二次再熱超超臨界機組給水系統控制邏輯設計

顧徐鵬

(華東電力設計院有限公司，上海 200063)

二次再熱超超臨界機組給水系統控制邏輯設計

顧徐鵬

(華東電力設計院有限公司，上海 200063)

泰州電廠二期是國內首臺二次再熱燃煤機組。介紹泰州二期電廠的給水系統的配置情況，分析鍋爐在各個運行階段給水系統的控制要求，得出濕態運行階段和干態運行階段給水控制邏輯的設計方案。

二次再熱；給水控制；焓值控制。

給水主控是1000MW超超臨界機組協調控制系統的一個非常重要的部分。直流鍋爐的給水控制相對于汽包爐的三沖量調節系統，其控制精度和系統響應速度要求都更高，控制模式也更為復雜。

國電泰州電廠二期百萬千瓦超超臨界燃煤發電機組是我國自主設計、自主制造的首臺超超臨界二次再熱機組，主機參數為31 MPa/600/610/610℃，建成后它將成為全世界容量最大的二次再熱機組，具有重要的示范作用。本文將詳細介紹機組在不同運行階段給水系統的控制策略。

1　泰州電廠二期的給水系統

泰州電廠二期的鍋爐采用了上海鍋爐廠有限公司生產的1000MW超超臨界、單爐膛、二次中間再熱、變壓直流、塔式鍋爐，鍋爐配置了帶再循環泵的啟動系統。主給水泵為2x50%的汽動給水泵組，啟動汽源由電廠一期輔助蒸汽系統提供，不再配置電動給水泵。

給水系統的主要流程見圖1，來自高壓加熱器的給水經過省煤器、水冷壁進入鍋爐啟動分離器，低負荷時啟動分離器處于濕態運行，起著類似于鍋爐汽包的作用，經汽水分離器分離后的水儲存在分離器儲水箱中。鍋爐啟動期間, 當爐水不合格時, 爐水可以通過儲水箱底部的溢流調節閥送至疏水擴容器直接排放。當系統內的水質合格時, 爐水經再循環泵被再次送到省煤器進口進行循環，從而減少了由于排放而造成的工質和能量的損失，有效地縮短了鍋爐在冷態和穩態的啟動時間。當機組大于30%負荷以后，鍋爐很快轉入干態運行，工質到達啟動分離器時已完全汽化，這時啟動分離器相當于鍋爐中間點的一個蒸汽聯箱。

圖1　泰州電廠二期給水系統主要流程圖

給水母管上設置了主給水截止閥，同時還有一路滿足啟動容量的給水旁路，設置一臺給水旁路調節閥用于低負荷時的給水流量調節，當給水流量指令大于汽動給水泵的最小出力時，給水流量將切換到由給水泵汽輪機調節，給水旁路調節閥這時將全開。

2　給水系統的控制要求

充分了解系統的運行方式，對控制策略的設計起著至關重要的作用。超超臨界機組給水系統的運行主要分為以下幾個階段：

(1) 停運階段：在點火前，鍋爐需要適當進水，給水由汽動給水泵打入鍋爐，對啟動分離器前的各段受熱面進行沖洗，并監視分離器儲水箱的水質，按照水質情況將爐水排放至地溝，或回收到凝汽器，直到爐水品質合格，開啟鍋爐啟動循環泵，并在各風系統完成爐膛吹掃，且風溫滿足點火要求后，鍋爐可以開始點火升溫。

(2) 低負荷濕態運行階段：即鍋爐點火后3 min 起至鍋爐轉干態前。此階段鍋爐工作特性類似于汽包爐，分離器儲水箱液位由給水旁路調節閥來控制，給水母管壓力則通過控制汽泵轉速來保證。同時，通過控制啟動循環泵出口調節閥來調節再循環流量，維持鍋爐啟動和低負荷時所需的最小流量，保證水冷壁的安全運行。

(3) 干態運行階段：在這一運行狀態下，加熱段、蒸發段和過熱段沒有固定的分界線，給水一次性流過三段受熱面。給水控制系統的任務不僅是要向鍋爐輸送合格的工質，還擔負著負荷控制和汽溫控制的任務。因此，在干態運行時，鍋爐給水流量控制是基于中間點焓值(汽水分離器出口焓值)的自動調節系統。

由此可見，直流爐的給水控制在鍋爐停運階段、濕態運行階段和干態運行階段都擔負著不同的控制任務，系統的控制要求、控制手段都不一樣，是一個極為復雜的控制系統。

3　濕態運行階段的給水控制

濕態階段時的直流鍋爐汽水分離器相當于鍋爐汽包，故此時的給水控制也類似于汽包鍋爐。在濕態階段給水控制的主要任務是合理控制分離器水位，同時確保鍋爐給水流量不低于水冷壁要求的最低限值，如果分離器水位過高或者給水流量過低都會導致鍋爐跳閘。

圖2是濕態運行階段給水指令的生成邏輯。給水指令以分離器貯水箱水位作為目標進行控制，水位偏差的變比例環節、分離器壓力計算出的控制系數都由鍋爐廠給定。當分離器壓力大于20 MPa時，鍋爐運行已接近濕態運行上限，這時比例積分(Proportion and Integration, PI)控制器的輸入將切換到焓值偏差，并在控制系統判斷鍋爐進入直流狀態后，將給水控制平滑地轉入干態控制方式。通常主蒸汽流量可作為分離器水位三沖量控制的一個輸入，起到改善調節品質的作用，但泰州電廠二期沒有設置主蒸汽流量測點，且筆者認為改用鍋爐燃燒率或機組負荷替代主蒸汽流量在這里作為前饋指令并不合適，所以設計邏輯時把分離器水位轉為單沖量控制。

由于采用汽動給水泵啟動的方式，而汽動給水泵的最低工作轉速較高，在最低工作轉速下給水泵出口流量會遠超過啟動初期鍋爐所需要的給水流量，此時由給水旁路調節閥來調節給水流量和控制分離器水位，而給水泵再循環調節閥則保證給水泵的最小流量。隨著鍋爐蒸發量的增加，給水量需求也會逐漸加大，給水旁路調節閥慢慢開啟，給水泵再循環調節閥逐漸關小直至全關。在這一過程中給水泵的轉速會逐漸升高，當轉速離開最低工作值一定距離、給水旁路調節閥開度較大且有一定給水流量時，進行控制切換，由給水泵轉速來控制分離器水位，而后全開給水旁路調節閥和主給水電動截止閥。

在濕態運行階段，如果再循環泵故障無法運行，則給水控制將有所變化，此時給水旁路調節閥或給水泵轉速不再控制分離器水位，而是控制給水流量以滿足鍋爐水冷壁需要的最小流量。在這種方式下，啟動初期鍋爐進水流量必定會大于蒸發量，使得分離器水位升高，只能由分離器水位溢流調門將多余的工質放至鍋爐疏水擴容箱，相當于放掉熱水，補充冷水，這將延長機組的啟動時間。

圖2　濕態運行階段的給水指令

4　干態運行階段的給水控制

干態運行時，所有的給水將一次性地全部轉化為過熱蒸汽，這樣給水流量的變化將直接影響機組負荷和主蒸汽溫度，所以在機爐協調控制中，給水控制就成為了配合機組出力、初步調節過熱汽溫的重要手段。如果選擇末級過熱器出口溫度直接作為給水流量的控制參數，由于鍋爐燃燒過程存在很大的慣性，給水流量變化反映到主蒸汽溫度延遲時間較長，控制器將難以獲得良好的控制效果，而分離器出口焓值相對來說能更快的反映鍋爐燃燒和給水的匹配情況，所以干態運行階段的給水控制一般都采用基于分離器出口焓值的控制策略。

干態方式下的給水指令見圖3，它是一個帶有前饋的中間點焓值PI控制器。鍋爐負荷指令通過函數換算到給水流量作為給水主控的前饋指令，因為鍋爐負荷同樣會送到燃料主控，所以給水前饋指令基本上保證了煤水比關系。由于燃料量變化對汽溫、汽壓的影響較給水對汽溫、汽壓的影響要慢，在負荷指令到給水的回路上加上了兩階慣性環節，使煤水變化速度得以匹配。在機組發生快速減負荷(Runback, RB)時，負荷指令到給水的慣性時間常數時會被減小，使得給水更快地響應鍋爐負荷的變化。

焓值設定值由設計焓值和修正量兩個部分疊加而成。鍋爐中間點設計焓值通過分離器儲水箱壓力計算得到，鍋爐廠提供了三個函數，分別代表了在某一設計工況點下的正常焓值以及焓值上下限，計算出的正常焓值將作為焓值設定值的基礎。為了更好地控制給水流量，焓值設定值還設計了兩路修正量，一路是當水冷壁出口溫度大于最大設定值1(即圖3中的MAX SP1)時，會形成一個負修正值，降低給水焓值設定，從而加大給水量，降低水冷壁出口溫度；另一路是控制過熱器減溫水流量不偏離設計點，保證噴水減溫有一定的控制裕度，當實際減溫水流量大于設計值時，說明中間點焓值偏高，需要加大給水量。這兩路修正中取負修正作用大的一路通過積分作用，最終被疊加到焓值設定值上。另外，當水冷壁出口溫度大于最大設定值2(即圖3中的MAX SP2)時，焓值設定值將直接切換到設計焓值下限，使得鍋爐快速加水，防止因水冷壁出口金屬溫度過高而發生主燃料跳閘(Main Fuel Trip, MFT)。

圖3　干態運行階段的給水指令

5　結論

本文詳細分析了泰州二期電廠給水系統的配置情況，并介紹了鍋爐在各個運行階段給水系統的控制要求，最后給出了濕態運行階段和干態運行階段給水控制邏輯的設計方案，希望能對其他超超臨界機組邏輯設計提供參考。

[1] 吳建平，等．1000MW超超臨界機組給水控制系統分析及其優化[J]，華東電力，2012，40(6)．

[2] 杜景琦，等．超臨界火電機組給水全程控制策略研究[J]，云南電力技術，2014，(42)．

[3] 何暢，等．1000MW超超臨界機組全程給水自動控制的優化與調整[J]，能源工程，2010，(01)．

Control Logic Design of Feed Water System for Double Reheat Ultra-supercritical Unit in Power Plant Tai Zhou

GU Xu-peng
(East China Electric Power Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

Tai Zhou Power Plant Phase II is the first double reheat coal fired power plant in China. Based on the feed water system of Tai Zhou Power Plant Phase II, a brief introduction of its configuration and the control requirements in different operation modes will be provided. The control logic of feed water system in one-through mode and none onethrough mode will be proposed finally.

double reheat; feed water control; enthalpy control.

TM621

B

1671-9913(2016)05-0017-04

2016-02-17

顧徐鵬(1985- )，男，江蘇啟東人，碩士，助理工程師，從事電廠熱工控制系統設計工作。