探讨超临界直流锅炉控制特点

探讨超临界直流锅炉控制特点探讨超临界直流锅炉控制特点杜勇（黑龙江省火电第三工程公司调试）【摘要】现根据参加国电双鸭山、华能九台及伊敏河机组去启动调试的体验，对超临界直流锅炉启动调试的特点，了解超临界机组以汽水一次循环为特征的直流锅炉，具有多输入多输出的强耦合、非线性、多参数的被控对象。下面对如何实现对超临界机组的控制加以论述。【关键词】超临界直流特点燃水比分离器策略正文：一、超临界直流炉机组特点当蒸汽压力提到高于22.1Mpa时就称为超临界机组，如果蒸汽压力超过27Mpa，则称为超超临界火电机组。由于超临界压力下无法维持自然循环即不能采用汽包锅炉，直流锅炉成为唯一型式。随着锅炉朝着大容量参数的方向发展，超临界机组日益显示其诸多优点，不仅煤耗大大降低，污染物排污量也相应减少，经济效益十分明显。超临界机组与亚临界汽包锅炉结构和工艺过程有着显著不同，其控制具有如下一些特点：1、超临界直流炉没有汽包环节，给水经加热、蒸发和变成过热蒸汽时一次性连续完成，随着运行工况不同，锅炉将运行在亚临界或超临界压力下，蒸发点会自发的在一个或多个加热区段内移动，汽水之间没有一个明确的分界点。这要求控制系统更为严格保持各种比值的关系（如给水量/蒸汽量、燃料量/给水量及喷水量/给水量等）。2、由于没有储能作用的汽包环节，锅炉的蓄能显著减小，负荷调节的灵敏性好，可实现快速启停和调节负荷，但汽压对负荷变动反映灵敏，变负荷性能差，汽压维持比较困难。3、直流炉由于汽水是一次完成，因而不象汽包炉那样。汽包在运行中除作为汽水分离器外，还作为燃水比失调的缓冲器。当燃水比失去平衡时，利用汽包中的存水和空间容积暂时维持锅炉的工质平衡关系，以保持各断受热面积不变。这使得直流炉汽机与锅炉之间具有强烈的耦合特性，整个受控对象是一多输入多输出的多变量系统。二、超临界机组的控制策略超临界机组的发电负荷在电网中的比重正在稳步上升，电网要求超临界机组能调峰运行，其控制策略应保证机组良好的负荷响应性和关键运行参数的稳定。直流锅炉作为一个多输入、多输出的被控对象，其主要输出量为汽温、汽压和蒸汽流量（负荷），其主要的输入量是给水量、燃烧率和汽机调门开度，由于是强制循环且受热区段之间无固定界限，一种输入量扰动将对各输出量产生作用，与汽包炉相比，其控制策略最大的区别在于：协调控制系统、给水调节系统、减温调节系统。以下以华能伊敏河电厂三期工程2×600MW超临界直流炉机组为例，重点介绍其协调、给水及减温的控制方案。1、协调控制系统协调控制系统的任务是：最大限度利用蓄能，具有快速响应的发电负荷控制，发电负荷控制与锅炉控制解耦，在所有工况下，锅炉指令都基于汽机的能量需求，保证锅炉与汽机相协调。本台机组的协调控制系统共设计了五种运行方式：1）基本方式BASE：锅炉主控、汽机主控均在手动，锅炉主控控制燃料料，汽机主控遥控DEH控制汽机调门开度。2）汽机跟随方式TF：汽机主控自动，锅炉主控手动，汽机主控通过调节汽机调门开度保证汽压，锅炉主控控制燃料量。探讨超临界直流锅炉控制特点3）锅炉跟随方式BF：锅炉主控自动，汽机主控手动，锅炉主控通过控制燃料量保证汽压，汽机主控遥控DEH控制调门开度。4）炉跟机协调方式CCS：本模式是以锅炉跟随为基础的协调控制模式，即锅炉主控、汽机主控均在自动位，锅炉主控调节汽压，汽机主控调节功率。5）机跟炉协调方式CCS：本模式是以汽机跟随为基础的协调控制模式，即锅炉主控、汽机主控均在自动位，汽机主控调节汽压，锅炉主控调节功率。考虑到汽机对负荷的响应快，负荷控制精度高，机组投AGC运行时优先采用炉跟机协调方式，充分利用锅炉的蓄能，但压力控制是直流锅炉控制系统的关键环节，压力的变化对机组的外特性来说将影响机组的负荷，对内特性来说将影响锅炉的温度，且直流炉机组的滑压运行范围大在10Mpa～24Mpa之间，这些都对汽压的调节品质提出了更严格的要求。机组炉跟机协调方案设计如下：1）引入压力拉回回路：压力偏差信号修正实发功率。当机前压力偏差较小时，由锅炉主控维持压力；当机前压力偏差较大时，汽机主控由调节负荷转到调节机前压力和负荷，牺牲部分功率，两者共同作用稳定机前压力，保证机组内部稳定运行。2）引入三阶惯性环节：机前压力设定值速率限制后，经过三阶惯性环节再进行PID的运算，使压力定值充分接近实际压力的过程特性，保证变负荷时机前压力偏差不会太大。由于直流炉的蓄热能力弱，同样，功率设定值也经过时间参数更快的三阶惯性环节的处理，避免变负荷初始阶段，汽机调门的快速响应造成的压力波动。3）负荷变动时，通过汽轮机调门的适当动作响应负荷需求，与此同时，必须加快炉侧燃烧率的调节，及时恢复蓄能，使锅炉蒸发量与机组负荷一致。在炉跟机协调模式时，锅炉主控前馈包含一个静态前馈和三个动态前馈：①基本指令为机组负荷指令加上调频负荷所对应的燃料量，使锅炉主指令对应于负荷的改变有一个绝对的变化量，属于静态前馈。②变负荷时，目标负荷减去速率限制后的LDC指令所对应的燃料量，作一个一阶惯性环节和二阶惯性环节的加权组合，以调整变负荷初始、中间、结束不同阶段所加的燃探讨超临界直流锅炉控制特点料量。③LDC指令的微分作用：在整个变负荷过程中存在，加快压力的动态响应。④压力设定值的微分作用：改善压力调节的动态补偿。4)给水解耦回路：中间点温度控制器的输出直接影响给水流量，当给水流量增加时，推出一部分蒸汽，使机前压力和功率都有瞬时增加，如果燃烧率保持不变，功率将逐渐回落到原来水平，基本保持不变，压力最后由于过热汽温的下降而有所回落，稳定在较原先压力稍高的水平。而协调对压力和功率的调节作用会短时间内改变燃烧率，并再对中间点温度造成扰动，有可能导致不稳定状况的发生。在燃料量的调节回路中引入中间点温度控制器的微分环节修正实际燃料量，将给水量和燃烧率的相互作用减小，稳定机组运行。5)PID参数的优化：锅炉主控PID参数采用变增益，变负荷时减小比例系数和加长积分时间，削弱PID的调节作用，使得变负荷时炉主控前馈占据主导地位；另一方面，稳态时由于压力是一个变化缓慢、迟延时间大的控制对象，因此引入非线性元件，当压力偏差小于0.1Mpa时，PID的调节作用放慢一半，稳定机前压力，避免压力和燃料量的来回摆动。2、给水控制系统在机组燃烧率低于32%BMCR，锅炉处于非直流运行方式，给水控制保持32%BMCR流量指令，通过大小溢流阀及锅炉再循环阀控制分离器水位；当锅炉进入直流运行阶段，分离器处于干态运行，成为（过热）蒸汽通道，此时给水控制任务不仅是应负荷需求调整省煤器入口流量，还要调整微过热汽温达到期望的设定值，实现过热主汽温的粗调。相对于微过热汽温，微过热焓值在灵敏度和线性方面都具有更好的优势，系统设有专门的焓值计算，本台机组的给水控制采用微过热汽温校正的燃水比调节，其设计如下：给水流量指令的形成：1）基本指令：锅炉的燃烧率指令通过相应的函数F（x），经过三阶惯性环节计算出理想的主蒸汽流量和减温喷水流量，两者相减作为给水流量的基本指令，一方面使燃水比保持一致以保证过热汽温基本不变，另一方面是快速响应负荷变化。三阶惯性环节的作用是使快速的给水流量变化与慢速的燃烧过程相适应，保证负荷动态响应过程的匹配。2）分离器中间点温度修正燃水比：微过热汽温能迅速反映燃水比的改变，采用微过热探讨超临界直流锅炉控制特点汽温调节器的指令（输出限制在0.8~1.2之间）乘以给水流量定值形成最终的给水流量指令，送至三台给水泵流量控制子回路。同样，微过热温度速设定值加以一阶惯性环节的动态修正，使其与实际的物理过程相匹配。调节器采用变参数控制，以保证不同负荷工况点的调节品质。3）减温喷水量与给水量的协调：直流炉在干态运行时，水汽转换一次完成，稳定流动时给水量（包含减温水流量）等于蒸发量。通过一减前后温差（代表减温喷水量）调节器的输出修正分离器出口温度的设定值，间接修正燃水比。温差调节器的目的是使减温水量在不同的负荷点时工作在适当的位置，提高燃烧经济性，但校正作用相对缓慢。三、超临界锅炉的启动控制超临界锅炉与自然循环锅炉相比，有以下的启动特点，设有专门的启动旁路系统，在锅炉点火前就不间断的强制流经受热面，使其得到冷却，并且排除不合格的工质。另外配置汽水分离器和疏水回收系统，他是超临界机组在低负荷阶段必需的系统，使锅炉安全可靠的启动及其热损失减小。而且直流炉在启动时，建立压力和启动流量，启动压力越高、汽水质量差越小，锅炉水动力特性稳定，工质膨胀小易于控制膨胀过程。四、结束语大容量超临界直流锅炉的启动及其控制系统能够更好的适应机组的变压运行的要求，在选择控制系统和设备时，因为投资大小、运行检修维护等综合因素，在保证机组安全运行的情况下，从经济性角度选择更佳的控制系统配置。随着技术的不断发展，在1000MW以上容量的机组实现超超临界机组的技术控制上，我们将会越来越好的理解高参数大容量的机组的控制技术，并且根据各机组的控制方式不同，各有千秋。今天写成文章供大家探讨，如有不近如人意地地方，敬请批评指正。文章参考文献及资料：1、朱北恒主编《火力发电厂热工自动化系统试验》中国电力出版社2006年2、陈来九《火电单元机组协调控制策略》火电厂热工自动化1993，1.1-73、张磊、叶飞《超超临界火电发电技术》中国水利出版社2009.11