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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。


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