超臨界火電機(jī)組給水全程控制策略研究

杜景琦，劉友寬，唐立軍，李長更

(云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217)

1 前言

目前，隨著電力需求的不斷增長，600 MW超臨界火電機(jī)組因其煤耗低、效率高及負(fù)荷適應(yīng)性好等特點(diǎn)已逐漸成為我國目前發(fā)電行業(yè)的主流機(jī)組。同時(shí)超臨界機(jī)組控制策略也向高精度、高效率、高穩(wěn)定性的方向發(fā)展。機(jī)組自啟停系統(tǒng)(APS)是近幾年自動(dòng)控制發(fā)展的一個(gè)方向，而全程給水自動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)APS必須要實(shí)現(xiàn)的一個(gè)功能。因此，對超臨界火電機(jī)組的全程給水控制策略進(jìn)行分析與研究是非常必要的。

2 超臨界機(jī)組給水系統(tǒng)的分析

2.1 超臨界機(jī)組給水系統(tǒng)特性

當(dāng)超臨界火電機(jī)組的負(fù)荷超過了鍋爐本生點(diǎn)后，給水到過熱蒸汽是一次性完成的，燃料量和給水量同時(shí)決定鍋爐的蒸發(fā)量。因此，超臨界火電機(jī)組的負(fù)荷控制與給水控制和燃料量控制是密不可分的，也就是說，給水流量會(huì)影響到蒸汽壓力、蒸汽溫度、蒸汽流量及負(fù)荷。

主蒸汽焓值為:

式中:

hst——主蒸汽焓值，kJ/kg;

hfw——給水焓值，kJ/kg;

F——燃料量，t/h;

Qn——燃料低位發(fā)熱量，kJ/kg;

Η——鍋爐效率，%;

W——給水量，t/h。

從式中可知，在給定了鍋爐負(fù)荷情況下hst和hfw是確定的，那么hst和hfw穩(wěn)定的也就意味著蒸汽溫度及其壓力的相對穩(wěn)定。如果燃料低位發(fā)熱量也穩(wěn)定的情況下，在一定的負(fù)荷下η是基本不變的，F(xiàn)和W的比值 (燃水比)也同樣保持不變。實(shí)際運(yùn)行中燃料的發(fā)熱量是不穩(wěn)定的，發(fā)生在燃料側(cè)的擾動(dòng)就會(huì)影響燃水比的變化，進(jìn)而引起hst的變化。除此之外，不同的負(fù)荷點(diǎn)下hst和hfw也是變化的，因此燃水比是需要實(shí)時(shí)修正的。

2.2 給水全程控制系統(tǒng)作用

1)停運(yùn)階段:在機(jī)組停運(yùn)階段給水泵的出水經(jīng)兩級高壓加熱器進(jìn)入省煤器，爐水流過水冷壁管后進(jìn)入分離器，若水質(zhì)不合格，那么就開啟分疏箱液位控制閥進(jìn)行排放，如果水質(zhì)合格，便可以啟動(dòng)鍋爐循環(huán)泵進(jìn)行爐水回收。

2)濕態(tài)低負(fù)荷運(yùn)行階段:即鍋爐點(diǎn)火后3 min起至鍋爐轉(zhuǎn)干態(tài)前。此階段鍋爐工作特性類似于汽包爐，分疏箱液位由給水旁路閥來控制;給水母管壓力則通過控制汽泵轉(zhuǎn)速來保證;通過控制再循環(huán)爐水流量來保證鍋爐啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)所需的最小流量，同時(shí)提供水冷壁安全保護(hù)。

3)直流階段:加熱段、蒸發(fā)段和過熱段沒有固定的分界線，給水一次性流過三段受熱面。給水控制系統(tǒng)的任務(wù)不僅是要向鍋爐輸送合格的工質(zhì)，還擔(dān)負(fù)著負(fù)荷控制和汽溫控制的任務(wù)。因此，鍋爐給水流量控制是基于中間點(diǎn)焓值 (汽水分離器出口焓值)校正、控制動(dòng)態(tài)燃水比值的給水自動(dòng)控制系統(tǒng)。

3 超臨界機(jī)組全程給水控制實(shí)現(xiàn)

3.1 給水指令形成及中間點(diǎn)焓值校正回路

給水控制策略中給水指令的形成主要由燃水比計(jì)算回路、焓值H控制器及低溫過熱器出口溫度T控制器組成。

圖1 給水指令的形成

如圖1所示，設(shè)計(jì)溫度與低溫過熱器出口實(shí)際溫度的偏差形成了一個(gè)PID調(diào)節(jié)器，即PIDT控制器。當(dāng)燃水比出現(xiàn)了偏差時(shí)，設(shè)計(jì)溫度與低溫過熱器出口實(shí)際溫度的偏差會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而通過PIDT控制器去修正分離器出口的焓值來調(diào)整實(shí)際給水流量，使低溫過熱器出口溫度與設(shè)計(jì)值保持一致。焓值調(diào)節(jié)器 (PIDH控制器)是由PIDT控制器的輸出對焓值設(shè)定值進(jìn)行修正后與分離器出口的實(shí)際焓值的偏差進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)而形成的。PIDH控制器的輸出修正計(jì)算后的給水流量保證了中間點(diǎn)焓值與設(shè)計(jì)值一致。對PIDH控制器中的焓值的計(jì)算精度是至關(guān)重要，在大比熱容區(qū)內(nèi)要保證調(diào)節(jié)質(zhì)量的穩(wěn)定，就更加的要保證焓值的計(jì)算精度。另外，為了提高解列后分離器出口焓值的穩(wěn)定，PIDH控制器還增加了高壓加熱器解列時(shí)的減水前饋。隨著負(fù)荷的變化PIDH控制器的參數(shù)也會(huì)自適應(yīng)發(fā)生改變 (變參數(shù)調(diào)整)。

實(shí)際需要的給水流量Fs經(jīng)過最小流量限制后作為給水主控系統(tǒng)的設(shè)定值，當(dāng)給水主控系統(tǒng)在自動(dòng)控制運(yùn)行方式時(shí)，給水流量的指令是計(jì)算得出的所需給水流量、分離器焓控制器輸出修正量與減溫水流量之和。

3.2 給水主控回路

給水主控主要包括:流量平衡、汽動(dòng)給水泵(簡稱汽泵)控制、電動(dòng)給水泵 (簡稱電泵)控制。

圖2 給水主控回路

如圖2中，在給水控制系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行方式后，給水指令作為給水主控PID設(shè)定值，與給水實(shí)測流量形成閉環(huán)控制，使給水流量達(dá)到設(shè)定值。流量平衡回路是為了保證在長期運(yùn)行的條件下各給水泵的出力比例 (汽泵A、汽泵B、電泵的流量比例按5∶5∶3)不變。PID輸出經(jīng)函數(shù)變換后與給水流量的流量平衡調(diào)節(jié)輸出共同形成汽泵和電泵的調(diào)節(jié)指令。

3.3 啟、停鍋爐階段的給水控制

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷＜30%時(shí)，即機(jī)組處在啟動(dòng)或低負(fù)荷運(yùn)行階段。在這個(gè)階段，給水管道電動(dòng)閥全關(guān)，通過給水旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)給水流量，維持爐膛保護(hù)水冷壁的最小流量要求，同時(shí)保證給水管道的上水壓力和減溫水壓力。

3.4 濕態(tài)與干態(tài)相互轉(zhuǎn)換

升負(fù)荷時(shí)，隨著燃料量逐漸的增加，隨之產(chǎn)生的蒸汽量也增加，從分離器下降管返回的水量逐漸減小，分離器入口濕蒸汽的焓值增加。當(dāng)負(fù)荷升到30%時(shí)，分離器入口蒸汽干度達(dá)到1，飽和蒸汽流入分離器，分離器入口工質(zhì)的焓值逐漸增加，當(dāng)負(fù)荷增加至35%時(shí)，分離器入口蒸汽焓升高到預(yù)先的設(shè)定值，蒸汽的過熱度也達(dá)到要求，鍋爐就進(jìn)入干態(tài)模式。當(dāng)機(jī)組降負(fù)荷時(shí)，由干態(tài)轉(zhuǎn)換為濕態(tài)的過程是濕態(tài)轉(zhuǎn)換為干態(tài)的逆過程。

其切換過程如圖3所示。

圖3 干態(tài)與濕態(tài)轉(zhuǎn)換過程

4 電廠全程給水控制應(yīng)用

4.1 濕態(tài)控制方案

采用爐水循環(huán)泵出口調(diào)門調(diào)節(jié)再循環(huán)流量為大于本生流量的某個(gè)設(shè)定值，儲(chǔ)水箱水位采用傳統(tǒng)亞臨界串級三沖量控制方式，內(nèi)回路調(diào)節(jié)凈給水流量 (省煤器流量減爐水再循環(huán)流量)與主回路輸出匹配，外回路調(diào)儲(chǔ)水箱水位滿足設(shè)定要求，蒸汽流量作為主回路的前饋量，控制輸出分旁路與主路兩種方式。

4.2 干態(tài)控制方案

給水控制在干態(tài)時(shí)，爐水循環(huán)泵已停運(yùn)處于直流狀態(tài)，給水控制需采用燃水比平衡的方式，通過分離器出口溫度的校正，使給水的燃水比處于真正平衡合理的比值。干態(tài)的給水控制采用串級的控制方式，主調(diào)的被控量為分離器出口溫度，設(shè)定值為對應(yīng)負(fù)荷下分離器出口壓力的蒸汽過熱度函數(shù)曲線;副調(diào)的被控量為給水凈流量，設(shè)定值為燃水比計(jì)算得到的給水流量指令疊加給水主調(diào)的校正輸出值。

4.3 干/濕態(tài)控制邏輯

濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)條件:機(jī)組負(fù)荷在30%BMCR～45%BMCR范圍內(nèi);給水主路供水，省煤器給水流量在汽泵 (一臺(tái)或二臺(tái))給水自動(dòng)調(diào)節(jié)方式下;隨著鍋爐蒸發(fā)量加大，省煤器給水流量增加，儲(chǔ)水箱水位下降，鍋爐再循環(huán)泵出口調(diào)門開度及循環(huán)流量減小，再循環(huán)泵最小流量閥開啟 (循環(huán)流量≤7%BMCR)，到出口調(diào)門關(guān)閉，循環(huán)流量為零，再循環(huán)泵在最小流量方式運(yùn)行，中間點(diǎn)溫度在飽和狀態(tài)。

干態(tài)轉(zhuǎn)濕態(tài)條件:機(jī)組運(yùn)行在干態(tài)。機(jī)組負(fù)荷≤干態(tài)轉(zhuǎn)濕態(tài)的轉(zhuǎn)換設(shè)定點(diǎn) (采用濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)轉(zhuǎn)換設(shè)定負(fù)荷值減5%計(jì)算得到，面板顯示)，鍋爐運(yùn)行方式及給水控制專用畫面的濕態(tài)/干態(tài)轉(zhuǎn)換操作面板上顯示轉(zhuǎn)換條件允許，確認(rèn)干態(tài)轉(zhuǎn)換濕態(tài)運(yùn)行方式。

5 結(jié)束語

對超臨界機(jī)組的給水全程控制，首先明確機(jī)組的不同運(yùn)行階段所要控制的對象及合理的實(shí)現(xiàn)控制邏輯;其次就是機(jī)組不同運(yùn)行階段切換的判斷條件以及保證機(jī)組各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)的無擾切換。課題對超臨界機(jī)組給水系統(tǒng)的特性進(jìn)行了分析，提出了超臨界機(jī)組給水全程控制策略的實(shí)現(xiàn)方法，并且在鎮(zhèn)雄電廠#1機(jī)組中成功投用。課題的研究成果不僅可以省內(nèi)新投產(chǎn)的超臨界機(jī)組進(jìn)行推廣應(yīng)用，對已投產(chǎn)的汽包爐火電機(jī)組同樣有參考價(jià)值。

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