淺談發(fā)電廠集控的汽水系統(tǒng)與鍋爐控制

摘 要：隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，對能源的需求量也日益增加，發(fā)電廠的容量不斷提高，這也給發(fā)電廠的集控系統(tǒng)提出了更高的要求，本文結合作者自身工作實踐，介紹了發(fā)電廠的汽水循環(huán)系統(tǒng)，詳細分析和研究了鍋爐的三種控制方式，希望能為廣大同行提高有益經(jīng)驗。

關鍵詞：發(fā)電廠；集控；汽水系統(tǒng)；鍋爐控制

引言

隨著我國國民經(jīng)濟的進步和電力工業(yè)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代發(fā)電廠正向著規(guī)?；图锌刂频姆较虬l(fā)展。大容量和特大容量的發(fā)電廠不斷增多。近年來，我國建設的火電廠中，至少為300MW的發(fā)電機組，目前還有一批600MW和1000MW的超臨界和超超臨界機組將投運。

火電廠的工作原理即為利用燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量來加熱鍋爐中的水，使其受熱后成為蒸汽和過熱蒸汽，這些具有很大熱量的蒸汽推動汽輪機轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的動能帶動發(fā)電機發(fā)電。火電廠的集控運行是指利用計算機、控制、通信、圖形顯示技術，對火電廠的生產(chǎn)和運行過程進行集中控制，將機、爐、電的控制集合為一體的方法，包括正常情況下的運行狀態(tài)和參數(shù)的監(jiān)視、緊急情況下的事故處理和啟停機控制等。

對于現(xiàn)代火電廠來說，鍋爐、汽輪機和發(fā)電機是其三大核心設備。下文中，將就發(fā)電廠集控運行中的汽水系統(tǒng)和鍋爐控制展開研究。

1 發(fā)電廠集控的汽水系統(tǒng)

發(fā)電廠主要有三大主系統(tǒng)：燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。其中，發(fā)電廠的汽水系統(tǒng)主要由鍋爐、汽輪機、凝汽器、加熱器、除氧器等組成，包括給水系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)和補水系統(tǒng)三個方面。汽水系統(tǒng)的循環(huán)圖如下圖1所示：

由省煤器、汽包、下降管、水冷壁、過熱器等設備組成，汽水系統(tǒng)主要任務是使鍋爐中的水汽經(jīng)過吸收-蒸發(fā)-過熱處理等環(huán)節(jié)后，成為過熱蒸汽。

如上圖1所示，汽水系統(tǒng)主要由汽包、水冷壁、過熱器和再熱器、省煤器等構成。鍋爐給水后，汽包接收省煤器的來水，鍋爐內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣加熱汽包中的水，產(chǎn)生的高溫蒸汽經(jīng)過過熱器加熱，汽包中出來的飽和蒸汽變?yōu)檫^熱蒸汽，推動汽輪機旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機做功，在汽輪機高壓缸中，經(jīng)過膨脹做功的蒸汽再引入再熱器，再次升溫后送入汽輪機再次做功，達到能量的最大化使用。汽輪機中的凝汽器則將汽輪機排氣口排出的氣體經(jīng)過冷卻后凝結為水，經(jīng)過低壓加熱器加熱，并經(jīng)過除氧器除去水中妨礙傳熱和腐蝕金屬的游離氧，再經(jīng)高壓加熱器加熱后送回鍋爐，補充水系統(tǒng)用來在鍋爐和汽輪機之間補充工質(zhì)損失。經(jīng)過如圖中所示過程后，發(fā)電廠就完成了一次完整的汽水循環(huán)。

2 發(fā)電廠集控的鍋爐控制

鍋爐是火力發(fā)電廠的三大核心設備之一，在發(fā)電廠的運行中，燃料首先在鍋爐的爐膛中燃燒，成為很高溫度的煙氣，當煙氣從鍋爐的水管中流通時，加熱了鍋爐內(nèi)的水，使之成為飽和蒸汽，再經(jīng)過過熱流程，成為過熱蒸汽，最后通過管道去推動汽輪機做功。

鍋爐根據(jù)容量、燃燒方式、循環(huán)方式等的區(qū)別，又可以分為各種不同類型。我單位所使用的為哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的2330MW鍋爐，使用亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、單爐膛、自然循環(huán)汽包爐，固態(tài)干式排渣。

鍋爐的汽包水位是鍋爐運行的一個重要參數(shù)，反映出鍋爐的蒸汽量與給水量的關系。汽包的水位太高或太低，都會對鍋爐的正常運行帶來不利影響。當汽包水位過高時，內(nèi)部的蒸汽空間變小，產(chǎn)生蒸汽飽和水量大，影響蒸汽質(zhì)量。當汽包水位過低時，因補水不及時，蒸汽產(chǎn)生量會急劇加快，造成缺水，干鍋，甚至發(fā)生爆炸事故。所以，鍋爐的給水自動控制系統(tǒng)是鍋爐的控制中的核心環(huán)節(jié)。

在鍋爐的給水控制中，需要注意的是當鍋爐中的蒸汽增加時，由于鍋爐的汽泡量也隨之增加，產(chǎn)生的“虛假水位”現(xiàn)象，“虛假水位”現(xiàn)象可能引起控制系統(tǒng)減少給水量，進而加劇蒸汽和給水量之間的不平衡，帶來水位偏差。

現(xiàn)代鍋爐的控制主要有以下三種方式：

（1）單沖量給水控制系統(tǒng)：

單沖量給水控制系統(tǒng)是指變送器將實測的汽包水位信號PID送到調(diào)節(jié)器，與給定的定值比較偏差，再根據(jù)偏差來決定調(diào)節(jié)信號，并經(jīng)運算放大器輸出信號。也即單沖量給水控制系統(tǒng)只根據(jù)汽包水位PID的變化來控制給水閥門開度，決定水位的給定值。

單沖量給水控制系統(tǒng)控制簡單，運行可靠，但是其不能反映出“虛假水位”的現(xiàn)象，控制器可能反向誤動作。另外，它對蒸汽量和給水量的擾動也不夠靈敏，所以，其僅適用于蒸汽量比較穩(wěn)定的較小容量鍋爐。

（2）雙沖量給水控制系統(tǒng)

雙沖量給水控制系統(tǒng)使用鍋爐水位變化量H和蒸汽量信號D這兩個變量來協(xié)同控制調(diào)節(jié)器，決定鍋爐的進水量。雙沖量給水控制系統(tǒng)彌補了單沖量給水控制系統(tǒng)的不足，當蒸汽量發(fā)生變化時，雖然鍋爐水位變化量H已經(jīng)很難測量準確，但蒸汽量信號D將使給水調(diào)節(jié)閥動作，進而給出控制信號，增加給水量來抵消“虛假水位”影響。

雙沖量給水控制系統(tǒng)適用于蒸汽量經(jīng)常變化的鍋爐。雖然可以抵消“虛假水位”影響，但同單沖量給水控制系統(tǒng)相同，它仍然不能及時反映和補償給水擾動。

隨著現(xiàn)代鍋爐向著大容量的方向發(fā)展，參數(shù)也隨之復雜。一般情況下，鍋爐的容量越大，汽包的容量和容許波動的量都越小，當給水量不足引起缺水現(xiàn)象時，更容易發(fā)生事故，另外，如果幾臺較大容量的鍋爐并列運行，還可能發(fā)生水位控制互相干擾的情況。這種情況下，雙沖量給水控制系統(tǒng)由于不能反映給水量的自發(fā)變化和擾動，已經(jīng)不再適用，在此背景下，產(chǎn)生了三沖量給水控制系統(tǒng)。

（3）三沖量給水控制系統(tǒng)

三沖量給水控制系統(tǒng)又分為單級和串級兩種方式。

（a）單級三沖量給水控制系統(tǒng)：

單級三沖量給水控制系統(tǒng)使用汽包水位H為主要控制信號，將蒸汽流量D作為前饋信號，給水量W作為輔助反饋信號，即為三沖量給水控制系統(tǒng)。

三個控制量之間互相反饋，來協(xié)調(diào)控制。蒸汽量D發(fā)生變化時，調(diào)節(jié)器隨之動作，調(diào)節(jié)給水量W。給水量W發(fā)生變化時，調(diào)節(jié)器也隨之動作，控制給水量W在合適位置。

（b）串級三沖量給水控制系統(tǒng)：

串級三沖量給水控制系統(tǒng)分為主副兩個調(diào)節(jié)器。汽包水位H為主調(diào)節(jié)器的控制信號，用來控制副調(diào)節(jié)器進行水位校正。而副調(diào)節(jié)器除了接收控制信號H以外，還接收給水量W和蒸汽量D這兩個控制信號。

這樣，當蒸汽量D發(fā)生擾動時，副調(diào)節(jié)器隨之動作，控制給水流量W。當給水量W發(fā)生擾動時，副調(diào)節(jié)器隨之動作，使給水量W維持恒定。

三沖量給水控制系統(tǒng)的結構較之前兩種復雜，但是它有效的彌補了單沖量和雙沖量系統(tǒng)的不足，是目前控制大型容量鍋爐最有效的方式，也是目前發(fā)電廠最常用的控制方式。

上述各種控制系統(tǒng)中，測量汽包水位的變送器均為三重化，最終的水位信號從中選出一路，當汽包發(fā)生故障時，也可由控制人員來決定切換至另一路信號，確保安全穩(wěn)定運行。

3 結束語

發(fā)電廠的汽水系統(tǒng)和鍋爐控制是一個極其復雜的系統(tǒng)，實際的電廠集控運行中，包括鍋爐的水位控制、溫度控制、節(jié)能控制等多個方面，隨著計算機、自動控制等4C技術的發(fā)展，我國火電廠的集控控制正向著更加智能化的方向發(fā)展。