顧徐鵬

(華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

二次再熱超超臨界機(jī)組給水系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計(jì)

顧徐鵬

(華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

泰州電廠二期是國(guó)內(nèi)首臺(tái)二次再熱燃煤機(jī)組。介紹泰州二期電廠的給水系統(tǒng)的配置情況，分析鍋爐在各個(gè)運(yùn)行階段給水系統(tǒng)的控制要求，得出濕態(tài)運(yùn)行階段和干態(tài)運(yùn)行階段給水控制邏輯的設(shè)計(jì)方案。

二次再熱；給水控制；焓值控制。

給水主控是1000MW超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的部分。直流鍋爐的給水控制相對(duì)于汽包爐的三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其控制精度和系統(tǒng)響應(yīng)速度要求都更高，控制模式也更為復(fù)雜。

國(guó)電泰州電廠二期百萬千瓦超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組是我國(guó)自主設(shè)計(jì)、自主制造的首臺(tái)超超臨界二次再熱機(jī)組，主機(jī)參數(shù)為31 MPa/600/610/610℃，建成后它將成為全世界容量最大的二次再熱機(jī)組，具有重要的示范作用。本文將詳細(xì)介紹機(jī)組在不同運(yùn)行階段給水系統(tǒng)的控制策略。

1　泰州電廠二期的給水系統(tǒng)

泰州電廠二期的鍋爐采用了上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的1000MW超超臨界、單爐膛、二次中間再熱、變壓直流、塔式鍋爐，鍋爐配置了帶再循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)。主給水泵為2x50%的汽動(dòng)給水泵組，啟動(dòng)汽源由電廠一期輔助蒸汽系統(tǒng)提供，不再配置電動(dòng)給水泵。

給水系統(tǒng)的主要流程見圖1，來自高壓加熱器的給水經(jīng)過省煤器、水冷壁進(jìn)入鍋爐啟動(dòng)分離器，低負(fù)荷時(shí)啟動(dòng)分離器處于濕態(tài)運(yùn)行，起著類似于鍋爐汽包的作用，經(jīng)汽水分離器分離后的水儲(chǔ)存在分離器儲(chǔ)水箱中。鍋爐啟動(dòng)期間, 當(dāng)爐水不合格時(shí), 爐水可以通過儲(chǔ)水箱底部的溢流調(diào)節(jié)閥送至疏水?dāng)U容器直接排放。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的水質(zhì)合格時(shí), 爐水經(jīng)再循環(huán)泵被再次送到省煤器進(jìn)口進(jìn)行循環(huán)，從而減少了由于排放而造成的工質(zhì)和能量的損失，有效地縮短了鍋爐在冷態(tài)和穩(wěn)態(tài)的啟動(dòng)時(shí)間。當(dāng)機(jī)組大于30%負(fù)荷以后，鍋爐很快轉(zhuǎn)入干態(tài)運(yùn)行，工質(zhì)到達(dá)啟動(dòng)分離器時(shí)已完全汽化，這時(shí)啟動(dòng)分離器相當(dāng)于鍋爐中間點(diǎn)的一個(gè)蒸汽聯(lián)箱。

圖1　泰州電廠二期給水系統(tǒng)主要流程圖

給水母管上設(shè)置了主給水截止閥，同時(shí)還有一路滿足啟動(dòng)容量的給水旁路，設(shè)置一臺(tái)給水旁路調(diào)節(jié)閥用于低負(fù)荷時(shí)的給水流量調(diào)節(jié)，當(dāng)給水流量指令大于汽動(dòng)給水泵的最小出力時(shí)，給水流量將切換到由給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)，給水旁路調(diào)節(jié)閥這時(shí)將全開。

2　給水系統(tǒng)的控制要求

充分了解系統(tǒng)的運(yùn)行方式，對(duì)控制策略的設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。超超臨界機(jī)組給水系統(tǒng)的運(yùn)行主要分為以下幾個(gè)階段：

(1) 停運(yùn)階段：在點(diǎn)火前，鍋爐需要適當(dāng)進(jìn)水，給水由汽動(dòng)給水泵打入鍋爐，對(duì)啟動(dòng)分離器前的各段受熱面進(jìn)行沖洗，并監(jiān)視分離器儲(chǔ)水箱的水質(zhì)，按照水質(zhì)情況將爐水排放至地溝，或回收到凝汽器，直到爐水品質(zhì)合格，開啟鍋爐啟動(dòng)循環(huán)泵，并在各風(fēng)系統(tǒng)完成爐膛吹掃，且風(fēng)溫滿足點(diǎn)火要求后，鍋爐可以開始點(diǎn)火升溫。

(2) 低負(fù)荷濕態(tài)運(yùn)行階段：即鍋爐點(diǎn)火后3 min 起至鍋爐轉(zhuǎn)干態(tài)前。此階段鍋爐工作特性類似于汽包爐，分離器儲(chǔ)水箱液位由給水旁路調(diào)節(jié)閥來控制，給水母管壓力則通過控制汽泵轉(zhuǎn)速來保證。同時(shí)，通過控制啟動(dòng)循環(huán)泵出口調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)再循環(huán)流量，維持鍋爐啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)所需的最小流量，保證水冷壁的安全運(yùn)行。

(3) 干態(tài)運(yùn)行階段：在這一運(yùn)行狀態(tài)下，加熱段、蒸發(fā)段和過熱段沒有固定的分界線，給水一次性流過三段受熱面。給水控制系統(tǒng)的任務(wù)不僅是要向鍋爐輸送合格的工質(zhì)，還擔(dān)負(fù)著負(fù)荷控制和汽溫控制的任務(wù)。因此，在干態(tài)運(yùn)行時(shí)，鍋爐給水流量控制是基于中間點(diǎn)焓值(汽水分離器出口焓值)的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

由此可見，直流爐的給水控制在鍋爐停運(yùn)階段、濕態(tài)運(yùn)行階段和干態(tài)運(yùn)行階段都擔(dān)負(fù)著不同的控制任務(wù)，系統(tǒng)的控制要求、控制手段都不一樣，是一個(gè)極為復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

3　濕態(tài)運(yùn)行階段的給水控制

濕態(tài)階段時(shí)的直流鍋爐汽水分離器相當(dāng)于鍋爐汽包，故此時(shí)的給水控制也類似于汽包鍋爐。在濕態(tài)階段給水控制的主要任務(wù)是合理控制分離器水位，同時(shí)確保鍋爐給水流量不低于水冷壁要求的最低限值，如果分離器水位過高或者給水流量過低都會(huì)導(dǎo)致鍋爐跳閘。

圖2是濕態(tài)運(yùn)行階段給水指令的生成邏輯。給水指令以分離器貯水箱水位作為目標(biāo)進(jìn)行控制，水位偏差的變比例環(huán)節(jié)、分離器壓力計(jì)算出的控制系數(shù)都由鍋爐廠給定。當(dāng)分離器壓力大于20 MPa時(shí)，鍋爐運(yùn)行已接近濕態(tài)運(yùn)行上限，這時(shí)比例積分(Proportion and Integration, PI)控制器的輸入將切換到焓值偏差，并在控制系統(tǒng)判斷鍋爐進(jìn)入直流狀態(tài)后，將給水控制平滑地轉(zhuǎn)入干態(tài)控制方式。通常主蒸汽流量可作為分離器水位三沖量控制的一個(gè)輸入，起到改善調(diào)節(jié)品質(zhì)的作用，但泰州電廠二期沒有設(shè)置主蒸汽流量測(cè)點(diǎn)，且筆者認(rèn)為改用鍋爐燃燒率或機(jī)組負(fù)荷替代主蒸汽流量在這里作為前饋指令并不合適，所以設(shè)計(jì)邏輯時(shí)把分離器水位轉(zhuǎn)為單沖量控制。

由于采用汽動(dòng)給水泵啟動(dòng)的方式，而汽動(dòng)給水泵的最低工作轉(zhuǎn)速較高，在最低工作轉(zhuǎn)速下給水泵出口流量會(huì)遠(yuǎn)超過啟動(dòng)初期鍋爐所需要的給水流量，此時(shí)由給水旁路調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)給水流量和控制分離器水位，而給水泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥則保證給水泵的最小流量。隨著鍋爐蒸發(fā)量的增加，給水量需求也會(huì)逐漸加大，給水旁路調(diào)節(jié)閥慢慢開啟，給水泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥逐漸關(guān)小直至全關(guān)。在這一過程中給水泵的轉(zhuǎn)速會(huì)逐漸升高，當(dāng)轉(zhuǎn)速離開最低工作值一定距離、給水旁路調(diào)節(jié)閥開度較大且有一定給水流量時(shí)，進(jìn)行控制切換，由給水泵轉(zhuǎn)速來控制分離器水位，而后全開給水旁路調(diào)節(jié)閥和主給水電動(dòng)截止閥。

在濕態(tài)運(yùn)行階段，如果再循環(huán)泵故障無法運(yùn)行，則給水控制將有所變化，此時(shí)給水旁路調(diào)節(jié)閥或給水泵轉(zhuǎn)速不再控制分離器水位，而是控制給水流量以滿足鍋爐水冷壁需要的最小流量。在這種方式下，啟動(dòng)初期鍋爐進(jìn)水流量必定會(huì)大于蒸發(fā)量，使得分離器水位升高，只能由分離器水位溢流調(diào)門將多余的工質(zhì)放至鍋爐疏水?dāng)U容箱，相當(dāng)于放掉熱水，補(bǔ)充冷水，這將延長(zhǎng)機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間。

圖2　濕態(tài)運(yùn)行階段的給水指令

4　干態(tài)運(yùn)行階段的給水控制

干態(tài)運(yùn)行時(shí)，所有的給水將一次性地全部轉(zhuǎn)化為過熱蒸汽，這樣給水流量的變化將直接影響機(jī)組負(fù)荷和主蒸汽溫度，所以在機(jī)爐協(xié)調(diào)控制中，給水控制就成為了配合機(jī)組出力、初步調(diào)節(jié)過熱汽溫的重要手段。如果選擇末級(jí)過熱器出口溫度直接作為給水流量的控制參數(shù)，由于鍋爐燃燒過程存在很大的慣性，給水流量變化反映到主蒸汽溫度延遲時(shí)間較長(zhǎng)，控制器將難以獲得良好的控制效果，而分離器出口焓值相對(duì)來說能更快的反映鍋爐燃燒和給水的匹配情況，所以干態(tài)運(yùn)行階段的給水控制一般都采用基于分離器出口焓值的控制策略。

干態(tài)方式下的給水指令見圖3，它是一個(gè)帶有前饋的中間點(diǎn)焓值PI控制器。鍋爐負(fù)荷指令通過函數(shù)換算到給水流量作為給水主控的前饋指令，因?yàn)殄仩t負(fù)荷同樣會(huì)送到燃料主控，所以給水前饋指令基本上保證了煤水比關(guān)系。由于燃料量變化對(duì)汽溫、汽壓的影響較給水對(duì)汽溫、汽壓的影響要慢，在負(fù)荷指令到給水的回路上加上了兩階慣性環(huán)節(jié)，使煤水變化速度得以匹配。在機(jī)組發(fā)生快速減負(fù)荷(Runback, RB)時(shí)，負(fù)荷指令到給水的慣性時(shí)間常數(shù)時(shí)會(huì)被減小，使得給水更快地響應(yīng)鍋爐負(fù)荷的變化。

焓值設(shè)定值由設(shè)計(jì)焓值和修正量?jī)蓚€(gè)部分疊加而成。鍋爐中間點(diǎn)設(shè)計(jì)焓值通過分離器儲(chǔ)水箱壓力計(jì)算得到，鍋爐廠提供了三個(gè)函數(shù)，分別代表了在某一設(shè)計(jì)工況點(diǎn)下的正常焓值以及焓值上下限，計(jì)算出的正常焓值將作為焓值設(shè)定值的基礎(chǔ)。為了更好地控制給水流量，焓值設(shè)定值還設(shè)計(jì)了兩路修正量，一路是當(dāng)水冷壁出口溫度大于最大設(shè)定值1(即圖3中的MAX SP1)時(shí)，會(huì)形成一個(gè)負(fù)修正值，降低給水焓值設(shè)定，從而加大給水量，降低水冷壁出口溫度；另一路是控制過熱器減溫水流量不偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)，保證噴水減溫有一定的控制裕度，當(dāng)實(shí)際減溫水流量大于設(shè)計(jì)值時(shí)，說明中間點(diǎn)焓值偏高，需要加大給水量。這兩路修正中取負(fù)修正作用大的一路通過積分作用，最終被疊加到焓值設(shè)定值上。另外，當(dāng)水冷壁出口溫度大于最大設(shè)定值2(即圖3中的MAX SP2)時(shí)，焓值設(shè)定值將直接切換到設(shè)計(jì)焓值下限，使得鍋爐快速加水，防止因水冷壁出口金屬溫度過高而發(fā)生主燃料跳閘(Main Fuel Trip, MFT)。

圖3　干態(tài)運(yùn)行階段的給水指令

5　結(jié)論

本文詳細(xì)分析了泰州二期電廠給水系統(tǒng)的配置情況，并介紹了鍋爐在各個(gè)運(yùn)行階段給水系統(tǒng)的控制要求，最后給出了濕態(tài)運(yùn)行階段和干態(tài)運(yùn)行階段給水控制邏輯的設(shè)計(jì)方案，希望能對(duì)其他超超臨界機(jī)組邏輯設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 吳建平，等．1000MW超超臨界機(jī)組給水控制系統(tǒng)分析及其優(yōu)化[J]，華東電力，2012，40(6)．

[2] 杜景琦，等．超臨界火電機(jī)組給水全程控制策略研究[J]，云南電力技術(shù)，2014，(42)．

[3] 何暢，等．1000MW超超臨界機(jī)組全程給水自動(dòng)控制的優(yōu)化與調(diào)整[J]，能源工程，2010，(01)．

Control Logic Design of Feed Water System for Double Reheat Ultra-supercritical Unit in Power Plant Tai Zhou

GU Xu-peng
(East China Electric Power Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

Tai Zhou Power Plant Phase II is the first double reheat coal fired power plant in China. Based on the feed water system of Tai Zhou Power Plant Phase II, a brief introduction of its configuration and the control requirements in different operation modes will be provided. The control logic of feed water system in one-through mode and none onethrough mode will be proposed finally.

double reheat; feed water control; enthalpy control.

TM621

B

1671-9913(2016)05-0017-04

2016-02-17

顧徐鵬(1985- )，男，江蘇啟東人，碩士，助理工程師，從事電廠熱工控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。