變負(fù)荷時(shí)適當(dāng)減弱焓控的修正作用。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)變負(fù)荷時(shí)盡管焓控調(diào)節(jié)器的入口偏差加大，但在一定范圍內(nèi)不讓焓控修正回路動(dòng)作，燃料、給水比并未失調(diào)。因此，在加負(fù)荷和減負(fù)荷時(shí)對(duì)焓控調(diào)節(jié)器的入口偏差設(shè)置不同的死區(qū)，以減弱焓控的修正作用。

3.4 應(yīng)用效果［8－9］

機(jī)組在430～520 MW段升負(fù)荷時(shí)的實(shí)際運(yùn)行曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，當(dāng)機(jī)組在滑壓運(yùn)行方式時(shí)，給水流量響應(yīng)較快，主蒸汽流量和機(jī)組實(shí)際負(fù)荷幾乎保持相同的上升速率。主蒸汽溫度最大偏差控制在±5℃，分離器出口溫度偏差控制在±8℃。機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行良好。

圖2 機(jī)組在430～520 MW段滑壓升負(fù)荷運(yùn)行的主要運(yùn)行參數(shù)曲線

4 結(jié)束語

直流鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)在快速響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷需求以及保持機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性等方面都起著至關(guān)重要的作用，而且其控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，涉及設(shè)備較多，對(duì)設(shè)備和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性也有較高要求。本文對(duì)珙縣發(fā)電公司600 MW超臨界W形火焰直流鍋爐的給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了分析和改進(jìn)，提高了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能，控制效果良好。

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