600MW超临界W形火焰锅炉机组给水控制策略分析.pdf

第 3 3卷 第 1 2期 2 0 1 1 年 1 2月 华 电技 术 Hu a di a n T e c h n o l o g y Vo 1 3 3 No 1 2 De C 2 011 6 0 0 MW 超 临界 W 形火焰锅炉机组 给水控制策略分析 郭同书 ， 赵明 ， 朱能飞 ， 李雷 ( 1 国电南京自动化股份有限公司， 江苏 南京2 1 0 0 3 2 ； 2 华电四川珙县发电有限公司， 四川 宜宾6 6 00 ) 摘要： 分析了华电四川珙县发电有限公司6 0 0M W 超临界 w形火焰燃煤发电机组的特点， 介绍了超临界机组的对象特 性、 控制难点及给水调节系统的任务 、 结构和控制策略， 在原设计调节系统的基础上进行了改进和优化， 实际应用效果 良好 。 关键词： 直流锅炉 ； w形火焰锅炉； 超临界机组； 给水控制； 燃料 、 给水比控制 中图分类号： T K 2 2 3 5 2 文献标志码： B 文章编号： 1 6 7 41 9 5 1 ( 2 0 1 1 ) 1 2 0 0 0 4 0 4 1 机 组概 况 华电四川珙县发 电有限公司 ( 以下简称珙县发 电公司) 一期工程为 2 6 0 0 M W 超 临界燃煤发电机 组 。锅炉为东方锅炉股份有 限公 司设计 的 w 形火 焰 、 超临界直流锅炉。额定工况下过热蒸汽压力为 2 5 4MP a ， 温度为 5 7 1 ； 再 热蒸 汽进 、 出 口压力分 别为 4 2 8 M P a和 4 1 0 MP a ， 进 、 出 口蒸汽温度分别 为 3 1 1 o C和 5 6 9 o C。汽轮机为东方汽轮机厂生产的 6 0 0 MW 超临界参数 、 中间一次再热 、 三缸四排汽 、 单 轴、 双背压 、 凝汽式汽轮机 ， 额定 功率 为 6 0 0 M W， 机 前主蒸汽压力和温度分别为 2 4 2 MP a和 5 6 6。 该工程采用 T C S 3 0 0 0分散控制系统 ( D C S ) ， 包 括模 拟 量 控 制 系 统 ( MC S) 、 炉 膛 安 全 监 控 系 统 ( F S S S ) 、 顺序控制系统( S C S ) 等 1 O 个子系统。数字 电液控制系统 ( D E H) 采用东汽 一日立 H 5 0 0 0 M 系 统 ， 给水 泵 汽 轮机 电液 调 节 系统 ( ME H) 包 含 在 T C S 3 0 0 0系统中。 1机组于 2 0 1 1年 2月完成 1 6 8 h 试运行， 控制系统投入 良好、 品质优 良。 直流锅炉给水调节系统是满足机组能量需求 、 响应负荷变动的重要途径 ， 也是控制主蒸汽温度的 一 个最基本手段。现 以该工程 给水调节系统为例 ， 分析直流锅炉给水调节系统的特点 。 2 W 形火焰直流锅炉对象及控制特性 2 1 W 形火焰锅炉特性 珙县发 电公 司机组是 国产 6 0 0 MW 超 临界 w 形火焰锅炉的首次成功运用。w 形锅炉由下部 的拱 形燃烧室和上部的辐射炉膛组成， 前后突出的炉顶 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 8 1 6 构成炉拱 ， 煤粉喷嘴及二次风喷嘴装在炉拱上并向 下喷射 。煤粉气流 向下流动扩展 ， 在炉膛下部与二 次风、 乏气相遇经过 1 8 0 。 的转弯向上流动进而形成 w形 。由于炉膛设计结构 、 较低 的一次风率 、 炉 内 温度高等特点 ， w 形燃烧方式对无烟煤及挥发分低 于 1 2 的劣质煤而言 ， 在煤种适应性 、 稳燃能力 、 燃 烧效率、 负荷调节性能等方面具备明显的优势 。 但由于存在直流锅炉 的蓄热相 对较小 ， 参数耦合严 重 ， w 形锅炉在配风不 当时容 易引起 区域 结渣 ， 国 内对 w形 锅炉在运行 、 管理等方 面经验不 足等 因 素_ 2 J ， 珙县发电公司对机组控制系统的性 能提出了 更高的要求。 2 2 直流锅炉的对象特性 直流锅炉的结构特点主要表现在受热面和汽水 系统上。直流锅炉没有汽包， 锅炉给水依靠给水泵的 压头依次通过加热、 蒸发和过热受热面变成过热蒸 汽。各受热面之间没有固定的分界点 ， 随着锅炉负荷 和工况的变动 ， 各受热面长度也会相应发生变化。 2 2 1 燃料 、 给水 比控制的意义 稳态工况下锅炉一次工质的热平衡式 Hg + Q 1 ， ( 1 ) 式 中： H 为过热蒸汽的焓 ； 为人 F I 给水的焓 ； Q 为一次工质的有效 吸热量 ； g 为给水流量。 Q 1=q m r Q d y 叼 ， ( 2 ) 式中： q 为燃料量； Q 为单位体积烟气的放热量； 叼 为锅炉热效率 ； 为一次工质 占锅炉 内有效吸 热量的份额 。 当锅炉正常运行或工况变化不大时， 其热效率 叼 和一次工质吸热份额 变化 不大， 假定人 口给 水焓 不变 ， 则 由式 ( 1 ) 和式( 2 ) 可 以得到 第 l 2期 郭同书， 等 ： 6 0 0MW 超临界 W 形火焰锅 炉机组给水控制策略分析 5 = f A q m r A q v s s 1 ( 日 一 H s ) 。 ( 3 ) 、q m r qv s s 对于超临界锅炉采用式 ( 3 ) 估算 ， 当燃料量 和 给水量的比值偏差为 1 0 时， 过热汽温的变化可达 1 0 0 c lC， 可见燃料量和给水量 的变化对直 流锅炉过 热汽温的影响很大。因此， 为了保持一定的汽温， 必 须保证燃料 、 给水的匹配 ， 即保证 = A qv g = q v g Aqv g 。 g + 因此 ， 保证燃料 、 给水 比是维持过热汽温稳定的 基础和关键 ， 也是直流锅炉给水调节系统 的一个最 重要的目 标和特征。 2 2 2 直流锅炉水动力特性 直流锅炉与汽包锅炉最大的不同是水冷壁的水 动力系统。直流机组采用定压运行还 是滑压运行 ， 与直流锅炉的水动力特性和汽水特性密切相关 J 。 ( 1 ) 水动力的多值性。锅炉水冷壁 的水动力特 性是指当炉内热负荷一定 时， 水冷壁 中工质的流量 与压差的关系， 即 p= g ) ， 其中 g 是质量流量。 水动力的多值性是指平行工作的水冷壁管道在同样 压差下对应多个不同的流量的情况。直流锅炉产生 水动力多值性的最主要原因是加热段和蒸发段的共 同存在以及蒸汽和水比容的差异。一般情况下， 压 力越低 ， 水冷壁人 口水温越低 ( 欠焓越大 ) ， 水动力 多值性越严重。 ( 2 ) 临界压力附近的大 比热容 区。对于超临界 压力下的水冷壁， 虽然没有汽水共存区， 但在相变点 ( 2 2 1 1 5 M P a ， 3 7 4 oC) 附近存在一个“ 大比热容区” ， 水的物理特性急剧变化， 导热系数、 动力黏度急剧下 降， 焓和比容急剧上升， 工质比容变化很大， 同样使 水动力特性发生变化， 也会出现多值性的问题。 因此 ， 直流锅炉压力运行方式取决 于水冷壁能 否得到稳定的水动力特性， 对于低负荷段的流量多 值性造成的不稳定流动， 常采用保证最小流量的方 法来解决 。 2 3 直流锅炉的控制特点 鉴于上述直流锅炉的结构和水动力特性， 与亚 临界汽包炉相 比， 直流锅炉机组具有一些控制方面 的特点 J 。 2 3 1 多输入 、 多输 出对象模型 超临界机组可以看成一个 多输入 、 多输 出的被 控对象 ， 输入量为给水量 、 燃料量 、 汽轮机调 门开度 ， 输出量为主蒸汽温度、 压力和流量 。 2 3 2 锅炉和汽轮机的严重耦合 锅炉和汽轮机之间的非线性耦合是超临界机组 难点之一。直流锅炉的蓄热相对较小， 一般为同参数 汽包炉的 1 41 2 ， 缺少 了汽包的缓冲， 锅炉动态特 性受末端阻力的影响远比汽包锅炉大， 从而使主蒸汽 压力大幅度变化 ， 严重影响了系统的控制品质。 2 3 3 非线性强 超临界机组普遍采用变压运行方式 ， 因此 ， 超临 界机组也会在亚临界范围内运行。由于超临界和亚 临界 2 个运行区域工质物性的巨大差异以及不同燃 烧率下工质相变点位置迁移等 因素的影响， 超临界 机组呈现出很强的非线性特性和变参数特性， 远比 常规亚临界机组难控制。 2 3 4 给水控制的多重任务 汽包炉给水控制的 目的主要是维持锅炉的汽包 水位 ， 而超临界直流炉给水控制 的主要 目的是保证 燃料 给水 比、 控制 中间点温度 ， 以实现过热汽温 的 粗调 ， 同时给水还承担 了调节机组负荷的任务。 3 给水调节系统分析及应用效果评价 3 1 给水调节系统的任务 超临界直流锅炉给水调节系统的主要任务不再 是控制汽包水位， 而是以汽水分离器出口温度( 或 焓值) 作为表征量， 保证燃料量与给水量的比例不 变， 满足机组不同负荷下的给水量需求 J 。 当机组工况变化时， 汽水流程 中各点工质温度 ( 或焓值) 的动态特性相似， 因此， 可以用某中间点 的微过热汽温来提前判断给水和燃料是否失调。珙 县发电公司以汽水分离器出口作为中间点并控制该 点的焓值代替温度， 其优点在于 ： ( 1 ) 焓值的物理概念明确， 汽水分离器出口焓 值对燃料、 给水比失调反应快， 灵敏度高， 系统校正 迅速。 ( 2 ) 汽水分离器出口焓值是分离器出口温度和 压力的二元函数， 当工质参数变化时具有较好的代 表性 ， 能够在一定程度上克服 临界点汽水 大比热容 现象。尤其对滑压运行 的直流炉而言 ， 控制焓值 比 控制温度更科学 。 ( 3 ) 焓值代表 了过热蒸 汽的做功能力 ， 控制焓 值不但有利于过热汽温粗调 ， 也控制 了过热器入 口 蒸汽 的初始做功能力 ， 有利于负荷控制。 3 2 给水调节系统的控制策略 3 2 1 总体说明 珙县发电公司 2 6 0 0 MW 超 临界机组 给水 控 制分为 4个不 同的阶段 。 ( 1 ) 启动阶段， 从锅炉上水到点火前， 采用给水 流量定值控制 。 ( 2 ) 带部分负荷 阶段， 即在机组燃烧率低于 3 0 锅炉最大连续蒸发量( B MC R) 时， 锅炉处于非 6 华 电技 术 第 3 3卷 直流运行方式， 分离器处于湿态运行 ， 起着汽水分离 的作用。类似汽包炉的给水控制汽包水位， 此时给 水控制分离器水位， 分离器中的水位由分离器至除 氧器以及分离器至疏水扩容器的组合控制阀进行 调节 。 ( 3 ) 纯直流阶段 ， 在机组燃烧率大 于 3 0 B M C R后 ， 锅炉逐步进入直流运行状态 。锅炉给水 由直 流运行时带焓值修正的燃料、 给水比调节。 ( 4 ) 停炉阶段， 尤其是故障停炉时的给水控制。 上述第 ( 2 ) 项 、 第 ( 3 ) 项是锅炉点火后的控制， 是直流锅炉给水 回路控制中的重点内容。 3 2 2 控制策略 纯直流后的给水控制是整个超临界直流机组控 制 的核心部分 ， 珙县发 电公 司超临界机组 给水控制 采用了典型的欧洲直流锅炉 的控制思路 ， 采用 给水 来控制燃料、 给水比， 即中间点焓用给水来修正。因 为给水的响应较快 ， 没有制粉系统 和燃烧过程的大 时滞， 比用燃料调节燃料、 给水比有着明显的优势。 直流方式下给水调节原理如图 1 所示 。 锅炉主控 RM 给水泵总指令 图 1 直流方式下给水控制原理图 ( 1 ) 末级减温器前 、 后温差。在运行过程中， 锅炉 各受热面在不同负荷情况下吸热比例变化较大， 若要 保持各级减温器出V I 汽温和过热汽温为定值， 各级喷 水量变化会较大。为了克服这一缺点 ， 珙县发电公司 采用保持末级减温器前、 后温差的调节系统。燃料、 给水 比作为过热蒸汽温度的粗调方式 ， 着重于保持汽 温的长期稳定， 喷水减温器前、 后温差控制作为辅助 调节手段， 直接影响过热蒸汽温度。将调整燃料、 给 水 比与喷水减温二者协调起来 ， 实现了燃料 、 给水 比 控制与喷水减温控制方式间的解耦作用。 ( 2 ) 总校正后的给水流量 。给水操作台的 3个 主给水流量信号经主给水温度修正后取中值， 可得 主给水量。该机组设计 A侧、 B侧的一级和二级减 温水均取 自省煤器出口集箱 ， 因此 ， 总喷水量已包含 在主给水量之中， 主给水量即为总校正后的给水流 量 ， 不需要再加上总喷水量 。 ( 3 ) 调节过程。A侧 、 B侧末级减温器前后温差 取均值， 与锅炉主控( B M) 经 ( ) 形成的要求值进 行比较， 其偏差送入温差P I D控制器； 其输出与调速 级压力经函数 ( )计算的前馈量相加 ， 作为焓值 设定值与用分离器出口温度和出口压力计算出的实 际焓值比较， 偏差送人焓值 P I D调节器； 其输出加上 锅炉主控经 ( ) 计算的前馈量作为给水量的设定 值， 该设定值与总校正后的给水流量的偏差送入给 水调节器， 产生给水泵总指令信号， 经平衡算法后送 入 2台汽动 给水泵来 控制给水量。当汽动给水泵 A ， B都在 自动方式运行时， 可手动设定 2台泵之间 的转速偏差， 以适用不同负荷要求。当汽动给水泵 A， B至少有 1台手动时 ， 自动生成偏置 ， 实现 2台泵 负荷 的平衡。电动给水泵设计为定速泵 ， 不参加上 述 自动控制。 ( 4 ) 焓值设定值计算。图1 中焓值的设定值是汽 轮机调节级压力的函数 ， 由于调节级压力可以代表机 组负荷， 所以， ( ) 代表了不同负荷对过热器进口 蒸汽的过热度要求， 也代表了汽轮机的能量需求。 ( 5 ) 给水流量设定值限制回路。给水流量设定 值经锅炉的最小省煤器人 口流量限制和煤水交叉限 制， 防止在各工况下燃料和给水的失调。 3 3 给水调节系统品质的改善 为了提高机组运行稳定性及负荷动态响应能 力， 应加快锅炉侧的响应尤其是给水的快速响应， 因 此 ， 在调试过程 中对给水调节系统做 了合理的优化 ， 以提高其 自适应性能。 ( 1 ) 保证燃料、 给水比是直流锅炉控制的首要 任务， 但给水和燃料对负荷的动态响应相差较大， 给 水响应较快 ， 一般只有几十秒 ， 而给煤变化的纯延时 一 般为 2 3 m i n 。因此 ， 图 1中锅炉主控至给水指 令前馈中加了惯性环节( L A G ) ， 用以补偿给水和给 煤不同的动态特性， 防止二者的动态不匹配。 ( 2 ) 直流锅炉给水对负荷 的响应远 比燃 料快 ， 应当加快变负荷时给水的响应 。因此 ， 上述 L A G的 时间滞后必须合适， 在保证燃料、 给水比的同时尽量 加快给水指令的前馈作用。在调试过程中惯性时间 还区分了加负荷和减负荷 ， 减负荷的 L A G时间略长 第1 2 期 郭同书， 等： 6 0 0 M W超临界 w形火焰锅炉机组给水控制策略分析 7 于加负荷， 这是为了加负荷时先加煤再加水， 减负荷时 先减煤再减水， 防止变负荷中间点温度过低或过高。 ( 3 ) 变负荷时适当减弱焓控的修正作用。试验 发现变负荷时尽管焓控调节器的人 口偏差加大， 但在 一 定范围内不让焓控修正回路动作， 燃料、 给水比并 未失调。因此， 在加负荷和减负荷时对焓控调节器的 人口 偏差设置不同的死区， 以减弱焓控的修正作用。 3 4应用效果 机组在 4 3 0 5 2 0 MW 段升负荷时 的实 际运行 曲线如图 2所示。从 图 2中可以看 出， 当机组在滑 压运行方式时， 给水流量响应较快， 主蒸汽流量和机 组实际负荷几乎保持相同的上升速率。主蒸汽温度 最大偏差控制在 4 - 5 o C， 分离器 出 口温度偏 差控制 在 4 - 8 o C。机组运行稳定 ， 给水调节系统运行 良好。 1 主蒸汽温度；2 分离器出口温度；3 机组实际负荷：4 主蒸汽流量；5 主蒸汽压力：6 l 锅炉主控；7 给水流量设定值 8 总校正后给水流量 图2 机组在 4 3 0 5 2 0 MW段滑压升负荷运行的主要运行参数曲线 4 结束语 直流锅炉给水调节系统在快速响应机组负荷需 求以及保持机组运行稳定性等方面都起着至关重要 的作用 ， 而且其控 制结构 比较复杂， 涉及设备较多 ， 对设备和控制系统的稳定性和可靠性也有较高要 求 。本文对珙 县发 电公 司 6 0 0 MW 超 临界 w 形火 焰直流锅炉的给水调节系统进行了分析和改进 ， 提 高了调节系统的性能， 控制效果良好。 参考文献 ： 1 车刚， 郝卫东， 郭玉泉 w形火焰锅炉及其应用现状 J 电站系统工 程 ， 2 0 0 4 ， 2 0 ( 1 ) ： 3 8 4 0 2 李继峰 ， 曾汉才 国内外 6 0 0 M W级机组锅炉的技术特点 J 华中电力， 2 0 0 1 ， 1 4 ( 3 ) ： 2 2 2 4 3 冯俊凯 ， 沈幼庭， 杨瑞昌 锅炉原理及计算 M 北京： 科 学 出版社 ， 2 0 0 3 4 樊泉桂 亚临界与超临界参数锅炉水动力特性的分析 J 华北电力大学学报， 1 9 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