半超超臨界機組給水控制策略

施燕美，蔣小東

(1.西北電力設(shè)計院，陜西 西安 710075；2.東方電氣集團東方鍋爐廠，四川 成都 611731)

半超超臨界機組給水控制策略

施燕美1，蔣小東2

(1.西北電力設(shè)計院，陜西 西安 710075；2.東方電氣集團東方鍋爐廠，四川 成都 611731)

由于超臨界直流鍋爐沒有汽包，蓄熱能力小、慣性小、易超溫超壓，同時在鍋爐啟、停過程中存在干態(tài)、濕態(tài)轉(zhuǎn)換過程，啟、停機組時需要平穩(wěn)、順暢且快速過渡，否則易發(fā)生干、濕態(tài)頻繁交替，對汽水系統(tǒng)擾動非常大。本文結(jié)合某電廠660 MW半超超臨界機組帶爐水循環(huán)泵啟動系統(tǒng)鍋爐給水控制系統(tǒng)實例，分析了機組給水控制的主要難點和特點，介紹了啟動期間由濕態(tài)向干態(tài)轉(zhuǎn)換過程的特點，以及基于中間點溫度的水燃比控制，實現(xiàn)了全負(fù)荷范圍給水自動控制。

半超超臨界直流爐；給水控制；啟動系統(tǒng)；爐水循環(huán)泵；中間點溫度。

1 工程概況

燃煤發(fā)電機組運行過程中，鍋爐內(nèi)工質(zhì)都是水，水的臨界點壓力為22.12 MPa、溫度374.15℃；在這個壓力和溫度時，水和蒸汽的密度是相同的，就叫水的臨界點。超臨界機組是指蒸汽參數(shù)大于水臨界點參數(shù)的機組。一般超臨界機組的蒸汽壓力為24～26 MPa，其典型參數(shù)為：壓力24.1 MPa、溫度538℃/538℃；超超臨界機組實際上是在超臨界機組參數(shù)的基礎(chǔ)上進一步提高蒸汽壓力和溫度，其典型參數(shù)為壓力25～26.5 MPa、溫度600℃/600℃。超超臨界機組具有煤耗低、環(huán)保性能好的特點，且溫度越高，熱效率越高，煤耗越少。

印度某電廠660 MW半超超臨界機組，過熱器出口壓力25.4 MPa(g)，過熱器出口溫度571℃，再熱器出口溫度603℃。三大主機由東方電氣有限公司提供。鍋爐為半超超臨界參數(shù)變壓直流本生型鍋爐，采用定一滑一定方式運行，一次再熱，單爐膛、前后墻對沖燃燒，尾部雙煙道結(jié)構(gòu)，平衡通風(fēng)、露天布置，固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐，最大連續(xù)蒸發(fā)量2105 t/h。

汽輪機為超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽凝汽式汽輪機組。額定功率為660 MW，最大連續(xù)功率為693 MW，采用定一滑一定方式運行。

發(fā)電機為水氫氫冷卻汽輪發(fā)電機。

DCS系統(tǒng)為上海FOXBORO控制系統(tǒng)。

2 給水控制系統(tǒng)特點

本工程設(shè)計為半超超臨界參數(shù)變壓直流本生型鍋爐，無汽包，汽、水沒有固定的分界線，鍋爐在啟、停過程中存在一個干態(tài)、濕態(tài)轉(zhuǎn)換過程。在跨越超臨界壓力或在臨界壓力附近，工質(zhì)狀態(tài)和工質(zhì)物性變化最大，這時的工質(zhì)比熱很大，所以即使燃燒量變化較大，但水冷壁出口工質(zhì)溫度變化不大，隨著溫度的升高，比熱會迅速降低，這時溫度會突升，產(chǎn)生超溫現(xiàn)象。這個過程是超臨界直流鍋爐控制的關(guān)鍵點之一。

鍋爐在直流運行階段，在給水流量或燃料量發(fā)生變化時，加熱段、蒸發(fā)段和過熱段三段受熱面的比例都會發(fā)生變化，其汽水分界面也隨之發(fā)生移動，受熱面的吸熱比率將發(fā)生變化，從而影響到鍋爐蒸汽流量、壓力和溫度隨之發(fā)生變化，所以無論是給水還是燃燒都無法單獨控制某個參數(shù)，而且由于直流爐無汽包，水容積很小，鍋爐蓄熱能力弱，使得抗擾動能力不強。

另一方面本工程設(shè)計上配置直吹式制粉系統(tǒng)，它的大滯后性容易導(dǎo)致水燃比動態(tài)失調(diào)。

水燃比的穩(wěn)定控制是超臨界機組控制的難點。研究表明，水燃比變化1%，將使過熱汽溫變化8～10℃，如果水燃比失調(diào)，將會導(dǎo)致過熱汽溫大幅波動，而這時通過減溫水很難將主汽溫度調(diào)節(jié)到正常范圍，而只能通過調(diào)節(jié)給水去調(diào)節(jié)減溫水，而給水對減溫水的影響存在相當(dāng)大的慣性，很容易引起過熱汽溫擺動，造成過熱器爆管。

3 給水控制系統(tǒng)目的

給水控制的目的是控制總給水流量，時刻維持鍋爐燃燒過程中給水與燃料量輸入量之間合理關(guān)系，防止鍋爐發(fā)生超溫或汽溫、汽壓大幅度波動現(xiàn)象。

當(dāng)鍋爐進入直流運行階段，分離器處于干態(tài)運行，成為(過熱)蒸汽通道，此時給水控制任務(wù)不僅是應(yīng)負(fù)荷需求達到調(diào)整省煤器入口流量，還要調(diào)整微過熱汽溫達到期望的設(shè)定值，實現(xiàn)過熱蒸汽溫度粗調(diào)。

4 給水控制策略

直流本生鍋爐包含兩種運行階段，分別是濕態(tài)運行和干態(tài)運行。本工程中當(dāng)機組負(fù)荷大于26%且儲水罐水位控制閥關(guān)閉60 s后，判定為干態(tài)運行。當(dāng)負(fù)荷小于22%或儲水罐水位控制閥沒有關(guān)閉，判定為濕態(tài)運行。

由于沒有汽包，直流鍋爐需設(shè)置專門的啟動系統(tǒng)，在鍋爐啟動前建立足夠啟動流量和直流之前排除不合格工質(zhì)。啟動系統(tǒng)的主要功能是建立冷態(tài)、熱態(tài)循環(huán)清洗，建立啟動壓力和啟動流量，以確保水冷壁運行，最大可能回收啟動過程中的工質(zhì)和熱量，提高機組的運行經(jīng)濟性。

4.1 啟動系統(tǒng)

本工程660 MW超臨界直流爐，帶有爐水再循環(huán)泵鍋爐啟動系統(tǒng)，見圖1。2臺立式汽水分離器布置于鍋爐前方接近爐頂處，分離器設(shè)計壓力29.12 MPa、溫度437℃。當(dāng)來自水冷壁出口集箱的汽水混合物沿筒體切向進入分離器后，旋轉(zhuǎn)形成的離心力使汽水分離，分離后的蒸汽從分離器頂部引出管流向頂棚過熱器進口集箱，水從汽水分器底部排入儲水罐，儲水罐量程為0～20000 mm。儲水罐底部出水管與鍋爐啟動系統(tǒng)擴容器連接，用以啟動階段特別是啟動初期汽水膨脹階段穩(wěn)定儲水罐水位，回收工質(zhì)。儲水罐總管直接與BCP入口相連，為啟動階段提供再循環(huán)水。循環(huán)泵進水來自儲水罐，出水至省煤器入口集箱。在故障情況下，可以利用BCP出、入口管道上的電動閘閥隔絕BCP，以便檢修。

BCP、儲水罐水位調(diào)節(jié)閥暖管管路指省煤器出口連接管→BCP、儲水罐水位調(diào)節(jié)閥→儲水罐的管路，主要目的是對BCP、儲水罐水位調(diào)節(jié)閥及其各自的進口管道進行暖管，以防止在BCP、儲水罐水位調(diào)節(jié)閥及其進口管道出現(xiàn)熱沖擊對再循環(huán)泵、閥門和管道產(chǎn)生疲勞傷害。在鍋爐啟動過程中，BCP、儲水罐水位調(diào)節(jié)閥暖管管路在鍋爐實現(xiàn)直流轉(zhuǎn)換、儲水罐水位調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉后啟用。

在鍋爐啟、停和低負(fù)荷運行時，通過BCP爐水再循環(huán)泵在啟動系統(tǒng)和省煤器及爐膛水冷壁之間建立有效的循環(huán)，將爐膛水冷壁排出的熱水返 回到省煤器和水冷壁，以減少能量損失和工質(zhì)損失，同時加快鍋爐啟動速度。爐水再循環(huán)泵提供了足夠的壓頭來建立冷態(tài)和熱態(tài)啟動時循環(huán)所需的最小流量，此時爐膛最小流量和再循環(huán)流量之間的差由給水泵補充。鍋爐啟動系統(tǒng)自動控制與濕態(tài)給水控制系統(tǒng)融為一體。

圖1 600 MW超臨界機組鍋爐啟動系統(tǒng)

4.2 濕態(tài)運行給水流量控制

鍋爐啟動初期，啟動鍋爐給水泵經(jīng)給水旁路向鍋爐內(nèi)上水，上水至儲水罐水位達到12000 mm時，上水完成。上水完成后進入鍋爐冷態(tài)開式清洗，加水流量為10%B-MCR，此時儲水罐水位調(diào)節(jié)閥進口總管電動閥、儲水罐水位調(diào)節(jié)361閥處于自動狀態(tài)，鍋爐循環(huán)水流量調(diào)節(jié)閥、主給水電動閥處于關(guān)閉狀態(tài)，BCP爐水循環(huán)泵處于備用狀態(tài)，爐水經(jīng)361閥排入啟動系統(tǒng)擴容器后進入機組排水槽。

當(dāng)儲水罐出口水質(zhì)達標(biāo)后，開式清洗結(jié)束，進入冷態(tài)循環(huán)清洗階段，啟動鍋爐BCP爐水再循環(huán)泵，并使鍋爐循環(huán)水流量為20%B-MCR，此時鍋爐循環(huán)水流量調(diào)節(jié)閥全開，爐水經(jīng)361閥排入啟動系統(tǒng)擴容器后進入凝汽器(僅7%BMCR流量通過361閥排出)。

當(dāng)省煤器入口水質(zhì)達標(biāo)時，冷態(tài)循環(huán)清洗結(jié)束，隨后鍋爐點火。

在濕態(tài)運行狀態(tài)下，給水是通過汽水分離器儲水罐的水位和定流量來控制。

鍋爐濕態(tài)運行時，水冷壁出口工質(zhì)為飽和水與蒸汽，汽水分離器將工質(zhì)中的飽和水分離出來并收集在儲水罐中。儲水罐水位通過361閥控制，當(dāng)水位超過預(yù)先設(shè)定值時，水通過361閥排向鍋爐啟動系統(tǒng)擴容器。在BCP運行過程中，通過BCP出口再循環(huán)調(diào)節(jié)閥控制循環(huán)水流量。循環(huán)水流量根據(jù)儲水罐水位來設(shè)定。當(dāng)蒸汽量達到7%B-MCR時，關(guān)閉361閥，分離器儲水罐水位由再循環(huán)調(diào)節(jié)閥控制。

在鍋爐啟動初期，主給水電動閥關(guān)閉，給水流量由給水旁路調(diào)節(jié)閥控制，維持鍋爐給水流量(省煤器入口)為25%B-MCR。電動給水泵改變轉(zhuǎn)速維持給水泵出口母管與省煤器入口母管差壓。當(dāng)給水旁路調(diào)節(jié)閥開度增大至75%，鍋爐負(fù)荷達15%B-MCR時，主給水電動閥打開，給水旁路調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，由電動給水泵調(diào)速控制給水流量。當(dāng)負(fù)荷達到20%B-MCR時，啟動第1臺汽動給水泵，停運電動給水泵。當(dāng)鍋爐負(fù)荷達到50 %B-MCR時，啟動第2臺汽動給水泵。

4.3 干態(tài)運行過程中給水流量控制

在鍋爐負(fù)荷大于25%B-MCR，水冷壁出口的蒸汽處于干態(tài)，汽水分離器不再有水分離，給水經(jīng)過給水泵的壓頭一次通過預(yù)熱、蒸發(fā)、過熱各受熱面而變成過熱蒸汽，鍋爐進入干態(tài)運行，儲水罐液位為零，361閥和BCP關(guān)閉。

直流爐給水控制策略從原則上可以分為水跟煤和煤跟水兩種。按照蘇爾壽建議的動態(tài)控制概念，本工程采用水跟煤控制方式，并采用中間點溫度校正控制方案，見圖2。

圖2 基于中間點溫度的給水控制回路

給水流量指令由靜態(tài)前饋和動態(tài)前饋兩部分組成。靜態(tài)前饋是給水流量指令的主要部分，由鍋爐的主控指令(負(fù)荷或總?cè)剂狭?經(jīng)函數(shù)F1(x)折算出鍋爐需要的給水總量，乘以BTU校正系數(shù)，作為給水流量的基本指令，該部分保證了穩(wěn)定設(shè)計的水燃比，可認(rèn)為是水跟煤的控制方式；另外，由于給水調(diào)節(jié)的快速性，需要在鍋爐負(fù)荷指令后增加慣性環(huán)節(jié)F1(t)，并設(shè)置一定的慣性時間，以協(xié)調(diào)給煤機、磨煤機及煤粉輸送的慣性和鍋爐的燃燒及傳熱慣性，保證動態(tài)過程的水燃比。動態(tài)前饋是根據(jù)中間點溫度進行修訂，與靜態(tài)前饋設(shè)計的水燃比一起形成給水流量指令。

本工程中控制汽水分離器前的水冷壁出口集箱的過熱度，以控制微過點的溫度(中間點溫度)，若中間點溫度過低，過熱器帶水；若中間點溫度過高，水冷壁出口段超溫。按照鍋爐廠家提供的說明書，經(jīng)函數(shù)F2(x)寫入分離器出口壓力對應(yīng)工況下的飽和蒸汽溫度，并與汽水分離器前的水冷壁出口集箱溫度比較，作為中間點過熱度，并與中間點過熱度定值比較(一般為10～15℃)經(jīng)過PID1計算出給水流量定值動態(tài)前饋。該動態(tài)前饋同時反應(yīng)了給水溫度的變化率，在溫度變化后，提前改變給水量，以實現(xiàn)超前調(diào)節(jié)。

實際給水流量由省煤器入口給水流量加上再循環(huán)流量，由于給水流量對水冷壁出口集箱給水溫度的影響比燃料量要快得多，因此，在實際給水流量信號加了動態(tài)延遲塊F2(t)，與給水流量設(shè)定值經(jīng)過PID2產(chǎn)生給水控制指令，并經(jīng)過函數(shù)F3(x)折算成汽動給水泵轉(zhuǎn)速指令信號實現(xiàn)給水控制。

5 結(jié)論

本工程帶爐水再循環(huán)泵，在啟動過程中既回收工質(zhì)又回收熱量，同時還可降低給水泵的運行功率。

給水自動控制是超臨界直流爐中最重要的回路，它對主汽壓力、過熱器出口溫度、機組有功功率的影響都很大，而基于中間點溫度校正的控制方案，降低主汽溫度調(diào)節(jié)的滯后性，及時控制水冷壁工質(zhì)溫度，防止水冷壁發(fā)生超溫爆管，而且溫度設(shè)定值變化是線性的，修改方便，運行人員易于掌握和操作，該方案能很好的解決給水與其它變量間的耦合，可以保證機組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。

[1] 谷俊杰．熱工控制系統(tǒng)[M]．北京：中國電力出版社，2011．

[2] 錢慶生．600 MW超臨界機組控制系統(tǒng)特點與協(xié)調(diào)控制策略[J]．熱電技術(shù)，2008，98(2)．

[3] 李偉，超臨界機組給水控制應(yīng)用研究[J]．電力學(xué)報，2011，26(3)．

[4] 王丕洲，等．600 MW超臨界直流鍋爐兩種給水控制系統(tǒng)分析[J]．電力科學(xué)與工程，2013，29(4)．

Feed Water Control Strategy for Semi Ultra Supercritical Unit

SHI Yan-mei1, JIANG Xiao-dong2
(1.Northwest Electric Power Design Institute, Xi'an 710075, China; 2. Dongfang Boiler Group Co., Ltd., Chengdu 611731, China)

As a super-critical once-through boiler with the characteristics of no drum, small regenerative capacity, low inertia, easy over-temperature and over-pressure, while a wet state converts into dry state in the process of boiler startup and shutdown, the unit needs a smooth and rapid transition, dry/wet frequent alternation largely disturbs the steam/water system. In this paper, a instance of a 660 MW semi ultra-supercritical units power plant with BCP start system boiler feedwater control system, analyzed the main features of the difficulties and feedwater control unit, describes the characteristics of dry/wet alternation in the process startup, and based on intermediate point temperature of the water-fuel ratio control to achieve the full load range water supply control.

semi-ultra-supercritical once-through boiler; feedwater control; start-up system; BCP; intermediate point temperature.

TM621

：B

：1671-9913(2017)01-0031-05

2015-08-12

施燕美(1979- )，女，云南麗江人，碩士，高級工程師，主要從事電廠熱工自動化設(shè)計。