1 000 MW超超臨界機組給水全程控制的設計和應用

張利勇，劉瀟

（1．神華國華國際電力股份有限公司北京熱電分公司，北京100025；2．西門子電站自動化有限公司，南京211100）

1 000 MW超超臨界機組給水全程控制的設計和應用

張利勇1，劉瀟2

（1．神華國華國際電力股份有限公司北京熱電分公司，北京100025；2．西門子電站自動化有限公司，南京211100）

超超臨界機組的給水控制既承擔過熱汽溫控制又與負荷控制密不可分，在機組啟停階段還承擔防止蒸發(fā)器超溫和水動力穩(wěn)定的重要任務，是超超臨界機組控制系統的核心和難點，而其全程控制的實現也是機組級順控（APS）能否實現的重要一環(huán)。詳細介紹給水全程控制3種模式（停爐、濕態(tài)和干態(tài)）的控制原理及其切換過程、干態(tài)模式下的煤水比控制和焓值控制原理，給出了給水全程控制中特殊工況的處理原則和方案。

超超臨界機組；火電機組；給水全程控制；模式切換

某發(fā)電廠2×1 000 MW超超臨界機組采用上海鍋爐廠有限公司利用Alstom Power技術生產的直流鍋爐，每臺機組配置2臺50%BMCR（鍋爐最大連續(xù)出力）汽動給水泵，均未配電泵。本文以該1 000 MW超超臨界機組為例，介紹和分析給水全程控制系統的設計思想和控制策略。給水系統配置如下：2臺汽動給水泵及其再循環(huán)調門；1臺40%BMCR容量的鍋爐再循環(huán)泵及出口調門、再循環(huán)調門和過冷水調門；1個汽動給水泵出口主電動門和1個旁路調門；1個省煤器進口主電動門和1個旁路調門；2個高水位疏水調門。

1 給水全程控制系統的運行模式和切換方式

給水全程控制覆蓋了機組運行的全過程，從鍋爐上水→點火→濕態(tài)（啟動階段）→干態(tài)（直流運行階段）→降負荷→濕態(tài)→停爐，在這整個過程中，非干態(tài)階段的給水控制任務是上水和保證流過蒸發(fā)器（水冷壁）的最小流量，防止超溫并維持水動力的穩(wěn)定，給水流量指令根據蒸發(fā)器產生的蒸汽量和分離器貯水箱水位產生；大氣式擴容器的2個高水位疏水調節(jié)閥控制分離器貯水箱水位上限；鍋爐再循環(huán)系統通過控制再循環(huán)流量來保證流過蒸發(fā)器（水冷壁）的最小流量；干態(tài)時，再循環(huán)泵停運，處于熱備用狀態(tài)，給水控制的任務是通過基本、快速的煤水比控制和精確的分離器出口微過熱蒸汽焓值控制來維持煤水比，進而保證過熱汽溫。給水全程控制原理見圖1。

給水全程控制系統分停爐、濕態(tài)和干態(tài)3種運行模式，這3種狀態(tài)之間的切換過程構成了給水系統運行的全過程。鍋爐啟動時的狀態(tài)切換過程為停爐模式→濕態(tài)模式→干態(tài)模式；停爐時的狀態(tài)切換過程為干態(tài)模式→濕態(tài)模式→停爐模式。啟動過程中，點火開始或“fire on”信號發(fā)出3 min后，進入濕態(tài)模式。停爐過程中，停爐信號“fire off”發(fā)出3 min后，進入停爐模式。

1.1 停爐模式與濕態(tài)模式的切換

1.1.1 停爐模式切換至濕態(tài)模式

從鍋爐上水開始，啟動汽動給水泵，此時分離器貯水箱水位設定值為35.5 m，2個高水位疏水調門的設定值（即分離器貯水箱水位的上限）為36/38 m，給水泵及其出口旁路調門根據水位調節(jié)上水流量。再循環(huán)泵的過冷水調門投入自動，當再循環(huán)泵啟動后，其再循環(huán)流量定值為5%，維持再循環(huán)泵的最小流量。

開始爐膛吹掃后，再循環(huán)流量定值切至20%。爐膛吹掃完成后點火開始或“fire on”信號發(fā)出時，再循環(huán)流量定值切為點火流量定值33%（即此時蒸發(fā)器最小流量定值）。同時，分離器貯水箱水位的上限從36/38 m切為18 m，快速放水以配合濕態(tài)模式下17 m的分離器貯水箱水位定值。當點火3 min后，將2個高水位疏水調門的設定值（即分離器貯水箱水位的上限）切為25/28.5 m，至此停爐模式至濕態(tài)模式的切換完成。

1.1.2 濕態(tài)模式切換至停爐模式

隨著停爐信號“fire off”的發(fā)出，無需再保證流過水冷壁的最小流量，“fire off”發(fā)出3 min內爐內熱量迅速降低但并非突然降低，因此此時仍為濕態(tài)模式。給水流量繼續(xù)降低，再循環(huán)流量繼續(xù)上升，只有當“fire off”信號發(fā)出3 min后才進入停爐模式，此時分離器儲水箱水位設定值從17 m切為35.5 m，2個高水位疏水調門的設定值從25/28.5 m切為36/38 m。

停爐模式下的1個特殊情況是分離器蒸汽壓力P2超過20 MPa時（如MFT后的短暫時間），此時水位測量不準確，因此在此期間需要將水位控制切為焓值控制以快速減水。

1.2 濕態(tài)模式與干態(tài)模式的切換

濕態(tài)模式與干態(tài)模式的切換過程如圖2所示。

1.2.1 濕態(tài)模式切換至干態(tài)模式

在濕態(tài)模式工況下，各運行參數如下：

（1）分離器貯水箱水位設定值為17 m，2個高水位疏水調門的設定值為25/28.5 m。

（2）蒸發(fā)器最小流量＝33%BMCR＋超馳加水量（水冷壁出口溫度T1＞Max2時），此定值為啟動過程中濕態(tài)模式向干態(tài)模式切換的定值。

（3）再循環(huán)流量定值＝蒸發(fā)器最小流量－給水流量定值（F6 SP）。

（4）給水流量指令的上限＝蒸發(fā)器最小流量。

濕態(tài)模式切干態(tài)模式的過程如下（見圖2的Ⅰ部分）：

濕態(tài)模式下，燃燒率逐漸增加，隨之產生的蒸汽量也增加，從分離器下降管返回的水量逐漸減小，水位下降，鍋爐給水流量逐漸增加，以保證逐漸增加的蒸汽量和17 m的水位定值。隨著給水流量的增加，為了保證流過蒸發(fā)器的最小流量不變，再循環(huán)流量逐漸減小，分離器入口濕蒸汽的焓值增加。

圖2中Ⅰ部分的①點：分離器入口蒸汽干度達到1，飽和蒸汽流入分離器，此時沒有水可分離，即鍋爐給水流量等于主汽流量與水位調節(jié)器的輸出之和（此時水位調節(jié)器的上限降低至零，其輸出也為零），即蒸發(fā)器最小流量定值33%，此時再循環(huán)流量為0%，水位控制達到上限，濕態(tài)進入干態(tài)的第一個條件滿足。

切換階段：給水流量由于達到水位控制的上限而維持33%不變，燃燒率繼續(xù)增加，在分離器中的蒸汽慢慢過熱，分離器出口焓值仍低于濕態(tài)切干態(tài)的設定值，此時增加的燃燒率不是用來產生新的蒸汽，而是用來提高干態(tài)運行方式所需的蒸汽蓄熱。

圖2中Ⅰ部分的②點：分離器出口焓值達到設定值，進一步增加燃燒率，使其超過設定值，滿足濕態(tài)進入干態(tài)的第二個條件，鍋爐正式轉入干態(tài)運行。

進入干態(tài)階段后，進一步增加燃燒率，給水量也相應增加，鍋爐由定壓運行轉入滑壓運行。

1.2.2 干態(tài)模式切換至濕態(tài)模式

在干態(tài)模式下，通過維持煤水比和控制過熱器入口的微過熱蒸汽焓為設定值來控制給水流量。蒸發(fā)器最小流量為31%，此定值為停爐過程中干態(tài)模式向濕態(tài)模式切換的定值。

干態(tài)模式切濕態(tài)模式的過程如下（見圖2的Ⅱ部分）：

干態(tài)階段：當燃燒率下降，焓值設定值也隨之降低，煤水比控制和焓值控制器共同作用使給水流量逐漸降低。

圖2 濕態(tài)模式和干態(tài)模式的切換過程

圖2中Ⅱ部分的①點：當鍋爐給水流量等于蒸發(fā)器最小流量值31%時，焓值控制器達到下限，給水流量維持最小流量不變，滿足干態(tài)切濕態(tài)的第一個條件。

切換階段：繼續(xù)降低燃燒率，分離器內蒸汽的過熱度逐漸降低，當分離器出口焓值小于干態(tài)切換至濕態(tài)的焓值設定值時，干態(tài)切濕態(tài)的第二個條件滿足。

圖2中Ⅱ部分的②點：蒸汽過熱度完全消失，流入分離器的蒸汽呈飽和狀態(tài)，此時開始有水分離。

進入濕態(tài)階段后，進一步減小燃燒率，給水流量不變，分離器入口蒸汽濕度增加，貯水箱中開始積水，當水位漲至某一最低值時，再循環(huán)泵啟動并維持其自身所需的最低流量，此時進入鍋爐的再循環(huán)流量仍為零。當水位超過設定值17 m時，滿足干態(tài)切濕態(tài)的第三個條件，完成干/濕態(tài)切換，水位控制接替焓值控制。隨著蒸汽流量的持續(xù)降低和貯水箱中積水越來越多，給水流量也持續(xù)降低，同時，再循環(huán)流量開始增大，以保證流過水冷壁的最小流量。

2 干態(tài)模式的給水控制

干態(tài)模式下的給水控制回路包括蒸發(fā)器理論吸熱量計算、焓值設定值校正、焓值控制、給水流量設定值計算、超馳降焓加水和燃料量與給水的解耦控制等多個回路，其原理如圖3所示。

2.1 蒸發(fā)器理論吸熱量計算

蒸發(fā)器理論吸熱量計算式如下：

式中：Q為蒸發(fā)器理論吸熱量；FWSP為理論給水流量；HΔ為省煤器出口到分離器出口的理論焓增；QΔ為蒸發(fā)器金屬蓄熱量的變化量。

理論焓增和理論給水流量分別是負荷指令的函數f1（x）和f2（x）。負荷變化時，爐膛熱負荷的變化相對于給水量的變化遲延較大，因此負荷指令要經多階慣性的遲延后才轉化為理論給水流量，這也是煤水比控制的關鍵。對于來自燃料量的內擾，給水流量通過動態(tài)補償環(huán)節(jié)也有相應的變化量。當分離器出口蒸汽壓力變化時，蒸發(fā)器的金屬蓄熱也將發(fā)生變化，無論是吸熱還是放熱，這部分熱量都將影響給水的實際吸熱量，因此應從蒸發(fā)器理論吸熱量的計算中排除。

2.2 焓值設定值的校正

焓值設定值是分離器壓力的函數，但是在同樣壓力下由于鍋爐蒸汽參數的變化，需要對焓值設定值進行相應的修正，該修正是對相應負荷下減溫水流量設計值f3（x）與該負荷下的實際減溫水流量的差進行積分校正，通過改變焓值設定值，使實際減溫水流量最終等于該負荷所對應的減溫水流量設計值。此外，當水冷壁出口溫度T1＞Max2時，應超馳加水，迅速降溫，這也是通過超馳降低焓值設定值來實現的。

圖3 干態(tài)模式給水控制原理

2.3 焓值控制回路及變參數校正

根據分離器出口微過熱蒸汽的焓值能迅速判斷燃水比是否失調，因此采用微過熱蒸汽焓值調節(jié)器的指令去修正給水流量指令，以保證燃水比的平衡，從而保證過熱汽溫為給定值。其中焓值設定值為負荷的函數f4（x）。由于在負荷變化50%～100%時，過熱汽溫被控對象的增益變化達3～5倍，時間常數變化也有2～3倍，因此采用變參數控制，即用代表負荷的鍋爐主控指令因數（0～1）乘以微過熱蒸汽焓值調節(jié)器的輸出值，再去調節(jié)給水流量，以適應控制特性變化了的控制對象——過熱汽溫。

2.4 給水流量設定值的計算

給水流量設定值計算式如下：

式中：FSP為給水流量設定值；Q為蒸發(fā)器理論吸熱量；HΔactual為省煤器出口到分離器出口的實際焓增；OH為焓值控制器的輸出值。其中HΔactual等于校正后的焓值設定值減去省煤器出口給水實際焓值。

省煤器出口給水實際焓值的作用體現在其導前控制上：當其增加時，表示給水對煙氣的吸熱量增加，即燃料量增加，因此給水流量也應迅速增加；反之，給水流量應迅速減少。

對高壓加熱器切除的異常工況，由于給水溫度迅速降低，一方面會導致過熱汽溫下降，另一方面會使水冷壁吸熱增加，從而增加蒸發(fā)量使負荷增加，上述控制策略也能通過省煤器出口給水實際焓值的導前作用迅速降低給水量，進而控制過熱汽溫和功率。

最后，給水流量設定值與蒸發(fā)器最小給水流量取大形成給水流量指令。

3 給水全程控制的特殊情況及優(yōu)化控制

3.1 給水泵出口旁路調門及主給水電動門的切換控制

由于干、濕態(tài)模式切換點的給水流量為31%～33%BMCR，而給水泵在最低轉速時的給水流量約為25%～40%BMCR，無法參與給水調節(jié)，因此，在啟/停爐過程中給水流量需求較小時，給水流量由給水泵出口旁路調門控制。

（1）啟動階段：隨著鍋爐進水流量增加，當給水泵出口旁路調閥開度大于90%時，通過順控步進開啟給水泵出口主電動門，同時給水旁路調門按照一定速率關閉，給水泵轉速控制逐漸接替流量控制。當旁路調門關閉后，切換至正常的給水流量控制。

（2）降負荷停爐階段：當給水泵轉速降至接近最低轉速時，順控指令使旁路調門開足，然后順控步進關閉給水泵出口主電動門；當給水泵轉速降至最低時，給水泵切手動，旁路調門接替給水流量控制。

3.2 給水泵再循環(huán)閥的控制

給水泵再循環(huán)閥的任務是保證給水泵各轉速下的最小流量，同時兼顧給水泵的出口壓力，保證給水泵的工作點在安全區(qū)內。增加與泵出口旁路調門之間的解耦控制，使給水旁路調門工作在合適的區(qū)域，如保證給水流量較小時出口旁路調節(jié)閥的開度不會太小。

3.3 MFT后的給水控制

當MFT發(fā)生后，為了防止冷水進入鍋爐，同時保證高壓旁路減溫控制有足夠的噴水，給水泵不停，采用如下控制策略：省煤器進口主給水電動門快關，給水泵至最低轉速，給水泵出口主電動門關閉，同時給水旁路調門開至一定開度，控制給水母管壓力比分離器壓力低2.0 MPa（保證高壓旁路減溫水壓力足夠大），同時給水泵再循環(huán)閥投自動。

3.4 分離器貯水箱水位測量值處理

當分離器壓力大于18 MPa時，水位測量在超臨界狀態(tài)下已失去意義，應強制分離器貯水箱水位測量值等于零，以免錯誤的水位信號引起MFT。

3.5 焓值設定值校正回路優(yōu)化

在上述焓值設定值校正回路中，校正調節(jié)器的設定值是鍋爐制造廠家給出的設計減溫水流量，但在調試時發(fā)現主汽溫偏低，減溫水調門開度很?。ㄓ袝r基本為零）方能維持605℃的設計值。如果按照此設計減溫水流量去校正焓值，勢必增加焓值設定值，而這會導致焓值調節(jié)器去減少給水流量，容易導致水冷壁壁溫偏高，而水冷壁壁溫偏高又會減少焓值設定值以增加給水流量，使控制回路耦合度加大，導致給水流量波動加劇。基于此，可取消通過減溫水流量修正焓值設定值的功能，僅保留水冷壁壁溫的減焓加水回路。

3.6 煤水比控制優(yōu)化

將焓值調節(jié)器的輸出引入積分器，再用該積分器的輸出去校正煤水比。這樣，在校正煤水比后可保持焓值調節(jié)器的輸出基本為零，校正后的煤水比在變負荷時可以更好地維持中間點焓值，減少焓值調節(jié)器的動作，對協調控制品質也有所幫助。

4 結語

由于超超臨界機組水冷壁的工作特性，決定了低負荷階段給水控制的主要任務是維持流過水冷壁的最小冷卻流量和水動力的穩(wěn)定，在高負荷階段則由于超超臨界蒸汽參數的特性決定了其主要任務是通過維持適當的燃水比去保證過熱汽溫，因此與亞臨界汽包爐的給水控制有很大的不同，控制難度也遠大于后者。本文僅探討了給水全程控制的閉環(huán)部分，但起泵、并泵和切泵等順控也是給水全程控制的重要組成部分，有些順控邏輯特別是并泵在實際應用中也存在不足。相信隨著越來越多的超超臨界機組的投產，給水全程控制將會越來越完善。

[1]劉瀟，曹冬林，丁勁松.外高橋1 000 MW超超臨界機組閉環(huán)控制系統設計[J].中國電力，2006，39（3）∶70－73.

[2]樊泉桂.超超臨界及亞臨界參數鍋爐[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3]金維強.大型鍋爐運行[M].北京：中國電力出版社，1998.

（本文編輯：龔皓）

Design and Application of Global Feedwater Control in 1 000 MW Ultra Supercritical Units

ZHANG Li-yong1，LIU Xiao2

（1.CSEC Guohua International Power Company Limited Beijing Cogeneration Branch，Beijing 100025，China；2.Siemens Power Plant Automation Co.，Ltd.，Nanjing 211100，China）

Feedwater control in ultra supercritical units is responsible for temperature control of superheated steam and closely related to unit load control.During unit startup and shutdown,feedwater control takes the important task to prevent the evaporator overtemperature and stabilize the hydrodynamic.It is the core and difficulty of control system of ultra supercritical units，and the realization of the global feedwater control is one of the important links of the implementation of automatic plant startup and shutdown control system（APS）.Closed-loop of feed water entire-process control is described by taking a real case.The control theory and switching process of the three modes（furnace shutdown,wet and dry）of global feedwater control,coalwater ratio control and enthalpy control principle in dry mode are expounded.The paper presents principle of management and scheme for special operating condition in global feedwater control.

ultra supercritical unit；thermal power generating units；feedwater global control；mode switching

TK39

：B

：1007-1881（2013）07-0038-05

2013-04-15

張利勇（1976-），男，北京人，工程師，碩士，從事發(fā)電廠熱力工程自動化工作。