易秉恒，陳 剛，范常浩

（1.國(guó)能（泉州）熱電有限公司，福建 泉州 362804；2.國(guó)能南京電力試驗(yàn)研究有限公司，江蘇 南京 210000；3.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 100085）

引言

超超臨界機(jī)組是指過(guò)熱器出口主蒸汽壓力超過(guò)22.129 MPa的機(jī)組。目前運(yùn)行的超超臨界機(jī)組運(yùn)行壓力均為26 MPa左右，理論上認(rèn)為，在水的狀態(tài)參數(shù)達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)（壓力為22.129 MPa、溫度為374℃），水的汽化會(huì)在一瞬間完成，即在臨界點(diǎn)時(shí)飽和水和飽和蒸汽之間不再有汽、水共存的二相區(qū)存在,二者的參數(shù)不再有區(qū)別。由于在臨界參數(shù)下汽水密度相等，因此，在超臨界壓力下無(wú)法維持自然循環(huán)，即不再能采用汽包鍋爐，直流鍋爐成為唯一型式[1]。

某電廠是1 000 MW級(jí)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，鍋爐為上海鍋爐廠有限公司引進(jìn)ALSTOM公司技術(shù)制造，超超臨界參數(shù)、變壓直流鍋爐，四角切圓燃燒方式、固態(tài)排渣、單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、全鋼構(gòu)架、全懸吊塔式爐結(jié)構(gòu)。水冷壁由光管膜式受熱面組成，布置方式為螺旋管加垂直管、過(guò)渡段采用中間聯(lián)箱的形式。水冷壁出口連接6只汽水分離器，分離器出口蒸汽匯集至一級(jí)過(guò)熱器，分離出的水流入貯水箱后分成兩路，一路由啟動(dòng)循環(huán)泵送入省煤器進(jìn)口，另一路經(jīng)大氣擴(kuò)容器流入擴(kuò)疏箱直接排入機(jī)組排水槽，或利用擴(kuò)疏泵送至凝汽器、循環(huán)水排水管。

額定工況，鍋爐過(guò)熱蒸汽流量為3 009 t/h，過(guò)熱器出口蒸汽壓力為27.38 MPa，過(guò)熱器出口蒸汽溫度為605℃。機(jī)組配備2臺(tái)各為50%容量汽動(dòng)給水泵。

1 給水系統(tǒng)流程

如圖1所示，2臺(tái)汽動(dòng)給水泵對(duì)除氧器中的凝結(jié)水進(jìn)行升壓，經(jīng)過(guò)高壓加熱器，利用汽輪機(jī)各級(jí)抽汽，提高給水溫度。在濕態(tài)及低負(fù)荷階段，高加出口給水通過(guò)給水旁路調(diào)閥進(jìn)入鍋爐省煤器。當(dāng)鍋爐進(jìn)入干態(tài)，則經(jīng)過(guò)給水主閥和旁路調(diào)閥切換，高加出口給水經(jīng)由給水主閥進(jìn)入鍋爐省煤器。在濕態(tài)及低負(fù)荷階段，汽水分離器等同于汽包，起到汽水分離作用。在鍋爐直流運(yùn)行期間，汽水分離器作為蒸汽通道[2]。

圖1 給水系統(tǒng)工業(yè)流程示意圖

2 給水全過(guò)程控制

給水全程控制分為濕態(tài)運(yùn)行、干濕態(tài)轉(zhuǎn)換、干態(tài)或直流運(yùn)行三個(gè)階段。

2.1 鍋爐濕態(tài)運(yùn)行階段

在鍋爐濕態(tài)及低負(fù)荷階段，由啟動(dòng)循環(huán)泵出口調(diào)閥維持省煤器出口最小給水流量，設(shè)計(jì)定值為1 020～1 080 t/h，略大于鍋爐30%BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)流量），以兼顧機(jī)組運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)水冷壁出口集箱溫度高時(shí)，則在原設(shè)定值上快速疊加292 t/h，以增加進(jìn)入水冷壁的給水流量，保證水冷壁不超溫。啟動(dòng)循環(huán)泵出口調(diào)閥出口裝有流量孔板，測(cè)得啟動(dòng)循環(huán)泵出口流量，由于此流量對(duì)出口調(diào)閥開(kāi)度變化響應(yīng)迅速，故將此流量設(shè)計(jì)為出口調(diào)閥的實(shí)際調(diào)節(jié)量，設(shè)定值為省煤器出口最小給水流量與高加出口流量（不包含減溫水流量）的差值。

給水旁路調(diào)閥通過(guò)調(diào)節(jié)高加出口給水流量（不包含減溫水流量）來(lái)維持汽水分離器正常水位，設(shè)計(jì)定值為15 m，可由運(yùn)行人員手動(dòng)改變偏置。在調(diào)節(jié)回路中，將一級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口蒸汽流量作為基本給水流量設(shè)定值，經(jīng)水位偏差計(jì)算校正，產(chǎn)生濕態(tài)給水流量設(shè)定值。

分離器疏水箱疏水液動(dòng)閥對(duì)分離器水位起溢流保護(hù)作用，當(dāng)水位高于15 m時(shí)，快速開(kāi)啟一側(cè)疏水液動(dòng)閥。當(dāng)液位高于18.5 m時(shí)，再開(kāi)啟另一側(cè)疏水液動(dòng)閥，以防止分離器水位過(guò)高。

汽動(dòng)給水泵調(diào)節(jié)高加出口給水與省煤器出口給水壓力差，即給水調(diào)閥前后壓差。壓差設(shè)定值由總?cè)剂狭繉?duì)應(yīng)的函數(shù)產(chǎn)生，隨總?cè)剂狭康脑黾?，壓差設(shè)定值逐漸減小。當(dāng)鍋爐蒸發(fā)量增加，為了維持分離器水位，需增加高加出口給水流量，開(kāi)大給水旁路調(diào)閥，減小調(diào)閥前后壓差。由于壓差設(shè)定值隨總?cè)剂狭吭黾佣鴾p小，則初始階段汽泵轉(zhuǎn)速基本不變，當(dāng)實(shí)際壓差＜設(shè)定值，汽泵轉(zhuǎn)速提高，增加汽泵出口給水流量，也等同于增加高加出口給水流量，具體見(jiàn)圖2。

圖2 超超臨界機(jī)組給水—蒸汽系統(tǒng)

2.2 干濕態(tài)轉(zhuǎn)換

當(dāng)給水流量設(shè)定投入自動(dòng)時(shí)，鍋爐主控指令＞270 MW，濕態(tài)給水流量設(shè)定值＞省煤器出口最小流量設(shè)定（即啟動(dòng)循環(huán)泵出口調(diào)閥全關(guān)），過(guò)熱器焓值＞基本設(shè)定焓值（即有一定過(guò)熱度），同時(shí)滿足以上條件，則判斷機(jī)組進(jìn)入干態(tài)運(yùn)行方式。

當(dāng)鍋爐蒸發(fā)量逐步提高，給水旁路調(diào)閥逐漸開(kāi)大，進(jìn)入鍋爐省煤器給水流量也隨之增大。此時(shí)，為維持省煤器出口最小給水流量設(shè)定值，啟動(dòng)循環(huán)泵出口調(diào)閥逐步關(guān)小直至關(guān)閉。當(dāng)蒸汽流量＞1 300 t/h時(shí)，聯(lián)鎖打開(kāi)主給水電動(dòng)閥，延時(shí)15 s后切除給水旁路調(diào)閥自動(dòng)，然后由運(yùn)行人員手動(dòng)關(guān)閉給水旁路調(diào)閥，實(shí)現(xiàn)給水旁路調(diào)閥與主給水電動(dòng)閥的切換。

由于切換之前，給水旁路調(diào)閥開(kāi)度接近40%，此時(shí)調(diào)閥實(shí)際已經(jīng)全開(kāi)，調(diào)閥前后壓差為1 MPa左右。因此，當(dāng)主給水電動(dòng)閥聯(lián)鎖打開(kāi)時(shí)，省煤器出口給水流量最大擾動(dòng)量＜150 t/h，且由于旁路調(diào)閥延時(shí)15 s后才切除自動(dòng)。在此期間，旁路調(diào)閥由于比例作用又會(huì)迅速關(guān)小一定開(kāi)度，導(dǎo)致給水流量擾動(dòng)進(jìn)一步減小，整個(gè)切換過(guò)程，分離器水位最大擾動(dòng)量＜5 m，且由于疏水液動(dòng)閥的配合動(dòng)作，水位很快恢復(fù)正常。

2.3 鍋爐干態(tài)或直流運(yùn)行階段

當(dāng)鍋爐進(jìn)入干態(tài)運(yùn)行階段，由總?cè)剂狭空{(diào)節(jié)鍋爐汽壓，維持鍋爐熱負(fù)荷。給水流量除響應(yīng)負(fù)荷控制，還通過(guò)調(diào)節(jié)過(guò)熱器入口焓值，實(shí)現(xiàn)汽溫控制的粗調(diào)。此時(shí)，由于啟動(dòng)循環(huán)泵和給水旁路調(diào)閥均已退出運(yùn)行，由汽動(dòng)給水泵調(diào)節(jié)給水流量。

干態(tài)給水流量設(shè)定值產(chǎn)生回路示意圖，如圖3所示。干態(tài)給水流量設(shè)定值由基本給水流量設(shè)定值和焓值校正指令構(gòu)成?；窘o水流量設(shè)定值包括靜態(tài)基本給水流量設(shè)定值和動(dòng)態(tài)基本給水流量設(shè)定值。靜態(tài)基本給水流量設(shè)定值由鍋爐負(fù)荷對(duì)應(yīng)給水流量函數(shù)產(chǎn)生。動(dòng)態(tài)基本給水流量設(shè)定值只在負(fù)荷指令變動(dòng)時(shí)有效，可以實(shí)現(xiàn)在負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中超調(diào)給水流量。維持動(dòng)態(tài)過(guò)程水煤比，可以保證負(fù)荷變化過(guò)程中汽溫穩(wěn)定。焓值校正調(diào)節(jié)器采用比例校正法，通過(guò)焓值變化量計(jì)算出對(duì)應(yīng)給水流量變化量百分比，再乘以當(dāng)前基本給水流量設(shè)定值，得出為維持焓值設(shè)定值所需的給水變化量，作為焓值校正指令。焓值設(shè)定值由分離器壓力對(duì)應(yīng)過(guò)熱器入口焓值函數(shù)、焓值設(shè)定值偏置指令共同構(gòu)成。其中焓值設(shè)定值偏置指令可由運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定，也可投入自動(dòng)方式。當(dāng)投入自動(dòng)方式后，通過(guò)過(guò)熱器減溫水流量校正調(diào)節(jié)器產(chǎn)生焓值設(shè)定值偏置指令。

圖3 干態(tài)給水流量設(shè)定值產(chǎn)生回路

3 應(yīng)用效果（見(jiàn)圖4）

圖4 1 000 MW超超臨界燃煤機(jī)組安裝現(xiàn)場(chǎng)

設(shè)計(jì)給水全程自動(dòng)控制策略，在機(jī)組啟動(dòng)期間分別將啟動(dòng)循環(huán)泵出口調(diào)閥、給水旁路調(diào)閥、分離器疏水箱疏水液動(dòng)閥、汽動(dòng)給水泵投入自動(dòng)方式，通過(guò)調(diào)試，使其均能正常完成設(shè)計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)給水全程自動(dòng)控制相關(guān)功能，運(yùn)行人員只需在各控制斷點(diǎn)處操作即可，大大降低了運(yùn)行人員操作次數(shù)，同時(shí)也減少各種誤操作的可能。給水全程自動(dòng)控制主要可優(yōu)化解決以下問(wèn)題：

1）直流爐汽水分離器水位在啟動(dòng)初期變化較大，通過(guò)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)同調(diào)節(jié)，可以使分離器水位基本穩(wěn)定，避免因水位波動(dòng)大導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)。

2）鍋爐濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)時(shí)，給水旁路手動(dòng)切換至主路時(shí)，通常會(huì)對(duì)給水流量造成較大擾動(dòng)。而在全程給水自動(dòng)控制策略中，當(dāng)給水旁路自動(dòng)切換至主路時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)給水旁路調(diào)閥前后差壓來(lái)判斷給水旁路調(diào)閥是否全開(kāi)，可以最大限度降低切換時(shí)對(duì)給水流量造成的擾動(dòng)。

3）鍋爐手動(dòng)操作濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)中，由于煤水比的短暫失調(diào)，經(jīng)常導(dǎo)致水冷壁超溫。通過(guò)全程給水自動(dòng)控制可縮短煤水比失調(diào)時(shí)間，使水冷壁管維持良好的水動(dòng)力特性，防止其超溫。

4 不足之處

通過(guò)控制策略設(shè)計(jì)及邏輯功能調(diào)試，在給水全程自動(dòng)控制投用期間也發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，主要有：

1）啟動(dòng)循環(huán)泵出口流量孔板精度不夠，在流量＜200 t/h以下時(shí)基本無(wú)法測(cè)量，故當(dāng)啟動(dòng)循環(huán)泵出口調(diào)閥關(guān)至一定開(kāi)度后，出口流量變?yōu)?。此時(shí)，只能切除出口調(diào)閥自動(dòng)，由運(yùn)行人員操作逐漸關(guān)小。

2）給水旁路調(diào)閥調(diào)節(jié)特性不好，調(diào)閥指令增加2%，實(shí)際閥門才動(dòng)一次，造成給水流量有幾十噸的小幅震蕩。

3）直流鍋爐汽水分離器相對(duì)亞臨界鍋爐中汽包水容積偏小，當(dāng)鍋爐處于鍋爐濕態(tài)及轉(zhuǎn)干態(tài)過(guò)程中，由于燃燒的急劇變化，汽水分離器水位往往波動(dòng)較大，相對(duì)汽包水位來(lái)說(shuō)更不易控制。

通過(guò)機(jī)組的全程給水控制的投用，機(jī)組在啟動(dòng)濕態(tài)階段即可大幅提高自動(dòng)投入率，降低濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)過(guò)程中的難度，提升機(jī)組在啟動(dòng)初期階段的運(yùn)行可靠性。同時(shí)機(jī)組的全程給水控制也屬于機(jī)組APS功能的一部分，其正常投入也為機(jī)組整體APS功能的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。