孫 漾

(華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

一種超(超)臨界二次再熱機(jī)組汽溫控制方案

孫 漾

(華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

超(超)臨界二次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐汽溫控制的品質(zhì)，直接影響機(jī)組熱效率及機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文結(jié)合某1000 MW超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組工程，介紹了機(jī)組工藝系統(tǒng)概況。根據(jù)鍋爐汽水系統(tǒng)的工藝配置情況，分析了主蒸汽、一次再熱蒸汽、二次再熱蒸汽溫度的控制方式和控制要求，并重點(diǎn)介紹了一種超(超)臨界機(jī)組直流鍋爐基于過(guò)程物理機(jī)理的過(guò)熱汽溫控制策略設(shè)計(jì)方案。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，可以嘗試在二次再熱機(jī)組主汽溫控制中進(jìn)行應(yīng)用。

超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組；二次再熱；汽溫控制；減溫噴水控制。

1 概述

目前，我國(guó)新建的火力發(fā)電機(jī)組大多采用了效率更高的超臨界和超超臨界機(jī)組。機(jī)組工質(zhì)運(yùn)行溫度高，尤其是過(guò)熱器、再熱器出口汽溫這個(gè)熱力系統(tǒng)中的溫度最高點(diǎn)，其正常運(yùn)行的溫度已經(jīng)接近材料所允許的最高溫度，因此，機(jī)組汽溫的控制，直接影響機(jī)組熱效率及機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。而過(guò)熱器、再熱器出口汽溫控制系統(tǒng)又具有大時(shí)滯、大慣性、時(shí)變性和非線性的特點(diǎn)，且擾動(dòng)因素多、擾動(dòng)頻繁、擾動(dòng)量大，采用傳統(tǒng)的控制方法控制品質(zhì)很難保證。

二次中間再熱技術(shù)是近年來(lái)熱門研究的提高機(jī)組熱效率的一種有效方法。再熱技術(shù)可以提高蒸汽膨脹終了的干度，提高蒸汽的做功能力。有研究表明，增加中間再熱次數(shù)，能夠降低機(jī)組的熱耗，31 MPa/566℃/566℃/566℃的二次再熱技術(shù)相比傳統(tǒng)的24.1 MPa/ 566℃/566℃一次再熱技術(shù)，其熱效率可提高約5%。然而，二次再熱機(jī)組的熱力系統(tǒng)更加復(fù)雜，過(guò)熱器、一次再熱器、二次再熱器出口汽溫控制難度更大。

本文結(jié)合某電廠1000 MW超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組工程，介紹了機(jī)組工藝系統(tǒng)概況，以及鍋爐汽水系統(tǒng)的工藝流程。根據(jù)相關(guān)工藝系統(tǒng)，分析了過(guò)熱、一次再熱、二次再熱汽溫的控制方式和控制要求，重點(diǎn)介紹BABCOCK超(超)臨界機(jī)組直流爐基于過(guò)程物理機(jī)理的汽溫控制策略設(shè)計(jì)方案。

2 二次再熱機(jī)組主要工藝

某電廠1000 MW超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組采用上海鍋爐廠有限公司超超臨界參數(shù)二次再熱、直流、單爐膛、切圓燃燒方式、塔式爐。汽輪機(jī)采用上海汽輪機(jī)廠超超臨界二次再熱、單軸、五缸四排汽、十級(jí)回?zé)岢槠?、凝汽式汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)由上海發(fā)電機(jī)廠供貨。機(jī)組設(shè)高、中、低壓三級(jí)串聯(lián)汽機(jī)旁路系統(tǒng)。給水回?zé)嵯到y(tǒng)為帶二級(jí)外置式蒸汽冷卻器的十級(jí)回?zé)岢槠到y(tǒng)(5低加、1除氧器、4高加)。凝結(jié)水系統(tǒng)采用2臺(tái)100%容量的凝結(jié)水泵，一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。主給水泵采用2臺(tái)50%容量同軸汽動(dòng)給水泵。

該機(jī)組鍋爐制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每爐配6臺(tái)磨煤機(jī)，其中5用1備。鍋爐送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)各按2×50%配置。啟動(dòng)系統(tǒng)為帶再循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)，鍋爐設(shè)一臺(tái)再循環(huán)泵和六只內(nèi)置式啟動(dòng)分離器以及一只貯水箱。鍋爐燃燒器擺動(dòng)時(shí)，在熱態(tài)運(yùn)行中一、二次風(fēng)(含燃盡風(fēng))均可上下擺動(dòng)，最大擺角一次風(fēng)為±20°，二次風(fēng)為±30°。油燃燒器的總輸入熱量按20%BMCR計(jì)算。點(diǎn)火方式為高能電火花點(diǎn)燃輕油，然后點(diǎn)燃煤粉。鍋爐配備兩臺(tái)三分倉(cāng)式回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。

3 機(jī)組過(guò)熱、再熱汽溫調(diào)節(jié)手段

鍋爐汽水系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。鍋爐過(guò)熱蒸汽汽水系統(tǒng)配置兩級(jí)噴水減溫裝置。根據(jù)鍋爐廠資料，在B-MCR工況下，過(guò)熱器設(shè)計(jì)噴水的總流量約為4%過(guò)熱蒸汽流量。一次再熱、二次再熱蒸汽系統(tǒng)配置了事故減溫噴水和微量減溫噴水。

圖1 鍋爐汽水系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

3.1 過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)

超(超)臨界直流鍋爐過(guò)熱汽溫的調(diào)節(jié)一般采用燃水比調(diào)節(jié)為粗調(diào)，一、二級(jí)減溫水作細(xì)調(diào)。本機(jī)組仍采用該控制方案。

3.1.1 過(guò)熱汽溫粗調(diào)

由于直流鍋爐本身的特性，超臨界鍋爐過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)必須以燃水比作為粗調(diào)手段，只有保證合適的燃水比，才能保證過(guò)熱汽溫不發(fā)生大的變化?？刂泣c(diǎn)可采用中間點(diǎn)的(即水冷壁出口過(guò)熱器I級(jí)減溫噴水前)焓值或溫度)。

3.1.2 過(guò)熱汽溫細(xì)調(diào)

由于鍋爐運(yùn)行過(guò)程會(huì)受到許多因素變化的影響，只靠燃水比的粗調(diào)是無(wú)法準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)過(guò)熱汽溫的偏差。因此，在低溫過(guò)熱器的入口和高溫過(guò)熱器的入口分別布置了I級(jí)和II級(jí)減溫噴水(每級(jí)左、右各兩路，可分別調(diào)節(jié))，可以實(shí)現(xiàn)出口汽溫的細(xì)調(diào)，以達(dá)到精確控制過(guò)熱汽溫的目的。必須注意的是，直流鍋爐要嚴(yán)格控制減溫水總量，以保證有足夠的水冷壁流量；投用時(shí)，盡可能多投I級(jí)減溫水，少投II級(jí)減溫水，以保護(hù)過(guò)熱器。

3.2 再熱汽溫調(diào)節(jié)

根據(jù)本機(jī)組鍋爐的配置，一次再熱汽溫及二次再熱汽溫采用燃燒器擺動(dòng)或改變過(guò)量空氣系數(shù)調(diào)溫為粗調(diào)，再熱器煙氣擋板為細(xì)調(diào)，減溫噴水僅用作事故緊急減溫手段。

3.2.1 再熱汽溫粗調(diào)

根據(jù)鍋爐廠資料，本機(jī)組鍋爐一次、二次再熱器采用并列布置形式，兩組再熱器各負(fù)荷下的煙溫、汽溫都是接近的。一次、二次再熱器的吸熱比例在各負(fù)荷下基本處于58∶42的比例。同時(shí)，一次、二次再熱器設(shè)計(jì)的煙道尺寸比例為58∶42，受熱面積比例也約為58∶42，和吸熱量比例接近。這種并列布置方式使得一次、二次再熱受熱面有著自然平衡性。在兩組再熱器煙道流量分配比例固定的情況下，一次、二次再熱汽溫的變化趨勢(shì)一致。因此，采用擺動(dòng)燃燒器或提高過(guò)量空氣系數(shù)的手段可以對(duì)一次、二次再熱汽溫同時(shí)起到方向一致的作用，作為同步調(diào)溫手段。

3.2.2 再熱汽溫細(xì)調(diào)

當(dāng)一次、二次再熱汽溫出現(xiàn)一高一低情況，即需要異步調(diào)節(jié)時(shí)，可采用調(diào)節(jié)再熱器煙氣擋板的手段。由于各負(fù)荷下一、二次再熱吸熱比例基本相同，因此，再熱器煙氣擋板不需要過(guò)大的開(kāi)度調(diào)節(jié)，僅需微調(diào)，即可滿足調(diào)整需求。

為提高機(jī)組工質(zhì)(汽、水)的循環(huán)效率，降低機(jī)組熱耗，參與循環(huán)的工質(zhì)盡可能多的進(jìn)入汽輪機(jī)自始至終完整的參與做功，再熱器噴水減溫系統(tǒng)的設(shè)置是僅用于確保在事故或緊急工況下鍋爐再熱器受熱面運(yùn)行安全，正常運(yùn)行中不采用再熱器減溫噴水進(jìn)行汽溫調(diào)整。

4 過(guò)熱汽溫噴水減溫調(diào)節(jié)策略

高溫過(guò)熱器減溫噴水控制方案的設(shè)計(jì)對(duì)過(guò)熱汽溫的控制品質(zhì)具有重要影響。多年來(lái)，大量學(xué)者及工程師提出了多種不同的過(guò)熱汽溫噴水減溫調(diào)節(jié)策略。根據(jù)本機(jī)組鍋爐廠資料，鍋爐廠推薦高溫過(guò)熱器噴水減溫控制采用常規(guī)的燃料量微分信號(hào)、主蒸汽流量微分信號(hào)作前饋的汽溫串級(jí)控制方案。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常考慮較多的是被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，采用的控制策略大都是基于線性方法的。但在一些場(chǎng)合，基于被控對(duì)象和過(guò)程物理機(jī)理的控制策略可以不需要復(fù)雜的計(jì)算和補(bǔ)償環(huán)節(jié)，更為簡(jiǎn)單和有效。英國(guó)BABCOCK公司針對(duì)超(超)臨界機(jī)組直流爐提出的汽溫控制策略就是屬于這種基于過(guò)程物理機(jī)理的設(shè)計(jì)方案，取消了傳統(tǒng)的串級(jí)控制方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能改善汽溫這種大慣性對(duì)象的控制性能，在以往機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行中取得了較好的控制效果，可在本機(jī)組過(guò)熱汽溫噴水減溫調(diào)節(jié)策略設(shè)計(jì)中嘗試。

4.1 設(shè)計(jì)原理

為了避免汽溫控制的大時(shí)滯現(xiàn)象，該方案不直接對(duì)過(guò)熱器出口汽溫進(jìn)行控制，而是通過(guò)將過(guò)熱器出口汽溫的改變量轉(zhuǎn)換為過(guò)熱器進(jìn)口汽溫的改變量，從而控制過(guò)熱器進(jìn)口汽溫來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常在不同的負(fù)荷或壓力下，同樣出口溫度的改變量需要不同的進(jìn)口汽溫改變量。這兩處汽溫改變量間存在定量關(guān)系，可通過(guò)過(guò)熱器進(jìn)口和出口蒸汽的比熱確定。具體公式如下：出口蒸汽參數(shù)：溫度Tout、壓力Pout、比熱Cpout進(jìn)口蒸汽參數(shù)：溫度Tin、壓力Pin、比熱Cpin

圖2表示的是：滑壓工況下，亞臨界機(jī)組(過(guò)熱器出口蒸汽參數(shù)約為541℃，18.5 MPa)、超臨界機(jī)組(過(guò)熱器出口蒸汽參數(shù)約為571℃，24.5 MPa)、超超臨界機(jī)組(過(guò)熱器出口蒸汽參數(shù)約為605℃，27.5 MPa)的調(diào)整因子隨壓力變化曲線。

圖2 滑壓工況下調(diào)整因子隨壓力變化曲線

由圖2可知：一方面：從亞臨界機(jī)組到超臨界，再到超超臨界機(jī)組參數(shù)，調(diào)整因子的值的變化幅度增大。亞臨界機(jī)組，當(dāng)壓力從14 MPa滑壓到18.5 MPa，調(diào)整因子從0.96變化到0.94，變化2.1%；超臨界機(jī)組，當(dāng)壓力從17 MPa滑壓到24.5 MPa，調(diào)整因子從0.94變化到0.89，變化5.6%；超超臨界機(jī)組，當(dāng)壓力從18 MPa滑壓到27.5 MPa，調(diào)整因子從0.92變化到0.84，變化9.5%；因此，超臨界及超超臨界機(jī)組汽溫控制回路更加需要調(diào)整因子進(jìn)行補(bǔ)償。而另一方面，從亞臨界到超超臨界機(jī)組參數(shù)，調(diào)整因子的線性度變好，因此，超超臨界機(jī)組過(guò)熱汽溫比亞臨界及超臨界機(jī)組更加好控。

過(guò)熱器進(jìn)口汽溫(噴水減溫器出口汽溫)的變化以過(guò)熱器的動(dòng)態(tài)特性影響過(guò)熱器出口汽溫的動(dòng)態(tài)變化?；谏鲜鑫锢頇C(jī)理的汽溫控制系統(tǒng)原理見(jiàn)圖3。出口汽溫與其設(shè)定值的偏差(Tsp-Tout)與調(diào)整系數(shù)相乘轉(zhuǎn)換為對(duì)進(jìn)口汽溫的調(diào)整要求。出口汽溫偏差產(chǎn)生后，PID 控制器即按轉(zhuǎn)換后對(duì)進(jìn)口汽溫的調(diào)整要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變減溫噴水量，改變進(jìn)口汽溫Tin。進(jìn)口汽溫改變后，將通過(guò)過(guò)熱器改變出口汽溫Tout。從圖3可知，進(jìn)口汽溫通過(guò)模擬的過(guò)熱器特性PTn(多容環(huán)節(jié))形成的PTn·Tin，在PID調(diào)節(jié)器的設(shè)定值回路與經(jīng)調(diào)整因子相乘的實(shí)際出口汽溫Tout相互抵消。PID凋節(jié)器的入口偏差為[K(Tsp-Tout)+ PTn·Tin]-Tin，K為調(diào)整系數(shù)f(x)在某壓力下的值。如果模擬的過(guò)熱器特性PTn與實(shí)際過(guò)熱器特性充分接近，則在整個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程中設(shè)定值回路[k(Tsp-Tout)+ PTn·Tin]基本維持恒定，系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能十分穩(wěn)定。

圖3 BABCOCK設(shè)計(jì)的噴水減溫調(diào)節(jié)示意

過(guò)熱器的特性PTn隨負(fù)荷的變動(dòng)會(huì)發(fā)生改變，可通過(guò)負(fù)荷與多容環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)的關(guān)系曲線實(shí)現(xiàn)不同負(fù)荷下的過(guò)熱器的特性。過(guò)熱器特性PTn和調(diào)整系數(shù)并不總是很準(zhǔn)確，但PTn·Tin最終能穩(wěn)定到Tin，所以Tout總能調(diào)整穩(wěn)定到其設(shè)定點(diǎn)。這一系統(tǒng)可以滿足超臨界機(jī)組負(fù)荷調(diào)峰時(shí)的需要。

4.3 該方案與常規(guī)控制方案的比較

一般電廠，通過(guò)改變減溫水流量改變高溫過(guò)熱器的入口汽溫，從而影響過(guò)熱器出口汽溫。由于大型鍋爐的過(guò)熱器管路很長(zhǎng)，因此，它是一個(gè)大慣性帶純滯后的對(duì)象。目前電廠對(duì)鍋爐過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)通常采用串級(jí)控制系統(tǒng)；也有些采用基于狀態(tài)觀測(cè)器的狀態(tài)反饋控制。

串級(jí)控制系統(tǒng)是針對(duì)大滯后控制對(duì)象的一種傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方法，其控制系統(tǒng)見(jiàn)圖4。為了保證副回路的快速性同時(shí)中間變量并不要求無(wú)差，所以副調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)；主回路采用PID控制器。除能盡快消除副環(huán)外的擾動(dòng)之外，還可以校正汽溫偏差，保證汽溫控制的精度。但由于串級(jí)控制系統(tǒng)是多回路系統(tǒng)，主副回路容易發(fā)生共振，主、副調(diào)節(jié)器之間出現(xiàn)相互干擾，導(dǎo)致汽溫的調(diào)節(jié)品質(zhì)不佳。

圖4 串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在鍋爐負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，過(guò)熱器中蒸汽流程上的各點(diǎn)溫度總是先于主汽溫的變化，所以控制系統(tǒng)理論上可以根據(jù)這些流程上的各點(diǎn)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，一旦這些溫度發(fā)生變化，控制系統(tǒng)及時(shí)參與調(diào)節(jié)，從而取得較好的控制效果。但是，在高溫過(guò)熱器上加裝過(guò)多的溫度測(cè)點(diǎn)是不現(xiàn)實(shí)的，故可以采取由過(guò)熱器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型來(lái)估算這些溫度值(即狀態(tài)觀測(cè)器)，然后根據(jù)這些估計(jì)出來(lái)的溫度值來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這就構(gòu)成了狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)見(jiàn)圖5。采用狀態(tài)反饋控制技術(shù)，可以加快噴水閥的動(dòng)作，從而有效抑制汽溫的最大動(dòng)態(tài)偏差。但使用狀態(tài)觀測(cè)器使系統(tǒng)參數(shù)增多，現(xiàn)場(chǎng)整定較為困難。

BABCOCK提出的設(shè)計(jì)方案(見(jiàn)圖6)不需要對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型，維數(shù)相對(duì)低，調(diào)節(jié)器變?yōu)閱位芈?，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，消除了串級(jí)控制時(shí)存在的主、副控制器耦合情況。

5 結(jié)語(yǔ)

圖6 BABCOCK設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文通過(guò)對(duì)某1000 MW超超臨界二次再熱發(fā)電機(jī)組鍋爐汽水系統(tǒng)的分析，提出了過(guò)熱汽溫、一次再熱汽溫、二次再熱汽溫的控制方案。高溫過(guò)熱器減溫噴水控制方案的設(shè)計(jì)對(duì)過(guò)熱汽溫的控制品質(zhì)具有重要影響。BABCOCK公司基于物理機(jī)理的設(shè)計(jì)方案能夠避免傳統(tǒng)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，也具有較強(qiáng)的魯棒性，控制效果也很好，可以嘗試在本機(jī)組主汽溫控制中應(yīng)用。

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Steam Temperature Control Scheme for Ultra Supercritical Double Reheat Units

SUN Yang
(East China Electric Power Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

The performance of boiler steam temperature control system for ultra supercritical double reheat coal-fired generating units will directly affect the safety, stability and thermal efficiency of the unit. In this paper, with a 1000MW ultra supercritical double reheat coal-fired unit project, the general situation of unit process system is introduced. According to the process configuration of the boiler steam water system, the main steam, first reheat steam and second reheat steam temperature control modes and requirements are analyzed, and a main steam temperature control strategy in the process of supercritical boiler based on regulating theory is emphatically introduced. The system control method is simple and valid, and can be used in steam temperature control for double reheat coal-fired units.

Ultra supercritical coal-fired units; double reheat; steam temperature control; spray water control.

TM621

B

1671-9913(2016)06-0020-05

2016-0

孫漾(1984- )，男，吉林長(zhǎng)春人，博士，工程師，研究方向：過(guò)程建模與控制優(yōu)化、大型火力發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制。