超超臨界機組多級煙氣換熱自動控制探討

上海電力建設(shè)啟動調(diào)整試驗所有限公司 金麒麟

隨著鍋爐機組容量和運行參數(shù)的提高，空預(yù)器入口煙溫隨之提高[1]。為控制排煙溫度，目前一些新建機組和部分在役機組通過各種技術(shù)方式增加煙氣余熱回收裝置，對常規(guī)給水及凝結(jié)水系統(tǒng)進行改造，高壓側(cè)給水和低壓側(cè)凝結(jié)水利用鍋爐的煙氣溫度進行加熱，汽輪機抽汽量減少的同時，能增加汽輪機做功工質(zhì)，從而提升鍋爐效率，使得汽輪機熱耗率及機組發(fā)電煤耗率有效降低。整個多級煙氣換熱涉及的系統(tǒng)包括煙氣系統(tǒng)、抽汽系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)等。

1 高低壓省煤器系統(tǒng)

1.1 煙氣側(cè)系統(tǒng)布置

鍋爐煙氣通過空預(yù)器主路加熱一、二次風(fēng)溫，對于未配備空預(yù)器旁路加熱系統(tǒng)的機組，空預(yù)器出口煙溫受鍋爐負荷、一二次風(fēng)量的影響較大，其熱損耗的利用率無有效的控制手段?？疹A(yù)器煙氣旁路系統(tǒng)則是在鍋爐尾部煙道設(shè)置一套與現(xiàn)有的空預(yù)器并聯(lián)布置的旁路通路，在確保一、二次風(fēng)溫溫升滿足機組設(shè)計要求的情況下，根據(jù)鍋爐負荷調(diào)節(jié)空預(yù)器旁路煙道擋板的開度，使一部分煙氣通過煙道旁路上的高/低壓省煤器，利用這部分煙氣中的熱量給高壓給水和低壓凝結(jié)水加熱。降溫后的旁路煙氣與空預(yù)器主路出口煙氣匯合后，再與安裝在除塵器前煙道的低溫省煤器完成熱交換。

對于采用排煙加熱的設(shè)備，其換熱能效，受機組負荷變化影響，為保證煙氣溫度在酸露點之上，避免除塵器、煙道、引風(fēng)機等發(fā)生低溫腐蝕[2]，需綜合考慮煙氣溫度控制方案。當(dāng)機組負荷低于30%時，由于鍋爐排煙溫度過低，高/低壓省煤器及低低溫省煤器不投入運行。高/低壓省煤器系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 高/低壓省煤器系統(tǒng)示意圖

1.2 水側(cè)系統(tǒng)布置

高壓省煤器從3號高加入口前引出部分鍋爐給水至高壓省煤器進行加熱，分兩路分別通過高壓省煤器進出口聯(lián)箱。加熱后的給水與高加出口的給水進行混合后，匯入主給水管道。高壓省煤器進口的電動調(diào)節(jié)閥通過控制流經(jīng)高壓省煤器的給水量，從而調(diào)節(jié)進入鍋爐省煤器的最終給水溫度。

低壓省煤器從8號低加入口引出部分凝結(jié)水，通過增壓泵進入低壓省煤器，加熱后的凝結(jié)水從低壓省煤器出水集箱引出，匯入除氧器。運行過程中，通過改變7號低加出口閥門的開度，可有效調(diào)節(jié)低壓省煤器進口水溫，進而影響熱交換器的煙氣換熱量。高/低壓省煤器將煙氣余熱引入機組回?zé)嵯到y(tǒng)后，能夠有效地提高給水溫度和凝結(jié)水溫度。

1.3 控制方案

高/低壓省煤器系統(tǒng)被控參數(shù)通常包括：空預(yù)器出口混合后的煙氣溫度、高壓省煤器出水溫度以及低壓省煤器出水溫度。

空預(yù)器主要是利用鍋爐尾部煙氣余熱來加熱爐膛一、二次風(fēng)的換熱設(shè)備，未配備空預(yù)器旁路加熱系統(tǒng)的機組，空預(yù)器出口煙溫受鍋爐負荷、一二次風(fēng)量的影響較大，其熱損耗的利用率無有效的控制手段。通過在空預(yù)器增設(shè)旁路煙道及擋板，在確保煙氣溫度高于酸露點溫度的同時，實時調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)的工作溫度與設(shè)定溫度的偏差。當(dāng)兩者設(shè)定溫度的偏差在一定范圍內(nèi)，煙氣擋板的開度為鍋爐負荷的函數(shù)，負荷小于30%BMCR時，擋板保持關(guān)閉。當(dāng)風(fēng)溫偏差超出設(shè)定時，煙氣擋板的開度設(shè)定根據(jù)溫度偏差量進行動態(tài)修正。同時，把空預(yù)器出口混合后的煙溫與煙氣酸露點溫度值作為煙氣擋板閉鎖增的保護條件，尤其是在鍋爐負荷相對較低階段?？刂品桨溉鐖D2所示。

圖2 高/低壓省煤器控制方案示意圖

圖3 低溫省煤器系統(tǒng)示意圖

高、低壓省煤器水側(cè)分別通過高省進水調(diào)節(jié)閥，以及低省增壓泵的頻率調(diào)節(jié)控制進入省煤器的給水及凝結(jié)水流量。鍋爐負荷以及被加熱工質(zhì)流量的變化，最終會對給水及除氧器的水溫產(chǎn)生一定影響。高壓省煤器溫度設(shè)定值為當(dāng)前給水壓力下飽和溫度減去裕量值，在保證省煤器不沸騰的情況下，盡可能提高給水溫度以達到降低煤耗經(jīng)濟運行的目標(biāo)。低壓省煤器則通過鍋爐負荷對應(yīng)的函數(shù)，疊加ΔT作為低省給水出口水溫的設(shè)定值。當(dāng)水溫小于設(shè)定值時，表明此時煙溫過低，換熱量不足，通過關(guān)小閥門或降低變頻泵的指令，減少被換熱的工質(zhì)流量，提高工質(zhì)溫升，反之亦然。

需要注意的是，為了保證增壓泵最低通流量，當(dāng)增壓泵運行時，兩路進水閥開度之和應(yīng)當(dāng)大于50%。

2 低溫省煤器系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)布置

低溫省煤器布置在空預(yù)器至除塵器之間的煙道內(nèi)，可有效回收排煙余熱，加熱熱媒水，降低排煙溫度。低溫?zé)崦剿M入煙氣換熱器系統(tǒng)，經(jīng)煙氣換熱器系統(tǒng)內(nèi)翅片管換熱面吸收煙氣熱量，變成高溫?zé)崦核?。高溫?zé)崦核謩e進入一次風(fēng)暖風(fēng)器和二次風(fēng)暖風(fēng)器加熱空預(yù)器入口冷風(fēng)，與冷風(fēng)換熱后變?yōu)榈蜏責(zé)崦剿?，通過循環(huán)水泵再次進入煙氣換熱器系統(tǒng)吸收煙氣熱量，完成閉式循環(huán)。整個熱水循環(huán)系統(tǒng)采用變頻水泵建立閉式循環(huán)。

在機組啟動的階段或煙氣換熱系統(tǒng)無法投運時，熱水循環(huán)系統(tǒng)可采用輔助蒸汽進行加熱，盡快提高一、二次風(fēng)進風(fēng)溫度，縮短機組啟動時間。隨著鍋爐負荷升高，逐步退出輔汽系統(tǒng)。

2.2 控制方案

低溫省煤器整個控制方案要確保系統(tǒng)運行中的入口水溫和出口煙溫在酸露點溫度之上，避免除塵器、煙道、引風(fēng)機腐蝕的風(fēng)險?？刂浦攸c在于讓管壁溫度略高于露點溫度，而排煙溫度略高于管壁溫度，同時又要保證暖風(fēng)器的換熱效率最高?？紤]機組負荷有一定的滯后性，選擇比機組負荷能夠更快反應(yīng)鍋爐負荷變化的參數(shù)，如主蒸汽流量、總?cè)剂狭?、總風(fēng)量等，作為控制前饋[3]。

暖風(fēng)器水側(cè)的調(diào)節(jié)閥通過調(diào)節(jié)流經(jīng)一、二次風(fēng)暖風(fēng)器的閉環(huán)水流量，從而控制一、二次風(fēng)溫度的配比，取一、二次風(fēng)暖風(fēng)器的溫度與其設(shè)定溫度的偏差大值作為被控對象。

低低溫省煤器共有四組出口煙溫，取四組的最小值作為被控對象，確保煙溫高于酸露點溫度。假如采用常規(guī)的單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于溫度對象都有較大的慣性，且從煙溫變化傳導(dǎo)到水溫，再經(jīng)由水溫傳導(dǎo)到風(fēng)溫，整個控制系統(tǒng)路徑過長，變化速率慢，尤其是當(dāng)燃燒工況不穩(wěn)定、鍋爐增加負荷或者啟停制粉系統(tǒng)時，更為明顯。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度，采用動態(tài)前饋和靜態(tài)前饋相結(jié)合的方式調(diào)節(jié)。

當(dāng)鍋爐負荷變化或制粉系統(tǒng)啟停時，最先變化的參數(shù)就是風(fēng)量，而且低低溫省煤器最終被調(diào)量也是一、二次暖風(fēng)器出口的風(fēng)溫。因此，采用一次風(fēng)和二次風(fēng)的指令疊加限幅后作為靜態(tài)前饋。另外，低低溫省煤器上游空預(yù)器主路和旁路的換熱量也會影響除塵器入口煙溫PID的調(diào)節(jié)，因此分別通過對空預(yù)器進、出口溫度進行微分、限幅處理后作為循環(huán)泵頻率控制的動態(tài)前饋。對于負擔(dān)調(diào)峰任務(wù)的機組，還可增加負荷指令微分前饋[4]，更加快速的響應(yīng)系統(tǒng)被調(diào)量的變化。

通過動態(tài)和靜態(tài)前饋的設(shè)置，可改善因負荷變化及入口煙溫變化引起的擾動?；A(chǔ)控制方案如圖4所示。

圖4 低溫省煤器控制框圖

綜上，超超臨界機組多級煙氣換熱系統(tǒng)有效利用鍋爐排煙余熱，提高了機組的熱效率，其中煙氣出口溫度調(diào)節(jié)及煙氣側(cè)進出口溫降是主要控制任務(wù)。隨著煙氣換熱器數(shù)量的增加，安裝位置和換熱方式也趨于多元化，需要對各個熱力參數(shù)有針對性地進行控制，才能在確保機組及設(shè)備安全正常運行的前提下，最大限度地利用煙氣余熱，實現(xiàn)機組的節(jié)能減排。