900MW超临界直流锅炉给水控制系统分析.pdf

上 海 电力 2 0 1 0 年第 2 期 9 0 0 MW 超临界直流锅炉给水控制系统分析 李 慧棣 ， 刘 文 ( 1 ． 上海外 高桥第 二发 电有 限责任公 司 ， 上海 2 0 0 1 3 7 ； 2 ． 上海外高桥发 电有限责任公司 ， 上海 2 0 0 1 3 7 ) 摘要 ： 文章 以上海外高桥第二发 电有 限责任公 司的 2台 9 0 0 MW 超临界机组直流 锅炉 的给水 系统为对象 ， 从其 动态特性 和热工控制要求出发 ， 介绍 了给水 系统 的控制策略 ， 尤其 是在不同的运行工况下 ， 应注意锅炉启 动阶段、 再循环方式 以及直流运行方式 的控制要求 。经过投产 后的不断 改进和修正控制 逻辑 ， 使 得给水控 制 系统处于正常运行 ， 从而解决 了锅炉多次大量进水 的问题 。 关键 词 ： 超临界机组 ； 直 流锅 炉 ； 给水流量控制系统 ； 焓值控制 中 图 分 类 号 ： TK2 2 3 ． 5 文 献 标 识 码 ： B l 引 言 上 海外 高桥 第 二 发 电有 限责 任 公 司 ( 下 称外 二 厂 ) 二期 2台 9 0 0 MW 超 临界 燃 煤机 组 锅 炉 为 塔 式 、 单炉 膛 、 一 次 再 热 、 平 衡 通 风 、 固态 排渣 、 露 天 布置 的直 流锅 炉 ， 其 主蒸 汽压 力为 2 5 ． 7 6 MP a ， 主蒸 汽 温度 为 5 4 2 ℃ ， 再 热 汽 温 为 5 6 8 ℃ ， 给水 温 度 为 2 7 2 ℃ 。 锅 炉 给水 控制 策 略 由锅 炉 岛总 承包 商 AL S — TO M 所 提供 ， I &C 岛承包商 日立 ( HI T AC HI ) 根 据 控制 策略 负责 在 D C S中对 给 水 控 制 系 统得 以 实施 。 2 超临界直流锅炉给水 系统 的动态特性 直 流锅炉 与 汽包 炉 相 比 ， 其 最 大 的 区别 是 直 流锅 炉没 有汽 包 。为保 证工 质在 水冷壁 中稳 定流 动 ， 直流 锅炉 是依 靠 给 水 泵 的压 力 来 推 动 工质 在 水冷 壁 中稳定 流动 。 外二 厂 9 0 0 MW 超 临 界 直 流 锅 炉 在 不 同 的 运行 阶段 ， 给 水 系 统 的动 态 特 性 差 异很 大 。锅 炉 在冷态启动阶段， 该动态特性类似于汽包锅炉， 给 水流 量 的变化 主 要影 响 的是 汽 水 分 离 器 的水 位 ， 存在 着汽 水两 相 区。 随着 锅炉 压力 的升 高 ， 达 到 临界压力 时 ， 水在 2 2 ． 1 2 MP a压 力 下 加 热 到 3 7 4 ． 1 5 ℃ 时全 部 汽 化 为蒸 汽 即 为 变 相 点 。当 工 作 压 力 大 于 临 界 压 力 时 ， 即在 超 I 临界 压 力 下 ， 水 的 汽化 潜 热 变为 零 ， 水 变成 蒸汽不 再存 在汽 水两 相 区 。 由此 可见 ， 超 临 界 直 流 锅 炉 给 水 的加 热 、 蒸 发 、 过 热过 程 ， 在省煤 器 、 水 冷壁 、 过 热器 各受 热面 一 1 40一 之 间没有 固定 的 分 界线 ， 其 界 线 随 运行 工况 变 化 而变 化 。 3超临界直流锅炉给水 系统的控制要求 直流 锅炉 给水控 制 目的是保 证 炉膛受 热 面能 得到与热负荷相适应 的冷却水量 ， 即保持一定燃 水 比 。用保 持燃 水 比的方 法直 接控 制过热 器 出 口 汽温 是直 流锅 炉重要 的控 制任务 。 燃料 量和 给水 量 不 相适 应 时 即燃 水 比失调 ， 出 口过热 蒸汽 温度会 产生 显著 的变化 。如 果燃 水 比相 差 1 0 ， 则 出 口汽 温 变化 可 达 8 0 ℃左 右 ， 这 样将严 重影 响机 组 的 安全 运 行 。燃 水 比不 变 时 ， 汽水 行程 中某 一点 工 质 的 焓值 就 维 持 不 变 ， 这样 保 持 出 口汽温在 稳定值 。 对于超 临界 直 流锅 炉 ， 一般 采 用 汽 水 分 离器 的 出 口作 为 中间点 ， 汽水 分 离 器 出 口的焓 值 是分 离器 出 口温 度 和压 力 的 函 数 ， 这对 于滑 压 运 行 的 直流 锅炉 而言 ， 控 制 焓 值 比控制 温 度 更 合适 。该 点工 质焓在 反 映燃 水 比的 变化 方 面 ， 具 有 较 好 的 代 表性 ， 对燃 水 比失调 的反 映灵 敏度 高 ， 有 利于及 时修 正给水 量[ 1 ] 。 4 给水 系统控制策略 外 二厂 9 0 0 Mw 直 流锅 炉 给 水 控 制 系统 策 略 ， 是 典型 的欧 州 直 流 炉 的 给水 控 制思 想 。给水 控 制 系统 主要 由三部分 组成 。 ( 1 ) 给 水流 量主控 制 回路 该 控制 回路是 给水 控制 系统 的核 心部分 。 ( 2 ) 给 水 再 循 环 控 制 回路 在 锅炉启 动 及部 分 负 荷 运 行 时 ， 机组 的给 水 2 0 1 0 年第2 期 上 海 电力 流量维 持 在最小 的蒸 发 器 流 量 ， 由 给水 再 循 环 水 位 控制 器控 制再 循 环控制 阀来控 制水 平容 器 的水 位 。焓 值修 正 回路不 起作 用 。锅 炉在 直流 方式 运 行 时 ， 给水 再循 环控 制 的水位 控制 器是 关 闭的 。 ( 3 ) 水 位 上 限 控 制 回 路 在 再循 环控 制 方 式 时 ， 当直 流 锅 炉 的 水 平 容 器 的水 位超 过上 限 时 ， 该 控 制 回路 用 以控 制 疏 水 阀将水 排疏 到扩 容箱 中。 通 过 上 述 3个 控 制 回路 ， 用 以满 足 2台 9 0 0 Mw 超 临 界 直 流 锅 炉 在 不 同运 行 阶段 给 水 系 统 的动态 特性 的控 制要 求 。 9 0 0 Mw 超临 界直 流炉 给水 控制 系统 的 给水 流量 主控 制 回路 如 图 1 所 示 ， 主 要 由给水 流量 设 定值 基本 回路 、 焓 值 控 制 器 回路 及过 热 器 进 口焓 值控 制 回路组 成 。 图 1给 水 啻 ic 量 主控 制 回路 4 ． 1 给 水流 量指 令基 本 回路 ( 1 ) 燃烧率指令通过 函数计算出相应的给水 流量 主要 指令 ( 参 见 图 1右 下 方 给水 流 量指 令 控 制 回路 中的 F( z ) ) ， 其 目的就 是 为 了保 持 一 定 的 燃 水 比。 ( 2 ) 蒸发器人 口前馈校正信号焓值( H6 ) 和燃 烧 率 函数输 出相 乘后 就作 为 给水 流量 主控 制器 的 前 馈设 定 值 F 6 ’ ， 这 是 为 了保 证 燃 水 比及 中 间点 焓 值 在控 制要 求范 围 内 的一 个 重要 手段 。 ( 3 ) 焓 控 制器 的输 出与 给 水 流 量 指令 前 馈 信 号( F 6 ’ ) 相加作 为给水流量控制指令 的设 定值， 设 定值 与 实 际 给 水 流 量 ( F 6 ) 比较 得 出 给 水 控 制 偏 差指 令 ， 从 而控 制 给 水 控 制 系统 的从 属 控 制 系 统 ( 控 制 3台给水泵 的转 速 ， 3台给 水 泵 的 流量 分 配 ， 在 这里 不进 行讨 论 ) 。 4 ． 2焓值 控 制器 回路 给 水 流量控 制 器 中最主 要 的控制 部分 就是 焓 值 控制 器 。焓值 控 制器 的控 制任 务是 保持 过热 器 的出 口焓 值 在精 确 的范 围 内。 4 ． 2 ． 1焓设 定值 的控 制 回路 ( 1 ) 分 离器 出口焓值是 实 际负荷 的 函数 从 图 1 右 上 方 的 焓设 定 值 控 制 回路 ， 由水 平 容器 中 的压 力 P 8经 过 函 数 F( P ) 计 算 得 出所 要 求 的正常 焓值 作为 焓设 定值 的前 馈 信号 与带 有积 分控 制作 用 的控制 器输 出相 加后 作 为给 水控 制 系 统焓 的设定 值 ( H8 ) 。并 且 ， 控 制 器 能够 给 出一 个 低 限 和高 限 的焓设 定 值 ， 以适应 不 同运 行 工 况 的 控 制要 求 。 ( 2 ) 焓 设 定 值 积 分 控 制 器 焓 设定 值积 分 控制器 的作用 是锅 炉在 直流 运 行 中对 过热 器喷 水 流量偏 离 了预 定 目标值 的修 正 及对 蒸 发器 温度 的上 限控 制 。如果 实 际减 温水 流 量发 生 偏差 时 ， 焓 设 定 值 积 分 器 就 会 校 正 焓 的定 值 ， 改变 给水 流量 指令 以消除 偏差 。 4 ． 2 ． 2焓值 控 制器 的控 制 回路 ( 1 ) 由汽 水分 离 器压 力 P 8和 出 口温度 T 8经 过函数 H( P， 丁) 计算得出焓值 ( H8 ) ， 其作用为给 水 控 制器 的第 一反 馈校 正 信号 。即前述 此点 工质 焓 能较 好 地反 映 燃 水 比的 变化 ， 可 以 获得 较 好 的 控 制质 量 。 ( 2 ) 控 制 系统 的焓 值 控 制 器 采 用 P I( 比例 + 积 分 ) 控制 器 ， 参 见 图 1右方 的焓 控制 器 回路 。焓 值 控制 器 的输入 值是 焓设 定值 ( 设 定值 H8 )与汽 水分 离 器 出 口焓 值 ( 焓 H8 ) 比较之 差 。P I 控 制 器 的控 制 参数 随锅 炉负 荷 的变 化 而 变 化 ， 在 全 程 范 围内控 制系 统有 较好 的控 制 品质 。其作 用是 给 水 流量设定值指令的前馈校正信号。以保持过热器 的 出 口焓 值控 制 在要求 的范 围 内。 4 ． 3不 同工 况 下的设 定值 控 制及 作用 4 ． 3 ． 1 锅 炉启 动 阶段 和再 循环 方式 的控 制 一 1 41— 上 海 电力 2 0 1 0 年第 2 期 ( 1 ) 在 锅 炉 启 动 至 负荷 小 于 3 2 B MC R( 锅 炉 最大 连续蒸 发 量 ) ， 由于分 离 器 处 于 湿态 运 行 ， 蒸发 器 流量 限于 最小 值 ， 焓 设 定 值 保 持焓 前馈 设 定点 的值 H一 ， 焓 设 定 值控 制 器 输 出 为零 ， 在这 个 阶段焓 值控 制器 不起作 用 。 ( 2 ) 给 水 流 量 设 定 值 控 制 最 小 流 量 设 定 值 3 2 输 出 。如 果 蒸 发 器 的 温 度 增 加 到 超 过 上 限 值 ， 那 么 到蒸发 器 的给水 流 量 设 定 值会 随之 临时 增加 。此 时在水 平 容器 中 的水 位 由给水 再循 环 回 路控 制 。 4 ． 3 ． 2直 流运 行方 式 的控制 ( 1 ) 在 再循 环方 式时 燃烧 速率 不断地 增 加 ， 中 间点焓 值 和蒸发 器 出 口的蒸 汽量也 随之增 加 。当 燃烧 速率增 加 到 3 5 和 给 水 流 量 设 定 值 大 约 是 蒸发 器 最小 流 量 3 2 再 加上 2 及 以上 时 ， 控 制 方式 就从再 循环 方式 切到 直流 运行 方式 。 在直 流运行 方 式 时 ， 焓 设 定 值是 以其 积 分 特 性从 最低 H 自动增 加 到正 常 值 H_⋯ 。并 且 焓 控制器根据负荷指令的要求将焓值控制在要求 的 范 围内 。 ( 2 ) 在 直流 运行控 制模 式 时 ， 给 水流量 设定 值 F根 据 负荷控 制指令 经 过 函数 计算 出相 应 给水 流 量值 与蒸 发器 的入 口流量 F 6相 比较 后得 出 给水 流量偏 差指 令输 出至给水 泵控 制其 转速 。 5对控制 系统 的完善和 改进 外 二 厂 的给水 控 制 策 略设 计 是 比较 完 善 的 ， 但也存 在 一些 问题 。机 组 从 2 0 0 3年调 试 并 网发 电至今 ， 对 一些 存 在 的技 术 问题 进 行 了修 改 和 完 善 。 。 在机 组 投产 后 发 现 机 组 启 停 及 主 燃 料 跳 闸 ( MFT) 动作 后 ， 锅 炉 的 给水 流 量控 制 指 令 偏 大 ， 多次 造成 锅炉 大量 进水 ， 对设 备造 成极 大 的危害 。 为此 ， 对给 水控 制 回路进 行 了以下修 改 ： ( 1 ) 将 原 给水 泵 出 口压 力 设 定 值 一MA X( 分 疏箱 压 力 ， 省 媒 器进 口给水 压 力 ) 一 1 ． 0 MP a ， 改 为给水泵出口压力设定值 一MA X( 分疏箱压力 ， 省媒 器进 口给水 压 力 ) 一3 ． 0 MP a ， 为 的是 减 小在 机组启 动 时 电泵 压力 控 制 的超 调量 。 ( 2 ) 给水 流 量设 定值 速 率 由原来 的 O ． 2 7 8 k g ／ s分 别改 为 1 ． 0 k g ／ s 、 3 ． 0 k g ／ s和 2 0 k g ／ s ， 为 的是 当机 组 MF T动作 后能 够 加 快减 小 给 水 流量 指令 。 ～ 1 42～ ( 3 ) 给水控制中焓值控制修正回路高／ 低 限制 功能 的改 进 。 通 过上 述 修 改 ， 机 组 MF T 动 作 后 再 也 没 有 发生锅 炉过 量进 水 的情 况 ， 接 着 在其 他 方 面 也做 了相应 改进 ： ( 1 ) 针 对 多 次 给 水 泵 故 障 减 负 荷 ( R UN— B AC K， 缩写 为 R B ) 后 的给水 异常 情 况 ， 设 置 了焓 控 给水 修正 值在 不 同负荷 下 设 定 上 下 限 ， 避免 煤 水 比失 调 。 ( 2 ) 根 据加负 荷 、 减 负荷 、 稳态 3 种 工况 ， 设置 不 同 的焓值偏 差 入 口调节 死 区 ， 为 的是 加 负荷 时 尽 量不 要减 水 ， 减 负荷 时尽 量不要 加水 。 ( 3 ) 由于 原 D C S控 制承包 商 日立公 司提供 的 水 冷壁 流量信 号 的 密 度修 正 函数 不 准确 ， 造成 在 机 组启 动 时流量 值 测 量偏 小 ， 对 给水 控 制 造成 影 响 ， 增加 了电泵 的流量 负担 ， 同时增 加 了锅炉 分离 器 到除 氧器 和到 扩 容 器 的负 担 ， 为减 少 锅 炉启 动 系统 中除氧 器淋水 盘损 坏 和扩容 器排气 管振 动起 到 了一 定 的作 用 。 ( 4 ) 在基 建 时发 现 遗 留的 工程 缺 陷 及 时加 以 解决 ， 使 给水控制中水冷壁超温保护得以实现。 基 建 调 试 中 曾 发 生 多 次 水 冷 壁 超 温 而 使 锅 炉 MF T 动作 ， 检查 原 因为给水 控制 中水 冷壁超 温保 护 回路 没有 正确 设 置 ， 后 对控 制 功 能 进 行 重新 设 置 ， 避免 了多次机 组发 生 MF T动作 。 6 结语 外 二厂 二期 2台 9 0 0 Mw 超 临 界 机 组 的给 水 控制 回路设 计 是 比较完 善 的 ， 在 调 试 和 生产 过 程 中主要是 进行 参数 的调 整 ， 如焓 的设 定值 上 、 下 限以及分离器压力对应焓设定值的函数关 系等。 2台机组从 2 0 0 3年并 网发 电至 今 ， 曾发 生 过 几次 MF T 动作 后锅炉 的给水流 量偏 大 ， 通 过对 给水 流 量 指令 速率 的调 整 很 快加 以解 决 ， 并 对 存 在 的 问 题 进行 了修 改和 完善 。 参考文献 ： [ 1 ] 梁福余 ， 庄建华． 国产 6 0 0 MW 超临界机组全程给水控制策 略口] ． 华 电技术 ， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 7 ) ： 6 4 — 6 7 ． 收 稿 日期 ： 2 0 0 9 — 1 1 - 2 3 作者简介 ： 李慧棣( 1 9 5 6 一 ) ， 女 ， 上海人 ， 大 专， 高级技 师， 从 事火电厂热控 专 业工 作 ； 刘 文( 1 9 6 9 一 ) ， 女 ， 上 海人 ， 本 科 ， 经济师 ， 从 事火电厂人 力资源管理 工作 。 ( 责任编辑 ： 杜 建军)