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追求卓越技术第一PowerGenerationlITPowerSolutions华北电科院有限责任公司热控技术研究所600MW超临界直流炉机组控制特性分析追求卓越技术第一PowerGenerationlITPowerSolutions华北电科院有限责任公司热控技术研究所600MW超临界直流炉机组控制特性分析华北电科院有限责任公司热控技术研究所王玉山600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions3王玉山华北电科院热控技术研究所一、国际上超临界机组的现状我国一次能源以煤炭为主，火力发电占总发电量的75%全国平均煤耗为394g/(kWh)，较发达国家高60~80g，年均多耗煤6000万吨，不仅浪费能源，而且造成了严重的环境污染，烟尘，SOx,NOx,CO2的排放量大大增加火电机组随着蒸汽参数的提高，效率相应地提高亚临界机组(17MPa,538/538℃)净效率约为37~38%煤耗330~340g超临界机组(24MPa,538/538℃)净效率约为40~41%煤耗310~320g超超临界机组(30MPa,566/566℃)净效率约为44~45%煤耗290~300g由于效率的提高，污染物排量也相应减少，经济效益十分明显。1957年美国投运第一台超临界试验机组，截止1986年共166台超临界机组投运，其中800MW以上的有107台，包括9台1300MW。1963年原苏联投运第一台超临界300MW机组，截止1985年共187台超临界机组投运，包括300MW,500MW,800MW，1200MW。1967年日本从美国引进第一台超临界600MW机组，截止1984年共73台超临界机组投运，其中31台600MW,9台700MW，5台1000MW，在新增机组中超临界占80%。600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions4王玉山华北电科院热控技术研究所二、目前超临界机组的发展方向90年代，日本投运的超临界机组蒸汽温度逐步由538/566℃提高到538/593℃，566/593℃及600/600℃，蒸汽压力保持在24~25MPa，容量以1000MW为多，参数为31MPa,566/566℃的两台700MW燃气机组于1989年和1990年在川越电厂投产。目前正在研究参数为34.3MPa,649/593℃及34.3MPa,649/593℃的机组。欧洲超临界机组参数多为25MPa,540/540℃，机组容量中等，440~600MW。德国两台900MW机组于1999年投产；1998年投运的丹麦一台参数为28.5MPa,580/580/580℃的二次中间再热，411MW机组的净效率达到了47％是目前世界上效率最高的超临界火电机组。欧盟制定了“THERMIE”700℃先进燃煤火电机组发展计划，联合欧洲40家公司于1998年开始，计划用17年时间开发35MPa,700/720/（720）℃的超超临界机组，其净效率达到50%以上。美国电力科学院（EPRI）从1986年起一直致力开发32MPa,593/593/593℃的带中间负荷的燃煤火电机组。600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions5王玉山华北电科院热控技术研究所二、国内500及以上超临界直流炉机组投运情况我国自80年代后期开始重视发展超临界火电机组，国家确定以河南沁北电厂作为国产化依托，将超超临界发电技术列为国家高技术发展计划，计划开发30MPa,600/600℃，600MW以上的超超临界机组，供电效率达43～45%。我国前期的超临界机组多为从原苏联直接引进，如营口，盘山，伊敏，绥中等厂，机组运行方式均以定压运行为主，后期主要以从欧洲引进技术的滑压运行机组目前国内已投运的500MW及以上超临界直流炉机组机组机组容量投产时间备注国华盘山#1,2500MW1995俄供定压运行伊敏电厂#1,2500MW1995俄供定压运行国华绥中#1,2800MW2001俄供定压运行石洞口二期#1,2600MW1991/1992欧供滑压运行外高桥二期#1,2900MW2004欧供滑压运行华能沁北#1,2600MW2004欧供滑压运行常熟电厂#1,2600MW2005欧供滑压运行600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions6王玉山华北电科院热控技术研究所三、超临界直流炉的控制特点－启动系统理论上认为：在临界点（22.129MPa、温度374℃），水的汽化会在一瞬间完成，即在临界点时饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的两相区存在，两者的参数不再有区别。由于在临界参数下汽水密度相等，因此在临界压力下无法维持自然循环，不能再采用汽包锅炉，直流炉成为唯一的型式。超临界锅炉与亚临界自然循环锅炉的结构和工作原理不同，启动方法也有较大的差异，超临界锅炉与自然循环锅炉相比，有以下的启动特点：设置专门的启动旁路系统直流锅炉在锅炉点火前就必须不间断的向锅炉进水，建立足够的启动流量，以保证给水连续不断的强制流经受热面，使其得到冷却。为防止低温蒸汽送入汽轮机后凝结，造成汽轮机的水冲击，直流炉需要设置专门的启动旁路系统来排除这些不合格的工质。配置汽水分离器和疏水回收系统低于本生流量时，给水流量要保持恒定。因此在本生负荷下超临界锅炉需要设置汽水分离器和疏水回收系统。启动前锅炉要建立启动压力和启动流量超临界直流炉，由于锅炉的蓄质和蓄热量小，因而负荷调节的灵敏性好，可实现快速启、停和调节负荷。600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions7王玉山华北电科院热控技术研究所三、超临界直流炉的控制特点－滑压运行现代超临界锅炉的重要特点是－变压运行现代超临界机组采用复合变压运行的方式，即在高负荷及低负荷区，负荷调节采用改变汽轮机调节阀开度的方式，而蒸汽压力保持不变；在中间负荷范围，采用变压运行，用改变锅炉主蒸汽压力的方式调节负荷。压力设定值(MPa)机组负荷(MW)24.29.6222510600如上海石洞口二厂600MW机组滑压曲线如上海外高桥二厂900MW机组滑压曲线压力设定值(MPa)机组负荷(MW)257.12959349833458.949223.8100012.313.0自然滑压曲线修正滑压曲线滑压运行较定压运行的相对效率要高2％600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions8王玉山华北电科院热控技术研究所三、超临界直流炉的控制特点－启动系统强烈的非线性是超临界机组又一主要特征超临界机组采用超临界参数的蒸汽,其机组的运行方式采用滑参数运行，机组在大范围的变负荷运行中，压力运行10MPa～25MPa.之间。超临界机组实际运行在超临界和亚临界两种工况下，在亚临界运行工况给水具有加热段、蒸发段与过热段三大部分，在超临界运行工况汽水的密度相同，水在瞬间转化为蒸汽，因此在超临界运行方式和亚临界运行方式机组具有完全不同的控制特性，是复杂多变的被控对象。超临界机组是被控特性复杂多变的对象，随着机组负荷的变化，机组的动态特性参数亦随之大幅度变化。如燃水比调节的温度对象，在负荷变化50-100%范围内，增益变化达5~6倍，时间常数的变化也有3倍左右。超临界机组控制中机、炉之间存在严重的非线性耦合。直流锅炉在直流运行状态汽水之间没有一个明确的分界点，在流程中每一段的长度都受到燃料、给水、汽机调门开度的扰动而变化，从而导致了功率、压力、温度的变化，直流锅炉是一个三输入/三输出相互耦合关联极强的被控对象；减温是临时手段，最终还要通过维持合理的煤水比来控制主汽温度。600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions9王玉山华北电科院热控技术研究所三、超临界直流炉的控制特点－启动系统减温是临时手段，最终还要通过维持合理的煤水比来控制主汽温度喷水减温实质上是调整工质流量在水冷壁和过热器之间分配比例，减温水量一般占额定给水流量的10％，下图给出了不同的工质流量分配比例对各区段工质温度的影响。减温水量的变化改变了进入省煤器和水冷壁的给水量，这一区段的热量/水量比值随之改变，因而区段内工质温度发生了相应变化。但无论减温水有多大的变化，因进入锅炉的总给水流量未改变，即燃水比未改变，稳态时锅炉出口过热汽温也不会改变，也就是说减温水只能改变瞬态的过热汽温。显然最终的主汽温度的控制还需要燃烧比来控制。温度流程长度ABCA无减温水B有减温水C减温水增大T1T2T1喷水前温度T2主汽温度600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions10王玉山华北电科院热控技术研究所三、超临界直流炉的控制特点－汽机调门扰动汽机扰动对锅炉的耦合特性：汽机调门开度变化不仅影响了锅炉出口压力，还影响了汽水流程的加热段，导致了温度的变化；调门开度ΔK蒸汽流量ΔD主汽压力Δp主汽温度Δt机组功率ΔN汽机调阀增大，蒸汽流量D急剧增加，汽压P迅速降低，如给水压力和给水调阀不变，给水流量会自动增加，稍高于原来的水平。汽压降低使锅炉金属和工质释放蓄热，产生附加蒸发量。随后，蒸汽流量将逐渐减少，最终与给水流量相等，保持平衡。同时汽压降低的速度也变缓慢，约10分钟后达到最终的稳定值。燃料量不变，给水流量略有增加，主汽温t稍微降低。从能力平衡角度，最初当主汽流量显著增大时，汽温应显著降低，但由于过热器金属释放蓄热的补偿作用，汽温没有显著的变化。汽机调阀增大，蒸汽流量D急剧增加，功率也显著上升，这部分多发功率来自锅炉的蓄热。由于燃料量没有变化，功率又逐渐恢复到原来的水平。600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions11王玉山华北电科院热控技术研究所三、超临界直流炉的控制特点－锅炉燃料扰动锅炉燃料扰动对压力、温度、功率的影响：燃料率增加，缩短了加热段和蒸发段，使压力、温度、功率均增加；燃料扰动ΔB蒸汽流量ΔD主汽压力Δp主汽温度Δt机组功率ΔN燃料量突然增大，蒸汽流量D在短暂迟延后将发生一次向上的波动，随后稳定下来与给水量保持平衡。燃料变化时，烟气侧的反应较快，蒸发量变化的迟缓主要是传热与金属容量的影响，波动过程超过给水量的额外蒸发量是由于热水段和蒸发段的缩短，随着蒸汽流量的增加，锅炉压力也逐渐升高，故给水流量自动减少。蒸汽压力在短暂延迟后逐渐上述，最后稳定在较高的水平。最初的上升是由于蒸发量的增大，随后保持在较高的水平是由于汽温的升高，蒸汽容积流量增大，而汽机调速阀开度不变，流动阻力增大所致。汽轮机功率的变化，最初的上升是由于蒸汽流量的增加；随后的上升是由于新汽焓的增加。燃水比即使改变很小，汽温也会发生明显的偏差，在初始阶段由于蒸发量与燃烧放热量几乎按比例变化，再加以管壁金属蓄热所起的延缓作用，所以主汽温要经过一定时滞后才逐渐变化。600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions12王玉山华北电科院热控技术研究所三、超临界直流炉的控制特点－锅炉给水流量扰动给水扰动对压力、温度、功率的影响：给水量增加，加热段和蒸发段延长，推出一部分蒸汽，因此压力和功率开始是增加的，但由于过热段的缩短使汽温下降，导致功率和压力下降，汽温一段时间延迟后单调下降稳定在一个较低温度上。给水流量扰动ΔG蒸汽流量ΔD主汽压力Δp主汽温度Δt机组功率ΔN给水量骤增时，蒸汽流量也会增大。但由于燃料量不变，热水段和蒸发段都要延长。在最初阶段，蒸汽流量只是逐步上升，在终稳定状态，蒸发量必将等于给水量，达到新的平衡由于锅炉蓄热的延缓作用，汽温的变化与燃料量扰动时相似，在过热器起始部分和出口端都有一定的时滞，然后逐渐变化到稳定值。过热蒸汽的压力由于蒸汽流量增