東方1000MW超超臨界鍋爐水燃比控制

王嘉毅

（上海電力建設啟動調整試驗所，上?！?00031）

東方1000MW超超臨界鍋爐水燃比控制

王嘉毅

（上海電力建設啟動調整試驗所，上海200031）

東方1000MW超超臨界鍋爐引進日立技術，采用煤跟水的協調控制結構，通過水燃比控制對鍋爐負荷指令產生的基本燃料指令進行補償，產生燃燒率指令。根據水燃比在機組不同運行階段的不同控制方式，對其結構和各控制對象進行分析，著重介紹干態運行下水燃比對中間點溫度的控制，以及現場投用效果。

東方鍋爐超超臨界機組水燃比控制中間點溫度

東方鍋爐廠引進日立技術生產的1000MW超超臨界參數、變壓直流鍋爐，采用對沖燃燒方式、∏型結構布置。其控制原理屬于日系流派，采用煤跟水的協調控制結構。水燃比控制通過對鍋爐負荷指令產生的基本燃料指令進行補償，動態保持燃燒率與給水之間的平衡關系，實現機組各運行階段的不同控制功能。

1　水燃比控制結構

燃料主控的基本燃料量指令由鍋爐負荷指令產生，通過水燃比控制輸出和機組變負荷時有效的鍋爐動態加速指令（BIR）對其進行補償，經過水-煤交叉、風-煤交叉限制及BTU修正，產生最終的燃燒率指令，如下圖1所示：

水燃比主控在機組不同運行階段下分別具有分離器入口升溫控制、爐膛排煙溫度控制、主汽壓力控制和中間點溫度控制的功能。當燃料主控手動時，水燃比主控跟蹤基本燃料指令與總燃料量的偏差，使燃料主控在切換自動時無擾。當燃料主控自動、水燃比主控手動時，由于煤跟水的協調控制結構，給水指令基本維持鍋爐負荷指令對應的給水流量，水燃比主控可以作為燃料的偏置器，手動調整燃燒率與給水之間的比值。當燃料主控和水燃比主控都在自動時，水燃比主控根據當前機組運行狀態，選擇不同控制對象，通過修正燃料指令，自動調整燃燒率與給水之間的比值，使其達到動態平衡。水燃比主控各階段控制功能如下圖2所示：

圖1　燃燒率指令生成回路

圖2　水燃比主控各階段控制功能

圖3　主蒸汽系統過程控制畫面

2　濕態水燃比控制

2.1分離器入口升溫控制

在機組啟動階段，當鍋爐點火且主汽壓力小于沖轉壓力時，若水燃比主控自動，則分離器入口升溫控制有效。根據分離器入口溫度對應的函數，溫度較低時對燃料指令進行負方向修正，隨著溫度升高修正量逐漸歸零，達到控制分離器入口溫升率的目的。當鍋爐升壓至沖轉壓力時，分離器入口升溫控制結束。

2.2爐膛排煙溫度控制

圖4　中間點溫度控制原理圖

圖5　漢川電廠5號機組水燃比控制曲線

在主汽壓力達到沖轉壓力且機組并網之前，若水燃比主控自動，則爐膛排煙溫度控制器有效，其目的是為了在機組啟動階段防止燃料過量使再熱蒸汽管超溫。爐膛排煙溫度控制器是一個PI控制器，當爐膛出口煙氣溫度超過最大設定值時，對燃料指令進行負方向修正，最大修正量為5t/h。機組并網后，爐膛排煙溫度控制結束。

2.3Standby mode

機組并網至旁路全關之前，此時汽機手動控制負荷，主汽壓力由旁路控制。為保證汽機全進汽，一般對燃料的操作是維持不變，因此在此期間水燃比無實際控制對象，不論水燃比主控在自動或手動，都處于跟蹤狀態，跟蹤基本燃料指令與總燃料量的偏差。

2.4主汽壓力控制

當旁路全關，汽機全進汽至機組進入干態運行前，若汽機依然維持負荷控制，須由鍋爐控制主汽壓力，則水燃比切換至主汽壓力PI控制器。原因是當鍋爐處于濕態循環運行方式時，主汽壓力是單由燃料量的多少來決定的，燃料量的增減直接影響分離器的蒸發量；此時改變給水流量只會影響分離器儲水箱的液位，不會影響主汽壓力（同汽包爐）。因此，在這種工況下，水燃比主控通過燃料量控制主汽壓力，直至機組進入干態運行結束。

3　干態水燃比控制（中間點溫度控制）

超超臨界鍋爐在直流工況下是一個多輸入、多輸出的被控對象，沒有汽包環節，在不同運行工況下，其加熱區、蒸發區和過熱區之間的界限是變動的。為了維持汽水行程中各點的溫度、濕度及各區段的位置在規定的范圍內，要求控制系統嚴格地保持燃燒率與給水之間的動態平衡關系。因此，將反映燃料和水關系變化最靈敏的地方稱之為中間點溫度，鍋爐運行中將中間點溫度控制在一定范圍內，就可以認為鍋爐汽水系統中的相變點界面被基本固定住，從而達到了使燃料和水保持一定比值關系的目的，也保證了過熱汽溫在可控范圍內。

3.1屏過出口溫度控制

根據東鍋1000MW超超臨界鍋爐控制說明，選取與以往不同的屏過出口溫度作為中間點溫度，在調試和運行過程中也驗證了該點對燃料的響應最為靈敏。下圖3為東鍋1000MW超超臨界鍋爐主蒸汽系統過程控制畫面。

屏過出口溫度設定值由負荷指令MWD產生，其與實際屏過出口溫度的偏差被送至積分控制器，同時把溫度偏差作為積分控制器的輸出前饋，即比例環節與積分環節分開，這樣做是為了在變負荷或水燃比超馳動作時，閉鎖積分器的增減，防止水燃比控制反向作用和積分飽和。由于在不同負荷下過熱蒸汽的壓力不同，改變同樣蒸汽溫度所需要吸收和放出的能量也不同，因此通過蒸汽比熱容對比例增益和積分時間常數進行修正。屏過出口溫度控制輸出由此比例+積分產生。

3.2水燃比溫度控制前饋

為了保證各受熱面溫度和過熱器噴水流量在設計范圍之內，將上游頂棚出口溫度偏差和過熱器總噴水流量控制偏差的比例控制作為前饋加在屏過出口溫度控制的比例環節上，協助過熱器噴水流量控制，形成最終的水燃比中間點溫度控制輸出，其原理如下圖4所示：

3.3水燃比超馳控制

在機組進入干態以后，為了防止頂棚出口過熱度過高或過低，在控制系統中設置了根據分離器出口壓力產生的頂棚出口溫度上限和下限的函數，當頂棚出口溫度超過該上限或下限時，水燃比按比例超馳減少或增加燃料，最大超馳量±6t/h（Oilbase），同時閉鎖屏過出口溫度控制的積分環節。

3.4水燃比溫度控制與過熱器減溫水控制的協調

由于屏過出口溫度作為中間點由水燃比控制，因此過熱器一級噴水只需要單回路控制，根據東鍋1000MW超超臨界鍋爐控制說明，過熱器一級噴水控制一級噴水流量，保證其在各負荷段基本保持在設計流量，并通過各受熱面（頂棚出口、低過出口、屏過進口、屏過出口）溫度的偏差對流量設定進行修正。過熱器二級噴水仍采用常規串級調節，精確控制主汽溫度。下圖5為國電漢川電廠5號1000MW機組水燃比控制曲線。

4　結語

東方1000MW超超臨界鍋爐水燃比控制結合其協調控制方案在控制理念上突出機組全程控制的思想，這就對機組自動化控制水平和設備可靠性提出了更高的要求。其在過熱汽溫的控制上講求全系的兼顧，因此在調試過程中尤其需要注意各控制偏差的權重分配及水燃比與噴水減溫的協調，保證汽溫控制的穩定。同時，在調試和運行中也發現屏過出口溫度的變化可以視作主汽壓力變化的前饋，中間點溫度的穩定，也利于主汽壓力控制的穩定；但是通過燃料調節汽溫，其慣性時間較長，還受爐膛配風、吹灰狀況及煤質變化等燃燒工況的影響，這也是造成東鍋煤跟水的控制方案有利于汽壓控制、不利于汽溫控制的原因之一。

［1］陸梁.1GW超超臨界直流爐的自動控制策略與調試［J］.電力與能源，2013（5）：489-492.

［2］張秋生，梁華，胡曉花，等.超超臨界機組的兩種典型協調控制方案［J］.中國電力，2011（10）：74-79.

［3］王中勝，夏明，趙松烈，賀賢峰.北侖1000MW超超臨界機組協調控制策略分析及優化［J］.電力建設，2010（1）：87-90.

Dongfang 1000MW ultra supercritical boiler introduction of BHK technology， use coal follow water in coordination control strategy. FW/ FR ratio control compensate basic fuel program from boiler input demand， generate the firing rate demand. Based on the different strategy of FW/FR ratio control in different operational states， analyze its structure and control object， focus on intermediate point temperature control in one-through mode and application effect.

Dongfang boiler， ultra supercritical unit， FW/FR ratio control， intermediate point temperature

王嘉毅（1984—），男，工學學士，工程師，主要從事大型火電機組熱控調試、管理及控制策略研究。