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37 超临界机组锅炉给水全程控制系统的研究与设计


2006 年全国发电厂 DCS 与 SIS 技术研讨会暨热工自动化专业会议论文集

DCS

超临界机组锅炉给水全程控制系统的 研究与设计
廖廷常 (北京 ABB 贝利控制有限公司)

摘要:超临界机组锅炉给水控制系统是超临界机组热控系统中的重点和难点,实现其给水全程控制对提高机组的控
制自动化程度、

减少启停误操作、缩短机组启动时间、提高机组启停的可靠性具有重要作用,也是实现机组级自启 停(APS)控制的一个技术关键。本文针对给水全程控制系统设计的几个重点和难点进行详细介绍,如给水流量控 制、并切泵控制、流量平衡控制、最小流量控制;给水系统与启动系统的配合;给水系统顺控功能组的设计;给水 调节系统与 SCS、MEH 等系统的配合等。

关键词:超临界机组,给水全程,APS 系统

1 引言
随着我国经济的高速发展,电力的发展进入了大机组、高参数、高自动化的发展阶段,一批超 临界火电机组如雨后春笋般迅速发展起来。机组容量的提高,意味着控制设备的增多,从而带来的 是运行人员的操作增多、复杂、繁重。为减少运行人员的劳动强度、减少误操作,缩短机组启动时 间,提高机组的自动化程度是一项重要措施,APS(机组级的自启停控制系统)控制技术就是在这 样的环境中发展起来。APS 系统是建立在 BMS、MCS、SCS、DEH、ECS 等系统之上的机组启停 指令调度、控制、信息管理、监视的控制系统,运行人员在输入少量的信息、指令和操作下,实现 机组从辅机启动、锅炉上水、点火、升温、升压、并网、带负荷,直到满负荷的机组全程启停过 程。APS 控制技术实现的关键主要有:锅炉给水全程控制系统、锅炉燃烧器全负荷自动投切系统和 汽机自启停系统(ATC)。实际上,若这三大系统实现了全程自启停控制,APS 系统也就基本成功 了 70%。超临界机组给水控制系统是超临界锅炉一个主要控制难点,它与亚临界汽包炉有着很大的 区别,实现超临界机组给水全程控制是实现超临界机组 APS 控制的一个非常重要的环节。

2 超临界机组锅炉给水系统的组成及启停、运行要求
2.1 超临界机组锅炉给水系统的组成 超临界机组给水控制系统与亚临界机组汽包炉的控制有很大的区别。图 1 为一个典型的启动系 统分离器内置式、配置循环泵的 2 × 600MW 机组直流锅炉,启动系统设计负荷为额定负荷的 35%,炉膛最小给水流量为 27%。系统主要配制如下: 2 台容量为 50%的汽动给水泵和 1 台容量为 30%的电动给水泵;

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1 台设计流量为额定负荷给水流量约 40%的锅炉循环水泵; 2 个高水位疏水调节阀(341)及其关断阀; 1 个给水旁路调节阀; 1 个循环泵循环水流量调节阀(381)和再循环流量调节阀(382); 1 个过冷水控制阀(383)等。 直流锅炉的一个主要特点是没有汽包,给水在给水泵压头的作用下,顺序经过省煤器、水冷 壁、辐射过热器、对流过热器,一次将给水转化为蒸汽,蒸汽和给水没有固定的汽水分界点。 直流锅炉的另一个主要特点是设置专门的启动系统,启动系统在直流锅炉的启动和停运过程中 主重要作用是在锅炉启动、低负荷运行(蒸汽流量低于炉膛所需的最小流量时)及停炉过程中,维 持炉膛内的最小流量,以保护炉膛水冷壁管,同时满足机组启、停及低负荷运行时对蒸汽流量的要 求。 2.2 超临界机组锅炉给水系统的启停和运行要求 带内置式分离器、设置启动循环泵的直流超临界锅炉启动也分为冷态、温态、热态和极热态四 种启动方式,其冷态启动方式工作过程和要求主要如下: 完成启动前的各项检查和准备工作→锅炉上水、冷态清洗、建立炉水循环→炉膛吹扫→投油 点火→渡过汽水膨胀期→升温、升压、暖管→汽轮机冲转→并网带初负荷→投煤升负荷→分 离器湿态转干态、锅炉进入直流运行→增加负荷至满负荷。

(1) 锅炉上水、冷态清洗和建立炉水循环阶段。启动锅炉给水泵或凝结水泵以约 10%MCR 的流 量向锅炉上水,直到贮水箱中水位升到正常水位区间。然后投入高水位控制阀 341 阀自动,控制贮 水箱水位。上水完成后,若需要进行冷态清洗,则将给水泵流量增至 30%MCR 对锅炉进行冷态清 洗。冷态清洗完成后,首先将给水泵流量减小至 7%MCR,其中约 4%MCR 的流量由给水泵直接经 过高压加热器后进入省煤器,另外约 3%MCR 流量通过 383 阀进入贮水箱以向锅炉循环泵提供过冷 水保护。然后由运行人员启动循环泵,循环泵启动后,开启 381 阀,建立炉水循环,使进入炉膛的 流量高于炉膛最小流量值。 (2) 炉膛吹扫、锅炉点火阶段。维持正常的炉水循环,进行锅炉吹扫、点火。 (3) 度过汽水膨胀期、升温升压阶段。当离开分离器的蒸汽量超过总给水流量(7%MCR)时, 贮水箱中的水位下降到高水位的下限值以下,导致 341-1 阀关闭。此时,381 阀开始控制贮水箱水 位。 (4) 汽机冲转、并网带负荷阶段。控制给水稳定运行,满足机组冲转、并网要求。 (5) 投粉升负荷阶段。 a) 分离器出口蒸汽流量 7-20%MCR—— 随着产汽量的继续增加,为了维持一定的水箱水 位,381 阀不断关小,使循环泵到省煤器的循环流量不断减小,同时为了维持炉膛水 冷壁的流量不低于最小流量,给水泵流量将相应地增加。 b) c) 启动 1 台汽动给水泵。汽泵启动后,可以把电泵退出运行,也可以电、汽泵并列混合 运行。 分离器出口蒸汽流量 20-28%MCR——在分离器出口蒸汽流量大约为 20%MCR 时,循 环泵的流量接近其最小流量,此时再循环阀 382 阀将打开来维持循环泵的流量大于其
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所需的最小流量。当分离器出口蒸汽流量接近 28%MCR 时,进入分离器的介质将全 部是蒸汽,导致水位进一步下降,当贮水箱水位低于正常水位下限值时,381 阀门关 闭。 (6) 汽水分离器湿态转干态,锅炉进入直流运行。当过热器出口主汽流量达到 30%MCR 时,锅 炉进入直流运行模式,此时主汽流量等于给水泵提供的总给水流量(约 28%MCR 水冷壁流量+约 2%MCR 减温水流量)。之后,循环泵停运,383 阀关闭,启动系统停运。 (7) 升负荷至满负荷。电泵退出运行,启动第 2 台汽动给水泵。 停运过程是启动过程的逆过程,主要过程如下: (1) 减负荷阶段。退出 1 台汽动给水泵运行。 (2) 汽水分离器干态转湿态,启动系统投入运行阶段。启动电泵、投入电泵运行。电泵投入 运行,且机组负荷小于 25%后,可以把汽动给水泵退出,切除汽动给水泵。 (3) 锅炉 MFT,停止给水。

图 1 超临界机组锅炉给水系统的组成

3 超临界机组锅炉给水全程控制方案
超临界机组锅炉给水控制系统是一个从锅炉上水到机组满负荷,从满负荷又到锅炉停运包含启 动、停止、正常运行、变负荷运行调节控制的全行程自动控制系统。相应的控制系统则包含给水流 量调节,电泵启停控制,汽动给水泵启停控制,与 MEH 配合完成启动给水泵冲转到初始转速,投 入 MCS 遥控控制。超临界机组锅炉给水全程控制设计需考虑的主要因素有:
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(1)燃水比率匹配。始终保持锅炉燃料量与给水量匹配是超临界机组控制的首要任务。燃水 比率的失衡将直接影响主汽温度、压力和机组的负荷,因此燃水比控制稳定是实现直流超临界锅炉 给水全程控制的最核心问题。超临界机组工质压力、温度等参数变化范围大(从亚临界到超临 界),运行工况复杂,给水系统呈现出严重的非线性。系统设计需考虑根据负荷引入变 PID 参数控 制、变给定值控制、非线性环节以及变工况动态补偿等措施适应这些情况,保证系统在各工况运行 始终保持稳定。 (2)并泵、切泵控制过程给水流量扰动。超临界锅炉主汽温度对给水的扰动特别敏感,10% 的扰动将产生 100 多度的温度变化,汽温的变化将带来减温喷水量的变化,从而进一步加剧燃水比 率的失衡。因此并泵、切泵过程应采取有效措施,使给水流量波动尽可能小。 (3)给水泵流量自动平衡。并泵过程中自动实现运行泵与并入泵的的负荷平稳转移,直至完 成各给水泵的出力平衡,将有效地保持锅炉运行的稳定,维持燃水比率在设计的范围内,从而保证 了汽温、汽压、机组负荷的稳定。 (4)MCS 与 MEH、SCS 等系统间的互动、无缝连接是给水全程控制系统设计必须给予足够 重视的部分。给水全程控制系统的实现需要对给水顺控功能组进行合理的配制、规划,实现其与 MCS 和 MEH 无扰互动。 (5)重要测点必须采取双冗余或三冗余测量,并进行温度、压力修正,保证信号的准确性。 工艺系统设计及主要执行机构的选型合理也是实现给水全程控制的主要一个环节。如给泵最小流量 阀的通流量及线性在给水全程控制中具有很重要的作用。 (6)最小流量控制。 超临界机组锅炉给水全程控制控制系统主要包括启动系统控制、给水流量需求指令运算与控制 回路,给水泵转速控制与流量平衡控制回路、最小流量阀控制回路及给水旁路阀控制回路组成。 3.1 启动系统控制 分离器内置式、配置循环泵的超临界机组锅炉启动系统主要控制对象有贮水箱高水位控制阀控 制、循环泵流量控制和过冷水流量控制等。 贮水箱水位控制阀有两个,其通流能力不一样,分别为 14%MCR 和 31%MCR。其主要在锅炉 上水、冷态清洗及低负荷时控制贮水箱水位,其控制范围见图 2 曲线。

100%

V381

V341-1

V341-2

L1 L1’

L2

L2’ L2” L2’’’

图 2 启动系统阀门控制曲线 循环泵流量控制阀为贮水箱水位正常控制阀,但其在循环泵启动,建立炉水循环时全开,不控 制贮水箱水位。只在离开分离器的蒸汽量超过总给水流量(7%MCR),贮水箱中的水位下降到高 水位的下限值以下,导致 341-1 阀关闭时才开始控制贮水箱水位。在负荷上升到 28%,进入分离器 的介质将全部是蒸汽,导致水位进一步下降,当贮水箱水位低于正常水位下限值时,381 阀退出贮 水箱水位控制,图 3 为启动系统主要被控对象的控制逻辑。341-1、341-2 高水位疏水控制阀阀位指 令为贮水箱水位 Hw 的函数,经过贮水箱压力 Pw 校正后与其阀位反馈求偏差,保证在贮水箱水位
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升高时按设计要求打开。函数 f(t)作用是在水位升高时超驰打开,防止水位升高。循泵流量调节阀 在贮水箱水位高于 L1’时全开,在低于 L1’时开始控制贮水箱水位。Fmax 为最大循环水流量,Fbcp 为实测的循环水流量,f(t)为惯性环节,作用是在 7~20%负荷时,随着蒸汽流量的增加逐渐减少循 环泵到省煤器的流量,同时允许贮水箱水位逐渐下降。过冷水流量 383 阀的作用是维持循环泵运行 时的静压头,其给定值是循环水泵流量的函数。系数 K 是把循泵运行的静压头差压需求转换成过冷 水流量需求值,其给定值经 381 阀的指令限制,以确保循泵始终具有满足需求的静压头。 Hw Pw Fmax
L1’

Fbcp

DPNPSH

f(t) △

f(x)
L2’

f(x) f(x) f(x)
L2”

K ∑

f(x) f(t) < △ >
3%

f(x) △
0%

≮ K



×

× PV △ PID 341-1 PV △

f(x)

> △

<
Fsc △ PID 341-2 PID 381 PID 383

图 3 启动系统控制逻辑 3.2 给水流量需求指令形成 锅炉给水流量控制系统负责向锅炉给水泵发出流量需求信号,使进入锅炉的给水量与离开锅炉 的蒸汽量相匹配。当与锅炉启动系统配合时,给水流量控制系统还需负责维持炉膛水冷壁管中的流 量不低于最小流量值。给水流量需求指令形成回路见图 4。 这是一个采用焓升方案的直流锅炉给水控制方案,锅炉燃烧率需求指令并行送至燃烧主控和给 水流量控制回路,首先确保各负荷下燃料与给水比率匹配。炉膛目标吸热率程序、锅炉给水流量目 标值程序和炉膛焓增目标值程序根据锅炉负荷指令要求,在除去锅炉金属储能后算出炉膛目标吸热 量,然后与炉膛焓增需求值运算得出锅炉给水流量需求值,再与实际炉膛给水流量比较得出偏差, 经给水控制器产生锅炉给水泵转速指令。在蒸汽流量小于最小炉膛给水流量时,炉膛最小给水流量 限制程序强制给水流量给定值为炉膛最小给水流量。 焓值控制的任务是保证分离器出口蒸汽焓始终在其设计的范围内。焓值控制器控制微过热器蒸 汽出口焓(汽水分离器出口)。微过热出口蒸汽焓与过热器出口蒸汽焓比较,他们有相似的动态特 性曲线,但微过热出口蒸汽焓惯性小,响应快,能快速地反映锅炉燃水比信号的变化,代表性强, 取该点修正燃水比可以获取较好的控制质量。 温度控制器的的作用是锅炉在直流运行中对过热器喷水流量偏离了预定目标值的修正及对对蒸 发器温度的上限限制。如果实际减温水流量发生偏差导致一级减温器温降偏离目标值,温度控制就 会去修正分离器出口的整定焓值,改变焓值控制的输出,从而改变给水流量指令,消除控制偏差,

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从而最终维持锅炉准确的燃水比率。温度控制器通过修改分离器出口的整定焓值来维持一级减温器 的目标温降,如果一级过热器出口的温度值超过了该负荷对应的一级过热器出口的最大温度限值, 则温度控制器将优先降低分离器出口的温度整定值,而不是象正常情况下那样去维持一级减温器的 温降。在炉膛给水流量低于最小流量值时,温度控制器退出控制。 锅炉负荷 需求程序 省煤器出 口焓值 分离器出口 目标焓值 分离器 出口焓 锅炉金 属蓄能 给水流 量程序 炉膛焓增 目标值

f(x) 一减 温降 一过出口 温度限制 控制

f(x)

△ <
温度 控制器

△ ∑



炉膛目标 吸热率 焓值 控制器 给水流量 需求程序

炉膛最小 给水流量 限制程序


炉膛焓增需求值

<
给水流量 控制器

锅炉循环 水量需求

给水泵转速指令
图 4 超临界锅炉给水流量控制框图 3.3 给水泵转速控制 由于汽泵容量各为 50%,电泵容量只有 30%,如果直接把给水泵指令平均分配送到给水转速控 制回路中,将会造成各泵的出力不平衡,从造成给水控制不稳定。因此给水泵转速控制回路中必需 考虑各泵的出力与流量平衡,自动分配各泵的流量指令。 图 5 为一个典型的指令平衡方式,给水控制器输出的给水泵转速公共指令分别送至电泵和 2 台 汽泵,电泵指令为公共指令的函数与偏置之和。函数 f(x)根据电泵与汽泵的负载特性及电泵的设计 出力整定。在泵手动或停运时,切换器选择偏差输出,M/A 站的偏置跟踪偏差输出。自动时,切换 开关选择操作员的偏置给定。速率限制器在自动时起作用,以确保启泵、并泵、退泵时负荷的平稳 转移,手自动切换时的无扰操作。仅一台电泵运行时,电泵接受全部负荷指令。 3.4 最小流量阀及给水旁路阀控制 给水泵最小流量控制除了为给水泵提供最小流量保护控制外,在给水全程控制系统中有着重要 作用,其作用体现在自动并、切泵过程中。在并泵过程中,当以一定速率提升并入泵转速时,最小 流量控制阀在维持泵对应转速下的最小流量同时,配合泵保持泵出口给水压头连续稳定上升,直至
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并泵完成。在自动切除泵时,在泵转速以一定速率下降过程中,时刻保持泵进口流量与给水泵转速 匹配。因其动作是连续、可调的,从而避免了阀门的突然开关给给水控制带来冲击。 在直流超临界机组给水控制系统中,给水旁路阀控制比汽包炉简单,其主要控制给水母管压 力,保证泵的工作点始终落在最低压力 Pmin 线和下限特性曲线之上。 给水泵转速公共指令

f(x)
∨≯





∨≯



∨≯



T

M/A

M/A

T



M/A

T



A 泵指令

B 泵指令 图 4 给水流量平衡控制

电泵指令

4 超临界机组锅炉给水全程控制系统与 MEH、SCS 的配合
给水全程控制系统除了需要非常完善的调节系 统设计外, 还需要与 MEH 、 SCS 或更高级的 APS 系统密切配合、协同工作才能实现全过程的给水泵自动启停、自动流量调节、增减负荷、变负 荷控制。如各给水泵、阀门什么时候该启、打开、投自动,这些系统间的互动功能如何实现无缝连 接尤其重要。 4.1 给水系统 SCS 功能组的设计 功能完备、合理的顺控功能组的设计是给水全程控制系统必不可少的一个环节,很多系统设计 没有在这方面投入必要重视。给水全程控制系统一般情况下至少包括以下几个功能组:电泵启停功 能组、汽泵启停功能组(2 台汽泵分开)、炉水循环泵启停功能组、主给水功能组。电泵功能组包 括电泵、前置泵、润滑油泵及其阀组的启停控制;汽泵功能组比较复杂,其功能需包括:①汽泵水 泵、前置泵等水侧设备的启动;②小汽机抽真空等设备的投运;③给 MEH 发指令,完成小汽机的 挂闸、冲转、升速至初始转速、投遥控等功能;④给汽泵转速调节系统发升速、并泵等指令,直至 完成并入泵的流量负荷平衡,带上额定负荷。汽泵还需设置一个油功能组,完成主油泵的启动、 EH 油压、润滑油压的建立,盘车设备的投运等功能。机组没设计 APS 系统的,需设计 1 个主给水 功能组,该功能根据机组启停的不同阶段,完成电泵、汽泵、汽泵油系统等各功能组的启停调度与 管理等功能,包括启动过程中电泵切除、停运,减负荷停机过程电泵的启动、并入运行等。DCS 设 计有 APS 系统,可把主给水功能组的功能设计在 APS 各断点程序中,不单设主给水功能组。 4.2 给水全程控制系统的工作过程 整个给水控制系统根据机组不同的负荷阶段和不同的给水控制对象特性,选择与之相适应的控 制方式,对给水实现全过程、连续控制。整个给水全程控制系统的工作过程如下: 锅炉上水、冷态清洗和建立炉水循环阶段:主给水功能组指令启动系统冷态启动方式,锅炉上
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水流量设定 10%,电泵功能组启动,给水旁路阀、最小流量阀投入自动,锅炉以 10%流量上水。贮 水箱上水到指定水位后,341 高水位疏水阀投入自动。锅炉上水完成,置给水流量设定值为 30%, 进行冷态清洗。水质合格后,启动系统冷态启动方式复位,冷态清洗结束,过冷水流量阀投入自 动,锅炉给水流量自动设置为 7%。然后启动炉水循环泵功能组,启动循环泵,投入循泵循环水流 量阀和再循环流量阀自动,建立炉水循环,使进入炉膛的流量高于炉膛最小给水流量值。 炉膛吹扫、锅炉点火阶段:维持正常的炉水循环,进行锅炉吹扫。吹扫检漏完毕, MFT 复 位,给水流量给定自动设定为炉膛最小给水流量。 汽水膨胀期、升温升压阶段:保持锅炉给水稳定,用 341 高水位疏水阀控制贮水箱水位。当离 开分 离器的蒸汽量超过总给水流量( 7 % MCR )时,贮水箱中的水位下降到高水位的下限值以下 时, 341-1 阀关闭。此时,381 阀开始控制贮水箱水位。 7%~20%负荷阶段:随着产汽量的继续增加,为了维持一定的水箱水位,381 阀需不断关小, 使循环泵到省煤器的循环流量不断减小,为了维持炉膛水冷壁的流量不低于最小流量,给水泵流量 将自动相应地增加。 当负荷达到 20%负荷时,第 1 台汽动给水泵启动与并泵,主给水功能组指令第 1 台汽泵功能组 启动。当第 1 台汽泵冲转到预定转速,泵出口压力达到预定压力后,汽泵投入自动,并入第 1 台汽 泵,给水系统根据给水流量负荷分配方式,自动把电泵的部分负荷按设定速率缓慢转移到第 1 台汽 泵上。 20~28%负荷阶段:在分离器出口蒸汽流量大约为 20%MCR 时,循环泵的流量将接近其最小 流量,此时再循环阀 382 阀将打开以维持循环泵的流量大于其所需的最小流量。当分离器出口蒸汽 流量接近 28%MCR 时,进入分离器的介质将全部是蒸汽,贮水箱水位进一步下降,在水位低于正 常水位下限值 L1’时,381 阀关闭。 28~35%负荷阶段:汽水分离器湿态转干态,锅炉进入直流运行。当过热器出口主汽流量达到 30%MCR 时,锅炉进入直流运行模式,此时主汽流量等于给水泵提供的总给水流量(约 28%MCR 水冷壁流量+约 2%MCR 减温水流量)。之后,循环泵停运,383 阀关闭,启动系统停运。给水焓 和温度控制适时投入自动,保证锅炉给水量与燃料量匹配。 当负荷到达 40%负荷时,主给水功能组发出电泵退出指令,电动给水泵切至手动,然后自动缓 慢降低其转速到停泵转速,然后发指令到 SCS 停止电泵。 第 2 台汽泵启动与并泵:电泵退出完成,给水控制稳定,主给水功能组发第 2 台汽泵启动指 令。当第 2 台汽泵冲转到预定转速,泵出口压力达到预定压力后,自动投入自动,并入第 2 台汽 泵,给水系统根据给水流量负荷分配程序,自动把第 1 台汽泵的部分负荷按设定速率缓慢转移到第 2 台汽泵上。至此给水系统启动完成,给水流量调节系统将根据燃水比自动控制给水流量,满足机 组升负荷要求。

5 结论
超临界机组给水控制系统与亚临界汽包炉有着很大的区别,超临界机组锅炉给水全程控制系统 的控制任务是在低负荷时保持给水流量不低于最小炉膛给水流量,在锅炉进入直流运行时,保持适 当的燃水比。给水全程控制系统在首先要保证燃水控制稳定,然后根据锅炉运行操作规程、启停操 作控制要求设计完善的 MCS、SCS 和 MEH 控制逻辑,使系统间实现无扰互动。在并泵、切泵等过 程中,采取适当的超驰、微分或惯性环节必须的。精心的试验、调试和整定更重要,目前很多系统 投入不了全程控制,调试单位得不到足够的时间调试和试验是一个重要因数。
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