超臨界火電機組深度調峰時給水系統控制方法改進

孫曉東，姜東嬌，任 益，邵 毅

(1.內蒙古國華呼倫貝爾發電有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021025；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

隨著國家“雙碳目標”的實施，以及新能源機組并網容量的逐年增加，火電機組調峰運行日趨頻繁，火電機組低負荷運行能力尤為重要。由于超臨界機組給水系統的復雜性，低負荷時往往在轉態點附近或者在轉態點以下運行[1-5]。這就需要超臨界機組給水系統完成2種給水控制方式，即濕態控制方式和干態控制方式。超臨界機組在啟動并網后會快速增加負荷至轉態點，完成干濕態轉換。常規運行工況均為干態，即分離器內沒有飽和水只有過熱蒸汽，但在當前提倡火電機組進行深度調峰的環境下，超臨界火電機組轉濕態運行也成為部分發電企業進行深度調峰的選項。因此給水系統低負荷控制策略優化調整，有其應用的背景和現實意義[6-8]。

1 機組簡介

某600 MW超臨界火電機組，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司制造，型號為HG-1913/25.4-HM15的超臨界褐煤鍋爐。汽輪機為上海汽輪機廠有限公司生產的超臨界蒸汽參數，型號為CZK600-24.2/566/566的直接空冷凝汽式汽輪機。

2 給水系統控制

2.1 概述

直流鍋爐給水控制系統以汽水分離器出口溫度或焓值作為被調量，控制給水量以保持燃料量與給水量的適當比例，滿足機組不同負荷下給水量的要求。同時給水控制作為主蒸汽溫度的預先調整，參與主蒸汽溫度控制。

直流鍋爐不同于汽包鍋爐有完全的汽水循環系統，在鍋爐啟動初期，直流鍋爐需保證水冷壁有足夠的換熱量，因此直流鍋爐給水系統設計最小給水流量，一般為額定給水流量的30%左右。啟動初期的給水流量與主蒸汽流量不可能完全相同，分離器的作用即是將未蒸發的水分離出來，經過減溫減壓后通過儲水罐返回省煤器出口進行回收，此工況為鍋爐濕態運行。隨著燃燒率不斷增加，給水在水冷壁中完全受熱蒸發，分離器中全為干蒸汽，此工況為鍋爐干態運行[9-10]。

該機組給水系統設計3臺電動給水泵，均為勺管控制。鍋爐給水管路分為主路與30%旁路，給水主路為電動門，給水旁路為調節門。給水系統原理如圖1所示。

圖1 給水系統原理

2.2 存在問題

與汽包鍋爐給水控制系統全工況僅保證汽包水位穩定不同，超臨界直流鍋爐給水控制系統以本生負荷為分界面分為2部分。

a.在本生負荷以下濕態運行時的直流鍋爐，常規的控制策略為給水旁路調整水冷壁的最小安全流量，此時給水旁路調節門以給水流量為被調量，給水泵轉速控制調整給水控制門前后差壓。但此控制方式存在給水旁路與給水泵轉速相互耦合的狀況，當控制參數不合理時容易發生給水振蕩，對機組濕態運行的安全性造成危害。

b.在本生負荷以上干態運行時的直流鍋爐，需滿足機組負荷所需的煤水量，給水系統轉換成煤水比控制。給水系統不但滿足機組負荷要求，同時作為主蒸汽溫度的粗調參與溫度調節。分離器出口溫度或焓值的變化能夠快速反映鍋爐當前的燃燒狀態。分離器出口溫度過高，主蒸汽溫度會明顯增加；分離器出口溫度過低，主蒸汽溫度會明顯下降。分離器出口溫度或焓值的變化可以做為煤水比失衡的判斷依據。

直流鍋爐給水系統與燃燒系統特性區別較大，在鍋爐快速變負荷時單一的比值控制無法滿足鍋爐安全穩定運行的要求。通常在比值控制的基礎上加入分離器出口溫度控制或分離器出口焓值控制，用來修正比值控制的偏差，同時起到對主蒸汽溫度粗調的目的。在觀察機組長期運行狀態后，發現干態低負荷運行時，主蒸汽溫度波動較大，影響給水系統調節。給水旁路調節控制原理如圖2所示。

圖2 給水旁路調節控制原理

2.3 改進方法

在當前深度調峰運行工況頻繁的環境下，部分火電機組嘗試在30%額定負荷以下運行。為了解決機組低負荷工況下給水旁路調節與給水泵轉速調節的耦合問題，提出如下改進方法。

a.當機組運行在30%額定負荷以下時，給水旁路調節投入自動，調整鍋爐最小給水流量，電動給水泵采用定轉速控制，以給水旁路門前后差壓為被調量，通過積分作用調整給水泵轉速。控制系統原理如圖3所示。

b.給水旁路控制由單一控制給水流量改為串級控制，主調節器調整鍋爐水冷壁的最小安全流量，副調節器調整給水旁路門前后差壓，副調節器加入儲水箱水位變化前饋。控制系統原理如圖4所示。

c.增加給水控制系統中溫度或焓值控制變參數，以減小低負荷運行時給水回路的振蕩現象。控制系統原理如圖5所示。

圖3 低負荷給水控制方法優化

圖4 低負荷給水旁路控制優化

圖5 低負荷給水焓值變參數控制

3 結語

隨著新能源發電容量逐年增加，提高新能源消納能力成為各區域電網的重要任務。本文通過對某超臨界火電機組鍋爐給水系統低負荷控制策略的優化調整，解決了低負荷時給水系統控制的振蕩問題，保證了機組在低負荷運行時給水系統的安全性。