1050MW超超臨界機(jī)組水煤比控制策略優(yōu)化

神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司 石獅 362700

1 機(jī)組概況

某2×1050MW機(jī)組的鍋爐采用東方鍋爐有限公司型號(hào)為DG3130/27.46-Π2型鍋爐。型式為高效超超臨界參數(shù)變壓直流爐，采用對(duì)沖燃燒方式、固態(tài)排渣，是單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。在機(jī)組30%至100%負(fù)荷范圍內(nèi)以純直流方式運(yùn)行，在30%負(fù)荷以下帶爐水循環(huán)泵的再循環(huán)方式運(yùn)行。汽輪機(jī)采用東方汽輪機(jī)有限公司型號(hào)為N1050-26.25/600/600汽機(jī)。采用超超臨界、一次中間再熱、單軸四缸四排汽、沖動(dòng)凝汽式，八級(jí)回?zé)岢槠?。汽機(jī)中、低壓缸均為雙流反向布置。通流級(jí)數(shù)45級(jí)，其中高壓缸為一個(gè)雙流調(diào)節(jié)級(jí)，8個(gè)壓力級(jí)；中壓缸為2×6個(gè)壓力級(jí)；低壓缸為2×2×6個(gè)壓力級(jí)。配置2×50%B-MCR調(diào)速汽動(dòng)給水泵，旁路采用30%一級(jí)大旁路。

2 水煤比調(diào)節(jié)對(duì)過熱汽溫的控制

超超臨界直流爐運(yùn)行過程中，為維持過熱汽溫的穩(wěn)定，鍋爐的燃料量與給水量必須保持適當(dāng)?shù)谋壤?。?dāng)給水量和燃料量的比例發(fā)生改變時(shí)，鍋爐受熱面中的汽水分界面就會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致過熱汽溫發(fā)生變化。因此直流鍋爐主要以水煤比調(diào)節(jié)作為汽溫調(diào)節(jié)的基本手段，以噴水減溫作為過熱汽溫的“細(xì)調(diào)”手段。上述2×1050MW機(jī)組過熱汽溫調(diào)節(jié)的原控制策略遵循原設(shè)計(jì)方的控制思路，以屏式過熱器出口溫度作為水煤比控制的中間點(diǎn)溫度，來實(shí)現(xiàn)過熱汽溫的“粗調(diào)”。水煤比控制信號(hào)加到燃料控制回路中通過燃料指令的改變達(dá)到水煤比調(diào)整的目的。鍋爐水煤比例的平衡完全由給煤量來進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過改變給煤量來調(diào)節(jié)和控制屏式過熱器出口溫度，保證鍋爐的煤水平衡，對(duì)鍋爐主蒸汽溫度進(jìn)行粗調(diào)，并由二級(jí)減溫水對(duì)主蒸汽溫度進(jìn)行細(xì)調(diào)。 機(jī)組汽水流程見圖1。

圖1 1050MW機(jī)組汽水流程圖

3 水煤比調(diào)節(jié)的影響因素

直流鍋爐運(yùn)行過程中，汽水是一次性循環(huán)，汽水沒有固定的分界點(diǎn)，水煤比調(diào)節(jié)作為基本的調(diào)溫手段，受到以下多種因素的影響。

3.1 給水溫度

當(dāng)鍋爐給水溫度發(fā)生改變時(shí)，受熱面中汽水分界點(diǎn)將發(fā)生改變。例如，當(dāng)高加解列時(shí)，鍋爐給水溫度降低，鍋爐受熱面中的汽水分界點(diǎn)將后移，在水煤比不變的情況下，過熱汽溫將隨之大幅降低，因此當(dāng)給水溫度發(fā)生變化時(shí)，必將通過對(duì)水煤比的調(diào)節(jié)輸出，改變?cè)瓉碓O(shè)定的水煤比，才能維持過熱汽溫的穩(wěn)定。

3.2 爐膛火焰中心的高度

機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過程中，不可避免需要改變磨煤機(jī)運(yùn)行的組合方式，不同的組合方式，將可能導(dǎo)致爐膛火焰中心發(fā)生改變。例如，當(dāng)火焰中心發(fā)生上移，將導(dǎo)致爐膛出口煙溫上升，給水在爐膛內(nèi)的吸熱量減少，鍋爐受熱面中的汽水分界點(diǎn)后移，在水煤比不變的情況下，加熱段與蒸發(fā)段變長(zhǎng)，過熱段縮短，過熱汽溫將降低。

3.3 煤質(zhì)變化

煤質(zhì)變化是不可避免的。當(dāng)煤質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，在給水量和實(shí)際給煤量保持不變的情況下，燃料在爐膛內(nèi)釋放的總熱量將發(fā)生改變，從而影響主蒸汽溫度。雖然協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有BTU調(diào)節(jié)控制回路，根據(jù)設(shè)計(jì)煤種的熱值和實(shí)際煤種的熱值不同，對(duì)燃料進(jìn)行修正，但在BTU投入自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，由于其調(diào)節(jié)過程緩慢，具有較大的滯后性，無法真正起到調(diào)節(jié)汽溫的作用。

水煤比調(diào)節(jié)控制除了受給水溫度、爐膛火焰中心高度、煤質(zhì)變化影響，還受爐膛過量空氣系統(tǒng)、煙氣擾動(dòng)及受熱面清潔度等因素的影響。當(dāng)上述條件發(fā)生變化時(shí)，只有及時(shí)地通過水煤比控制調(diào)節(jié)輸出，重新調(diào)整水煤比，才能消除這些外部條件變化對(duì)鍋爐主蒸汽溫度的影響。

4 原水煤比調(diào)節(jié)控制策略缺陷分析

該1050MW超超臨界機(jī)組原水煤比控制策略采用屏式過熱器出口溫度作為中間點(diǎn)溫度。由于屏式過熱器出口溫度在鍋爐汽水系統(tǒng)位置過于靠后，將它作為中間點(diǎn)溫度不能快速反映水煤比的關(guān)系，具有明顯的滯后性，導(dǎo)致整個(gè)主汽溫調(diào)節(jié)性能較差；加上由于一級(jí)減溫水的調(diào)節(jié)作用，在控制屏式過熱器入口汽溫的同時(shí)，對(duì)屏式過熱器出口溫度產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，導(dǎo)致水煤比調(diào)節(jié)效果不太理想，使機(jī)組的主蒸汽溫度波動(dòng)非常大，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性不理想，嚴(yán)重影響著機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，具體體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

(1)水煤比控制回路穩(wěn)定性差，中間點(diǎn)溫度經(jīng)常大幅波動(dòng)，即使在穩(wěn)定負(fù)荷時(shí)，主汽溫波動(dòng)仍然頻繁，加劇了受熱面的熱應(yīng)力反復(fù)變化，容易導(dǎo)致氧化皮脫落，增加了鍋爐爆管的可能性。

(2)由于中間點(diǎn)溫度調(diào)節(jié)品質(zhì)差,使機(jī)組的過熱減溫水量及減溫水閥開度無法維持在合理范圍，運(yùn)行人員需要不斷地手動(dòng)干預(yù)。

(3)在煤質(zhì)變化、啟停制粉系統(tǒng)、機(jī)組大幅變負(fù)荷吹灰等擾動(dòng)工況下，由于水煤比調(diào)節(jié)屏式過熱器出口溫度明顯的滯后性，經(jīng)常導(dǎo)致屏式過熱器金屬壁溫超溫。為了防止超溫，有時(shí)不得不降參數(shù)運(yùn)行，影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

經(jīng)分析，由于選取的中間點(diǎn)溫度不合理，位置過于靠后，不能正確反映水煤比關(guān)系，水煤比調(diào)節(jié)具有明顯的滯后性；而且屏式過熱器出口溫度容易受一級(jí)減溫水調(diào)節(jié)的干擾，極易導(dǎo)致原有的水煤比自動(dòng)控制失調(diào)，很難對(duì)中間點(diǎn)溫度進(jìn)行有效的控制，使機(jī)組的調(diào)節(jié)能力差，主要參數(shù)的波動(dòng)大。

5 水煤比調(diào)節(jié)控制策略優(yōu)化

5.1 策略優(yōu)化

為了解決上述問題，必須選取在系統(tǒng)位置盡可能靠前、能夠正確反映水煤比關(guān)系、并且能夠消除一級(jí)減溫水的調(diào)節(jié)對(duì)水煤比控制擾動(dòng)的點(diǎn)作為中間點(diǎn)溫度。通過調(diào)試試驗(yàn)，建立了以低溫過熱器出口溫度為水煤比調(diào)節(jié)最優(yōu)控制目標(biāo)，并結(jié)合給水溫度、爐膛火焰中心的高度及煤質(zhì)變化等影響因素，對(duì)低溫過熱器出口溫度設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)偏置補(bǔ)償，與實(shí)際低溫過熱器出口溫度形成設(shè)定偏差，讓水煤比調(diào)節(jié)回路盡快動(dòng)作調(diào)節(jié)輸出；同時(shí)將減溫水流量作為水煤比控制的前饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)水煤比和減溫水調(diào)節(jié)回路的解耦控制，以維持減溫水閥門開度在合適的范圍，保證有足夠的調(diào)節(jié)裕量，更好地克服機(jī)組深度調(diào)峰低負(fù)荷下分離器進(jìn)入飽和區(qū)引發(fā)水煤比失調(diào)的問題。減溫水流量對(duì)水煤比控制的前饋見圖2。

圖2 減溫水流量對(duì)水煤比控制的前饋

如果水煤比失調(diào)造成溫度偏差，僅僅通過噴水減溫來維持過熱汽溫，將進(jìn)一步加劇水煤比的失調(diào)，可能導(dǎo)致給水過多地被用來噴水減溫，造成流經(jīng)水冷壁中的工質(zhì)減少，引起水冷壁金屬壁溫超溫，影響鍋爐的安全運(yùn)行。因此，在某些特殊工況下，為了避免這種情況的發(fā)生以保證水煤比有更好的調(diào)節(jié)性能，增加了中間點(diǎn)溫度設(shè)定偏置回路。運(yùn)行人員根據(jù)實(shí)際情況，通過DCS畫面上的“中間點(diǎn)過熱度偏置設(shè)定”來調(diào)整當(dāng)前的中間點(diǎn)溫度的設(shè)定值，從而更好地調(diào)節(jié)煤水比，避免了水煤比控制回路失調(diào)的問題。中間點(diǎn)溫度手動(dòng)設(shè)定偏置見圖3。

圖3 中間點(diǎn)溫度手動(dòng)設(shè)定偏置

5.2 水煤比調(diào)節(jié)優(yōu)化效果

水煤比控制策略優(yōu)化后，大幅提高了水煤比調(diào)節(jié)控制回路的穩(wěn)定性，且具有更好的響應(yīng)速度。由于中間點(diǎn)溫度不再大幅波動(dòng)，在控制回路中增加了將減溫水流量作為前饋信號(hào)的環(huán)節(jié)，使得一、二級(jí)減溫水控制的調(diào)節(jié)性能得到間接地改善，減溫水閥能夠保持在合理的開度，從而有效提高主汽溫的控制品質(zhì)；在機(jī)組變負(fù)荷時(shí)，主汽溫在設(shè)定值為603℃時(shí)，實(shí)際主汽溫最大值為606.3℃，最小601.2℃，主汽溫的最大動(dòng)態(tài)偏差<5℃，無超溫或汽溫過低現(xiàn)象，主汽溫的波動(dòng)幅度明顯變??；汽溫不再反復(fù)波動(dòng)，大幅減緩受熱面的熱應(yīng)力反復(fù)變化，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性。

水煤比控制邏輯優(yōu)化后，由于主汽溫波動(dòng)小，運(yùn)行人員可通過適當(dāng)提高汽溫設(shè)定值等手段來提高機(jī)組主汽溫的平均值，從而降低機(jī)組的供電煤耗，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。在變負(fù)荷過程中運(yùn)行人員的干預(yù)也少了，減少了操作量，自動(dòng)調(diào)節(jié)控制的投入率和控制品質(zhì)均得到了提升。

6 結(jié)語

水煤比控制作為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要控制調(diào)節(jié)回路，是機(jī)組實(shí)現(xiàn)良好控制的基礎(chǔ)。只有選擇一個(gè)合適位置并且能夠快速反應(yīng)水煤比變化的溫度點(diǎn)作為中間點(diǎn)溫度來控制水煤比，才能夠完成水煤比的準(zhǔn)確控制。對(duì)可能影響主汽溫的因素，通過對(duì)水煤比控制回路進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，起到提前調(diào)節(jié)的作用，保持中間點(diǎn)溫度穩(wěn)定，才能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速地對(duì)鍋爐主蒸汽進(jìn)行有效控制，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。