600MW超超臨界機組過熱汽溫控制策略與優化

摘要：鍋爐主汽溫度過高或過低都會影響機組運行的安全性和經濟性。某電廠超超臨界600MW機組在自動發電控制（AGC）方式下的主汽溫度波動較大，通過對給水及中間點溫度、過熱汽溫等系統的控制策略進行優化，并對優化后的控制系統進行了1.5%/min變負荷試驗，試驗結果表明優化后的主汽溫度的偏差的絕對值<5℃，滿足過熱汽溫自動控制系統的要求。

關鍵詞：600MW超超臨界機組；直流爐；過熱汽溫控制；水煤比；中間點溫度 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP311 文章編號：1009-2374（2015）16-0030-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.16.015

1 概述

某電廠2×600MW機組鍋爐采用哈爾濱鍋爐廠有限責任公司引進的日本三菱重工技術制造的HG-1795/26.5-YM1型超超臨界參數變壓運行垂直管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、墻式切圓燃燒、平衡通風、固態排渣、全鋼懸吊結構，π型露天布置燃煤鍋爐。鍋爐的過熱汽溫的調節為水煤比（Water Fuel Ratio，簡稱WFR）+三級噴水減溫的方式，再熱汽溫的調節采用煙氣分配擋板、擺動燃燒器和事故噴水減溫。

2 直流爐控制特點

第一，在直流爐中，當鍋爐進入干態純直流運行方式后，鍋爐給水加熱成蒸汽一次完成，汽水沒有穩定的分界面，其隨著給水流量和燃料量的變化前、后移動，使鍋爐的蒸發段和過熱段的吸熱量分配比例發生變化，當比例嚴重偏離設計值時，將會導致主汽溫度大幅升高或降低。

第二，超臨界機組一般都采用復合變壓方式運行，大約在70%以上額定負荷時才運行在臨界壓力之上。從亞臨界到超臨界變化過程中，工質的特性變化大，使得超臨界機組具有嚴重的非線性。

第三，汽包爐相比，給水流量的擾動會對主汽溫度、主汽壓力和機組負荷產生影響，因此鍋爐的給水、燃燒和汽溫的控制是相互耦合的，在設計各控制子系統時，必須統籌考慮。

3 過熱汽溫控制策略及優化

超（超）臨界直流爐在干態運行時，主汽溫度控制采用水煤比和過熱器噴水減溫相結合的方法。水煤比控制是鍋爐主汽溫的粗調，過熱器減溫水是主汽溫度的細調，把握好兩者各自調溫的特點使主汽溫度控制在合理范圍內。要控制好主汽溫度必須改善中間點溫度控制。

3.1 水煤比控制

在超（超）臨界直流爐運行在干態方式時，燃料量和給水流量的變化都會引起鍋爐內部汽水分界面的改變，從而有可能導致鍋爐出口主蒸汽溫度大幅度變化。因水煤比的變化對鍋爐主汽溫的延時較大，一般采用汽水分離器的入口蒸汽溫度（也叫中間點溫度）作為水煤比是否出現偏差的標志。中間點的過熱度控制目標隨主汽壓力的設定而改變，通常中間點的過熱度一般控制在10℃～40℃范圍內。

某電廠的WFR控制回路見圖1，鍋爐在干態方式下，WFR既控制汽水分離器入口蒸汽溫度的偏差，又兼顧一級過熱器出口、二級過熱器出口、三級過熱器出口、后煙道后墻入口的蒸汽溫度偏差，WFR控制保證上述各級蒸汽溫度在設定范圍內，從而保證主蒸汽溫度在一定范圍內。當出現爐膛中部集箱入口管金屬溫度、爐膛煙氣溫度、后煙道后墻入口集箱溫度、后煙道后墻入口過熱度超溫時，通過WFR迫降強制減煤。在燃料和給水的配比上，采用煤跟水的控制策略。

原設計中對鍋爐汽水分離器的入口過熱度的設定值是與分離器出口蒸汽壓力的函數。優化后的過熱度的設定函數根據機組滑壓運行曲線重新整定，增加了機組變負荷時過熱度設定值慣性時間的適配；增加了一級減溫水調門平均開度指令經函數和慣性對過熱度的設定值進行修正；WFR調節參數由變負荷前饋信號的函數值進行精確比例和積分適配。在WFR迫降回路中，增加慢減燃料時保持當前WFR值保持的前提下下偏3t煤，快減煤量時下偏10t煤，按照速率快減速率0.167t/h/s和慢減速率0.05t/h/s下降。水煤比調節器參數隨機組負荷變化的進行變參數控制，并引入變負荷信號對WFR前饋信號進行弱化。

優化后的鍋爐汽水分離器壓力對應的過熱度設定函數見表1；一級減溫水調門平均開度指令對過熱度函數的修正見表2。

3.2 給水控制回路及優化

直流鍋爐給水控制的目的是控制總給水量，滿足鍋爐的輸入指令（BID）要求，使爐膛受熱面能得到與鍋爐熱負荷相適應的冷卻水量，即保持一定的水煤比例。對直流鍋爐來講，要控制機組負荷，鍋爐的給水流量和燃料量都要改變，當燃料量和給水量失調時，鍋爐出口過熱汽溫會發生顯著變化，所以保持水煤比來控制主汽溫度的是直流鍋爐控制的核心任務。但實際運行時煤質等因素的影響不能保證汽水行程某點的焓值穩定，所以還需通過中間點溫度校正。

三菱原設計的給水指令構成是基于鍋爐輸入指令（BID）經過函數轉換來的給水流量，再考慮下列因素對給水流量指令的影響：（1）與鍋爐輸入指令相適應的給水流量指令受到總燃料量的交叉限制，以保證調節過程產生的水和煤的不平衡量不超限；（2）所有工況下維持鍋爐給水流量指令高于鍋爐的最小給水流量，保證鍋爐受熱面的安全；（3）考慮機組啟動或低負荷運行方式下，水和煤的配比略高，適當增加一個給水偏置信號；（4）防止省煤器的水發生汽化，在給水流量指令上疊加一個正偏置信號，增加給水流量。

在此次邏輯優化時，對原設計的給水指令回路重新進行構造，對該廠給水控制回路主要做了如下修改：鍋爐BID指令來的信號經過函數轉換為給水指令，作為基本控制信號；變負荷給水前饋信號作為動態水和煤配比信號在給水主回路慣性后疊加；增加過熱度偏差大對鍋爐給水的快速修正回路；增加過熱度偏差大通過調節器（PID）對給水柔性修正，用于水和煤動態平衡快速收斂；給水指令的慣性時間通過引入變負荷前饋信號的函數作為穩態和變負荷時與燃料量的匹配時間，同步增加不同RB模式下的慣性時間。分離器入口過熱度偏差對給水流量的修正見圖2，過熱度偏差對給水流量指令修正量見表3。

3.3 噴水減溫控制

本機組鍋爐的過熱器采用四級布置，設置三級減溫水作為主汽溫度的細調。每級噴水減溫器分左右兩側布置，以消除各級過熱器兩側存在的汽溫偏差。原設計三級減溫水控制均為單回路控制。

3.3.1 一級減溫水控制。二級過熱器出口溫度的設定值為負荷指令經函數轉換加上設定值偏置后，增加速率限制0.1℃/s。將原單回路調節改為串級回路控制，使用二級過熱器入口汽溫作為導前溫度，同時增加主回路的抗積分飽和功能。在干態方式下，為了保證汽水分離器入口溫度能控制在飽和溫度以上，一級減溫水控制增設了分離器入口溫度控制回路，其作用是使水冷壁出口溫度能控制在飽和溫度以上并保持一定的過熱度，避免分離器的蒸汽帶水。

3.3.2 二級減溫水控制與一級減溫水設計基本相同，將原單回路改為串級回路并增加主回路的抗積分飽和功能。與一級減溫控制不同的是為減少汽溫控制的遲延時間，加入了以下前饋信號：將鍋爐變負荷前饋信號加入到減溫水調門的控制指令上；以二級減溫器進出口汽溫差作為前饋信號。

3.3.3 三級減溫水控制。第三級減溫水原設計控制回路采用串級回路，增加主回路的抗積分飽和功能。主回路的前饋信號來自負荷指令函數，副回路的前饋信號來自鍋爐的變負荷前饋，利用兩路前饋信號來改善調節品質。

4 變負荷試驗的控制效果

對優化后的控制系統進行了300～500MW的區間，速率為9MW/min的變負荷試驗，變負荷試驗曲線見圖3。機組在變負荷過程中，主汽溫度偏差的絕對值<5℃，汽水分離器入口過熱度偏差絕對值<5℃，機組穩態時，主汽溫的最大穩態偏差為1.5℃。

5 結語

直流鍋爐的主汽溫控制由水煤比和噴水減溫兩部分來調節，由于汽水分界面的不固定，通常采用中間點溫度作為判斷水和煤是否失衡的信號，它的波動在一定程度上反映了主汽溫度的變化趨勢。通過改善中間點溫度的控制并結合噴水減溫的細調，能取得滿意的調節效果。

參考文獻

[1] 陳厚濤，劉武林，劉復平，等.660MW超臨界機組過熱汽溫控制研究[J].湖南電力，2013，（8）.

[2] 肖大雛.超超臨界機組控制設備及系統[M].北京：化學工業出版社，2008.

作者簡介：沈儉（1976-），男，江西九江人，深能合和電力（河源）有限公司工程師，研究方向：電廠熱工控制技術。

（責任編輯：周 瓊）