余熱鍋爐主蒸汽減溫水控制策略

蔣 剛

(中海油阜寧熱電有限責(zé)任公司，江蘇 阜寧 224400)

我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)電廠余熱鍋爐減溫水系統(tǒng)的控制邏輯均采用純反饋式，這種控制方式適合機(jī)組負(fù)荷變化平穩(wěn)，不適用機(jī)組快速負(fù)荷變動(dòng)。純反饋式減溫水控制方式對(duì)于快速負(fù)荷變動(dòng)機(jī)組，其控制線很容易超出機(jī)組主蒸汽溫度控制的上下限。運(yùn)行人員通過報(bào)警才發(fā)現(xiàn)問題，采用人工干預(yù)，手動(dòng)退出自動(dòng)控制邏輯，手動(dòng)全開或全關(guān)減溫水調(diào)門。此時(shí)機(jī)組主蒸汽溫度已越線，對(duì)機(jī)組設(shè)備造成了不可避免的損傷。為改善純反饋式減溫水控制策略的劣勢(shì)，以適應(yīng)機(jī)組負(fù)荷快速變動(dòng)的要求，減輕運(yùn)行人員監(jiān)盤時(shí)工作壓力，如果我們能提前知道機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)的因素，將所需的減溫水量提前計(jì)算好，并計(jì)算好主蒸汽溫度變化的時(shí)間差，提前進(jìn)行減溫水控制，就能有效的防止主蒸汽溫度越線。在實(shí)際運(yùn)行中，我們手動(dòng)設(shè)置負(fù)荷目標(biāo)值和升降負(fù)荷速率，全程手動(dòng)干預(yù)，提前增減減溫水量，主蒸汽溫度控制曲線很平穩(wěn)，并未出現(xiàn)主蒸汽溫度越線情況。因此根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行模式，找到機(jī)組主蒸汽溫度變化的基礎(chǔ)因素，為減溫水調(diào)門自動(dòng)控制邏輯增加相應(yīng)的前饋邏輯[1]，可以有效的防止機(jī)組高溫設(shè)備的損傷。

下面從余熱鍋爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[2]闡述主蒸汽溫度超溫根本原因，以杭州東方凌日鍋爐集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的MHDB-6F.03-Q1型雙壓、無再熱、臥式、無補(bǔ)燃、自身除氧、自然循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)余熱鍋爐為例。燃?xì)廨啓C(jī)排出的煙氣通過進(jìn)口煙道進(jìn)入鍋爐本體，依次水平橫向沖刷各受熱面模塊，再經(jīng)出口煙道由主煙囪排出。沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向各受熱面模塊均分成六個(gè)單元，各受熱面模塊組成見表1。

表1 余熱鍋爐受熱面結(jié)構(gòu)

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫?zé)煔庖来螐母邏哼^熱器、高壓蒸發(fā)器、高壓省煤器、低壓過熱器、低壓蒸發(fā)器、凝結(jié)水加熱器六個(gè)模塊經(jīng)煙囪排入大氣。燃?xì)廨啓C(jī)增加負(fù)荷，高溫?zé)煔饬亢蜏囟榷荚黾印ＤK一是高壓過熱器，過熱器的蒸汽流量沒有增加，蒸汽流量主要是由模塊二中的蒸發(fā)器產(chǎn)生的，高溫?zé)煔膺€沒有流過蒸發(fā)器，主蒸汽流量并沒有增加。主蒸汽溫度會(huì)升高，壓力增加，同時(shí)汽包的壓力升高，使飽和溫度升高，需要的汽化潛熱就更多了，在燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷增加初期，主蒸汽流量會(huì)減少，更加劇了主蒸汽溫度的升高。這時(shí)只有通過開大減溫水量來降低主蒸汽溫度。暫時(shí)將主蒸汽溫度限制在合格范圍內(nèi)，防止對(duì)生產(chǎn)設(shè)備造成損傷，待高溫?zé)煔饬鹘?jīng)蒸發(fā)器后，產(chǎn)生新增飽和蒸汽量，滿足模塊一高壓過熱器需要的量時(shí)，可以看到減溫水量有一個(gè)減少的過程。由于余熱鍋爐設(shè)計(jì)原因，蒸發(fā)器、省煤器換熱面積不足造成的主蒸汽流量不足，無法在某一特定負(fù)荷下滿足過熱器需求，這時(shí)在新的平衡穩(wěn)定后仍需要大量的減溫水來維持主蒸汽溫度不超溫。

燃?xì)廨啓C(jī)快速變動(dòng)負(fù)荷后，鍋爐由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，引起主蒸汽溫度變化。

1 案例分析

1.1 系統(tǒng)概述

以南方某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)為例，燃?xì)廨啓C(jī)采用GE的6F機(jī)組，余熱鍋爐采用MHDB-6F.03-Q1型，主蒸汽采用一級(jí)減溫方式。

1.2 異?，F(xiàn)象

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷變化，排煙溫度變化如圖1，主蒸汽溫度變化如圖2，減溫水量變化如圖3，主蒸汽流量變化如圖4。圖1、圖2、圖3、圖4均對(duì)應(yīng)同一變化過程。

圖1 排煙溫度變化

圖2 主蒸汽溫度變化

圖3 減溫水量變化

圖4 主蒸汽流量變化

從圖1中可以看出當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)排煙溫度升高，當(dāng)負(fù)荷加滿后，機(jī)組排煙溫度穩(wěn)定在610 ℃，過程時(shí)長(zhǎng)17 min。

圖2 主蒸汽溫度變化曲線，在燃?xì)廨啓C(jī)快速增加負(fù)荷過程中，主蒸汽溫度快速上升，達(dá)到538 ℃額定溫度后，在第12 min時(shí)已達(dá)547 ℃，對(duì)余熱鍋爐過熱器、主蒸汽管路造成高溫蠕變損傷和汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)過負(fù)荷。圖3減溫水量變化曲線，減溫水控制邏輯是純反饋，投入點(diǎn)靠后，沒能控制住主蒸汽溫度。

燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷快速變化還有一個(gè)降負(fù)荷過程，純反饋控制單元。只有當(dāng)主蒸汽溫度降低到設(shè)定值才開始關(guān)閉減溫水閥開度，此時(shí)減溫水量已經(jīng)出現(xiàn)過調(diào)，整個(gè)變化過程主蒸汽溫度出現(xiàn)先降后升，對(duì)主蒸汽管路產(chǎn)生高溫蠕變損傷。

1.3 人工提前干預(yù)減溫水運(yùn)用效果

采取人工提前干預(yù)主蒸汽溫度，手動(dòng)增加一個(gè)前饋環(huán)節(jié)，通過提前投入減溫水，已達(dá)到防止主蒸汽溫度超溫。

方便對(duì)比，選取同一變化過程。對(duì)比圖5和圖1，可以看出，燃?xì)廨啓C(jī)在相同的工況變化過程中，燃?xì)廨啓C(jī)的排煙溫度一致。圖6中提前投入減溫水，彌補(bǔ)蒸汽流量不足。圖7中主蒸汽溫度在整個(gè)過程中未出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，對(duì)比圖2，提前知道燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷和排煙溫度的變化，通過提前投入減溫水提前彌補(bǔ)主蒸汽流量的不足，將主蒸汽溫度控制在合格范圍內(nèi)，有效防止減溫水控制不及時(shí)發(fā)生損傷設(shè)備的危險(xiǎn)。圖8為主蒸汽流量變化曲線。

圖5 排煙溫度變化

圖6 減溫水量變化

圖7 主蒸汽溫度變化

圖8 主蒸汽流量變化

燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷直接反應(yīng)在燃?xì)廨啓C(jī)排煙溫度和燃?xì)廨啓C(jī)排煙流量。運(yùn)行人員根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，估算出燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷對(duì)應(yīng)的主蒸汽流量。根據(jù)余熱鍋爐現(xiàn)在的主蒸汽流量計(jì)算出差值，調(diào)整減溫水流量，補(bǔ)足流量差，防止因主蒸汽流量與煙氣流量不匹配，造成主蒸汽溫度異常。

提前控制的操作是一種人工前饋工作模式，優(yōu)化了由于純反饋造成調(diào)節(jié)線性滯后的特點(diǎn)，改善了純反饋調(diào)節(jié)的過調(diào)特性。

2 減溫水控制邏輯修訂

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

收集燃?xì)廨啓C(jī)不同負(fù)荷、不同季節(jié)的環(huán)境工況下，余熱鍋爐對(duì)應(yīng)的主蒸汽溫度流量數(shù)據(jù)，在燃?xì)廨啓C(jī)快速升負(fù)荷過程中，為減溫水用量提供前饋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，及時(shí)彌補(bǔ)主蒸汽流量的差值，控制主蒸汽溫度在合格線內(nèi)，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，收集了主蒸汽溫度容易超溫的兩個(gè)季節(jié)的數(shù)據(jù)(冬季和夏季)[3]，繪制成曲線。

2.2 修改減溫水控制邏輯

數(shù)據(jù)收集完成，繪制成曲線并擬合成數(shù)學(xué)計(jì)算公式[4]。在原有減溫水控制邏輯增加前饋邏輯，以燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷和環(huán)境溫度為變量，通過擬合余熱鍋爐主蒸汽流量公式計(jì)算出穩(wěn)態(tài)時(shí)余熱鍋爐的主蒸汽流量，與當(dāng)前余熱鍋爐的主蒸汽流量做差，計(jì)算出減溫水流量，為減溫水控制調(diào)門提供前饋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。保留減溫水控制邏輯中的純反饋邏輯，限制前饋邏輯出現(xiàn)過調(diào)。

2.3 效果

減溫水控制邏輯單元中，增加了前饋邏輯單元，提高了減溫水控制的靈敏度，減弱了原有純反饋控制邏輯的滯后性，防止前饋控制單元出現(xiàn)過調(diào)，保留原有的純反饋控制邏輯。在前饋單元出現(xiàn)過調(diào)，由反饋單元及時(shí)修正減溫水量防止過調(diào)。通過減溫水控制邏輯的修改，實(shí)現(xiàn)了減溫水控制人工調(diào)整的效果，并能實(shí)時(shí)自動(dòng)完成主蒸汽溫度的調(diào)整，防止主蒸汽減溫水過調(diào)。人為干預(yù)減溫水控制是在減溫水控制調(diào)門退出自動(dòng)控制后，主蒸汽溫度已超出限值，對(duì)設(shè)備造成損傷。修改邏輯后，前饋邏輯單元實(shí)現(xiàn)了減溫水的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控主蒸汽流量與燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的匹配情況，防止出現(xiàn)不匹配，造成主蒸汽溫度超限值。

3 結(jié)語

文中以燃?xì)廨啓C(jī)快速增加負(fù)荷為例，詳細(xì)闡述了余熱鍋爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)易造成主蒸汽溫度超溫的機(jī)理，通過提前干預(yù)減溫水操作方式，有效的防止主蒸汽溫度超限的發(fā)生。提出優(yōu)化減溫水自動(dòng)控制邏輯，將以前的純反饋控制邏輯增加前饋單元，實(shí)現(xiàn)代替人工提前干預(yù)環(huán)節(jié)，收到了良好的控制效果，達(dá)到了燃?xì)廨啓C(jī)快速變動(dòng)負(fù)荷情況下，保證主蒸汽溫度不超限的安全運(yùn)行模式，達(dá)到了控制預(yù)期，實(shí)現(xiàn)了控制目標(biāo)。