基于焓值計(jì)算的直流爐給水控制優(yōu)化及實(shí)踐

陳 波，羅志浩，蘇 燁

（浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014）

在超臨界直流機(jī)組中，給水的加熱、蒸發(fā)和過(guò)熱過(guò)程是一次性連續(xù)完成的。因此，隨著運(yùn)行工況的不同，機(jī)組的汽水分界點(diǎn)將在一個(gè)或多個(gè)受熱段內(nèi)移動(dòng)。為了保持鍋爐汽水行程中工質(zhì)的溫度保持在安全經(jīng)濟(jì)的范圍內(nèi)，直流機(jī)組對(duì)燃水比調(diào)節(jié)提出了較高的要求[1]。目前直流機(jī)組的燃水比控制方法大致可以分為中間點(diǎn)過(guò)熱度控制和焓值控制兩類。對(duì)于焓值控制而言，一般是通過(guò)調(diào)節(jié)給水來(lái)完成燃水比的控制。相對(duì)于汽包爐，直流爐對(duì)給水控制更為敏感，完善的給水控制策略和良好的控制品質(zhì)是眾多控制工程人員追求的目標(biāo)，尤其是在高加出系工況或真空變化等特殊工況下。因此，基于焓值控制的直流機(jī)組給水控制成為了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

1 焓控原理

燃水比是直流機(jī)組控制汽溫的主要手段。直流爐中的減溫噴水實(shí)質(zhì)上是調(diào)整工質(zhì)流量在水冷壁和過(guò)熱器之間的分配比例，不會(huì)影響汽溫最終的穩(wěn)態(tài)參數(shù)，最終決定穩(wěn)態(tài)汽溫的是燃燒率和給水的比例[2]。因此控制好燃水比是超臨界機(jī)組控制的關(guān)鍵。

當(dāng)燃水比發(fā)生改變時(shí)，過(guò)熱汽溫的響應(yīng)延遲時(shí)間長(zhǎng)，而中間點(diǎn)（分離器出口附近，不同機(jī)組選取的位置不同[3]）溫度或焓值在靈敏度和線性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，故不能直接使用過(guò)熱汽溫作為燃水比的反饋信號(hào)，而是采用了中間點(diǎn)溫度或中間點(diǎn)焓值。相對(duì)于中間點(diǎn)溫度，中間點(diǎn)焓值不但能快速反映燃水比的變化情況，還代表了過(guò)熱蒸汽的做功能力。因此中間點(diǎn)焓控方式不但能實(shí)現(xiàn)過(guò)熱汽溫的粗調(diào)，還有利于負(fù)荷控制[4]。同時(shí)因焓值的物理概念明確，用焓增方式來(lái)分析各受熱面的吸熱分布將更為科學(xué)。

超臨界直流爐機(jī)組在穩(wěn)態(tài)工況下，某段連續(xù)的受熱面組成的系統(tǒng)可以視為穩(wěn)定流動(dòng)的開(kāi)口系統(tǒng)。由熱力學(xué)第一定律可知，對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定流動(dòng)的開(kāi)口系統(tǒng)而言，工質(zhì)所吸收的熱量ΔQ為：

式中：△H為吸熱焓增，ωt表示技術(shù)功，技術(shù)功包括了軸功和宏觀動(dòng)能增量及宏觀勢(shì)能增量。對(duì)于連續(xù)流動(dòng)未膨脹做功且落差有限的工質(zhì)，其技術(shù)功可近似為0。

因此式（1）可以簡(jiǎn)化為：

式中：W為開(kāi)口系統(tǒng)內(nèi)的工質(zhì)流量；Δh為開(kāi)口系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的焓增。

考慮到系統(tǒng)可能存在的其他微小吸熱量和其他修正因素，對(duì)于該開(kāi)口系統(tǒng)而言，其系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)流量的設(shè)定值Wsp一般可由式（4）計(jì)算：

式中：Wsp0為工質(zhì)流量的設(shè)計(jì)值；hout為系統(tǒng)出口焓值；hout0為系統(tǒng)出口設(shè)計(jì)焓；hin為系統(tǒng)入口焓值；hin0為系統(tǒng)入口設(shè)計(jì)焓值；Qq為小吸熱修正；hq為小焓值修正量。

2 焓控點(diǎn)的位置選取

由式（1）可知，在超臨界直流機(jī)組中選取一段穩(wěn)定流動(dòng)的開(kāi)口系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)的入口和出口參數(shù)便可推出式（4），得到系統(tǒng)工質(zhì)流量的設(shè)定值。在實(shí)際的給水控制系統(tǒng)中，為了快速準(zhǔn)確地反映燃水比的變化，選取的穩(wěn)定流動(dòng)開(kāi)口系統(tǒng)應(yīng)滿足能全面反映爐內(nèi)吸熱過(guò)程的變化及能快速準(zhǔn)確測(cè)量系統(tǒng)焓值的要求。

因此，一般選取從省煤器入口到分離器出口之間的連續(xù)受熱面作為焓控模式下給水流量設(shè)定計(jì)算的開(kāi)口系統(tǒng)。這是因?yàn)椋?/p>

（1）省煤器是經(jīng)分離器出口前、以對(duì)流換熱為主的受熱面，且省煤器中焓升占工質(zhì)總焓升的比例較大，因此選取的參考系統(tǒng)包括省煤器才能全面、穩(wěn)定地反映爐內(nèi)熱量變化。

（2）省煤器出口焓值經(jīng)過(guò)省煤器環(huán)節(jié)后，焓值變化滯后，而省煤器入口焓值則直接快速反應(yīng)省煤器入口水溫的變化。

（3）分離器出口前的受熱面系統(tǒng)已包括了各種類型的受熱面 （以對(duì)流換熱為主的省煤器、以輻射換熱為主的水冷壁），能比較全面地反映爐內(nèi)熱量的變化情況。

（4）從省煤器入口至分離器出口前的工質(zhì)焓升占爐內(nèi)工質(zhì)總焓升的75%左右，且該比例在燃水比或其他工況發(fā)生較大變化時(shí)變化不大，能穩(wěn)定反映爐內(nèi)的熱量變化。

（5）相對(duì)于過(guò)熱器出口而言，分離器出口工質(zhì)的焓值變化滯后時(shí)間短，能快速反映燃水比的變化情況。

在選定從省煤器入口到分離器出口的開(kāi)口系統(tǒng)作為燃水比控制的參考系統(tǒng)后，根據(jù)式（4）可以推出一般超臨界直流機(jī)組焓控模式下的給水流量控制方程：

式中：Wsp為給水流量設(shè)定值；Wsp0為給水流量設(shè)計(jì)值；hsepout為分離器出口焓值；hsepout0為分離器出口設(shè)計(jì)焓值；hecin為省煤器入口焓值；hecin0為省煤器入口設(shè)計(jì)焓值；Qsep為儲(chǔ)水箱吸熱；hq為焓值修正量。

3 高加出系工況下的焓控

選取從省煤器入口到分離器出口的開(kāi)口系統(tǒng)，按照式（5）進(jìn)行控制可以滿足正常情況下機(jī)組對(duì)燃水比的要求，然而在特定工況下該系統(tǒng)的選取卻存在一定的問(wèn)題。例如當(dāng)發(fā)生高加出系工況時(shí)，因高加撤出后省煤器入口水溫急劇下降，若此時(shí)省煤器入口設(shè)定焓值未切至高加出系工況下的理論焓值，或切換時(shí)間不匹配，省煤器入口焓值的急劇下降會(huì)使給水設(shè)定值急劇下降，最終導(dǎo)致燃水比控制失衡，使分離器出口溫度高或螺旋管壁溫高保護(hù)動(dòng)作[5]。因此需要針對(duì)高加出系工況對(duì)焓控模式下的給水流量控制進(jìn)行修正。

考慮到高加出系時(shí)省煤器入口焓值將急劇下降，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)與高加出系工況下的理論焓值的切換及切換時(shí)間是完善高加出系工況下給水控制的基本思路。圖1為某超臨界機(jī)組考慮高加出系工況后的給水控制邏輯。

圖1 考慮高加出系工況后的給水控制邏輯圖

參照公式（5）， 在該邏輯中， f1（x）、 f3（x）為正常工況和高加出系工況下的 Wsp0， f2（x）、 f4（x）為正常工況和高加出系工況下的（hsepout0-hecin0），根據(jù)工況要求分別對(duì)上述函數(shù)進(jìn)行整定后，就可以避免出現(xiàn)（hsepout0-hecin0）和（hsepout-hecin）不匹配的情況。

應(yīng)該注意的是，完善后的給水控制回路中，針對(duì)高加出系工況應(yīng)解決以下2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

（1）切換函數(shù)的整定。f1（x）-f4（x）函數(shù)的整定需和機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況一致，應(yīng)通過(guò)調(diào)整試驗(yàn)予以確定。同時(shí)要考慮汽機(jī)調(diào)門(mén)的控制方式，當(dāng)采用順序閥控制時(shí)，由于汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性提高，給水量比單閥控制時(shí)要略少。

（2）切換時(shí)間的整定。在高加出系動(dòng)態(tài)過(guò)程中， 涉及 2 個(gè)切換時(shí)間， 即 f1（x）切換到 f2（x）的時(shí)間和 f3（x）切換到 f4（x）的時(shí)間。在整定過(guò)程中必需注意，給水流量設(shè)定值的切換時(shí)間不能太快或太慢，太快會(huì)使實(shí)際給水量下降過(guò)快，過(guò)熱度上升較快；太慢則會(huì)使實(shí)際給水量過(guò)多而使過(guò)熱度偏低。省煤器入口焓值切換時(shí)間需和實(shí)際省煤器入口焓值變化時(shí)間相匹配，可以通過(guò)試驗(yàn)獲取。圖2中為某廠高加出系過(guò)程中的焓值變化曲線。

圖2 某廠高加出系過(guò)程中焓值變化曲線

從圖2可以看出，因高加出系過(guò)程中省煤器入口焓值切換時(shí)間不匹配，省煤器入口實(shí)際焓值在高加出系后快速下降，但省煤器入口設(shè)計(jì)焓值變化較慢，使過(guò)熱度變化幅度較大，最終導(dǎo)致了分離器出口溫度高M(jìn)FT保護(hù)動(dòng)作。根據(jù)該次動(dòng)作曲線重新對(duì)切換函數(shù)和切換時(shí)間進(jìn)行整定，經(jīng)整定后重新進(jìn)行相同工況試驗(yàn)，未引起分離器出口溫度高保護(hù)動(dòng)作。

綜上所述，針對(duì)高加出系引起的省煤器入口水溫急劇變化對(duì)給水控制的影響，要注意以下幾點(diǎn)：

（1）給水量控制設(shè)計(jì)函數(shù)以及省煤器入口焓值設(shè)計(jì)函數(shù)應(yīng)根據(jù)高加出系與否進(jìn)行區(qū)分，使給水設(shè)定值能滿足高加出系前和高加出系后的穩(wěn)態(tài)要求。

（2）在切換時(shí)間上要進(jìn)行匹配，一方面要防止切換時(shí)間過(guò)快而使給水量下降過(guò)快，使得分離器出口溫度過(guò)高而引起機(jī)組保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)要防止切換過(guò)慢而使燃水比過(guò)低，從而使過(guò)熱度偏低。如果切換時(shí)間設(shè)定合適，可以有效避免高加出系動(dòng)態(tài)過(guò)程過(guò)熱度的大范圍變化。

（3）各函數(shù)要設(shè)計(jì)恰當(dāng)，能正確反映高加出系前后的實(shí)際需要水量和焓增值。如果給水量設(shè)計(jì)值過(guò)高會(huì)使燃水比失調(diào)，導(dǎo)致過(guò)熱度偏低，如果過(guò)低則會(huì)使過(guò)熱度過(guò)高。

4 真空變化工況下的焓控

真空是監(jiān)視機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要參數(shù)之一，關(guān)系到機(jī)組的安全運(yùn)行，決定了機(jī)組的理想焓降、發(fā)電效率和出力能力。當(dāng)真空發(fā)生改變時(shí)，機(jī)組負(fù)荷和給水流量對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)會(huì)隨之發(fā)生偏移，即式（5）中的Wsp0發(fā)生偏移。在以往的控制中，僅把真空作為機(jī)組的保護(hù)參數(shù)，而沒(méi)有將其對(duì)控制的影響考慮在內(nèi)，使得機(jī)組在不同真空度下運(yùn)行時(shí)，給水控制品質(zhì)會(huì)發(fā)生較大的改變。

在某600 MW超臨界機(jī)組上進(jìn)行了真空變化對(duì)主、重要參數(shù)的影響試驗(yàn)，通過(guò)在同一負(fù)荷段下改變真空的方法，獲取真空度對(duì)各主、重要參數(shù)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)影響的數(shù)據(jù)。機(jī)組實(shí)際負(fù)荷穩(wěn)定在560 MW左右，表1為部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 真空變化試驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)圖1所示的給水控制函數(shù)f1（x）增加真空修正系數(shù)邏輯，用來(lái)對(duì)式（5）中的Wsp0進(jìn)行修正。相關(guān)邏輯圖如圖3所示，圖中真空度對(duì)真空修正系統(tǒng)的影響權(quán)重由相同負(fù)荷點(diǎn)下真空對(duì)給水流量的影響試驗(yàn)給出，負(fù)荷對(duì)真空修正系數(shù)的影響權(quán)重由負(fù)荷對(duì)真空的影響試驗(yàn)給出。經(jīng)過(guò)真空修正后的給水控制提高了在真空變化工況下給水控制的品質(zhì)。

需要注意的是，真空不但對(duì)給水控制品質(zhì)有影響，對(duì)整個(gè)協(xié)調(diào)控制也有影響[6]，應(yīng)綜合考慮予以修正。除修正給水外，還需修正：負(fù)荷—煤量關(guān)系、負(fù)荷—風(fēng)量關(guān)系、真空—機(jī)組負(fù)荷能力、真空—一次調(diào)頻效果等。

5 結(jié)語(yǔ)

圖3 真空修正系數(shù)的邏輯實(shí)現(xiàn)

針對(duì)直流爐焓值計(jì)算給水控制的原理和直流爐機(jī)組本身的特點(diǎn)，分析了焓值控制中焓控系統(tǒng)的選取方法和需要注意的問(wèn)題，有效利用了省煤器入口焓值計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，避免了高加出系時(shí)省煤器入口焓值計(jì)算帶來(lái)的問(wèn)題，并通過(guò)真空修正滿足和提高各種環(huán)境條件下的給水控制品質(zhì)，從而最終保證了直流爐給水焓控在全工況下的自動(dòng)化程度和機(jī)組的安全穩(wěn)定，對(duì)基于焓值計(jì)算的直流爐給水控制策略完善具有借鑒和推廣意義。

[1] 尹峰.超（超超）臨界機(jī)組主汽溫控制系統(tǒng)控制傳遞策略研究與應(yīng)用[J].華東電力，2009，4∶644-647.

[2] 何同祥，王存旭.采用控制中間點(diǎn)焓值的直流爐給水控制系統(tǒng)[J].華東電力，1999，2∶26-28.

[3] 俞成立.超（超）臨界機(jī)組中間點(diǎn)溫度過(guò)熱度控制策略[J].中國(guó)電力，2008，7∶60-64.

[4] 尹峰，朱北恒，李泉.超（超）臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制特性與控制策略[J].中國(guó)電力，2008，3∶66-69.

[5] 蘇燁，羅志浩，張鵬，等.超臨界機(jī)組高加出系工況控制策略的完善及調(diào)整[J].浙江電力，2009，4∶31-34.

[6] 范海東，羅志浩，陳波.真空變化對(duì)火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略修正方法的研究及實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化博覽，2009，7∶77-79.