超超臨界直流爐給水控制策略研究與設(shè)計(jì)

辛志波

(西安熱工研究院有限公司，西安 710054)

1 設(shè)備概述

安徽某發(fā)電公司六期工程鍋爐采用超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，一次中間再熱、單爐膛單切圓燃燒、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)塔式布置。鍋爐為上海鍋爐廠有限公司引進(jìn)Alstom Power公司Boiler Gmbh的技術(shù)生產(chǎn)的SG－3100/27.9－M540型鍋爐，最小直流負(fù)荷為30%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)，本體系統(tǒng)配30%BMCR容量的啟動循環(huán)泵。鍋爐采用直吹式制粉系統(tǒng)，每臺鍋爐配置6臺中速磨煤機(jī)，BMCR工況時(shí)，5臺投運(yùn)，1臺備用。汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)有限公司和德國SIEMENS公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、九級回?zé)岢槠?、反動凝汽式、N1000－27/600/600型汽輪機(jī)，采用高、中壓缸分缸布置，高壓缸為單流型，中壓缸和低壓缸均為雙流型。給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)2臺50%BMCR容量的汽動給水泵(以下簡稱汽泵)，無電動給水泵。機(jī)組分散控制系統(tǒng)(DCS)采用 Ovation 3.5.0 系統(tǒng)。

鍋爐啟動調(diào)試過程中，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況設(shè)計(jì)給水控制策略，策略須滿足各種工況下機(jī)組的給水量，并在機(jī)組穩(wěn)態(tài)、升/降負(fù)荷過程中進(jìn)行驗(yàn)證。

2 給水控制系統(tǒng)簡介

直流爐不同于汽包爐，沒有固定的汽水分界面。進(jìn)入鍋爐后，給水的加熱、蒸發(fā)和水蒸氣的過熱都是在受熱面上連續(xù)進(jìn)行的，不需要在加熱中途進(jìn)行汽水分離，因此直流爐沒有自然循環(huán)鍋爐的汽包［1］。但是在鍋爐啟動初期，系統(tǒng)參數(shù)未達(dá)到要求時(shí)，直流爐通過啟動分離器將汽水分開，工作原理類似于汽包，此時(shí)鍋爐以濕態(tài)方式運(yùn)行;隨著負(fù)荷和燃料量的增加，分離器儲水箱液位和鍋爐循環(huán)水流量逐漸減少，當(dāng)燃料量增加且鍋爐達(dá)到最小流量時(shí)，進(jìn)入分離器的工質(zhì)全部是蒸汽，此時(shí)鍋爐以干態(tài)方式運(yùn)行［2］。

本工程啟動系統(tǒng)配有鍋爐啟動循環(huán)泵，與自然循環(huán)鍋爐相比，其金屬水冷壁的儲熱量和工質(zhì)的儲熱量較少，使蒸發(fā)系統(tǒng)的熱慣性減小。鍋爐先啟動爐水循環(huán)泵建立水循環(huán)，然后再點(diǎn)火，使水冷壁吸熱均勻、溫差減小、保持同步膨脹。循環(huán)泵創(chuàng)造了有利的啟動條件，允許適當(dāng)加快燃料投入速度，減少了鍋爐啟動時(shí)間，并節(jié)省啟動燃料。

本工程干、濕態(tài)轉(zhuǎn)換的條件為給水流量＞最小給水流量(1056 t/h)且鍋爐主控輸出＞270 MW，延時(shí)180 s，鍋爐轉(zhuǎn)為干態(tài)運(yùn)行。當(dāng)直流鍋爐運(yùn)行在干態(tài)模式時(shí)，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥閥位、燃料量和給水流量的改變都會引起鍋爐內(nèi)部汽水分界面的改變，最終導(dǎo)致過熱器出口主蒸汽(以下簡稱為主汽)溫度大幅度變化。研究表明，燃料量或給水流量擾動時(shí)，汽水行程中各點(diǎn)工質(zhì)焓值的動態(tài)特性曲線形狀相似，而且越接近汽水行程的入口，慣性和滯后就越小。因此無論是采用煤跟水的控制還是采用水跟煤的控制都是取微過熱蒸汽的焓值(或汽溫)作為反映水煤比是否合適的標(biāo)志［3］。通過焓值控制對給水流量實(shí)時(shí)修正，使水煤比始終在合理的運(yùn)行范圍內(nèi)，確保機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。該機(jī)組給水系統(tǒng)如圖1所示。

3 給水控制難點(diǎn)

直流鍋爐是一個(gè)典型的多變量、強(qiáng)耦合、非線性的系統(tǒng)。它的控制對象可簡化為三輸入、兩輸出的控制系統(tǒng)［3］，即當(dāng)給水流量、燃料量、汽輪機(jī)閥位指令(汽輪機(jī)蒸汽流量)任一發(fā)生變化，主汽壓力和機(jī)組負(fù)荷都會發(fā)生改變。由于沒有汽包作為緩沖，各輸入、輸出變量間的耦合性更強(qiáng)，機(jī)組在滿足電網(wǎng)負(fù)荷要求的前提下要保證主汽溫度不超溫、主汽壓力不超壓，并在此基礎(chǔ)上維持機(jī)爐間的能量快速平衡，給水控制顯得尤為重要。

本工程給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)了高壓加熱器(以下簡稱高加)出口給水流量及省煤器出口給水流量2個(gè)流量，有的機(jī)組只設(shè)計(jì)其中1個(gè)流量。高加出口給水流量包含過熱器減溫水和高壓旁路(以下簡稱高旁)減溫水流量，省煤器出口流量為鍋爐實(shí)際給水流量。單從控制方面來講，2個(gè)流量均可作為給水控制策略的過程值，但兩者在具體控制策略上略有不同。高加出口流量包含一級過熱器減溫水流量，當(dāng)減溫水流量增大后，流經(jīng)水冷壁的給水流量必然減少，若不調(diào)整給水流量，則會導(dǎo)致水冷壁超溫、主汽溫度升高，嚴(yán)重影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行;除此之外，需考慮減溫水流量測量誤差，測量偏差會導(dǎo)致主汽溫度的控制效果變差。省煤器出口給水流量不包含減溫水流量且全部流經(jīng)水冷壁，這樣有助于控制主汽溫度，但不利于控制主汽壓力。由于存在上述問題，給水流量的選擇成為影響主汽溫度及主汽壓力控制的重要因素。

直流爐控制的核心就是水煤比［3］，水煤比失調(diào)是導(dǎo)致主汽溫異常的主要因素。水煤比變化10%將使過熱汽溫變化80%左右，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行［4］。若通過改變給水流量控制主汽溫度，存在較長時(shí)間的滯后;過熱器減溫水可以快速降低主汽溫度，但減溫水水量有限，僅能用作輔助減溫。水煤比控制與鍋爐主控相互耦合、相互影響，水煤比控制參數(shù)需整定合適，否則會導(dǎo)致機(jī)組協(xié)調(diào)控制不穩(wěn)定。

4 給水控制策略

圖1 機(jī)組給水系統(tǒng)Fig.1 Water supply system in the unit

本工程給水采用“水跟煤”控制策略［2］，此控制策略的優(yōu)點(diǎn)為易控制主汽溫度及水冷壁溫度，可保證機(jī)組運(yùn)行過程中鍋爐水冷壁不超溫，使機(jī)組長期穩(wěn)定、安全運(yùn)行。選擇一級過熱器入口的焓值作為控制目標(biāo)，使用焓值控制器的輸出修正給水流量，保證機(jī)組水煤比穩(wěn)定。正常運(yùn)行時(shí)，焓值控制器輸出應(yīng)接近“0”，鍋爐主控指令應(yīng)近似且略高于機(jī)組負(fù)荷指令，利于動態(tài)變負(fù)荷。為防止鍋爐水冷壁超溫發(fā)生鍋爐主燃燒跳閘(MFT)，焓值控制設(shè)計(jì)超馳調(diào)節(jié)回路。當(dāng)水冷壁出口集箱溫度最大值大于分離器壓力對應(yīng)的溫度f(x3)時(shí)超馳設(shè)定焓值，將焓值設(shè)定值設(shè)為分離器壓力對應(yīng)最小焓值(f(x2))+50 kJ/kg。水冷壁溫度在正常范圍內(nèi)時(shí)，以 0.333 3 kJ/(kg·s)的速率柔性恢復(fù)到原焓值設(shè)定值上，過熱器入口具體焓值設(shè)定邏輯如圖2所示。

圖2 過熱器入口焓值設(shè)定回路Fig.2 Enthalpy setting circuit at superheater inlet

鍋爐濕態(tài)運(yùn)行時(shí)，鍋爐上水流量由啟動循環(huán)泵出口流量和高加出口流量之和組成，高加出口流量由給水旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。當(dāng)鍋爐轉(zhuǎn)干態(tài)后，汽水分離器不再有汽水分離，給水流經(jīng)水冷壁后全部轉(zhuǎn)換為蒸汽。這時(shí)應(yīng)將給水旁路切主路，停止啟動循環(huán)泵，給水流量由2臺汽泵控制，給水經(jīng)過給水泵的壓頭依次通過預(yù)熱器、蒸發(fā)器、過熱器各受熱面后變成過熱蒸汽，最終進(jìn)入汽輪機(jī)做功。

當(dāng)鍋爐轉(zhuǎn)干態(tài)后，具體給水控制策略如圖3所示，鍋爐主控輸出的負(fù)荷對應(yīng)設(shè)計(jì)的給水流量作為鍋爐主給水流量指令f(x4)，f(x4)為根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試的實(shí)際情況及鍋爐廠的熱力計(jì)算書得到的函數(shù)關(guān)系，見表1。

圖3 給水控制策略Fig.3 Feedwater control strategy

表1 鍋爐主控輸出對應(yīng)給水流量Tab.1 Feedwater flow corresponding to boiler main control outputs

水煤比控制采用一級過熱器入口焓值作為控制目標(biāo)，焓值控制輸出疊加到主給水流量指令上，經(jīng)過限幅后得到最終的給水流量指令。本工程給水流量過程值采用高加出口給水流量(包含減溫水流量)。因其更易控制主汽壓力，避免了由于減溫水流量測量不準(zhǔn)導(dǎo)致的主汽壓力波動。但采用此處給水流量也會帶來一個(gè)缺點(diǎn)，當(dāng)過熱器減溫水流量增加后流經(jīng)水冷壁的給水流量相應(yīng)減少，導(dǎo)致中間點(diǎn)溫度波動，最終導(dǎo)致主蒸汽溫度不穩(wěn)定。為了避免此工況，在控制策略中增加了相應(yīng)的控制邏輯，如圖3中f(x5)所示。當(dāng)過熱器減溫水流量大于50 t/h時(shí)，相應(yīng)增加鍋爐給水流量，具體修正情況根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試決定，調(diào)試最終確定值見表2。給水泵在故障快速減負(fù)荷(RB)工況時(shí)，給水主控設(shè)計(jì)一臺汽泵跳閘，平衡回路會強(qiáng)制升另一臺運(yùn)行汽泵的轉(zhuǎn)速，然后轉(zhuǎn)為比例－積分－微分控制器(PID)調(diào)節(jié)，控制器輸出分別控制2臺汽泵轉(zhuǎn)速。另外需注意RB工況時(shí)切換給水滯后時(shí)間，保證中間點(diǎn)溫度在可控范圍內(nèi)，機(jī)組安全運(yùn)行。

表2 過熱器減溫水流量對給水流量的修正Tab.2 Modification of desuperheating water flow on feedwater flow t/h

5 實(shí)際應(yīng)用

控制策略修正完成之后進(jìn)行負(fù)荷變動試驗(yàn)，驗(yàn)證該控制策略的正確性及穩(wěn)定性。

5.1 減溫水流量變化對系統(tǒng)影響

機(jī)組發(fā)電機(jī)額定功率為1 000 MW，滿負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，過熱器減溫水總流量變化為50 t/h，給水流量穩(wěn)定在2800 t/h，中間點(diǎn)溫度變化2℃，主汽壓波動0.1 MPa，具體參數(shù)變化過程如圖4所示。由此變化過程可知，當(dāng)過熱器減溫水流量(qm=50～220 t/h)增加后，通過修正高加出口實(shí)際給水流量，調(diào)整鍋爐所需最終給水流量，使主汽溫度(t=500～600℃)及主汽壓力(p=10.0～30.0 MPa)穩(wěn)定。實(shí)踐表明，該控制策略減溫水流量增加時(shí)，并不會導(dǎo)致其與總給水流量的比例失調(diào)，能夠保證機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

5.2 變負(fù)荷工況下的給水控制

機(jī)組負(fù)荷由700 MW升至850 MW，具體參數(shù)變化過程如圖5所示。負(fù)荷(P)變化幅度為300～900 MW，機(jī)組負(fù)荷變化率10 MW/min，動態(tài)主汽溫度(t，500～700℃)最大偏差8℃，動態(tài)主汽壓力(p=7.0 ～22.0MPa)最大偏差0.3MPa，負(fù)荷最大偏差為5.0 MW。圖5中：h為焓值，2 500～3 000 kJ/kg;qm1為減溫水修正后高加出口流量，1200～2400 t/h;qm2為給水設(shè)定流量，1200～2400 t/h。

圖4 減溫水流量變化時(shí)系統(tǒng)各參數(shù)變化趨勢Fig.4 Trends of various parameters changing with the desuperheating water flow

圖5 升負(fù)荷時(shí)各參數(shù)變化趨勢Fig.5 Trends of various parameters during loading up

機(jī)組負(fù)荷由800 MW降至600 MW，具體參數(shù)變化過程如圖6所示。P的變化幅度為650～1000 MW，機(jī)組負(fù)荷變化率10 MW/min，動態(tài)主蒸汽溫度(t=500～700℃)最大偏差7℃，動態(tài)主蒸汽壓力(p=12～24 MPa)的最大偏差0.3 MPa，負(fù)荷最大偏差為4.5MW。圖6中：h為2400～3000kJ/kg;qm1，為1500～2700 t/h;qm2為1500～2700t/h。

圖6 降負(fù)荷時(shí)各參數(shù)變化趨勢Fig.6 Trends of various parameters during derating

由圖4—5可知，變負(fù)荷工況下，主汽溫度及主汽壓力的調(diào)節(jié)精度滿足DL/T 657—2015《火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗(yàn)收測試規(guī)程》，本控制策略可保證機(jī)組快速、準(zhǔn)確達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷，并在目標(biāo)負(fù)荷安全運(yùn)行。

5.3 輔機(jī)RB工況下的給水控制

機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在900 MW，2臺給水泵運(yùn)行，運(yùn)行人員手動打閘1臺小汽輪機(jī)，觸發(fā)給水泵RB動作。分析整個(gè)過程，由于RB動作開始時(shí)快速切除磨組，爐膛壓力有一定波動，但能快速恢復(fù)，說明鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)工況基本穩(wěn)定;高加出口給水流量初期偏差大，但隨著另一臺給水泵轉(zhuǎn)速增大，出力增加后逐漸恢復(fù)正常，給水指令按著預(yù)設(shè)的降速率下降，給水流量能快速調(diào)整到目標(biāo)流量，各金屬受熱面無超溫現(xiàn)象，其他各主要參數(shù)均可在安全范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)，給水控制滿足要求，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)。

6 結(jié)束語

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，本工程選擇高加出口給水流量作為機(jī)組給水控制的過程值，同時(shí)給水控制策略考慮機(jī)組減溫水流量對過熱器蒸汽溫度影響，通過修正高加出口給水實(shí)際流量值，實(shí)時(shí)修正給水流量與減溫水流量的比值，在機(jī)組主汽壓力及主汽溫度控制中取得了良好的控制效果;此外，為防止水冷壁超溫鍋爐MFT動作，設(shè)計(jì)給水焓值超馳調(diào)節(jié)回路;RB動作時(shí)，改變給水設(shè)定滯后時(shí)間，防止水冷壁超溫或主汽溫度下降過快。該給水控制策略可滿足機(jī)組在動態(tài)及穩(wěn)態(tài)時(shí)的給水流量，能夠保證機(jī)組正常、安全、穩(wěn)定運(yùn)行，并可為其他同類型機(jī)組的給水控制策略提供借鑒。