于 強

(國電科學技術(shù)研究院有限公司，南京 210023)

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，國內(nèi)生活水平的提高和工業(yè)快速發(fā)展，用電負荷急速增加，電力系統(tǒng)的供電形勢非常的嚴峻和電力行業(yè)的發(fā)展帶來機遇。世界環(huán)境污染日益嚴重，研究新能源是急不可待的課題，以可持續(xù)發(fā)展能源和環(huán)境保護為目的，超臨界機組已成為我國電力行業(yè)的主力機組。超臨界機組配備有常規(guī)的煙氣脫硫系統(tǒng)和脫硝系統(tǒng)，對環(huán)境的大氣污染降低到最低點。超臨界和超超臨界機組的發(fā)展已日趨成熟，其可用率、可靠性、運行靈活性和機組壽命等方面已接近亞臨界機組。對于超臨界機組，在超臨界壓力下，水到蒸汽的變化主要經(jīng)歷加熱階段和過熱階段，而無明顯的飽和蒸汽階段，這是與汽包鍋爐的本質(zhì)區(qū)別。分析直流鍋爐有三個主要特點：

(1)直流鍋爐是汽水一次性循環(huán)，不具有類似于汽包的儲能元件，因此鍋爐的儲能比較小，很難找到類似于熱量信號的僅反映燃料的變化而不反映汽機調(diào)門變化及給水流量變化的信號。

(2)直流鍋爐——汽機是復雜的多輸人多輸出的被控對象，燃料、給水、汽輪機調(diào)門3項控制量中任一項變化，都會對機組負荷、主汽壓力、中間點溫度的變化產(chǎn)生影響，使得超臨界機組的鍋爐——汽輪機的關(guān)系變得十分復雜，大大增加了控制的難度。

(3)直流鍋爐是汽水一次性循環(huán)，汽水設(shè)有固定的分界點，它隨著燃料、給水流量以及汽機調(diào)門的變化而前移或者后移，而汽水分界點的移動直接影響汽水流程中加熱段、蒸發(fā)段和過熱段的長度，影響主蒸汽的溫度，并導致主汽壓力、負荷的變化，因此控制中間點溫度一直被認為是直流鍋爐控制的主要環(huán)節(jié)。

1 機組結(jié)構(gòu)介紹

600 MW超臨界參數(shù)變壓直流爐，單爐膛、W火焰燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐，采用定壓或滑壓運行方式。鍋爐最大連續(xù)出力(BMCR)為2 129 t/h，鍋爐不投油最低穩(wěn)燃負荷45%B-MCR。過熱器汽溫采用二級噴水減溫，再熱器汽溫主要采用煙氣擋板調(diào)節(jié)，同時配有事故噴水減溫。給水系統(tǒng)設(shè)置兩臺50%BMCR容量的汽動給水泵和一臺30%BMCR容量的啟動定速電動給水泵。給水管路上配有一個30%容量的給水旁路調(diào)節(jié)閥和一個100%容量的電動截止閥。鍋爐啟動系統(tǒng)配有2只汽水分離器，1個儲水箱和鍋爐爐水再循環(huán)泵。配有三臺100%BMCR容量的高壓加熱器。高壓加熱器水側(cè)設(shè)給水大旁路。給水泵汽輪機正常工作汽源來自主汽輪機的四級抽汽，啟動及低負荷時由高壓汽源供給。

2 給水控制系統(tǒng)控制策略

2.1 鍋爐濕態(tài)運行時給水控制方案

調(diào)節(jié)給水流量是為了滿足鍋爐產(chǎn)汽量和蒸汽溫度控制的要求。在啟動和低于30% BMCR運行時，省煤器和水冷壁必須維持30% BMCR的最小通流量，以保證水冷壁在任何時候都能得到足夠的冷卻。這樣就需要鍋爐再循環(huán)泵從貯水箱將分離器分離出的給水泵入省煤器入口，再經(jīng)過水冷壁、折焰角回路、分離器、返回貯水箱。在開始蒸發(fā)時，通過增加給水量和減少循環(huán)流量來維持水冷壁30%BMCR 的流量。在穩(wěn)定狀態(tài)下，循環(huán)流量是由貯水箱水位確定的，給水泵流量是總給水流量與循環(huán)流量之間的差值。當蒸發(fā)開始后，水冷壁中的汽水混合物在分離器中分離，飽和蒸汽進入過熱器，飽和水返回到貯水箱。由于產(chǎn)生蒸汽，貯水箱水位下降，循環(huán)流量減少，增加給水流量去維持進入水冷壁的給水流量。當負荷增加到30%BMCR負荷時，貯水箱水位降到最低，循環(huán)泵控制閥關(guān)閉，當循環(huán)流量降低到約20%泵的設(shè)計流量時，最小流量截止閥開啟，泵在最小流量下運行。隨后鍋爐完全在純直流狀態(tài)下運行，給水流量與蒸汽流量相匹配。循環(huán)泵在貯水箱低水位下跳閘，貯水箱水位由水位控制切換到限制流量模式下運行。循環(huán)泵在負荷降至約20%BMCR負荷時自動啟動，將汽水分離器分離出來的水泵回省煤器入口。

在啟動升壓和低負荷運行期間，由于水的膨脹，水位會升高到超出泵控制范圍之外，開啟HWL閥及其隔離閥以降低水位。HWL閥控制分離器儲水箱的水位。鍋爐濕態(tài)運行時，給水旁路調(diào)門控制省煤器入口流量為鍋爐額定蒸發(fā)量的30%，約為670 t/h。

2.2 鍋爐干態(tài)運行時給水控制方案

在超臨界機組中要保證主蒸汽溫度的穩(wěn)定，必須要控制汽水流程，控制蒸發(fā)點。一般通過控制煤水比來粗調(diào)主蒸汽溫度，通過過熱減溫水來細調(diào)主蒸汽溫度。要保證直流鍋爐的過熱汽溫的穩(wěn)定，根據(jù)機組燃煤量來對應(yīng)鍋爐給水量控制好煤水比，由于燃料進入爐膛后燃料發(fā)熱響應(yīng)時間長大概需要三分鐘的時間，所以在燃料量后加三分鐘延時模塊，保證燃料發(fā)熱前后給水量能夠跟上，控制主汽溫度。通過控制汽水流程中汽水分離器出口溫度來控制主汽溫度。由于該點位于整個汽水流程的前部，因此該點溫度對煤水比失調(diào)的反應(yīng)快，慣性和遲延時間均較小。當給水量或燃燒率擾動時，汽水流程中各點工質(zhì)溫度的動態(tài)特性相似；在鍋爐的煤水比保持不變時，汽水流程中該點工質(zhì)的溫度就保持不變。對于定壓運行鍋爐，由于壓力一定，分離器出口溫度基本穩(wěn)定在某值。對于滑壓運行機組，由于壓力變化范圍很大，根據(jù)負荷的變化主汽壓力隨之變化，對應(yīng)的中間點溫度也變化，機組負荷對應(yīng)的中間點溫度不同。根據(jù)不同負荷下的中間點溫度和分離器出口溫度的變化作為鍋爐給水量的修正。機組運行過程中煤種變化大，就要求操作員按照目前的煤質(zhì)來手動修正中間點溫度的給定值，控制主汽溫度。再通過過熱減溫器細調(diào)主汽溫度，由于減溫器的減溫水是取自省煤器進口的主給水管路上，減溫水量增大而減少了省煤器進水量，而使鍋爐實際的給水量減少導致中間點溫度偏高，利用一級減溫進出口溫度差值作為中間點溫度的修正，一級減溫器進出口溫度差值大表明中間點溫度過高，經(jīng)過一級過熱器的蒸汽溫度高，為了防止一級過熱器管壁溫度超高損壞管壁，降低中間點溫度。

干態(tài)運行時給水控制為了保證鍋爐處于直流狀態(tài)，分離器出口的中間點溫度過熱度控制在8 ℃以上，中間點溫度過熱度在小于7 ℃時切除中間點溫度的給水量修正，以達到迅速減少給水量使中間點溫度過熱度上升，保證鍋爐處于直流狀態(tài)。在中間點溫度的過熱度大于8 ℃時，中間點溫度給水量修正回路投入控制主汽溫度。給水自動控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 給水自動控制系統(tǒng)示意圖

3 給水控制問題和解決方法

600 MW超臨界機組的鍋爐給水控制在運行過程中發(fā)現(xiàn)一些問題及解決方法：

3.1 磨煤機出口燃煤量計算方法

該機組采用的磨煤機為雙進雙出正壓直吹滾筒鋼球磨，磨煤機出力在設(shè)計裝球量(102 t)的情況下應(yīng)為56.0 t/h，給煤機為電子稱重式皮帶給煤機輸送能力5～75 t/h。由于磨煤機內(nèi)的煤粉通過容量風門熱一次風吹進爐膛，受到給煤機給煤量、一次風量、磨煤機中煤粉料位等因素的影響導致磨煤機出口燃煤量計算難度大。磨煤機出口燃料量的計算有兩種：

(1)通過給煤機的給煤量計算磨煤機出口燃煤量，煤進入磨煤機后，要經(jīng)過磨煤機的制粉過程，磨煤機出口燃煤量延遲較大，容量風門的開度影響吹進爐膛的煤粉量。因此通過給煤機的給煤量計算磨煤機出口燃料量誤差較大。

(2)根據(jù)容量風門的開度計算磨煤機出口燃煤量，按照容量風門開度特性對應(yīng)的磨煤機出口風量曲線計算容量風門和燃煤量函數(shù)。能夠?qū)崟r反映磨煤機出口的燃煤量，容量風門開度大，進入磨煤機的熱一次風量大，吹出來的煤粉量大。只有磨煤機的煤粉料位穩(wěn)定在正常料位，單位體積的熱一次風中的煤粉量穩(wěn)定不變，通過給煤機的給煤量控制磨煤機的煤粉料位。這種計算方法在機組運行過程中能夠準確反映磨煤機出口燃煤量。

3.2 燃料量偏差大

鍋爐給水定值由燃料量——給水流量函數(shù)算出，該函數(shù)就是煤水比函數(shù)，此函數(shù)為機組設(shè)計煤質(zhì)下的鍋爐給水與燃料的曲線。但燃煤煤質(zhì)變化較大，在相同的機組負荷下，維持鍋爐熱負荷是恒定的，維持鍋爐熱負荷吸收的給水流量也應(yīng)該是恒定的。而煤質(zhì)的大幅變化，導致鍋爐給煤量也大幅變化。由于函數(shù)為固定值，給水流量則大幅變化。鍋爐熱負荷不變，而給水流量大幅變化，無疑對機組主汽溫度造成極大的擾動。雖然有中間點溫度調(diào)節(jié)器對給水流量進行修正，但該調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用對比煤質(zhì)的變化調(diào)節(jié)較慢且幅度不大。

在運行初期是根據(jù)煤質(zhì)的不同手動修改給水流量指令的偏置，這種方式下運行人員的工作強度大，要時刻了解煤倉中的煤質(zhì)參數(shù)，根據(jù)主汽溫度的變化趨勢和中間點溫度過熱度手動設(shè)置給水流量指令偏置，手動調(diào)節(jié)過程中主汽溫度和中間點溫度過熱度波動較大，在操作不當?shù)那闆r下可能導致給水流量低MFT。這是一個急于解決的問題。

要解決煤質(zhì)變化對機組主汽溫度調(diào)節(jié)的影響，主要是解決主給水流量，需要對煤水比對應(yīng)的給水量進行修正。機組在協(xié)調(diào)運行方式下在燃煤量和機組負荷不變的情況下，燃煤的煤質(zhì)的變化引起主汽溫度的波動，主汽溫度是由給水流量來調(diào)節(jié)，機組負荷不變時主蒸汽流量不變，燃煤的發(fā)熱量大的情況下主汽溫度升高，要求給水流量在此時增加，通過分離器出口中間點溫度來修正煤水比的給水量，中間點溫度過熱度高，經(jīng)過中間點溫度控制器輸出增加煤水比的給水量，中間點溫度控制器的輸出范圍在±0.2，減小由于中間點溫度的波動對給水系統(tǒng)控制的影響，能較好的控制機組在升降負荷過程中燃料量超調(diào)引起的水冷壁及主汽溫度波動大。

4 結(jié)束語

對于直流鍋爐，其產(chǎn)汽量直接由給水量來定，因而燃料量變化，不能直接引起鍋爐出力的變化，只有變動給水量才會引起鍋爐蒸發(fā)量的變化。顯然，當調(diào)節(jié)給水量以保持壓力穩(wěn)定時，必然引起過熱汽溫的變化，必須校正過熱汽溫，也即給水調(diào)壓，燃料配合給水調(diào)溫，抓住中間點，噴水微調(diào)，這是直流鍋爐運行調(diào)節(jié)的基本原則。隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，超臨界機組由于循環(huán)熱效率高，污染物排放量低，調(diào)峰性能好等優(yōu)勢，占全國裝機總量的百分比將逐漸增加。在文中，通過研究大型直流爐機組的動態(tài)特性，提出了控制煤水比對整個系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行有很重要的作用，根據(jù)直流爐的調(diào)節(jié)特性，以工程實例對超臨界機組對給水流量控制的控制原理和控制策略進行了研究，并對實際控制系統(tǒng)進行了分析。目前超臨界機組已成為一種趨勢，將逐漸替代亞臨界機組。