600 MW超臨界機(jī)組給水控制策略分析及優(yōu)化

于 強(qiáng)

(國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，南京 210023)

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)生活水平的提高和工業(yè)快速發(fā)展，用電負(fù)荷急速增加，電力系統(tǒng)的供電形勢(shì)非常的嚴(yán)峻和電力行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇。世界環(huán)境污染日益嚴(yán)重，研究新能源是急不可待的課題，以可持續(xù)發(fā)展能源和環(huán)境保護(hù)為目的，超臨界機(jī)組已成為我國(guó)電力行業(yè)的主力機(jī)組。超臨界機(jī)組配備有常規(guī)的煙氣脫硫系統(tǒng)和脫硝系統(tǒng)，對(duì)環(huán)境的大氣污染降低到最低點(diǎn)。超臨界和超超臨界機(jī)組的發(fā)展已日趨成熟，其可用率、可靠性、運(yùn)行靈活性和機(jī)組壽命等方面已接近亞臨界機(jī)組。對(duì)于超臨界機(jī)組，在超臨界壓力下，水到蒸汽的變化主要經(jīng)歷加熱階段和過(guò)熱階段，而無(wú)明顯的飽和蒸汽階段，這是與汽包鍋爐的本質(zhì)區(qū)別。分析直流鍋爐有三個(gè)主要特點(diǎn)：

(1)直流鍋爐是汽水一次性循環(huán)，不具有類似于汽包的儲(chǔ)能元件，因此鍋爐的儲(chǔ)能比較小，很難找到類似于熱量信號(hào)的僅反映燃料的變化而不反映汽機(jī)調(diào)門變化及給水流量變化的信號(hào)。

(2)直流鍋爐——汽機(jī)是復(fù)雜的多輸人多輸出的被控對(duì)象，燃料、給水、汽輪機(jī)調(diào)門3項(xiàng)控制量中任一項(xiàng)變化，都會(huì)對(duì)機(jī)組負(fù)荷、主汽壓力、中間點(diǎn)溫度的變化產(chǎn)生影響，使得超臨界機(jī)組的鍋爐——汽輪機(jī)的關(guān)系變得十分復(fù)雜，大大增加了控制的難度。

(3)直流鍋爐是汽水一次性循環(huán)，汽水設(shè)有固定的分界點(diǎn)，它隨著燃料、給水流量以及汽機(jī)調(diào)門的變化而前移或者后移，而汽水分界點(diǎn)的移動(dòng)直接影響汽水流程中加熱段、蒸發(fā)段和過(guò)熱段的長(zhǎng)度，影響主蒸汽的溫度，并導(dǎo)致主汽壓力、負(fù)荷的變化，因此控制中間點(diǎn)溫度一直被認(rèn)為是直流鍋爐控制的主要環(huán)節(jié)。

1 機(jī)組結(jié)構(gòu)介紹

600 MW超臨界參數(shù)變壓直流爐，單爐膛、W火焰燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐，采用定壓或滑壓運(yùn)行方式。鍋爐最大連續(xù)出力(BMCR)為2 129 t/h，鍋爐不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷45%B-MCR。過(guò)熱器汽溫采用二級(jí)噴水減溫，再熱器汽溫主要采用煙氣擋板調(diào)節(jié)，同時(shí)配有事故噴水減溫。給水系統(tǒng)設(shè)置兩臺(tái)50%BMCR容量的汽動(dòng)給水泵和一臺(tái)30%BMCR容量的啟動(dòng)定速電動(dòng)給水泵。給水管路上配有一個(gè)30%容量的給水旁路調(diào)節(jié)閥和一個(gè)100%容量的電動(dòng)截止閥。鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)配有2只汽水分離器，1個(gè)儲(chǔ)水箱和鍋爐爐水再循環(huán)泵。配有三臺(tái)100%BMCR容量的高壓加熱器。高壓加熱器水側(cè)設(shè)給水大旁路。給水泵汽輪機(jī)正常工作汽源來(lái)自主汽輪機(jī)的四級(jí)抽汽，啟動(dòng)及低負(fù)荷時(shí)由高壓汽源供給。

2 給水控制系統(tǒng)控制策略

2.1 鍋爐濕態(tài)運(yùn)行時(shí)給水控制方案

調(diào)節(jié)給水流量是為了滿足鍋爐產(chǎn)汽量和蒸汽溫度控制的要求。在啟動(dòng)和低于30% BMCR運(yùn)行時(shí)，省煤器和水冷壁必須維持30% BMCR的最小通流量，以保證水冷壁在任何時(shí)候都能得到足夠的冷卻。這樣就需要鍋爐再循環(huán)泵從貯水箱將分離器分離出的給水泵入省煤器入口，再經(jīng)過(guò)水冷壁、折焰角回路、分離器、返回貯水箱。在開(kāi)始蒸發(fā)時(shí)，通過(guò)增加給水量和減少循環(huán)流量來(lái)維持水冷壁30%BMCR 的流量。在穩(wěn)定狀態(tài)下，循環(huán)流量是由貯水箱水位確定的，給水泵流量是總給水流量與循環(huán)流量之間的差值。當(dāng)蒸發(fā)開(kāi)始后，水冷壁中的汽水混合物在分離器中分離，飽和蒸汽進(jìn)入過(guò)熱器，飽和水返回到貯水箱。由于產(chǎn)生蒸汽，貯水箱水位下降，循環(huán)流量減少，增加給水流量去維持進(jìn)入水冷壁的給水流量。當(dāng)負(fù)荷增加到30%BMCR負(fù)荷時(shí)，貯水箱水位降到最低，循環(huán)泵控制閥關(guān)閉，當(dāng)循環(huán)流量降低到約20%泵的設(shè)計(jì)流量時(shí)，最小流量截止閥開(kāi)啟，泵在最小流量下運(yùn)行。隨后鍋爐完全在純直流狀態(tài)下運(yùn)行，給水流量與蒸汽流量相匹配。循環(huán)泵在貯水箱低水位下跳閘，貯水箱水位由水位控制切換到限制流量模式下運(yùn)行。循環(huán)泵在負(fù)荷降至約20%BMCR負(fù)荷時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，將汽水分離器分離出來(lái)的水泵回省煤器入口。

在啟動(dòng)升壓和低負(fù)荷運(yùn)行期間，由于水的膨脹，水位會(huì)升高到超出泵控制范圍之外，開(kāi)啟HWL閥及其隔離閥以降低水位。HWL閥控制分離器儲(chǔ)水箱的水位。鍋爐濕態(tài)運(yùn)行時(shí)，給水旁路調(diào)門控制省煤器入口流量為鍋爐額定蒸發(fā)量的30%，約為670 t/h。

2.2 鍋爐干態(tài)運(yùn)行時(shí)給水控制方案

在超臨界機(jī)組中要保證主蒸汽溫度的穩(wěn)定，必須要控制汽水流程，控制蒸發(fā)點(diǎn)。一般通過(guò)控制煤水比來(lái)粗調(diào)主蒸汽溫度，通過(guò)過(guò)熱減溫水來(lái)細(xì)調(diào)主蒸汽溫度。要保證直流鍋爐的過(guò)熱汽溫的穩(wěn)定，根據(jù)機(jī)組燃煤量來(lái)對(duì)應(yīng)鍋爐給水量控制好煤水比，由于燃料進(jìn)入爐膛后燃料發(fā)熱響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)大概需要三分鐘的時(shí)間，所以在燃料量后加三分鐘延時(shí)模塊，保證燃料發(fā)熱前后給水量能夠跟上，控制主汽溫度。通過(guò)控制汽水流程中汽水分離器出口溫度來(lái)控制主汽溫度。由于該點(diǎn)位于整個(gè)汽水流程的前部，因此該點(diǎn)溫度對(duì)煤水比失調(diào)的反應(yīng)快，慣性和遲延時(shí)間均較小。當(dāng)給水量或燃燒率擾動(dòng)時(shí)，汽水流程中各點(diǎn)工質(zhì)溫度的動(dòng)態(tài)特性相似；在鍋爐的煤水比保持不變時(shí)，汽水流程中該點(diǎn)工質(zhì)的溫度就保持不變。對(duì)于定壓運(yùn)行鍋爐，由于壓力一定，分離器出口溫度基本穩(wěn)定在某值。對(duì)于滑壓運(yùn)行機(jī)組，由于壓力變化范圍很大，根據(jù)負(fù)荷的變化主汽壓力隨之變化，對(duì)應(yīng)的中間點(diǎn)溫度也變化，機(jī)組負(fù)荷對(duì)應(yīng)的中間點(diǎn)溫度不同。根據(jù)不同負(fù)荷下的中間點(diǎn)溫度和分離器出口溫度的變化作為鍋爐給水量的修正。機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中煤種變化大，就要求操作員按照目前的煤質(zhì)來(lái)手動(dòng)修正中間點(diǎn)溫度的給定值，控制主汽溫度。再通過(guò)過(guò)熱減溫器細(xì)調(diào)主汽溫度，由于減溫器的減溫水是取自省煤器進(jìn)口的主給水管路上，減溫水量增大而減少了省煤器進(jìn)水量，而使鍋爐實(shí)際的給水量減少導(dǎo)致中間點(diǎn)溫度偏高，利用一級(jí)減溫進(jìn)出口溫度差值作為中間點(diǎn)溫度的修正，一級(jí)減溫器進(jìn)出口溫度差值大表明中間點(diǎn)溫度過(guò)高，經(jīng)過(guò)一級(jí)過(guò)熱器的蒸汽溫度高，為了防止一級(jí)過(guò)熱器管壁溫度超高損壞管壁，降低中間點(diǎn)溫度。

干態(tài)運(yùn)行時(shí)給水控制為了保證鍋爐處于直流狀態(tài)，分離器出口的中間點(diǎn)溫度過(guò)熱度控制在8 ℃以上，中間點(diǎn)溫度過(guò)熱度在小于7 ℃時(shí)切除中間點(diǎn)溫度的給水量修正，以達(dá)到迅速減少給水量使中間點(diǎn)溫度過(guò)熱度上升，保證鍋爐處于直流狀態(tài)。在中間點(diǎn)溫度的過(guò)熱度大于8 ℃時(shí)，中間點(diǎn)溫度給水量修正回路投入控制主汽溫度。給水自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 給水自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

3 給水控制問(wèn)題和解決方法

600 MW超臨界機(jī)組的鍋爐給水控制在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題及解決方法：

3.1 磨煤機(jī)出口燃煤量計(jì)算方法

該機(jī)組采用的磨煤機(jī)為雙進(jìn)雙出正壓直吹滾筒鋼球磨，磨煤機(jī)出力在設(shè)計(jì)裝球量(102 t)的情況下應(yīng)為56.0 t/h，給煤機(jī)為電子稱重式皮帶給煤機(jī)輸送能力5～75 t/h。由于磨煤機(jī)內(nèi)的煤粉通過(guò)容量風(fēng)門熱一次風(fēng)吹進(jìn)爐膛，受到給煤機(jī)給煤量、一次風(fēng)量、磨煤機(jī)中煤粉料位等因素的影響導(dǎo)致磨煤機(jī)出口燃煤量計(jì)算難度大。磨煤機(jī)出口燃料量的計(jì)算有兩種：

(1)通過(guò)給煤機(jī)的給煤量計(jì)算磨煤機(jī)出口燃煤量，煤進(jìn)入磨煤機(jī)后，要經(jīng)過(guò)磨煤機(jī)的制粉過(guò)程，磨煤機(jī)出口燃煤量延遲較大，容量風(fēng)門的開(kāi)度影響吹進(jìn)爐膛的煤粉量。因此通過(guò)給煤機(jī)的給煤量計(jì)算磨煤機(jī)出口燃料量誤差較大。

(2)根據(jù)容量風(fēng)門的開(kāi)度計(jì)算磨煤機(jī)出口燃煤量，按照容量風(fēng)門開(kāi)度特性對(duì)應(yīng)的磨煤機(jī)出口風(fēng)量曲線計(jì)算容量風(fēng)門和燃煤量函數(shù)。能夠?qū)崟r(shí)反映磨煤機(jī)出口的燃煤量，容量風(fēng)門開(kāi)度大，進(jìn)入磨煤機(jī)的熱一次風(fēng)量大，吹出來(lái)的煤粉量大。只有磨煤機(jī)的煤粉料位穩(wěn)定在正常料位，單位體積的熱一次風(fēng)中的煤粉量穩(wěn)定不變，通過(guò)給煤機(jī)的給煤量控制磨煤機(jī)的煤粉料位。這種計(jì)算方法在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中能夠準(zhǔn)確反映磨煤機(jī)出口燃煤量。

3.2 燃料量偏差大

鍋爐給水定值由燃料量——給水流量函數(shù)算出，該函數(shù)就是煤水比函數(shù)，此函數(shù)為機(jī)組設(shè)計(jì)煤質(zhì)下的鍋爐給水與燃料的曲線。但燃煤煤質(zhì)變化較大，在相同的機(jī)組負(fù)荷下，維持鍋爐熱負(fù)荷是恒定的，維持鍋爐熱負(fù)荷吸收的給水流量也應(yīng)該是恒定的。而煤質(zhì)的大幅變化，導(dǎo)致鍋爐給煤量也大幅變化。由于函數(shù)為固定值，給水流量則大幅變化。鍋爐熱負(fù)荷不變，而給水流量大幅變化，無(wú)疑對(duì)機(jī)組主汽溫度造成極大的擾動(dòng)。雖然有中間點(diǎn)溫度調(diào)節(jié)器對(duì)給水流量進(jìn)行修正，但該調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用對(duì)比煤質(zhì)的變化調(diào)節(jié)較慢且幅度不大。

在運(yùn)行初期是根據(jù)煤質(zhì)的不同手動(dòng)修改給水流量指令的偏置，這種方式下運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度大，要時(shí)刻了解煤倉(cāng)中的煤質(zhì)參數(shù)，根據(jù)主汽溫度的變化趨勢(shì)和中間點(diǎn)溫度過(guò)熱度手動(dòng)設(shè)置給水流量指令偏置，手動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程中主汽溫度和中間點(diǎn)溫度過(guò)熱度波動(dòng)較大，在操作不當(dāng)?shù)那闆r下可能導(dǎo)致給水流量低MFT。這是一個(gè)急于解決的問(wèn)題。

要解決煤質(zhì)變化對(duì)機(jī)組主汽溫度調(diào)節(jié)的影響，主要是解決主給水流量，需要對(duì)煤水比對(duì)應(yīng)的給水量進(jìn)行修正。機(jī)組在協(xié)調(diào)運(yùn)行方式下在燃煤量和機(jī)組負(fù)荷不變的情況下，燃煤的煤質(zhì)的變化引起主汽溫度的波動(dòng)，主汽溫度是由給水流量來(lái)調(diào)節(jié)，機(jī)組負(fù)荷不變時(shí)主蒸汽流量不變，燃煤的發(fā)熱量大的情況下主汽溫度升高，要求給水流量在此時(shí)增加，通過(guò)分離器出口中間點(diǎn)溫度來(lái)修正煤水比的給水量，中間點(diǎn)溫度過(guò)熱度高，經(jīng)過(guò)中間點(diǎn)溫度控制器輸出增加煤水比的給水量，中間點(diǎn)溫度控制器的輸出范圍在±0.2，減小由于中間點(diǎn)溫度的波動(dòng)對(duì)給水系統(tǒng)控制的影響，能較好的控制機(jī)組在升降負(fù)荷過(guò)程中燃料量超調(diào)引起的水冷壁及主汽溫度波動(dòng)大。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于直流鍋爐，其產(chǎn)汽量直接由給水量來(lái)定，因而燃料量變化，不能直接引起鍋爐出力的變化，只有變動(dòng)給水量才會(huì)引起鍋爐蒸發(fā)量的變化。顯然，當(dāng)調(diào)節(jié)給水量以保持壓力穩(wěn)定時(shí)，必然引起過(guò)熱汽溫的變化，必須校正過(guò)熱汽溫，也即給水調(diào)壓，燃料配合給水調(diào)溫，抓住中間點(diǎn)，噴水微調(diào)，這是直流鍋爐運(yùn)行調(diào)節(jié)的基本原則。隨著我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展，超臨界機(jī)組由于循環(huán)熱效率高，污染物排放量低，調(diào)峰性能好等優(yōu)勢(shì)，占全國(guó)裝機(jī)總量的百分比將逐漸增加。在文中，通過(guò)研究大型直流爐機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性，提出了控制煤水比對(duì)整個(gè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有很重要的作用，根據(jù)直流爐的調(diào)節(jié)特性，以工程實(shí)例對(duì)超臨界機(jī)組對(duì)給水流量控制的控制原理和控制策略進(jìn)行了研究，并對(duì)實(shí)際控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析。目前超臨界機(jī)組已成為一種趨勢(shì)，將逐漸替代亞臨界機(jī)組。