600MW机组超临界直流锅炉的控制策略

600MW机组超临界直流锅炉的控制策略一、超临界直流锅炉的动态特性及其控制系统设计特点与亚临界机组相比，内置式分离器超临界直流锅炉采用联合变压运行方式，在机组的起停过程中(图1)或工况发生大范围变化时，水冷壁工质压力大幅度变化，导致工质的相变点、比容、温度、汽化潜热等都发生较大变化，被控对象的动态特性复杂，控制难度大。对象动态特性的复杂性主要表现在以下几方面。(1)超临界压力直流锅炉机组在起、停过程中要经历汽水分离器湿态-干态运行的转换和亚临界与超临界压力运行工况的转换，因此动态特性随负荷变化很大，在不同的运行工况下存在着根本性的差别，呈现出很强的非线性特性和变参数特性。当汽水分离器湿态运行时，锅炉的动态特性类似于汽包锅炉，被控参数为分离器水位并维持启动给水流量，这时给水流量的变化主要影响的是汽水分离器水位，燃料量的变化主要影响汽水分离器出口蒸汽流量和压力。当汽水分离器干态运行且系统处于亚临界压力工况时，锅炉的动态特性类似于亚临界直流锅炉，所要控制的量为蒸汽温度和给水流量，此时由于直流锅炉蒸发受热面的各个区段之间无固定分界线，各参数相互之间的耦合程度远大于汽包锅炉，任何扰动都将导致锅炉出口蒸汽温度、压力和流量同时变化，给水、燃烧和汽温控制之间密切相关，特别在煤水比失调时锅炉出口汽温的变化显著大于汽包锅炉。当锅炉处于超临界压力工况时，锅炉汽水流程上的任何环节均为单相区段，此时其动态特性类似于过热器或省煤器。在湿态-干态转换过程中蒸汽温度可能会发生较大变化，应特别注意操作控制。在亚临界-超临界压力转变过程中，由于临界压力工况点附近存在着最大比热容区，工质定压比热容变得很大，工质温度随焓值的变化很不敏感，因此机组在亚临界压力向超临界压力区域转换过程中的动态特性差异非常显著。(2)超临界直流锅炉蓄热能力小，惯性较小，对外界扰动的响应速度要快于亚临界机组，容易超温超压。但在对电网调峰要求的适应能力、机组正常运行时的变负荷能力和快速起/停能力等方面超临界机组优于亚临界机组。(3)直流锅炉的一次性通过特性使得工质流和能量流相互耦合，从而在各个控制回路，如给水、汽温及负荷控制回路之间存在着很强的非线性耦合，机、炉之间相互关联性强。(4)当机组主蒸汽压力达到30MPa以上时，为了获得更高的热效率，超临界机组多采用二次中间再热，使系统复杂化，导致机组控制特性更加复杂。由于超临界直流锅炉动态特性的复杂性，采用传统的线性控制理论设计的控制系统已经难以对超临界直流锅炉迸行有效控制，因此控制系统的合理设计、控制性能、可靠性等成为影响超临界机组发展的主要因素之一。超临界直流锅炉控制系统的设计特点:(1)严格控制燃水比，保证中间点工质温度或焓值。(2)普遍采用前馈控制技术，各系统间联系很快;在串级系统中，前馈和反馈信号的配比应尽可能准确，以减小主调的动作。(3)采用变参数、变设定值、解耦技术以及基于对象特性辨识的自适应控制等技术。(4)针对不同运行工况下对象不同的动态特性，采用变结构的控制技术。二、给水控制系统(1)当汽水分离器湿态运行，锅炉控制为汽水分离器液位及最小流量控制。在机组起动阶段，分离器的疏水由AA、AN、ANB阀排至除氧器及疏水扩容箱(图1)。这3个阀门前都有一个电动隔绝门(图1中未画出)，当符合一定条件后，电动隔绝门会自动联锁打开或关闭。分离器水位经过启动分离器压力的修正后分别控制AA、AN、ANB3个液位控制阀。这3个液位控制阀由一套液压控制系统进行控制，开启时间很快，通流量也足够大，以保证疏水的完全排放。这3个疏水阀的动作与分离器水位的关系见图2，开度控制有一定的重叠度，以改善水位控制疏水排放的特性。通过ANB阀的疏水是通往除氧器的，正常运行时，分离器压力很高，为保证除氧器的安全，在ANB阀及隔离阀上都加上联锁保护。当除氧器压力大于一定值时，此阀将强制关闭，只有当除氧器压力降至一定值下，才允许重新开启。(2)当汽水分离器干态运行，锅炉控制为主蒸汽温度控制及给水流量控制。给水控制系统如图3所示，其采用的控制策略有如下特点。超临界直流锅炉的中间点选在汽水分离器出口，原因是汽水分离器出口温度能更早、更迅速、不受其它因素影响地反映出主蒸汽温度变化趋势，且在锅炉负荷(35%～100％)MCR范围内，汽水分离器出口始终处于过热状态，温度测量准确、灵敏。汽水分离器出口温度是汽水分离器压力的函数，该信号作为给水控制系统的第--反馈信号，以过热器的总喷水流量与给水流量的比值作为给水控制系统的第二反馈信号。因为此比值也间接反映了燃水比的变化，比值偏高，说明中间点的焓值偏高，引入此信号的目的是:将过热器的喷水流量控制在规定范围内，使喷水减温在任何工况下均保持有可调节余地。当机组过临界压力时，汽水分离器出口附近工质均会经历最大比热容区，分离器出口温度随焓值变化很不敏感，不能准确反映燃水比的变化，而此时过热器的总喷水流量与给水流量的比值仍能较好地反映燃水比的变化。中间点温度或焓值可用燃料量控制也可用给水流量控制，一般亚临界直流锅炉采用中贮式制粉系统，用燃料量控制中间点温度或焓值为主要手段;而超临界锅炉采用直吹式制粉系统，惯性较大，用燃料量控制中间点温度或焓值比用给水流量控制迟延大，而从减少锅炉热应力及锅炉寿命考虑，动态温度控制应优先于压力控制。因此，超临界机组以给水流量控制中间点温度或焓值为主要策略。与汽包炉不同，给水流量需求信号设定值主要根据总燃料量设定，在此基础上加上燃烧器摆角修正、分离器出口温度校正、分离器出口温度微分信号产生。实际给水流量信号为省煤器入口流量加喷水量再减去分离器疏水量。给水流量需求指令送到给水泵转速控制器，通过改变给水泵转速来维持给水流量。三、过热蒸汽喷水减温控制系统为获得较好的蒸汽品质，对于直流锅炉，必须用保持燃水比作为维持过热器出口汽温的主要粗调手段，用喷水减温作为细调手段。本文所讨论的对象，在后屏过热器(屏过)的入口和末级过热器的入口设有两级喷水减温器(图1)。两级减温水的控制原理基本相同，现以后屏过热器屏过汽温控制系统为例加以说明。屏过汽温控制系统如图4所示，其采用的控制策略有如下特点。(1)屏过出口汽温为主被调量，其设定值由锅炉负荷函数与末级过热器喷水函数的差值得到。引入末级过热器喷水指令的目的是当末级过热器喷水量大于或小于一定范围后，应按图4中旁图(b)所示调节改变屏过入口汽温(喷水后蒸汽温度)，最终通过改变屏过出口汽温使末级过热器的喷水量回复到规定范围内，以保证其有一定的可调范围。(2)煤水比修正信号是通过前馈方式送到副回路，目的是快速消除燃料量扰动对屏过出口汽温的影响。燃烧器摆角控制用来调节再热蒸汽温度，但当燃烧器摆角发生变化时，会破坏过热蒸汽温度调节的平衡，因此在给水控制和过热蒸汽喷水减温控制中采用燃烧器喷嘴倾角对控制信号进行修正，修正曲线如图3中右旁的曲线图所示，当燃烧器摆角向上摆动时，减少给水量，增加减温水量，摆角向下摆动时则相反。(3)基本的屏过入口汽温设定值由锅炉负荷的函数得到，再加上主调节器输出以及前述各修正信号得出屏过入口汽温的最终设定值。锅炉负荷与屏过入口汽温设定值的曲线如图4旁图(a)所示，从图上可看出屏过入口汽温设定值有一个最低点(屏过出口汽温设定值的曲线也与此类似)，此最低点与分离器湿态-干态转换点相对应。这是因为在起动过程中，锅炉燃料量逐渐增大，分离器由湿态转向干态运行。当炉内燃料量增加时，炉膛出口烟温也增加，使炉膛内单位烟气的放热量反而减少，也就是说前、后屏过热器中单位重量蒸汽的吸热量反而减少，而通过前屏过热器的蒸汽流量是增加的，从而导致屏过汽温随负荷的增加反而减少(相当于辐射过热器的汽温特性)。当分离器干态运行后，其汽温变化随负荷(燃料量)的增加而增加。因此在湿态-干态转换的短时间内，应注意过热汽温出现快速的严重超温现象。为了避免出现这种情况，系统采用了快速降低汽温设定值，预先增加喷水的方法。四、结语超临界直流锅炉与亚临界直流锅炉并没有本质上的区别，但超临界直流锅炉的动态特性要复杂得多。由于被控特性较差，在控制系统设计时应充分考虑锅炉内部结构特点和运行过程中的相互作用，合理采取前馈、变定值、变增益、变参数等控制策略，使控制系统切实、先进、可靠，以确保锅炉和机组安全经济运行。