3-超临界机组给水自动控制策略分析与应用(李永军

超临界机组给水自动控制策略分析与应用李军1，孟祥荣1，郎澄宇1，于金栋2（1.山东电力研究院，山东济南250002；2.华电国际邹县发电厂，山东济宁273522）摘要：根据超临界直流炉的结构特点，有针对性的分析了汽水分离器水位控制及给水控制的相应特性。

分析起动时分离器贮水箱水位控制，其与汽包水位控制有相似之处，但过程更为复杂。

并分析机组干态时，如何结合过热器蒸汽温度对给水控制进行优化控制，实际运行后取得良好效果。

关键词：超临界直流炉；给水自动拉制；贮水箱水位控制；过热蒸汽温度文献标识码：B中图分类号：TK223.70引言我国在未来相当长的时期内电力生产仍是以煤为主的格局。

为保证电力行业可持续发展，加快电力结构调整的步伐，最现实、最可行的途径就是加快建设超临界机组，配备以常规的烟气脱硫系统，超临界和超超临界机组的发展已日趋成熟，其可用率、可靠性、运行灵活性和机组寿命等方面已接近亚临界机组。

理论上认为：在水的状态参数达到临界点时（压力22.129MPa、温度374.15℃)，汽化潜热为0，汽水密度差也为0，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，因此在超临界压力下无法维持自然循环，即不能采用汽包锅炉，只能采用直流锅炉。

理论和实践证明常规超临界机组的效率可比亚临界机组高2%左右，而对于高效超临界机组，其效率可比常规超临界机组再提高4%左右。

超临界机组运行的稳定性和经济性强烈地依赖于自动控制系统。

与常规亚临界机组相比，超临界机组的动态特性复杂，主要表现为：（1）动态特性随负荷大范围变化，呈现很强的非线性和变参数特性；为了适应调峰的需要，超临界机组常采用复合变压运行，这就意味着超临界机组实际上也要在亚临界区运行，由于亚临界和超临界工质的特性不同，需要调节器的也要进行变参数调节；（2）由于没有汽包，在各个控制回路之间，存在着很强的非线性耦合，直流炉的控制对象是一个三输入、三输出的耦合系统当给水量、给煤量、汽轮机调门任一数值发生改变时，机组有功功率、主汽压力和主汽温度都会发生变化；（3）锅炉蓄热小，容易发生超温超压由于直流炉给水流量的变化对机组负荷、主汽压力、主汽温度的影响最大。

1直流锅炉的调节特点直流锅炉的主要特点是汽水流程中不设置汽包，给水泵强制一定流量的给水进入炉内，一次性地通过省煤器、水冷壁、过热器。

循环倍率始终为1，与负荷无关。

在直流锅炉中，给水加热成蒸汽一次完成，汽水通道可看作由加热段、蒸发段、过热段三部分组成。

其中蒸发段是汽、水混合物，随着管道的往后推移，工质由饱和水逐渐被加热成饱和蒸汽。

三段受热面没有固定的分界线，随着给水流量、燃烧率的变化前、后移动，三段受热面的吸热量分配比例及与之有关的三段受热面面积的比例却发生了变化。

但蒸发段的前移会使过热汽温偏高，蒸发段后移则引起汽温偏低，甚至品质下降，这对机组运行极为不利，所以要控制蒸发段的位置。

一般来说，要控制蒸发段出口的微过热汽温，若其偏离规定值，则说明由于燃烧率与给水比例不当致使蒸发段发生移动，应及时调节燃烧率和给水流量。

直流锅炉的工质是一次地通过各受热面的，而三段受热面面积又不是固定不变的。

所以当燃水比失调后，三段受热面吸热量比例发生变化，对出口汽温影响很大，对蒸汽压力和流量的影响方式也较为复杂。

当给水流量变化破坏了原来的平衡状态时，例如给水流量减少了，则蒸发段向锅炉汽水流程入口方向流动，汽水流程中各点工质的焓值都有所提高。

工质焓值上升是由两个原因引起的：一是因为受热面吸热量不变，而工质流量减少，引起流经本区的工质焓值上升；另一个原因是工质焓值随工质流过的受热面面积而增加。

所以离锅炉出口越近，工质的焓增越大，汽温变化也越大。

2直流锅炉动态特性分析汽轮机调节汽阀的扰动，对直流锅炉是一种典型的负荷扰动。

当调节汽阀阶跃开大时，蒸汽流量D和机组输出功率N E立即增加，随即逐渐减少，并恢复初始值，汽轮机阀前压力P T一开始立即下降，然后逐渐下降至新的平衡压力。

由于直流锅炉的蓄热系数比汽包锅炉小，所以直流锅炉的汽压变化比汽包锅炉大得多。

当负荷扰动时，过热汽温近似不变，这是由于给水流量和燃烧率保持不变，过热汽温就基本保持不变。

燃烧率扰动是燃料量、送风量和引风量同时协调变化的一种扰动。

当燃烧率B阶跃增加时，经过一段较短的迟延时间，蒸汽流量D会暂时向增加方向变化；过热汽温则经过一段较长的迟延时间后单调上升，最后稳定在较高的温度上；汽压P T和功率N E的变化也因汽温的上升而最后稳定在较高的数值。

当燃烧率不变而给水流量增加时，一开始由于加热段和蒸发段的伸长而推出一部分蒸汽，因此蒸汽流量D、汽压P T、功率N E几乎没有迟延的开始增加，但由于汽温的下降，最后虽然蒸汽流量D增加，而输出功率NE却有所减少；汽压P T也降至略高于扰动前的汽压，过热汽温则经过一段较长的迟延时间后，最后稳定在较低的温度。

给水和燃料复合扰动时的动态特性是两者单独扰动时的动态特性之和，由图1可知，当给水和燃料按比例变化时，蒸发量D立即变化，然后稳定在新的数值上，过热汽温则保持在原来的数值上（额定汽温）。

这就是说明严格控制煤水比是直流炉参数调节的关键。

3超临界机组给水控制系统直流锅炉是多变量控制系统，直流锅炉的控制任务与汽包锅炉有很大差别，对于直流锅炉不能像汽包炉那样，将燃料、给水、汽温简单地分为3个控制系统，而是将给水量与燃料量的控制与一次汽温控制紧密地联系在一起，这是直流锅炉控制最突出的特点。

图1燃料与给水比例增加时的动态特性3.1汽水分离器水位控制在锅炉启动过程中，首先通过给水泵和溢流管路调节阀的配合，建立稳定的水循环，然后点火。

在燃烧器附近的高热负荷区，水冷壁管内的工质首先被加热汽化，体积迅速膨胀，并在短时间内将产汽点后的水挤出，这个过程被称作汽水膨胀。

图2汽水分离器水位控制原理图经过膨胀阶段后，水冷壁内的工质均匀产汽，开始蒸发，水冷壁出来的汽水混合物在分离器中进行汽水分离，分离出来的饱和蒸汽进入过热器系统被继续加热。

而其余的饱和水则通过连接管排入贮水箱，经溢流管路排入扩容器。

随着锅炉负荷的增加，水冷壁的产汽量越来越大，贮水箱的水位也随之逐渐下降，溢流管路上的疏水调节阀逐渐关小。

汽水分离器水位控制原理如图2所示。

当负荷增加到本生负荷时，贮水箱水位降到最低，溢流管路调节阀关闭，锅炉由再循环模式转入纯直流状态下运行，此时给水流量与蒸汽流量相匹配。

在锅炉直流运行时，为保持启动系统保持热备用状态，设置了溢流管暖管管路，该管路取自省煤器出口，使溢流阀及其管路保持较高的温度水平，以保证该管路始终保持在“热备用”状态，一旦需要可以立即投入运行。

此暖管管路的水最终进入贮水箱，导致贮水箱水位升高。

为避免贮水箱满水位，系统设置了二级减温水旁路管路并设有调节阀，以便在锅炉直流运行时，能够有效控制贮水箱的水位。

当水位高于7.35m 时，该管路开启，调节阀逐渐打开将水排入二级减温器喷入过热器系统，该调节阀的开度同样是由贮水箱水位控制的，当水位上升至9.0m 时，调节阀全开，以确保锅炉在正常或事故停炉时，贮水箱能有一个清晰的水位。

二级减温水旁路管路只在锅炉干态（30%BMCR 直流负荷以上）时能够运行。

2040608010图3阀门开度曲线3.2给水流量控制直流锅炉的给水是在给水泵压头作用下，顺序地通过加热段、蒸发段、过热段，一次性地将给水全部变为过热蒸汽，其循环倍率等于1。

在直流锅炉中，给水变为过热蒸汽是一次完成的。

这样，锅炉的蒸发量不仅取决于燃烧率，同样也决定于给水流量。

因此，为了满足负荷变化的需要，给水控制和燃烧率控制是密切相关而不能独立的。

而且当给水流量和燃烧率的比例变化时，锅炉的各个受热面的分界就发生移动。

超临界机组中的给水流量控制回路是控制锅炉出口主蒸汽温度的一个最基本的手段。

由于超临界机组采用直流锅炉，而在直流锅炉中，给水流量的波动将对机组负荷、主蒸汽压力和主蒸汽温度等机组运行重要过程参数均产生较大影响。

由于机组负荷和主蒸汽压力已设计有其它控制手段，而一旦给水控制回路如果工作欠佳的话，将导致煤水比动态失调。

而这时锅炉出口主蒸汽温度仅靠喷水减温控制是无法满足机组运行对主蒸汽温度的要求。

因此，给水流量调节回路起到了控制锅炉总能力平衡（保持适当的煤水比）并维持汽水分离器出口蒸汽温度在一定范围内变化的作用。

某超临界机组锅炉给水控制系统中，采用两台分别带50%负荷的汽动给水泵作为正常负荷下的供水（考虑经济性，未设计电动给水泵，启动时利用老厂抽汽）。

省煤器入口的给水流量指令由基本信号和调节器PID 输出的校正信号两部分叠加而成。

基本信号主要实现锅炉的煤水配比，为锅炉主控指令信号经动态延时块F(t)后给出省煤器入口给水流量指令的基本值。

该值先经过一个滤波环节，目的是为了补偿燃料量和给水流量对水冷壁出口连箱给水温度的动态特性差异（给水流量对水冷壁出口连箱给水温度的影响比燃料量要快得多）。

给水流量设计值的另一部分是主调节器PID 输出，它根据水冷壁出口给水温度和水冷壁出口联箱给水温度设定值之间的偏差进行PID 运算后得到。

具体如图4所示。

同汽包炉相似，超临界直流炉在启、停和低负荷时用给水旁路阀来控制给水流量，为给水流量和锅炉负荷指令之间偏差的PID 调节加上锅炉负荷指令的前馈信号；当给水流量增加到某一定值后，主给水阀开启，给水旁路阀关闭，系统切换到汽泵转速控制的正常运行方式。

4实际运行效果根据上述方案对山东某电厂的超临界机组中进行逻辑制定、应用优化，控制效果显著。

启动过程中，分离器水位控制在要求阀位之内。

省煤器入口过热器减锅炉主指令汽水分离器汽水分离器机组给定图4给水控制逻辑示意图负荷波动时，给水控制效果良好，过热器温度和主汽温度波动较小。

图5机组启动时贮水箱水位趋势图在机组启动时，过热汽温稳定上升，贮水箱水位变化控制在600mm 以内，由于贮水箱本身物理构造细长，压力、温度对其影响较大，所以相对汽包炉水位而言，冲转及启动时波动会相对略大，但完全能够保证机组的安全、稳定启动要求。

图6负荷波动时过热度趋势图在机组负荷发生变化时，该机组的过热度变化幅度较小，控制在6～25之间，既确保蒸汽不带水，又确保了屏式过热器和末级过热器不超温，充分说明水煤比控制较好。

5小结汽压调节的任务是调节锅炉出力使之与负荷相适应。

对于汽包锅炉，锅炉出力的变更是依靠对燃料的燃烧调节（改变燃料量）来达到的，由于汽包有一定的储水容积，而与给水量无直接关系，而给水量按水位进行调节。

但对于直流锅炉，其产汽量直接由给水量来定，因而燃料量变化，不能直接引起锅炉出力的变化，只有变动给水量才会引起锅炉蒸发量的变化。