超临界机组给水控制研究.pdf

第 3 1 卷 第 7期 2 0 0 9年 7月 华 电技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y V0 l _ 31 No 7 J u 1 2 0 0 9 超 临界机组给水控制研 究 李长青， 毕艳洲， 段新会 ( 华北电力大学， 河北 保定0 7 1 0 0 3 ) 摘要 ： 针对超临界机组 的控制特点 ， 对淮浙煤 电有限公司安徽凤 台发 电分公司 1 6 0 0M W 超临界直流机组 给水控制工 作原理及其控制策略进行了介绍。基于 S T A R一 9 0仿真平台， 通过仿真试验， 检验了该控制策略的合理性 ， 为以后国内 超临界大型机组给水控制研究提供了借鉴和参考。 关键词： 超临界机组； 控制特点； 工作原理； 给水控制策略； 仿真试验 中图分类号 ： T K 2 2 3 5 2 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 41 9 5 l ( 2 0 0 9 ) 0 7 0 0 2 0 0 4 0 引 言 理论上认 为， 在 水的状态 参数 达到某 一点 时 ( 压力 2 2 1 1 5 MP a 、 温度 3 7 4 1 5 ) ， 水的汽化会在 一 瞬间完成 ， 即在此状态时饱和水 和饱和蒸汽之间 不再有汽 一 水共存的两相 区存在 ， 两者的参数不再 有区别 ， 此点被称作临界点。当汽机进 口蒸汽参数 超过水临界状态点的参数时 ， 统称为超临界机组。 根据我国能源资源的特点 ， 在一次能源生产与 消费中以煤炭为主的格局在将来的几十年内不会改 变。对于煤炭这种不可再生能源 ， 节约利用则显示 出更加重要的意义。超临界机组平均煤耗在3 1 0 3 2 0 g ， 比亚临界机组平均煤耗减少 2 0 4 0 g ， 从节约 能源的角度来讲 ， 超临界机组成为发展的必然趋势。 淮浙煤 电有 限责 任 公 司凤 台发 电 分公 司 1 6 0 0MW超临界直流机组采用了东方锅炉 ( 集 团) 股 份有限公 司制造的 D G 1 9 0 0 2 5 4一1型锅炉 ， 该 锅炉为超临界参数变压运行直流炉， 为单炉膛 、 一次 中间再热 、 平衡通风 、 露天布置 、 固态排渣 、 全钢构 架 、 全悬吊结构 n 型锅炉。设计煤种及校核煤种均 为淮南煤。本文将根据淮浙煤电有限责任公司凤台 发电分公司 1 6 0 0 MW 超临界直流机组的给水控制 系统的仿真设计 ， 详细介绍滑压运行的超临界机组 给水控制的特点和思路。 蒸发和变成过热蒸汽是一次性连续完成 的， 随着运 行工况的不同， 蒸发点会 自发地在一个或多个加热 区段内移动。所以， 当有给水扰动或燃烧扰动时， 锅 炉出口温度 、 压力 以及蒸汽流量都将发生变化 。因 此 ， 在超临界机组 中， 给水 、 汽温、 燃烧系统是密切相 关的， 不能独立控制 ， 而应该对其进行整体控制 ， 控 制系统也就相对更加复杂 。 ( 2 ) 在直流炉 中， 由于没有储能作用的汽包环 节 ， 工质在机组内的循环速度上升， 直接做功的蒸汽 质量与总的机组循环工质总质量 ( 水 和蒸汽 ) 的比 值很高。这就要求给水控制系统应更为严格地保持 工作负荷与燃烧速率之间的关系 ， 严格地保持燃烧 速率与给水之间的平衡关 系， 即通常所说的燃水 比。 这种平衡关系不仅是稳态下的平衡 ， 而且应保持动 态下的平衡 。一旦失衡 ， 产生的危险性要严重得多。 ( 3 ) 过热汽温对燃料量和给水量的扰动都有很 大的延迟 ， 必须要有提前反映燃料量和给水量扰动 的汽温信号， 这就是中间点温度。在超临界锅炉中， 中间点温度就是分离器 出口蒸汽温度， 在控制系统 中， 可以用 中间点温度来作为燃水比校正信号。 综上所述， 直流炉给水流量 的变化对主蒸汽压 力 、 温度 、 负荷等都有较大影响， 而本文着重结合淮 浙煤 电有限责任公司凤 台发电分公 司 1 6 0 0 MW 超 临界直流机组 ， 论述干态运行时直流炉给水 的控制。 1 超临界机组给水控制的特点 2 超临界机组给水控制系统的工作原理 由于在临界参数下汽、 水密度相等， 因此 ， 在超 临界压力下无法维持 自然循环 ， 即超临界机组不能 采用汽包锅炉， 只能采用直流炉。超临界机组 的给 水控制具有以下 3方面的特点。 ( 1 ) 超临界直流炉没有汽包环节 ， 给水经加热 、 收稿 日期 ： 2 0 0 9一o l 一 0 7 淮浙煤电有限责任公 司凤 台发电分公 司 1超 临界机组的给水控制系统是一个 串级调节系统 ， 其 控制 回路主要由 2部分构成， 即给水流量指令 的形 成回路和给水泵控制回路。 2 1 给水流量指令形成逻辑 淮浙煤 电有 限责 任公 司凤 台发 电分公司 6 0 0 MW 超临界机组给水控制逻辑图如图 1 所示。从图 第7期 李长青， 等 ： 超临界机组给水控制研 究 2 l 总燃料量 锅炉主控 图 1 给水流量指令逻辑 1中可以了解到给水流量指令的形成逻辑 。由图 1 应加上负荷变动的前馈信号 以构成给水流量指令。 可知 ， 给水流量指令主要 由 3部分组成。第 1部分 此时 ， 大选器出来 的信号作为给水指令 的一部分送 在省煤器保护状况下才起作用 ， 否则 ， 该部分指令对 人求和模块 。给水组成的第 3部分本身又由3部分 应的给水量为零。它是通过省煤器偏差信号， 经过 组成， 分别是手动设置的给水流量设定值偏置， 小机 函数 F ( )的处理 ， 送 至 P I D调节 器， 最 终消除偏 自动情 况下 3高压加热器人 口三通阀与 1高压加 差 ， 形成对应一定给水 流量 的信号。它 的作用是防 热器出口阀全关时逻辑 自动设定 的一给水 常数 ， 干 止省煤器温度过高 ， 通过给水调节省煤器的温度 ， 保 态模式下根据提前反映汽温变化的中间点温度与饱 护省煤器。第 2部分为锅炉主控指令送过来 的给水 和温度差值 ( 微过热度) 并经过 P I D调节得到 的给 指令。锅炉主控指令经过 函数 F ( )的处理 ， 根 据 水流量信号 。其中 ， 第 3部分在机组运行在干态状 燃水 比得到给水量信号 ， 该信号与负荷变化 的前馈 况下时起作用 ， 主要 目的是调节机组 的中间点温度 ， 信号叠加 ， 形 成新 的给水 信号。在机 组负荷 小 于 进而保证主蒸汽维持在适当的温度。当机组所带负 1 8 0M W 且负荷大幅度变动时 ， 机组产生一个前馈信 荷不同时 ， 对应的中间点温度也不相同。本文的逻 号， 该信号与给水信号相叠加， 送至大选器。大选器 辑通过函数 F ( ) 折算出某负荷下理论上的微过热 的另一输入信号在机组负荷大于 1 5 0 MW 且没有快 度 ， 并将其与机组实际的微过热度求差 ， 得到一个偏 速减负荷等异常情况下时有效。该信号一般情况下 差信号 。为将此偏 差消除 ， 将其通 过函数 F( )滤 是机组的总燃料量理论上对应 的给水量 ， 在负荷变 波后 ， 最后送至 P I D调节器 ， 得到给水流量信号。上 动大于 0 5时 ， 还应再 加上一定值 以修正给水量 。 述的几部分送至求和模块 ， 输出在经过速率限制模 大选器的输 出信号又送至小选器 ， 小选器的另一输 块 ， 避免指令短时间内大幅度变化 ， 并得到最终给水 人信号 同样是在机组负荷大于 1 5 0 M W 且没有快速 指令。 减负荷等异常情况下时有效 ， 而且该信号一般也是 2 2 给水泵控制回路 机组的总燃料量理论上对应 的给水量 ， 在负荷变动 大于 0 5时， 还应再加上一定值 以修正给水量 。上 述大选器与小选器的输入逻辑相似 ， 但数据有一定 差别。小选器生成 的信号接下来 又送 至另一 大选 器 ， 该大选器的另一输入主要是在湿态运行工况时 起作用 ， 根据机组减温水量计算 出对应的总给水量 。 如果机组负荷小于 1 8 0 M W 且负荷大幅度变动 ， 还 如图 2 ( 以 A泵为例) 所示 ， 给水泵控制逻辑的 P I D调节器作为整个给水 串级控制的副调节器 ， 其 主要功能是对给水流量指令与锅炉实际给水量的偏 差进行 P I D运算 ， 输出给水泵的开度 。其 中， 给水偏 差信号经过给水泵投 自动的台数修正 ， 以便确定调 节器送出开度信号的大小。此信号经过 B A L A N C E 模块的分配 ， 把各个信号送至各台给水泵 。同时 ， 各 2 2 华 电技 术 第 3 1 卷 M A M ODE F W F D M 实际给水流量 三 一 j 给 水 泵 投 自 动 台 数 修 正 B I A S T 0 F WF l ! ! ! ! T。 小机 A遥控 已投入 厂 至汽动 至 电动 给水泵B 给水泵 T 小机A实际转速 回 l B F P r ARE F | | L BF P T A B I A S T O F WF 给水流量修正信号；B I A S T O B F P T l ， J 、 机修正信号 ；F WF D M 给水流量指令 图 2 给水泵控制逻辑 台泵的开度信号还对应 3部分修正信号， 分别为手 动设定的开度偏置 、 给水流量修正信号和小机修正 信号。其中， 给水流量修正信号的作用是当 3台给 水泵均处于自动状态时， 调节各台泵的出力， 保证汽 动给水泵与电动给水泵 的出力 比为 5 ：3 。小机修 正信号 的作 用是 使 2台汽动 给水 泵 的 出力 比为 1 ：1 。这 4部分经过求和模块的计算 ， 输出信号经 过速率限制器， 送至手操器 。手操器模块可控制 A 泵的手动 自动状态 ， 并限制 A泵 的开度信号限值。 手操器下的选择块表 明， 小机 A遥控投入之前 ( 冲 转工况) ， 汽动给水泵 A的开度 由小机 A的实际转 速转换得来 ， 小机 A遥控投入之后 ， 则 主要 由上述 逻辑控制给水流量。给水泵的开度信号得到以后 ， 经过相应的转化和修正 ， 得到给水泵转速指令 ， 然后 经过相应 P I D控制器控制给水泵的转速并最终得到 所需要的给水流量。 3 超临界机组给水控制仿真运行结果 淮浙煤电有限责任公 司凤 台发 电分公司 1机 组给水控制 系统采用 的是 上述 的控制策 略， 基 于 S T A R一 9 0仿真平台得到了较好的效果 。在机组在 6 0 0M W 负荷稳定运行时 ， 给水控制 ( 如图 3所示 ) 、 小机转速控制( 如 图 4所示 ， 本文小机转速均以小 机 A为例) 都 比较稳定 ， 流量一直跟踪设定值且偏 差一直维持在 比较小的幅度以内。 当把机组 目标负荷调至 5 5 0 M W 时 ， 机组的给 瓣瓣 盥豳 撼 譬 # 瓣 图 3 6 0 0 MW稳定运行时给水调节结果 图 4 6 0 0 MW 稳定运行时小机 A转速调节结果 水控制如图 5所示 ， 小机 的转 速控制 如图 6所示。 由图5 、 图 6可知 ， 随着 目标负荷的下调 ， 机组实际 负荷慢慢下降， 机组的给水指令也随之平稳减小 ， 在 经过微小的波动之后最后稳定在 1 5 8 5 t h 。小机的 实际跟踪转速设定值也一直 比较稳定 ， 偏差一直在 很小的幅度内， 最后转速维持在 5 2 9 0 r m i n 。 苗 第7期 李长青， 等 ： 超临界机组给水控制研 究 2 3 蛹 燃 豳懿 撼懑 l 荔 黧 l 一 一 _ 、 一 一一 一 一 一 _ I 图 5 6 0 0 5 5 0MW 运行 时给水调节结果 I Il垂 量 嚆蕈 瓣 剿囊 麟 黛豳藿 1 蕾隧鎏 黪 ； 囊 一 q 一 。 v “。 鬟 ， =：一 一 羹 图 6 6 0 05 5 0M W 运行时小机 A转速调 节结 果 图 7 、 图 8为机组从 6 0 0 MW 满负荷运行到 5 5 0 MW再到 5 0 0 MW 负荷稳定运行时的整个过程。在 此过程 中， 负荷以 1 0 MW m i n的速度变化 ， 变化 幅 度为 1 0 0MW。由图7可知 ， 全程给水实际流量与指 令偏差在波谷 附近达到最大 ， 为 2 5 t h 。稳定运行 时， 其动态偏差控制在 3 t h之内。由图 8也可看 到， 小机的转速控制一直处于相对稳定的状态 ， 实际 转速和转 速设 定值 的偏 差 最 大时 也 控 制在 1 0 r mi n 之内， 绝大部分时间内其偏差都在 3 r mi n 之 内。由此可知， 本文的给水控制策略在淮浙煤 电有 限责任公司风台发电分公 司的应用 实践 中， 其实 时 性 、 准确性 、 稳定性都达到 了较好 的效果 ， 调节 品质 优 良， 保证了机组安全稳定的运行 。 图7 6 0 0 5 5 05 0 0MW运行时给水调节结果 鎏 耩 爨 垂 懿 鏊t 鼬 妫 蕾 强 薅l i鏖 毫 薹 麓 P 礴 帆 搬 琦 = | 絮 、 一： 一 一 图 8 6 0 0 5 5 0 5 0 0MW 运行时小机 A转速调节 结果 4 结论 随着国内大量的 6 0 0 MW 乃至 1 0 0 0 MW 超临界 机组的投用， 对大型超临界机组给水控制系统的研究 及使用还会进一步深化 ， 不断解决出现的新 问题， 找 到给水控制的新方法。本文通过淮浙煤 电有限责任 公 司凤台发 电分公 司 1机组的仿真机在 S T A R一9 0 平台上实际运行结果， 证明了该给水控制策略是合理 的， 达到了良好的调节效果， 为今后国内超临界大型 机组给水控制系统的研究设计提供了借鉴和参考。 参考文献： 1 张法文 直流单元机组 自动调节系统 M 北京： 水利电 力出版社 ， 1 9 8 4 2 杨景祺， 戈黎红， 凌荣生 超临界机组控制系统的特点及 其控制策略 J 动力工程学报， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 2 ) ： 2 2 1 2 2 5 3 林文孚 6 0 0 MW 超临界机组给水控制系统及其仿真研 究 J 湖北电力， 2 0 0 7 ， 3 1 ( 2 ) ： 1 72 1 4 于达仁， 徐志强 超临界机组控制技术及发展 J 热能 动力工程 ， 2 0 0 1 ， 1 6 ( 2 ) ： 1 1 51 2 1 5 马开中 超临界锅炉给水流量调节 J 热力发电， 2 0 0 7 ， 3 6 ( 9 ) ： 5 3 5 6 6 沙友平， 王利国， 管春雨 超临界机组典型系统的控制策 略 J 中国电力， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 3 ) ： 8 28 5 7 杨凯翔 超临界机组控制特性和控制策略分析 J 中国 电力 ， 2 0 0 7 ， 4 0 ( 7 ) ： 7 4 7 9 ( 编辑 ： 王书平 ) 作者简介 ： 李长青( 1 9 6 3 一) ， 男， 河北沧州人 ， 副研究员 ， 从事电厂 系统建模与仿真方面的教学和研究工作。 毕艳洲 ( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 河 北保定人 ， 在 读硕 士研究 生 ， 主 要从事系统建模与仿真方面的研究工作。 段新会( 1 9 6 9 一) ， 男， 河北保定人 ， 副研究员 ， 从事电厂 系统建模与仿真方面的教学和研究工作。