一種超(超)臨界二次再熱機組汽溫控制方案

孫 漾

(華東電力設計院有限公司，上海 200063)

一種超(超)臨界二次再熱機組汽溫控制方案

孫 漾

(華東電力設計院有限公司，上海 200063)

超(超)臨界二次再熱燃煤發(fā)電機組鍋爐汽溫控制的品質，直接影響機組熱效率及機組的安全穩(wěn)定運行。本文結合某1000 MW超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電機組工程，介紹了機組工藝系統(tǒng)概況。根據(jù)鍋爐汽水系統(tǒng)的工藝配置情況，分析了主蒸汽、一次再熱蒸汽、二次再熱蒸汽溫度的控制方式和控制要求，并重點介紹了一種超(超)臨界機組直流鍋爐基于過程物理機理的過熱汽溫控制策略設計方案。該方案結構簡單，實現(xiàn)方便，可以嘗試在二次再熱機組主汽溫控制中進行應用。

超超臨界燃煤發(fā)電機組；二次再熱；汽溫控制；減溫噴水控制。

1 概述

目前，我國新建的火力發(fā)電機組大多采用了效率更高的超臨界和超超臨界機組。機組工質運行溫度高，尤其是過熱器、再熱器出口汽溫這個熱力系統(tǒng)中的溫度最高點，其正常運行的溫度已經接近材料所允許的最高溫度，因此，機組汽溫的控制，直接影響機組熱效率及機組的安全穩(wěn)定運行。而過熱器、再熱器出口汽溫控制系統(tǒng)又具有大時滯、大慣性、時變性和非線性的特點，且擾動因素多、擾動頻繁、擾動量大，采用傳統(tǒng)的控制方法控制品質很難保證。

二次中間再熱技術是近年來熱門研究的提高機組熱效率的一種有效方法。再熱技術可以提高蒸汽膨脹終了的干度，提高蒸汽的做功能力。有研究表明，增加中間再熱次數(shù)，能夠降低機組的熱耗，31 MPa/566℃/566℃/566℃的二次再熱技術相比傳統(tǒng)的24.1 MPa/ 566℃/566℃一次再熱技術，其熱效率可提高約5%。然而，二次再熱機組的熱力系統(tǒng)更加復雜，過熱器、一次再熱器、二次再熱器出口汽溫控制難度更大。

本文結合某電廠1000 MW超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電機組工程，介紹了機組工藝系統(tǒng)概況，以及鍋爐汽水系統(tǒng)的工藝流程。根據(jù)相關工藝系統(tǒng)，分析了過熱、一次再熱、二次再熱汽溫的控制方式和控制要求，重點介紹BABCOCK超(超)臨界機組直流爐基于過程物理機理的汽溫控制策略設計方案。

2 二次再熱機組主要工藝

某電廠1000 MW超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電機組采用上海鍋爐廠有限公司超超臨界參數(shù)二次再熱、直流、單爐膛、切圓燃燒方式、塔式爐。汽輪機采用上海汽輪機廠超超臨界二次再熱、單軸、五缸四排汽、十級回熱抽汽、凝汽式汽輪機。發(fā)電機由上海發(fā)電機廠供貨。機組設高、中、低壓三級串聯(lián)汽機旁路系統(tǒng)。給水回熱系統(tǒng)為帶二級外置式蒸汽冷卻器的十級回熱抽汽系統(tǒng)(5低加、1除氧器、4高加)。凝結水系統(tǒng)采用2臺100%容量的凝結水泵，一臺運行，一臺備用。主給水泵采用2臺50%容量同軸汽動給水泵。

該機組鍋爐制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每爐配6臺磨煤機，其中5用1備。鍋爐送風機、一次風機、引風機各按2×50%配置。啟動系統(tǒng)為帶再循環(huán)泵的內置式啟動系統(tǒng)，鍋爐設一臺再循環(huán)泵和六只內置式啟動分離器以及一只貯水箱。鍋爐燃燒器擺動時，在熱態(tài)運行中一、二次風(含燃盡風)均可上下擺動，最大擺角一次風為±20°，二次風為±30°。油燃燒器的總輸入熱量按20%BMCR計算。點火方式為高能電火花點燃輕油，然后點燃煤粉。鍋爐配備兩臺三分倉式回轉式空氣預熱器。

3 機組過熱、再熱汽溫調節(jié)手段

鍋爐汽水系統(tǒng)流程簡圖見圖1。鍋爐過熱蒸汽汽水系統(tǒng)配置兩級噴水減溫裝置。根據(jù)鍋爐廠資料，在B-MCR工況下，過熱器設計噴水的總流量約為4%過熱蒸汽流量。一次再熱、二次再熱蒸汽系統(tǒng)配置了事故減溫噴水和微量減溫噴水。

圖1 鍋爐汽水系統(tǒng)流程簡圖

3.1 過熱汽溫調節(jié)

超(超)臨界直流鍋爐過熱汽溫的調節(jié)一般采用燃水比調節(jié)為粗調，一、二級減溫水作細調。本機組仍采用該控制方案。

3.1.1 過熱汽溫粗調

由于直流鍋爐本身的特性，超臨界鍋爐過熱汽溫調節(jié)必須以燃水比作為粗調手段，只有保證合適的燃水比，才能保證過熱汽溫不發(fā)生大的變化。控制點可采用中間點的(即水冷壁出口過熱器I級減溫噴水前)焓值或溫度)。

3.1.2 過熱汽溫細調

由于鍋爐運行過程會受到許多因素變化的影響，只靠燃水比的粗調是無法準確地調節(jié)過熱汽溫的偏差。因此，在低溫過熱器的入口和高溫過熱器的入口分別布置了I級和II級減溫噴水(每級左、右各兩路，可分別調節(jié))，可以實現(xiàn)出口汽溫的細調，以達到精確控制過熱汽溫的目的。必須注意的是，直流鍋爐要嚴格控制減溫水總量，以保證有足夠的水冷壁流量；投用時，盡可能多投I級減溫水，少投II級減溫水，以保護過熱器。

3.2 再熱汽溫調節(jié)

根據(jù)本機組鍋爐的配置，一次再熱汽溫及二次再熱汽溫采用燃燒器擺動或改變過量空氣系數(shù)調溫為粗調，再熱器煙氣擋板為細調，減溫噴水僅用作事故緊急減溫手段。

3.2.1 再熱汽溫粗調

根據(jù)鍋爐廠資料，本機組鍋爐一次、二次再熱器采用并列布置形式，兩組再熱器各負荷下的煙溫、汽溫都是接近的。一次、二次再熱器的吸熱比例在各負荷下基本處于58∶42的比例。同時，一次、二次再熱器設計的煙道尺寸比例為58∶42，受熱面積比例也約為58∶42，和吸熱量比例接近。這種并列布置方式使得一次、二次再熱受熱面有著自然平衡性。在兩組再熱器煙道流量分配比例固定的情況下，一次、二次再熱汽溫的變化趨勢一致。因此，采用擺動燃燒器或提高過量空氣系數(shù)的手段可以對一次、二次再熱汽溫同時起到方向一致的作用，作為同步調溫手段。

3.2.2 再熱汽溫細調

當一次、二次再熱汽溫出現(xiàn)一高一低情況，即需要異步調節(jié)時，可采用調節(jié)再熱器煙氣擋板的手段。由于各負荷下一、二次再熱吸熱比例基本相同，因此，再熱器煙氣擋板不需要過大的開度調節(jié)，僅需微調，即可滿足調整需求。

為提高機組工質(汽、水)的循環(huán)效率，降低機組熱耗，參與循環(huán)的工質盡可能多的進入汽輪機自始至終完整的參與做功，再熱器噴水減溫系統(tǒng)的設置是僅用于確保在事故或緊急工況下鍋爐再熱器受熱面運行安全，正常運行中不采用再熱器減溫噴水進行汽溫調整。

4 過熱汽溫噴水減溫調節(jié)策略

高溫過熱器減溫噴水控制方案的設計對過熱汽溫的控制品質具有重要影響。多年來，大量學者及工程師提出了多種不同的過熱汽溫噴水減溫調節(jié)策略。根據(jù)本機組鍋爐廠資料，鍋爐廠推薦高溫過熱器噴水減溫控制采用常規(guī)的燃料量微分信號、主蒸汽流量微分信號作前饋的汽溫串級控制方案。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計通?？紤]較多的是被控對象的數(shù)學模型，采用的控制策略大都是基于線性方法的。但在一些場合，基于被控對象和過程物理機理的控制策略可以不需要復雜的計算和補償環(huán)節(jié)，更為簡單和有效。英國BABCOCK公司針對超(超)臨界機組直流爐提出的汽溫控制策略就是屬于這種基于過程物理機理的設計方案，取消了傳統(tǒng)的串級控制方式，系統(tǒng)結構簡單，能改善汽溫這種大慣性對象的控制性能，在以往機組的實際運行中取得了較好的控制效果，可在本機組過熱汽溫噴水減溫調節(jié)策略設計中嘗試。

4.1 設計原理

為了避免汽溫控制的大時滯現(xiàn)象，該方案不直接對過熱器出口汽溫進行控制，而是通過將過熱器出口汽溫的改變量轉換為過熱器進口汽溫的改變量，從而控制過熱器進口汽溫來實現(xiàn)。通常在不同的負荷或壓力下，同樣出口溫度的改變量需要不同的進口汽溫改變量。這兩處汽溫改變量間存在定量關系，可通過過熱器進口和出口蒸汽的比熱確定。具體公式如下：出口蒸汽參數(shù)：溫度Tout、壓力Pout、比熱Cpout進口蒸汽參數(shù)：溫度Tin、壓力Pin、比熱Cpin

圖2表示的是：滑壓工況下，亞臨界機組(過熱器出口蒸汽參數(shù)約為541℃，18.5 MPa)、超臨界機組(過熱器出口蒸汽參數(shù)約為571℃，24.5 MPa)、超超臨界機組(過熱器出口蒸汽參數(shù)約為605℃，27.5 MPa)的調整因子隨壓力變化曲線。

圖2 滑壓工況下調整因子隨壓力變化曲線

由圖2可知：一方面：從亞臨界機組到超臨界，再到超超臨界機組參數(shù)，調整因子的值的變化幅度增大。亞臨界機組，當壓力從14 MPa滑壓到18.5 MPa，調整因子從0.96變化到0.94，變化2.1%；超臨界機組，當壓力從17 MPa滑壓到24.5 MPa，調整因子從0.94變化到0.89，變化5.6%；超超臨界機組，當壓力從18 MPa滑壓到27.5 MPa，調整因子從0.92變化到0.84，變化9.5%；因此，超臨界及超超臨界機組汽溫控制回路更加需要調整因子進行補償。而另一方面，從亞臨界到超超臨界機組參數(shù)，調整因子的線性度變好，因此，超超臨界機組過熱汽溫比亞臨界及超臨界機組更加好控。

過熱器進口汽溫(噴水減溫器出口汽溫)的變化以過熱器的動態(tài)特性影響過熱器出口汽溫的動態(tài)變化。基于上述物理機理的汽溫控制系統(tǒng)原理見圖3。出口汽溫與其設定值的偏差(Tsp-Tout)與調整系數(shù)相乘轉換為對進口汽溫的調整要求。出口汽溫偏差產生后，PID 控制器即按轉換后對進口汽溫的調整要求進行調節(jié)，改變減溫噴水量，改變進口汽溫Tin。進口汽溫改變后，將通過過熱器改變出口汽溫Tout。從圖3可知，進口汽溫通過模擬的過熱器特性PTn(多容環(huán)節(jié))形成的PTn·Tin，在PID調節(jié)器的設定值回路與經調整因子相乘的實際出口汽溫Tout相互抵消。PID凋節(jié)器的入口偏差為[K(Tsp-Tout)+ PTn·Tin]-Tin，K為調整系數(shù)f(x)在某壓力下的值。如果模擬的過熱器特性PTn與實際過熱器特性充分接近，則在整個動態(tài)調整過程中設定值回路[k(Tsp-Tout)+ PTn·Tin]基本維持恒定，系統(tǒng)調節(jié)性能十分穩(wěn)定。

圖3 BABCOCK設計的噴水減溫調節(jié)示意

過熱器的特性PTn隨負荷的變動會發(fā)生改變，可通過負荷與多容環(huán)節(jié)時間常數(shù)的關系曲線實現(xiàn)不同負荷下的過熱器的特性。過熱器特性PTn和調整系數(shù)并不總是很準確，但PTn·Tin最終能穩(wěn)定到Tin，所以Tout總能調整穩(wěn)定到其設定點。這一系統(tǒng)可以滿足超臨界機組負荷調峰時的需要。

4.3 該方案與常規(guī)控制方案的比較

一般電廠，通過改變減溫水流量改變高溫過熱器的入口汽溫，從而影響過熱器出口汽溫。由于大型鍋爐的過熱器管路很長，因此，它是一個大慣性帶純滯后的對象。目前電廠對鍋爐過熱汽溫調節(jié)通常采用串級控制系統(tǒng)；也有些采用基于狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋控制。

串級控制系統(tǒng)是針對大滯后控制對象的一種傳統(tǒng)調節(jié)方法，其控制系統(tǒng)見圖4。為了保證副回路的快速性同時中間變量并不要求無差，所以副調節(jié)器采用比例調節(jié)；主回路采用PID控制器。除能盡快消除副環(huán)外的擾動之外，還可以校正汽溫偏差，保證汽溫控制的精度。但由于串級控制系統(tǒng)是多回路系統(tǒng)，主副回路容易發(fā)生共振，主、副調節(jié)器之間出現(xiàn)相互干擾，導致汽溫的調節(jié)品質不佳。

圖4 串級控制系統(tǒng)結構圖

圖5 狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)結構圖

在鍋爐負荷發(fā)生變化時，過熱器中蒸汽流程上的各點溫度總是先于主汽溫的變化，所以控制系統(tǒng)理論上可以根據(jù)這些流程上的各點溫度進行調節(jié)，一旦這些溫度發(fā)生變化，控制系統(tǒng)及時參與調節(jié)，從而取得較好的控制效果。但是，在高溫過熱器上加裝過多的溫度測點是不現(xiàn)實的，故可以采取由過熱器的動態(tài)數(shù)學模型來估算這些溫度值(即狀態(tài)觀測器)，然后根據(jù)這些估計出來的溫度值來進行調節(jié)，這就構成了狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)見圖5。采用狀態(tài)反饋控制技術，可以加快噴水閥的動作，從而有效抑制汽溫的最大動態(tài)偏差。但使用狀態(tài)觀測器使系統(tǒng)參數(shù)增多，現(xiàn)場整定較為困難。

BABCOCK提出的設計方案(見圖6)不需要對象精確數(shù)學模型，維數(shù)相對低，調節(jié)器變?yōu)閱位芈?，所以結構簡單，消除了串級控制時存在的主、副控制器耦合情況。

5 結語

圖6 BABCOCK設計控制系統(tǒng)結構圖

本文通過對某1000 MW超超臨界二次再熱發(fā)電機組鍋爐汽水系統(tǒng)的分析，提出了過熱汽溫、一次再熱汽溫、二次再熱汽溫的控制方案。高溫過熱器減溫噴水控制方案的設計對過熱汽溫的控制品質具有重要影響。BABCOCK公司基于物理機理的設計方案能夠避免傳統(tǒng)汽溫調節(jié)系統(tǒng)存在的問題，該方案結構簡單，實現(xiàn)方便，也具有較強的魯棒性，控制效果也很好，可以嘗試在本機組主汽溫控制中應用。

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Steam Temperature Control Scheme for Ultra Supercritical Double Reheat Units

SUN Yang
(East China Electric Power Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

The performance of boiler steam temperature control system for ultra supercritical double reheat coal-fired generating units will directly affect the safety, stability and thermal efficiency of the unit. In this paper, with a 1000MW ultra supercritical double reheat coal-fired unit project, the general situation of unit process system is introduced. According to the process configuration of the boiler steam water system, the main steam, first reheat steam and second reheat steam temperature control modes and requirements are analyzed, and a main steam temperature control strategy in the process of supercritical boiler based on regulating theory is emphatically introduced. The system control method is simple and valid, and can be used in steam temperature control for double reheat coal-fired units.

Ultra supercritical coal-fired units; double reheat; steam temperature control; spray water control.

TM621

B

1671-9913(2016)06-0020-05

2016-0

孫漾(1984- )，男，吉林長春人，博士，工程師，研究方向：過程建模與控制優(yōu)化、大型火力發(fā)電機組自動控制。