超臨界循環流化床給水控制策略研究

陳為平

（廣東華電韶關熱電有限公司，廣東 韶關 512400）

我國是煤炭能源消費大國，一次能源特點是富煤、油貧、少氣，煤炭在我國一次能源中占據主要地位，具體煤炭資源所達比重為60%以上。根據有關研究表明，截至2050年，國內煤炭在一次能源生產消費中將達到50%以上，而在生產利用煤炭時也會形成大量的環境污染物，包括氮氧化物、二氧化碳等，因此，對于國內當前工業生產體系中急需解決如何實現煤炭資源高效利用的問題。

1 循環硫化床鍋爐介紹

循環硫化床鍋爐是在鼓泡床的前提下研發的潔凈發電技術，相比普通的煤粉爐來說其向外排放的污染物較少，而且具有較高燃燒率，灰渣利用率高。2003年我國引入了首臺300MW循環硫化床鍋爐及關鍵技術，并自主研發600MW超臨界循環流化床鍋爐，在四川白馬發電廠中成功安裝應用。近30年來，循環硫化床在國內獲得了廣泛推廣應用，尤其國內的煤炭資源含硫成分較高，而且成分復雜，劣質煤含量高等，因此在實際生產中循環流化床具有廣泛應用。

從超臨界循環流化床特點來看，其具有大慣性、大延遲、非線性的特點，設計給水控制策略前提是深入研究超臨界循環硫化床的運行機理、特點，構建復雜對象模型，通過機理分析能夠構建循環流化床機理模型，并根據運行數據進行模型的驗證，這一環節對于循環流化床機理模型分析來說是十分重要的。本研究在借鑒傳統煤粉爐給水控制基礎上尋找具有良好動態性的反饋信號實現指導控制，能夠為設計有效超臨界循環流化床機組協調控制系統提供新的指導思路。從現有循環硫化床給水控制策略來看，對于鍋爐燃料量和給水量的比值，即燃水比。由于超臨界循環流化床來說其運行流程復雜，是一種多變系統，在其受熱各個階段中未明確規范，各參數相互影響，其中一種數變化會導致輸出參數發生變化，因此，無法針對某個局部控制量進行超臨界鍋爐控制系統的控制，需要綜合分析不同參數。對于超臨界鍋爐主要為燃料量和給水這兩個控制系統，只有實現了系統的配合才能夠確保主蒸汽參數實現穩定運行。在比值控制中包括蒸汽量，給水量，燃料量之間的比值，在傳統蒸餾鍋爐中燃水比控制系統使用較廣。

2 自平衡給水控制策略優化

2．1 給水控制策略分析

在給水控制策略中，傳統直流鍋爐是根據煤水比進行調節的，一般來說，在系統處于穩定工況下，結合熱量平衡計算公式如下。

在該公式中燃料低位發熱量用Qar,met表示，根據該公式可得到下列公式，

在確保燃料發熱量和給水焓值、效率不變這種情況下，末級過熱器出口位置的焓值是根據煤水比確定的，確保煤水比不變會使過熱蒸氣焓值持續穩定。從一定程度上，煤水比調節在傳統直流鍋爐給水中發揮重要作用，但由于鍋爐的過熱器出口位置蒸汽溫度對于煤水比變化響應較長，無法將其作為反饋信號，進一步需要引入動態響應反饋信號，可以將該信號作為前饋信號，煤水比信號可用于反應鍋爐燃料熱量信號。前者包含焓值加熱段的水溫、中間點溫度等，對于鍋爐控制系統的使用是比較廣的。中間點即汽水分離器的出口位置，這一點的溫度對燃水比擾動可將其近似為一階慣性環節，在響應控制中并不是單調影響的，相比過熱氣溫來說響應時間要少，因此在直流鍋爐中中間點溫度焓值可作為給水控制信號實現廣泛應用。后者包含煙氣、輻射溫度以及爐膛出口的熱量信號，結合火焰燃料信號可以將熱量信號換算為給水流量前饋指令，能夠反映爐膛中燃料發熱量變化，以用于解決原有煤水比在控制響應中較慢的問題。此外，研究人員將反應燃料率輻射能用于反饋信號中，可實現煤水比變化的快速響應，但由于輻射信號很難獲取，并且該信號很容易受到外界因素的影響，干擾程度較大，精度低，因此，研究人員從汽水系統吸熱中提取熱量信號，利用燃料發熱量，水冷壁吸熱量關系進行熱量信號的計算，但這種計算方法會受到負荷因素的限制。循環硫化床相對傳統煤粉爐來說，具有燃燒慣性和延遲性，鍋爐蓄熱能力強，入爐燃料量在燃燒時的能量是鍋爐燃料總熱量的5%，其基本是根據前一刻床料中未燃燒燃料所釋放的熱量確定的，可以利用煤粉爐中煤水比來計算給水中無法燃燒的部分燃料，但這種情況下，也會出現調節精度低的問題。

2．2 雙前饋自平衡格式控制

雙前饋自平衡控制超臨界循環硫化床機組相比煤粉爐來說具有慣性和延遲性，絕大多數是由于爐膛中床料蓄熱導致的，傳統鍋爐的給水控制策略為煤水比，但選擇煤水比作為控制策略是不合適的，因此，本研究提出了雙前潰自平衡策略，該策略是借助傳統煤粉爐前潰反饋控制，保留原有中間點焓值信號，在前饋部分可使用超前自平衡給水指令，如圖1所示為自平衡給水控制邏輯結構設計圖。

圖1

從自平衡給水指令上來看，根據上圖可以發現在本系統中給出指令包括理論給水指令，經過溫度修正后的負荷指令，以及由風煤折算的熱量信號，具體表達方式如下所示。

在該公式中自平衡給出指令設定值為Gsp，燃碳燃燒所釋放的燃料釋放量為Q，負荷質量為W，修正系數分別為C1和C2，結合機組的取值范圍，通常針對理論指令是結合鍋爐汽水平衡特點開展分析，在穩定運行時，主蒸汽流量為給水流量，因此，理論上的給水量是與主蒸汽流量具有直接聯系的，如下所示為給水指令

在公式中，鍋爐焓增修正系數中可以用K1表示，具體k1的計算公式如下，

式中，hssp為過熱器出口位置的蒸汽焓值，hfwsp為給水焓值的設定值。

根據氣機閥門開度和調節級壓力設置主蒸汽流量，針對熱量信號動態反饋，在超臨界循環流化床燃燒時爐內燃碳為其主要發熱量。針對床溫和主再熱蒸氣溫度中的主氣壓具有十分重要的影響，在鍋爐隨汽機運行中，當機組處于升負荷狀態時此時會增加汽機的閥門開度，在短時間內利用爐膛蓄熱增加進汽量，進而能夠使汽輪機功率和輸出功率保持一致，當增加主汽流量，在處于機組協調控制下進行給煤量的調節，可確保能量和蒸汽流量持續供應，從一定程度上也表明，爐膛動態熱量具有重要意義，可用于反映目前該鍋爐燃料量、給水量的實際使用需求。床料即燃碳量變化，能夠在爐膛發熱量中實現快速體現，該熱量信號具有超前性，能夠實現給水指令的動態反饋，對于負荷指令在動態反饋中，由于鍋爐在運行中會受到一定程度負荷影響，比如，對于升負荷來說為確保汽輪機組功率較大，增加主蒸汽流量可以增加給水流量，進而可確保蒸汽流量，因此，利用負荷指令能夠從一定程度上反映鍋爐的給水量。通過負荷指令可換算此時鍋爐需要的給水量，即為直流鍋爐給水指令。針對超臨界循環硫化床鍋爐在協調控制過程中，相比鍋爐側來說，汽機側一次響應速度快，給水指令相比煤量指令要快。為確保燃料水量的動態匹配需要實現給水指令延遲，進而能夠降低指令動作速度。在實際使用過程中，負荷指令前饋可通過多階段性環節時間常數進行選定，以確保在處于不同工況下機組的燃料釋放量和給水流量保持同步。

3 結語

總而言之，對于大型火電機組在給水控制過程中，是有多個子系統協調控制的，尤其對于超臨界循環硫化創過率來說其具有熱慣性，因此，給水控制難度是比較高的，一般通過以熱定水的方式，結合機組的運行特點，可設計相對應的給水控制策略，通過進行回路參數優化設置。研究發現，利用這種方案能夠實現給水故障減負荷工況下無須人為干預，即可達到機組在水泵出現跳閘后自動安全快速減負荷的目的，能夠為大型機組推廣應用奠定基礎。