660 MW超超臨界直流鍋爐汽溫控制策略研究

張 興，陳勝利，丁曉漢，王小兵，施 壯

(1.安徽省電力科學(xué)研究院，合肥 230061;2.中電國際蕪湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241009)

660 MW超超臨界機(jī)組是在常規(guī)超臨界機(jī)組的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代高參數(shù)、大容量發(fā)電機(jī)組，其主蒸汽壓力為25 MPa及以上，主蒸汽及再熱蒸汽溫度為580℃及以上。與常規(guī)超臨界機(jī)組相比，超超臨界機(jī)組的熱效率可提高3%左右，而相對(duì)于亞臨界機(jī)組其熱效率更要提高6%左右。但由于超超臨界機(jī)組運(yùn)行參數(shù)高，鍋爐為直流爐形式，需適應(yīng)大范圍調(diào)峰的要求，因此，這就給超超臨界機(jī)組汽溫實(shí)際控制提出了更高要求[1-2]。

1 超超臨界機(jī)組汽溫調(diào)整手段研究

對(duì)于超超臨界直流鍋爐來說，過熱汽溫的控制屬于多輸入的強(qiáng)耦合特性，在汽水流程上一次性通過，沒有汽包將加熱段、蒸發(fā)段和過熱段明顯地分開，因此不能像汽包爐機(jī)組僅依靠噴水減溫和燃燒器擺角調(diào)節(jié)蒸汽溫度[3]。

1．1 以煤水比調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)過熱汽溫“粗調(diào)”

由于減溫噴水引自進(jìn)入鍋爐的總給水量，煤水比失調(diào)造成的溫度偏差，是不能僅靠噴水減溫的方法來校正的。例如，若煤水比過大使汽溫上升時(shí)，維持過熱汽溫不變需要大量的減溫水，這將進(jìn)一步加劇煤水比例失調(diào)，噴水點(diǎn)前的受熱面，尤其是水冷壁中的工質(zhì)流量必然減小，引起噴水點(diǎn)前各段受熱面金屬和工質(zhì)溫度升高，其結(jié)果不僅起不到調(diào)節(jié)汽溫的作用，而且還會(huì)加劇水冷壁的超溫，影響鍋爐安全運(yùn)行。

在給定負(fù)荷下，與主蒸汽焓值一樣，中間點(diǎn)的焓值(溫度)也受煤水比的影響。只要煤水比稍有變化，就會(huì)影響中間點(diǎn)溫度。而中間點(diǎn)溫度對(duì)煤水比的反映，也要比過熱蒸汽溫度的反映快的多。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明:中間點(diǎn)溫度每變化1℃，過熱蒸汽溫度將變化5～10℃。因此選擇中間點(diǎn)焓值(溫度)控制煤水比，相對(duì)于過熱蒸汽可以起到提前調(diào)節(jié)的作用。當(dāng)運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)中間點(diǎn)溫度調(diào)整煤水比，不僅可減小汽溫調(diào)節(jié)的滯后時(shí)間，還可以及時(shí)控制水冷壁的工質(zhì)溫度，防止水冷壁發(fā)生傳熱惡化。

通過調(diào)整煤水比保持中間點(diǎn)溫度的穩(wěn)定，且保持適當(dāng)?shù)倪^熱度，實(shí)際上相當(dāng)于通過煤水比調(diào)節(jié)將中間點(diǎn)至過熱器出口之間的過熱段固定，以使直流鍋爐與汽包爐具有類似的過熱汽溫特性。所以對(duì)于超超臨界直流鍋爐，要保證過熱汽溫為額定值，必須保持適當(dāng)?shù)拿核萚4]。

1．2 以噴水減溫作為過熱汽溫的“細(xì)調(diào)”手段

在中間點(diǎn)溫度基本穩(wěn)定后，過熱汽溫就不會(huì)出現(xiàn)太大的溫差，但由于超超臨界鍋爐調(diào)節(jié)中影響的因素很多，只靠煤水比的粗調(diào)還是不夠的，還需用噴水減溫器進(jìn)行快速細(xì)調(diào)，因?yàn)閲娝疁p溫惰性小、反應(yīng)快，從開始噴水到噴水點(diǎn)后溫度開始變化只需幾秒鐘。由于超超臨界鍋爐過熱器管道加長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滯后和慣性加大，因此應(yīng)采用多級(jí)噴水減溫進(jìn)行細(xì)調(diào)，如中電蕪湖發(fā)電廠2×660超超臨界機(jī)組選用的北京巴布科克·威爾科克斯有限公司生產(chǎn)的B＆WB-2091/26.15-M型鍋爐，過熱汽溫控制設(shè)計(jì)了三級(jí)噴水分級(jí)控制。三級(jí)減溫器分別布置在低溫過熱器、屏試過熱器和后屏過熱器之后，這種超超臨界機(jī)組過熱汽溫控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 超超臨界機(jī)組過熱汽溫控制系統(tǒng)示意圖

2 燃水比控制策略研究

2．1 燃水比控制反饋信號(hào)的選取

中間點(diǎn)溫度和中間點(diǎn)焓值均可作為燃水比的反饋信號(hào)，而且當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，中間點(diǎn)焓值在靈敏度和線性度方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。中間點(diǎn)焓值除了對(duì)燃水比失調(diào)反映快以外，焓值還代表了過熱蒸汽的作功能力，焓值的給定值不但有利于負(fù)荷控制，而且也可實(shí)現(xiàn)過熱汽溫粗調(diào)。因此選用中間點(diǎn)焓值，可以保證燃水比的調(diào)節(jié)的精度和性能[5]。

2．2 燃水比控制回路設(shè)計(jì)

燃水比調(diào)整是保持汽溫的最終手段，但對(duì)過熱汽溫影響的遲延大;減溫噴水能較快改變過熱汽溫，但最終不能維持汽溫恒定。若將二者協(xié)調(diào)起來，才能獲得整體汽溫調(diào)整和響應(yīng)性能的最優(yōu)?；谥虚g點(diǎn)焓值校正思想的給水控制系統(tǒng)如圖2所示。在圖2中，爐膛吸熱量目標(biāo)值為給水流量目標(biāo)值與省煤器入口至分離器出口理論焓增的乘積，這個(gè)目標(biāo)值經(jīng)過鍋爐金屬儲(chǔ)能的瞬態(tài)修正(鍋爐金屬能是基于爐膛出口飽和溫度的變化率)除以來自T控制器的爐膛焓增需求值，再減去鍋爐減溫水的流量，就得出了實(shí)際的爐膛給水流量需求值。

圖2 超超臨界機(jī)組燃水比調(diào)節(jié)示意圖

進(jìn)入T控制器的偏差量是一級(jí)減溫器入口汽溫(低溫過熱器出口汽溫)和一級(jí)減溫器前后溫差的控制偏差。這兩個(gè)控制的偏差量加權(quán)相加后形成了T控制器的控制偏差，以此偏差信號(hào)去修正燃水比。加入一級(jí)減溫器前后溫差信號(hào)的目的是該信號(hào)代表了一級(jí)減溫器的適量噴水。據(jù)此調(diào)整后的燃水比將使一級(jí)減溫器穩(wěn)定在預(yù)定的溫差設(shè)定值上，保持一級(jí)減溫器工作在適中位置，以及時(shí)響應(yīng)對(duì)汽溫上下波動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，避免減溫器長期處于全開或全關(guān)位置所導(dǎo)致的調(diào)節(jié)滯后。

3 過熱汽溫控制策略研究及設(shè)計(jì)

過熱汽溫控制通常選擇串級(jí)PID控制策略，在工況相對(duì)穩(wěn)定的情況下，這種控制策略基本能滿足生產(chǎn)運(yùn)行要求，但在鍋爐啟停磨、大幅度升降負(fù)荷、鍋爐火焰中心變化等復(fù)雜工況下，往往會(huì)發(fā)生汽溫調(diào)節(jié)滯后甚至反調(diào)。同時(shí)普通減溫水電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度不快，不適宜頻繁動(dòng)作，也降低了串級(jí)PID調(diào)節(jié)對(duì)較突然的大幅擾動(dòng)控制能力。因此，我們應(yīng)用了一種基于物理機(jī)理過程的減溫水控制方案，如圖3所示。在圖3中，出口汽溫與其設(shè)定值的偏差與調(diào)整系數(shù)相乘轉(zhuǎn)換為對(duì)進(jìn)口汽溫的調(diào)整要求。出口汽溫偏差產(chǎn)生后，PID控制器即按轉(zhuǎn)換后對(duì)進(jìn)口汽溫的調(diào)整要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變減溫噴水量，改變進(jìn)口汽溫。進(jìn)口汽溫改變后將通過過熱器改變出口汽溫，進(jìn)口汽溫通過模擬的過熱器特性PTn(多容環(huán)節(jié))形成的變量，在PID調(diào)節(jié)器的設(shè)定值回路與經(jīng)調(diào)整因子相乘的實(shí)際出口汽溫相互抵消。如果模擬的過熱器特性PTn與實(shí)際過熱器特性充分接近，則在整個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整過程中設(shè)定值回路基本維持恒定，系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能十分穩(wěn)定。同時(shí)為防止汽溫過低導(dǎo)致過熱器進(jìn)水，還用減溫水附近的壓力測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的飽和溫度加上一個(gè)裕量作為出口汽溫設(shè)定值的下限。

圖3 超超臨界機(jī)組減溫水調(diào)節(jié)示意圖

4 工程應(yīng)用實(shí)例

上述控制方案在中電蕪湖發(fā)電廠2×660 MW超超臨界機(jī)組的調(diào)試過程中完成了組態(tài)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，獲得了良好的控制品質(zhì)。

1)工況1:2號(hào)機(jī)組燃水比及各級(jí)減溫水均投入自動(dòng)控制，協(xié)調(diào)控制也投入，AGC為運(yùn)行方式，負(fù)荷指令在由550 MW連續(xù)下降至350 MW(13.2 MW/min)過程中，左右側(cè)主蒸汽溫度控制在±3℃，如圖4所示。

2)工況2:2號(hào)機(jī)組燃水比及各級(jí)減溫水均投入自動(dòng)控制，協(xié)調(diào)控制投入，AGC運(yùn)行方式，負(fù)荷指令由480 MW連續(xù)上升至610 MW(13.2 MW/min)過程中，左右側(cè)主蒸汽溫度控制在±3℃，如圖5所示。

5 結(jié)語

汽溫控制是提高機(jī)組熱效率和保證機(jī)組安全運(yùn)行的重要組成部分，也是超超臨界機(jī)組的控制難點(diǎn)。由此本文分析了燃水比控制的和過熱器減溫水控制在超超臨界機(jī)組汽溫控制中所起到的不同作用，著重介紹了一種基于中間點(diǎn)焓值校正思想的燃水比控制汽溫粗調(diào)方案和基于物理機(jī)理過程的減溫水控制汽溫細(xì)調(diào)方案。這兩方案已應(yīng)用于中電蕪湖發(fā)電廠2×660 MW超超臨界機(jī)組，在AGC運(yùn)行方式下，已經(jīng)承受住了長期商業(yè)運(yùn)行及復(fù)雜工況的考驗(yàn)，主蒸汽溫度控制品質(zhì)完全滿足機(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行需求。

[1]劉維.超(超)臨界機(jī)組控制方法與應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社，2010.

[2]程蔚萍，陳勝利.超臨界直流鍋爐汽溫控制系統(tǒng)的改進(jìn)[J].發(fā)電設(shè)備，2008，22(4):351-354.

[3]夏明.超臨界機(jī)組汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國電力，2006，39(3):74-77.

[4]沈繼忱，程玉偉.基于干擾觀測(cè)器PID在主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].黑龍江電力，2011，33(3):168-170.

[5]王玉清，董傳敏，鄭亞光，等.基于中間點(diǎn)焓值校正的超臨界機(jī)組給水全程控制[J].鍋爐技術(shù)，2010，41(3):11-15.