超臨界直流鍋爐的控制技術分析與研究

張贊助

摘? 要：在當前社會經濟快速發展的進程中，由于工業的發展促使環境污染問題日益嚴重，因此相關工業企業必須要強化節能減排，盡可能的提高資源利用效率。而超臨界直流鍋爐憑借著熱效率較高、發電煤消耗量少等優勢受到廣泛的青睞和認可。因此文章主要分析超臨界直流鍋爐內置式啟動系統，簡述其核心控制系統，分析其控制特性，旨在進一步提高超臨界直流鍋爐控制技術水平。

關鍵詞：超臨界;直流鍋爐;控制技術

中圖分類號：TM621.2? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）23-0156-02

Abstract： In the current process of rapid social and economic development， due to the development of industry， the environmental pollution problem is becoming increasingly serious， so related industrial enterprises must strengthen energy conservation and emission reduction and improve the efficiency of resource utilization as much as possible. However， supercritical once-through boilers are widely favored and recognized for their high thermal efficiency and low consumption of electricity-generating coal. Therefore， this paper mainly analyzes the built-in startup system of supercritical once-through boiler， briefly describes its core control system and analyzes its control characteristics， aiming at further improving the control technology level of supercritical once-through boiler.

Keywords： supercritical; once-through boiler; control technology

前言

我國現階段的超臨界機組控制技術有了較大的發展，其能夠有效的提高系統運行效率和質量。相比于亞臨界鍋爐控制機組，有一定的控制優勢，最主要體現在直流鍋爐以及汽包鍋爐的控制技術中。隨著當前生產任務的不斷增多，控制參數也逐漸提高，致使超臨界直流鍋爐控制技術較為復雜。而在汽水結構上，超臨界鍋爐機組有汽包爐和直流爐兩種類型，而其中直流爐采用的參數多數為超臨界。因此為保障資源合理利用，對超臨界直流鍋爐控制技術進行研究和分析是十分必要的。

1 內置式啟動系統

超臨界直流鍋爐機組內置式啟動系統的原理和過程是通過高加給水的方式，使水經過機組系統中的省煤器，然后流入到水冷壁中。隨后汽水混合物在水冷壁的出口位置進行有效分離，其中蒸汽可以經過相應管道而進入到過熱器當中，水則流入到貯水罐中。從而在最后環節流經擴容器而進入到系統的疏水箱中，根據水質的差異分別流入到循環水系統或者是凝結水系統中。內置，式啟動系統在超臨界直流鍋爐機組控制發揮了重要作用，首先，其能夠建立和啟動流量和壓力，充分確保給水的連續性，可以保障流經省煤器和水冷壁的水流量和動力較為穩定。其次，內置式啟動系統可以利用回收鍋爐在啟動初期所排出的汽水混合物、蒸汽等實現熱量回收。最后一方面，內置式啟動系統可以通過啟動參數的調整實現燃燒和氣溫以及水流量的合理調整，并保障各個參數調整的獨立性[1]。

2 核心控制系統概述

2.1 分離器液位控制

超臨界機組控制技術中的分離器液位控制技術，即是通過控制系統中的溢流門開度，實現分離器液位參數能夠保持在正常數據狀態下進行運行。所以分離器液位控制系統的主要原理是在直流鍋爐濕態以及干態狀態下進行運行，在濕態工況下，控制系統內會呈現蒸汽流量少于給水流量的情況，因此汽水分離器可以充分將蒸汽輸送到過熱器中。對于分離出來的水分則要經過調節門而流入到擴容器，此時如果分離器下端的儲水箱液位升高，則會導致蒸汽中含有的水量增加。而如果分離器的液位較低，則會使省煤器出現汽化，導致鍋爐的受熱面出現安全隱患和威脅。

對分離器液位的有效控制則是在點火前階段采用常規的PID控制或者是折線函數控制等方法。比如在超臨界機組控制技術中，當處于吹管階段時，則需要按照升壓或者減壓對折線函數進行控制，或者也可以采用手動控制的方法將溢流閥及時關閉。而在分離器的帶負荷階段中，一旦分離器的出口壓力超過了20MPa，則要通過超馳來對貯水箱的溢流門進行關閉。除此之外的所有階段則需要利用PID控制技術來對分離器的液位進行調節[2]。

2.2 給水控制

超臨界機組控制技術的給水控制，通俗來說就是對水流量的調整和控制，在分離器出口溫度正常范圍內，其主要的控制原理是對鍋爐出口主蒸汽溫度進行調節，通過兩級噴水減溫的形式確保煤水比適當，同時促使分離器的出口蒸汽溫度在合理范圍之內。在超臨界直流鍋爐機組中控制給水流量主要有三個階段，其一為旁路門控制，具體是指在給水流量相對較低的情況下，如果給水主路未完全打開，則可以利用旁路門調節和控制給水流量，這種控制方法主要適用于超臨界機組初負荷階段或者是鍋爐的冷熱態沖洗情況下;其二是電泵控制階段，具體來說，這一階段主要發生在給水主路全部打開的狀況下，可以通過勺管的開度對電泵實行控制，實現給水流量得到有效調節。在汽泵控制階段，一般是在超臨界直流鍋爐機組的負荷允許時，汽泵會立即進入運行狀態，可以替代電泵來對給水流量進行控制和調節，此時超臨界直流鍋爐機組帶額定負荷。

在給水控制中給水流量定值保障機組平穩運行的重要條件，也是給水流量控制中的主要組成部分。對于給水流量的形成需要滿足四個基本條件。其一是機組在運行初期必須采用穩定最小流量控制，但不能低于最小流量;其二是要根據實際的給水量和給煤量對水燃比函數進行合理設計，按照機組負荷的變化情況，改變給水流量定值;其三是對分離器出口溫度的設置要充分考慮水燃比的科學性和合理性，以便于作為參考機組的設計值。同時要將過熱溫度控制在10℃-60℃之間;最后為保障給水流量定值的形成，運行人員需要加強監測水燃比，如果出口溫度出現過熱度不合理，則要及時進行給水流量的調整，通過設置出口溫度偏置來保證給水流量的開環調整。

2.3 協調控制

通常情況下，超臨界機組直流鍋爐的控制技術中不針對汽包環節，原因是由于直流鍋爐機組中不存在汽包。因此工質參與做功相對較少、循環速度會明顯加快。從而能夠有效的保障直流鍋爐機組系統中的各項物質和能量，基于物質流的作用而實現平衡。所以為保障超臨界直流機組的運行穩定，則要進行協調控制，實現給水流量與主汽流量和機組負荷之間的平衡。對負荷進行調節時，必須要通過改變給水流量和燃料量，即是將燃料和給水比例的大小調整到適當范圍，從而確保超臨界直流機組物質和能量的平衡。

此外，超臨界機組控制技術的協調控制系統可以實現對風量、燃料量和給水流量等要素的控制，同時可以滿足電網測量負荷的工作需求。在此基礎上可以使直流鍋爐所產生的熱量與超臨界汽輪機消耗的熱量形成穩定的平衡關系。但由于超臨界機組沒有汽包，則需要進一步提高受熱面的承受壓力來提升工質的換熱性能。因為機組水冷壁的管徑相對較小，所以在協調控制系統中其工質存儲量會出現明顯減少的情況。而對于直流鍋爐來說，只能借助機組調節功能和快速反應的特點實現協調控制，保障各項主要參數得到合理調整。

3 相關控制特性分析

3.1 汽輪機擾動特性分析

在超臨界直流鍋爐控制技術和協調控制系統中，汽輪機組的調速汽門擾動特性比較常見，而且超臨界汽輪機組的調節汽門開度在一定程度上會使直流鍋爐的參數受到較大的影響。因此在實際的控制過程中，調速汽門的擾動特性會增加機前壓力和機組負荷。所以為保障超臨界機組控制技術的有效實現，則要在超臨界機組燃燒率和水燃比不發生變化的情況下，只需增加調速汽門的開度，則能夠保障主汽流量得到大量且較快的增加。同時主汽壓力出現下降，并緩慢恢復到與給水流量達成平衡的狀態下，使較低的壓力保持平穩。另外一方面由于主汽流量的增加，會促使過熱汽溫逐漸下降，但由于水燃比未發生明顯更改，則超臨界直流鍋爐會保持汽溫不變。同時主汽流量的增加也會導致機組負荷有所增加，所以在燃料保持不發生變化的基礎上，超臨界直流鍋爐機組功率會得到有效控制，并恢復到原有的正常狀態。

3.2 燃料量擾動特性分析

超臨界直流鍋爐機組控制技術的燃料量擾動特性是指在增加給煤量的同時，也會促使直流鍋爐的總風量調整為增加，并且在保障系統中給水流量不發生變化的基礎上，實現對機組主要參數的控制和影響;另外由于超臨界直流鍋爐機組主汽量會隨著鍋爐發熱量的增加而增加，在給水流量不變時，會使其恢復到原始狀態和初始參數數值;此外由于水燃比的變小會使主蒸汽溫度維持在相對較高的水平上，同時保持調速汽門開度不變的狀況下，極有可能因為蒸發量的增加而導致機前壓力升高，并且能夠保持較高的壓力狀態。

3.3 給水流量擾動分析

給水流量的擾動特性通常是在燃料量不發生變化、調速汽門工況不變時，增加給水流量就能夠對超臨界直流鍋爐進行控制。并且在給水流量擾動的特性影響下，主汽流量會隨著給水流量的增加而不斷增加，即使是在高流量狀態下，仍然可以繼續進行;其次給水流量會影響主汽壓力，在超臨界直流鍋爐的燃燒率不發生變化時，鍋爐氣溫將會出現回落和降低;其三在超臨界直流鍋爐機組中，過熱汽溫將會受水燃比的增大而出現降低的情況，并保持在較低狀態;另外超臨界直流鍋爐機組負荷會由于給水流量和主汽流量的增大而增大，不過燃料量并未發生變化，其主要是以內主汽溫度過低而使焓值降低導致的擾動。

4 結束語

綜上所述，超臨界機組的負荷發生變化，具有快速性和機組熱慣性較小的特點，因此在對超臨界直流鍋爐機組進行控制時，需要充分掌握其包含的控制對象，利用主要參數的耦合特點，合理構建和設置控制系統，采取有效控制方法。通過對超臨界直流鍋爐機組控制的內置式啟動系統和核心控制系統的分析，保障其平穩正常運行則要控制分離器的液位、給水流量定值以及協調控制等，并基于汽輪機擾動特性、燃料量擾動特性、給水流量擾動特性等機組負荷進行調節，從而保障機組的安全運行。

參考文獻：

[1]惠偉民.660MW超超臨界直流鍋爐汽溫控制策略分析[J].科技風，2019（33）：145.

[2]安子健.東方鍋爐1000MW超超臨界機組自動控制系統改進設計[D].燕山大學，2018.

[3]李中堯，吳維康，王艷龍.超臨界直流爐在運用過程中的相關問題分析與策略探討[J].建筑工程技術與設計，2018（1）：985.