（控制理论与控制工程专业论文）超临界直流炉给水控制系统的研究与分析.pdf

j j 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文超临界直流炉给水控制系统的研究与 分析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：茎垒鲨：i 日期：学位论文作者签名：叶一r 已一1 日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 丝一 名 期 签币d y导 日 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 现代的火力发电机组中，日益成为主力机组的超临界机组，由于采用的不是传 统的汽包炉而是直流炉，其对给水控制提出了更高的要求。本文针对兰溪某6 0 0 m w 仿真机采用了利用中间点焓值作为参考对象控制给水的方案，并设计了相关的给水 逻辑。针对电厂中采用查表获取焓值方式需要模块多、计算周期长等缺点，本文采 取了利用智能神经网络拟合焓值曲线的办法，避免了查表方式的上述缺点。同时， 本文利用模糊神经网络改进了常规的p l 控制器，使得其能够随工况的改变自动调整 参数来改善调节品质。基于s t a r 9 0 仿真平台通过仿真运行，结果表明，该控制系 统能够很好地完成给水控制任务，其动态品质明显优于常规p i 控制。 关键词：超临界机组，直流炉，给水控制，中间点焓值，模糊神经网络 i nt h em o d e r nt h e r m a lp o w e rg e n e r a t i n gu n i t s ，s u p e r c r i t i c a lu n i t sa r ei n c r e a s i n g l y b e c o m i n gt h em a i nu n i t s d u e t oa d o p t i n go n c e t h r o u g hf u r n a c er a t h e rt h a nt h e t r a d i t i o n a ld r u mb o i l e r , t h e s u p e r c r i t i c a lu n i t sm a k e ah i g h e rf e e d w a t e rc o n t r o l r e q u i r e m e n t s f o rl a n x i6 0 0 m ws i m u l a t o r , t h i sp a p e ru s e ss u c hap r o g r a mw h i c hm a k e s u s eo ft h em i d - p o i n te n t h a l p yv a l u ea sar e f e r e n c eo b j e c tt oc o n t r o lf e e d w a t e r ，a n d d e s i g n st h er e l a t e dw a t e rl o g i c t h eu s eo fl o o k u pt a b l ef o rt h ep o w e rp l a n t st oo b t a i n e n t h a l p ya p p r o a c hr e q u i r e sm o r em o d u l e sa n dh a sac a l c u l a t i o no fal o n gc y c l e i n r e s p o n s et ot h e s ed e f e c t s ，t h i sp a p e rh a st a k e nt h em e t h o do fm a k i n gu s eo fi n t e l l i g e n t n e u r a ln e t w o r kt of i tt h ee n t h a l p yc u r v e ，a v o i d i n gt h ea b o v e - m e n t i o n e ds h o r t c o m i n g so f l o o k - u pt a b l em e t h o d a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rh a si m p r o v e dt h ec o n v e n t i o n a lp i c o n t r o l l e rw i t hf u z z yn e u r a ln e t w o r k ，a l l o w i n gi tt oa u t o m a t i c a l l ya d j u s tp a r a m e t e r sw i t h t h ec h a n g eo fc o n d i t i o n st oi m p r o v et h eq u a l i t yo fr e g u l a t i o n b a s e do nt h es i m u l a t i o n r u n n i n gi nt h es t a r - 9 0s i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mc a n c o m p l e t et h et a s kw e l lf o rc o n t r o l l i n gt h ew a t e rs u p p l y , i t sd y n a m i cq u a l i t yi sc l e a r l y s u p e r i o rt oc o n v e n t i o n a lp ic o n t r 0 1 b iy a n z h o u ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv i c e r e a r c h e r l ic h a n g q i n g k e yw o r d s ：s u p e r c r i t i c a lu n i t s ，o n c e - t h r o u g hf u r n a c e ，f e e d w a t e rc o n t r o l ， m i d - p o i n te n t h a l p yv a l u e ，f u z z yn e u r a ln e t w o r k 目 ； - 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 论文研究的背景和意义1 1 2 国内外研究动态综述3 1 3 论文的主要工作5 1 4 本章小结5 第二章超临界直流锅炉概述6 2 1 超临界机组简介6 2 1 1 超临界机组发展历程6 2 1 2 超临界机组在我国的应用7 2 2 超临界直流锅炉7 2 2 1 直流炉的工作原理7 2 2 2 超临界直流炉的静态特性8 2 2 3 超临界直流炉的动态特性9 2 3 超临界机组的控制特点1 0 2 3 1 超临界锅炉的控制特点1 0 2 3 2 超临界锅炉的控制任务1 1 2 4 超临界锅炉给水控制策略1 l 2 5 本章小结1 3 第三章神经网络模糊pi 控制1 4 3 1 模糊控制1 4 3 1 1 模糊控制系统的组成1 4 3 1 2 模糊控制的基本原理1 5 3 1 - 3 模糊控制系统的工作原理1 5 3 2 神经网络控制1 9 3 2 1 神经元模型1 9 3 2 2 神经网络的拓扑结构神经元的连接形式2 l 3 2 3 神经网络的学习规则2 3 3 2 4 误差反向传播( b p ) 神经网络2 4 华北电力大学硕士学位论文目录 3 3 神经网络模糊p i 控制2 7 3 3 1 神经网络模糊p i 控制器结构2 7 3 3 2 模糊化模块2 8 3 3 3b p 神经网络2 9 3 3 4 神经网络模糊p i 控制算法3 l 3 4 本章小结3 1 第四章给水控制系统设计及仿真研究3 2 4 1 中间点焓值校正燃水比控制3 2 4 1 - 1 中间点温度和焓值调节3 2 4 1 2 s t a r 一9 0 仿真平台简介3 4 4 1 3 中间点焓值的获取3 5 4 2 兰溪电厂给水系统控制策略分析3 7 4 2 1 兰溪电厂6 0 0 1 哪机组概况3 7 4 2 2 给水流量控制回路设计3 7 4 2 3 基于模糊神经网络改进的p i 控制器4 3 4 3 给水控制系统的仿真试验4 4 4 3 1 常规p i 控制器的仿真试验4 4 4 3 2 基于神经网络模糊p i 控制器的仿真实验4 7 4 3 3 两种控制器的仿真试验结果比较j 4 9 4 4 本章小结5 0 第五章结论与展望5 1 5 1 论文的主要工作与总结5 l 5 2 存在的问题及今后工作的展望5 2 参考文献5 3 致谢5 6 附录5 7 在校期间发表的学术论文6 l i i 华北电力大学硕士学位论文 1 1 论文研究的背景和意义 第一章绪论 进入2 l 世纪的今天，世界各国对于能源的可持续发展战略和保护我们的地球这 样一个发展主题愈加重视，并相应制订了一系列提高环保水平的措施，控制污染排 放的标准也愈来愈高。因此，对于电力行业来说，积极发展清洁、高效的发电技术 显得十分必要和迫切。结合我国的能源资源状况和电力技术发展的实际水平等具体 因素，积极发展作为洁净煤发电技术之一的超临界火电技术显得尤为必要。 对于我国来讲，电力工业作为我国国民经济的支柱型产业之一，在国家的各项 建设中起着举足轻重的作用。中国近年来已经成为世界上电力建设速度最快的国 家。截至2 0 0 6 年底，中国发电装机容量达到6 2 2 亿千瓦，跃居成为世界第二电力大 国；2 0 0 7 年底，全国装机总容量有7 2 l 亿千瓦；截至2 0 0 8 年底，全国装机总容量已 达到7 9 2 亿千瓦，比2 0 0 7 年增加9 8 。 而我国煤炭资源丰富，已探明的煤炭保有量为l 亿万吨，占一次能源的9 0 以上。 我国一次能源结构决定了我国发电机中火电机组占绝对优势。截至2 0 0 7 年底，我国 火电总装机容量5 5 4 4 2 亿千瓦，约占总装机容量的7 7 7 。 但我国现有火力发电仍然有相当一部分机组是亚临界3 0 6 0 万千瓦机组，且还 有相当一部分是中低压小机组，1 0 万千瓦及以下的机组占火电机组的近3 0 ，全国 平均单机容量不足7 万千瓦。2 0 0 6 年全国平均发电煤耗为3 6 6 克千瓦时，与世界 先进水平相差5 0 6 0 克度【1 1 。而2 0 0 7 年全国平均发电煤耗为3 5 7 克千瓦时，与世 界先进水平仍有较大差距。针对我国火力发电效率低、污染重等缺点以及我国将在 未来很长一段时间仍然以火力发电为主的现状，火力发电朝着大容量、高参数的方 向发展已成为大势所趋。国家已制定和执行了关停效率低、污染严重的小火电机组 的计划，同时大力建设高效率、低污染的先进的发电机组。现在6 0 0 m w 超临界燃 煤发电机组和1 0 0 0 m w 级超超临界燃煤发电机组已成为国家建设的火力发电主力 机组。若超临界机组推广开来，按热效率比现有机组提高1 0 个百分点，节煤近2 5 算，节煤数量将更加可观。超临界机组在发电时减少了煤炭消耗，从而也减少了电 厂在燃煤时会产生的灰尘和二氧化碳的排放，还减少了煤炭的运输1 2 1 。 超临界火电机组是火力发电机组在发展过程中不断改进的产物。提高火电厂效 率的主要措施之一便是提高蒸汽参数。当蒸汽压力提高到高于2 2 1 m p a 时就称为超 临界机组，如果蒸汽初压力超过2 7 m p a ，则称为超超临界火电机组。从2 0 世纪5 0 年 代开始，以美国、德国为代表。当时起步的参数就是超超临界，但随后由于可靠性 华北电力大学硕士学位论文 题，从6 0 年代后期开始，美国将其参数降至常规超临界。直至8 0 年代，美国超临 机组参数基本稳定在这个水平。从2 0 世纪8 0 年代初开始，由于材料性能的改进和 电厂水化学方面认识的深入，克服了早期超临界机组所遇到的可靠性问题，同时， 美国对已投运机组进行了大规模改造，经济性、可靠性、运行灵活性大大提高。期 间，美国又将超临界技术转让给日本( g e 东芝、日立；西屋三菱) ，联合进行了一 系列超临界电厂设计。这样，超临界机组市场逐步转移到日本及欧洲，涌现出一批 新超临界机组。超临界技术在世界上已经应用发展了五十多年，但在我国还处于起 步阶段。上世纪9 0 年代，我国首次引进国外的2 台6 0 万千瓦超临界机组在华能石洞 口二电厂安装投运，在引进的基础上，我国又先后引进了十几台超临界机组。我国 超临界发电机组的国产化攻关工作也取得了重大进展，首批国产化2 台6 0 0 m w 超临 界机组华能沁北电厂一期于2 0 0 2 年8 月动工，2 0 0 4 年1 2 月全部建成投产。运行实绩 表明，机组运行稳定，经济指标先进，社会效益显著，总体技术水平已达到国际同 类机组先进水平。此外我国首批国产化百万千瓦级的超超临界机组华能玉环电 厂1 号机组和华电国际邹县电厂7 号机组分别于2 0 0 6 年1 1 月2 8 日和1 2 月4 日正式投入 商业化运行。目前国内已投产的各类容量的超临界机组和超超临界机组3 0 余台，我 国电力工业技术装备水平和制造能力正迈进新的发展阶段【3 l 。 但是超临界机组的稳定、经济运行强烈依靠高性能控制系统，由于超临界机组 各子系统间的耦合性强，机组的蓄热能力差，常规的控制方案往往难以取得满意的 控制品质，为使超临界机组具有良好的调节品质并能确保长期稳定及经济的运行， 必须采用先进的自动控制策略。而给水系统虽然仅仅是机组的一个子系统，但其在 整个机组中发挥着非常重要的作用。而且与亚临界机组相比，超临界机组的锅炉都 是直流炉，与汽包炉相比在控制上有其特殊性。最显著的区别是，直流炉不像汽包 炉那样可以将给水控制系统、汽温控制系统和燃烧控制系统隔离开来。给水系统不 仅要向锅炉输送合格的工质，而且还担负着保证机组稳定运行的任务。超临界锅炉 在定工况下必须维持燃水比为一定数值，以保证机组的稳定运行；而在工况发生变 化时，又必须使该比率按一定规律变化，以便得到稳定的控制，从而可知给水控制 是超临界机组自动控制中核心的重点与难点之一。 目前超临界机组控制系统的供应商如a b b 、西屋、三菱重工、西门子、日立、 g e 、阿尔斯通、f o x b o r o 等，这些企业都是集电站设备制造、控制系统制造于一 身的大型综合性跨国企业集团，其电站控制系统都是用于增强其工程实施能力和产 品附加值的有力保证，出于保护工艺系统知识产权的考虑，不会把其先进的控制策 略的实现方法公开出来，即使是购买了其设备的用户，往往也只知其然，而不知所 以然。所以在使用、调试的过程中无法发挥出先进控制策略的作用。所以通过使用， 调试引进的国外超临界机组锅炉给水控制策略、给水控制系统的工艺流程，及时归 2 华北电力大学硕士学位论文 纳、研究探讨和改进以形成我们自己的技术，以及对后面超临界机组仿真系统的开 发和超超临界机组控制系统的研究有重要意义。 1 2 国内外研究动态综述 超临界直流炉的专利方案，是由移居美国的捷克人马克本生在1 9 1 9 年提出的， 1 9 2 3 年德国西门子公司按他的专利建成了第一台实验性超临界机组。从上世纪3 0 年代至6 0 年代，德国、美国、前苏联和日本，先后通过实验，发现超临界机组具 有较高的效率。因而，美国、前苏联和日本等，大步向前发展超临界机组，先后掌 握了先进的超临界技术，而且技术比较成熟，自动控制水平比较高1 4 1 。 与国外超临界机组技术的进展情况相比，我国超临界机组技术的发展相对比较 落后。但是随着对超临界技术的重视，我国先后从美国、俄罗斯等国引进了一批超 临界机组。第一座超临界2 6 0 0 m w 机组于1 9 9 2 年在上海石洞口二厂建成，此后 又陆续建成了南京2 3 0 0 m w 、营口2 x 3 0 0 m w 、盘山2 x 5 0 0 m w 、伊敏2 5 0 0 m w 和绥中2 8 0 0 m w 等超临界机组电厂。尽管我国超临界机组起步比较晚，但是通过 对这些进口机组的安装、调试及运行，对我国研究、设计、制造和管理超临界机组 都有极大的帮助。 近年来6 0 0 m w 超临界机组已经成为我国电力行业的主力机组，研究超临界机 组给水的文献也相应增多，不但建立了一些超临界火电机组给水系统的数学模型， 还提出了许多超临界机组的具体的给水控制策略。 范永胜，程芳真等1 5 】为了研究超临界直流锅炉的整体动态特性，在已建立的两 相区段和单相区段模型的基础上，进一步补充建立了汽水分离器模型、烟气侧模型 以及汽机简化模型，从而建立了适用于大扰动全工况仿真的超临界直流锅炉的整体 动态数学模型，最后以该模型为基础，通过数学仿真对某6 0 0 m w 超临界直流锅炉 的动态特性进行了研究，并分析了仿真结果的合理性。通过结果表明，该数学模型 是合理有效的。 蔡宝玲，王哲等【6 l 研究了超临界机组分布式数学模型结构设计及相关软硬件配 置方案；在引进国外先进的仿真支撑软件基础上，通过二次开发，建立了超临界机 组机、炉、电过程动态模型和控制系统动态模型及各种故障模型；开发了操作员界 面软件和教练员站控制软件并与模型软件进行连接，形成了一套完整的超临界 6 0 0 m w 机组仿真系统。在对超临界6 0 0 m w 机组仿真系统数学模型及其验证比较， 对实时仿真模型试验动态过程进行了分析，并给出了试验曲线。 黄红艳，陈华东1 7 】针对采用内置式启动控制的6 0 0 m w 超临界压力螺旋管圈型直 流锅炉，详细介绍了超临界直流锅炉控制系统的特点及控制方案。由于超临界直流 锅炉控制系统与汽包炉的不同在于给水控制系统和主汽温控制系统，在控制系统的 3 华北电力大学硕士学位论文 设计中，充分考虑了采用前馈、变定值、变增益、变参数等多种控制方案。 杨凯翔【8 】针对超临界机组强耦合、非线性的被控对象特性，对其主控参数的关 系进行分析。运用热力学理论阐述了面向焓值控制给水量的理论基础和优势，指出 直流锅炉的给水量控制就是建立机炉间良性的能量平衡关系。以扬州二电厂2 6 0 0 m w 超临界机组为研究对象，介绍了机组协调、给水汽温控制策略及其要点， 揭示了直流炉控制思想的核心：以关键变量( 主汽压和焓值) 为对象，通过前馈、变 参数、动态修正等技术手段，注重煤水功率在大范围内的动态匹配和快速响应， 保证机组随时处于一个可控的良性状态。 马开中1 9 】结合某超临界6 0 0 m w 机组带炉水循环泵内置式起动系统的锅炉给水 控制系统实例，在对全负荷范围给水调节过程分析的基础上，介绍了采用蒸发器吸 热量及其焓增控制燃水比、分离器出口焓值校正燃水比、一级减温器温降校正给水 流量的典型四回路给水控制系统及其工作原理。此方案达到了较好的调节效果，提 高了锅炉出口蒸汽温度调节的精度和动态性能。 宋兆星，王玉山1 1 0 】针对哈尔滨锅炉厂引进英国三井巴布科克技术制造的6 0 0 m w 超临界直流锅炉，设计了新型的全程给水控制系统。通过对上述控制系统的整定和 优化。机组在大负荷范围和高负荷变化速率的工况下，中间点温度和主汽温的调节 品质优良为国内9 i 6 0 0 m w 超临界直流机组给水控制方案的设计及调试提供了参考 和借鉴。 张秋生，岳建华等【l l l 以b & w b 公司的6 0 0 m w 超临界直流炉为例，介绍了启动 系统从锅炉冷态上水到满负荷时的控制过程，并且对贮水箱水位的测量方法以及3 4 1 调节阀门的几种控制方案和投运效果进行了分析 樊泉贵1 1 2 l 综合国内某6 0 0 m w 超临界锅炉的实际，综合分析了超临界锅炉中间 点温度的控制与水冷壁传热特性以及汽温调节的关系，对超临界锅炉工质的热物理 特性、水冷壁的类膜态沸腾、管壁过热以及汽温调节等相关问题进行了比较深入的 理论分析。 冯英山，龙昌悦等1 1 3 l 针对福建华电可门有限公司的6 0 0 m w 超临界机组；阐述 了其给水控制系统给水指令及锅炉主控指令的形成原理，针对该机组运行过程中出 现的燃水比控制失调问题，结合运行实际分析了产生失调的原因，并提出了解决燃 水比失调的处理措施。 在跟踪国外发展自己的超临界技术过程中，我国对超临界锅炉的工作机理做了 一些研究，建立了数学模型，开发了一些仿真系统。但我国对超临界机组这种多输 入，多输出变量强烈相互耦合并具有不确定时滞的复杂控制的研究相对不足。截至 目前，我国投产的6 0 万千瓦以上的机组采用的控制系统几乎全部是进口。比如目 4 华北电力大学硕士学位论文 前超临界机组控制系统的供应商如a b b 、西屋、三菱重工、西门子、日立、g e 、 阿尔斯通、f o x b o r o 等，这些厂家提供的控制系统体现了国际电站热工自动化的 最高水平，在电站机组的控制方案中提供了一些好的控制方案。针对超临界机组也 开发了一些先进的控制方案，比如德国西门子和日本日立公司均对超临界直流锅炉 的燃水比控制，采用了给水回路的中间点焓值控制。 1 3 论文的主要工作 本文针对兰溪电厂某6 0 0 m w 机组仿真机，将对基于中间点焓值控制的给水控 制策略进行分析并改进，并且保证该给水控制策略能够适应机组的各种工况，同时 做到安全稳定、节能优化运行，最终实现一套比较完善的给水控制系统的控制策略， 为此进行了如下工作： 首先，分析已有工程的实际组态策略，根据兰溪电厂机组的实际需求和已有的 超临界机组组态方案，设计兰溪电厂6 0 0 m w 超临界机组仿真机给水控制方案，通 过学习可知采用中间点焓值作为给水校正信号比中间点温度校正具有一定的优越 性，因此本文将采用中间点焓值校正的给水控制方式。 其次，由于焓值不能直接测量，目前仅有少数几种d c s 有热力学计算模块能够 直接根据输入计算出焓值，大多数d c s 都要利用函数模块或者插值计算模块来搭建 焓值查询表，由水和蒸汽的热力性质可知，蒸汽的过热度越低，焓值一压力一温度 问的非线性越强。要能够查询到从大约2 5 负荷到满负荷机组所有参数下的焓值， 需要大量的模块才能实现。后果是要经过很长时间的运算周期才能查到当前的焓 值，当出现负荷快速变化等工况导致温度或者压力的快速变化时，这种计算值的滞 后会抵消掉焓值反映快的优势最终导致主汽温度的较大幅度的变化。因此本文将通 过神经网络拟合焓值的非线性函数的方法，最终不需要通过查表可直接得到所需焓 值。 工程实践中经常用p i 控制器，虽然其在整体上比较成熟，但由于控制器的参数 一旦给定便不再变化。针对此种情况，本文将应用神经网络模糊p i 控制器来代替 常规的p i 控制器，针对不同的工况，其能在线调整参数，使控制效果达到最优。 最后，在兰溪6 0 0 m w 仿真机上完成组态、参数的整定及相应的组态修正，最 终实现机组的安全性、灵活性和负荷适应性运营。 1 4 本章小结 本章简要介绍了课题的研究背景和意义，并简述了国内外的研究动态，及对相 关文献做了简单的综述，在分析目前火电厂给水系统实际运行情况的基础上，提出 了课题研究内容，并探讨了课题的主要工作。 5 华北电力大学硕士学位论文 2 1 超临界机组简介 第二章超临界直流锅炉概述 超临界机组是指过热器出口主蒸汽压力超过2 2 1 1 5 m p a 的发电机组。目前我国 运行的主流超l 临界机组运行压力均为2 4 2 5 m p a 。由于在临界参数下汽水密度相 同，因此在超临界压力下无法维持自然循环，即不能再采用汽包锅炉，直流锅炉成 为首选型式。超临界机组因运行效率高，是电力行业提高煤炭利用率，降低环境污 染有效而经济的途径之一。 2 1 1 超临界机组发展历程 在发电循环中，蒸汽参数是决定机组热经济性的重要参数。蒸汽机组随着技术 的不断改进，蒸汽参数逐渐提高，机组效率不断上升，表2 - 1 列出了亚临界机组， 超临界机组和超超界机组的净效率和供电煤耗。 表2 1 亚临界、超临界和超超临界机组的净效率和供电煤耗 蒸汽参数机组净效率供电煤耗g ( 枞) 以 巫临界机组 1 7 m p a , 5 3 8 3 7 _ - 3 83 3 0 卜3 4 0 超临界机组2 4 m p a , 5 3 8 4 m 4 13 1 2 0 超超临界机组 3 0 m p a , 5 6 6 c 4 4 4 52 9 美国是发展超临界参数机组最早的国家之一，自5 0 年代后期第一台超临界机组 在e d d ys t o n e 电厂投运至今，美国已投运的超临界机组已超过1 6 9 台。1 9 6 7 _ 1 9 7 6 年 期间是美国发展超临界机组的高峰期，共安装了1 1 8 台，最大单机容量为1 3 0 0 m w ， 总容量为7 8 8 0 0 m w 。后来由于其机组采用了过高的蒸汽参数，超出了当时的技术水 平，事故频繁，导致超临界机组在美国的销售量急剧减少。1 9 7 8 年后美国几乎没有 制造新的超临界机组。然而通过改进设计和提高运行水平，超临界参数机组的可用 率明显提高，自1 9 8 0 年以后，美国电力公司又有4 台1 3 0 0 m w 超临界机组投运。 前苏联于6 0 年代开始发展超临界机组。第一台超临界参数3 0 0 m w 机组于1 9 6 3 年投运，之后相继于1 9 6 7 、1 9 6 8 年投运了第一台超临界参数的8 0 0 m w 和5 0 0 m w 机 组。至前苏联解体前，共有超临界机组2 2 4 台，总容量7 9 3 0 0 m w 。3 0 0 m w 以上容量 机组全部采用了超临界参数。二十多年中，前苏联掌握了大量的超临界机组的设计、 制造和运行经验，机组的经济性和可靠性有了很大程度的提高，但与世界先进水平 相比，尚有差距。 6 华北电力大学硕士学位论文 日本发展超临界机组主要采用了引进、仿制、创新的技术路线，1 9 6 7 年自美国 引进一台超临界参数6 0 0 m w 机组，1 9 6 9 年自制超临界参数6 0 0 m w 机组投运。此 后又相继从美国和西德引进了超临界参数5 0 0 m w 汽轮发电机组和本生型直流锅 炉，掌握超临界参数机组变压运行带周期性负荷技术。1 9 7 3 年又从美国引进了 1 0 0 0 m w 超临界机组。日本通过引进国外机组和制造技术后进行仿制生产的途径， 开始在消化引进技术的基础上独立自主发展超临界机组，4 5 0 m w 以上机组全部采 用超临界参数【1 4 】。 2 1 2 超临界机组在我国的应用 我国从8 0 年代后期开始重视发展超临界机组，很大部分都是引进设备，最大单 机容量为1 0 0 0 m w 。上海石洞口二厂于8 0 年代末从a b b 、c e s u l z e r 公司引进两台 6 0 0 m w 超临界变压运行机组，该机组于1 9 9 1 年和1 9 9 2 年投入运行；随后南京热电厂 2 3 0 0 m w ，天津盘山电厂2 x 5 0 0 m w ，内蒙伊敏电厂2 x 5 0 0 m w ，辽宁绥中电厂2 x 8 0 0 m w 共4 8 0 万k w 的超临界机组从俄罗斯引进并己陆续投运。再后还从西方发达 国家进口了多台6 0 0 m w 等级和为外高桥电厂进口的2 x 9 0 0 m w 机组投产。华能沁北 电厂2 x 6 0 0 m w 机组是我国超临界机组示范工程，现已投产。阚山、营口等电厂建 设的超超临界6 0 0 m w 机组；华能玉环等电厂建设的超超临界1 0 0 0 m w 机组也有投产 或试运的，我国超临界机组在近十多年来有了长足的进展【1 5 】。 2 2 超临界直流锅炉 2 2 1 直流炉的工作原理 直流锅炉中给水一次通过预热、蒸发、过热各受热面而变成过热蒸汽。直流炉 的汽水流程如图2 1 所示。在直流锅炉蒸发受热面中，工质的流动不是依靠汽水密 度差来推动，而是通过给水泵压头来实现，工质一次通过各受热面，蒸发量等于给 水量，故可认为直流锅炉的循环倍率为1 。 直流锅炉中，给水的加热受热面和蒸发受热面间，以及蒸发受热面和过热受热 面间无固定的分界点，在工况变化时，各受热面长度会发生变化。 图2 1 直流炉工作原理图 7 去 轮机 - - - - - t 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 超临界直流炉的静态特性 热力学理论认为，在2 2 1 2 9 m p a 、温度3 7 4 时，水的汽化会在一瞬间完成， 即临界点时饱和水与饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的两相区存在，两者参数不再 有区别。由于在临界参数下汽水密度相等，因此在临界压力下无法维持自然循环， 一般采用直流炉【1 们。超临界直流炉的汽水行程经历了加热、蒸发和过热三个过程， 如图2 2 所示。 x ，o o o o00o )(：巡 ooo o o 0o o 加热段 - - - 叫 。过蠢段1 图2 2 超临界直流炉汽水行程示意 1 汽温静态特性 由图2 2 可知，超临界直流炉的各级受热面串联连接，给水的加热、汽化和过 热三个阶段的分界点在受热面中的位置随工况变化而变化。根据一次工质在稳定工 况下的热平衡方程式，并假设二次工质吸热量为0 ( 无再热器) ，有： 矽( 一k ) - 肋既彬 ( 2 。1 ) 式中，w 为给水流量，等于主蒸汽流量；h g r 为过热蒸汽焓；h g s 为给水焓：m 为燃料量；为锅炉效率；q a r , n e t 为燃料量应用基低位发热量；经整理得： 矿- 劳纵卅+ k ( 2 。2 ) 对一个新工况，有： 略i l l 爷q ：州，7 二+ 二 ( 2 - 3 ) 由式( 2 2 ) 和( 2 - 3 ) - j 知： 当芳罱等，即燃水比不变时，过热蒸汽焓保持不变； 当燃料发热量变小时，过热蒸汽焓随之降低；反之，升高； 当给水焓降低时，过热蒸汽焓随之降低；反之，升高； 2 汽压静态特性 超临界机组的主汽压由系统的质量平衡、热量平衡和工质流动压降等决定。 当燃料量m 增加时，如果燃水比保持不变，则主汽流量增加从而使汽压上升； 若燃水比增加，则过热汽温增加，减温水流量也应增加，相应地增加主汽流量，从 r 华北电力大学硕士学位论文 而汽压上升。 当给水流量增加时，如果燃水比保持不变，则主汽流量增加从而使汽压上升； 若燃水比减小，从而过热汽温降低，减少减温水流量，汽压基本不变。 2 2 3 超临界直流炉的动态特性 超临界直流炉在运行过程中经常受到各种扰动，如汽机调门开度扰动、燃料量 扰动、给水流量扰动等1 1 7 1 。 汽机调门开度扰动对锅炉是一种负荷扰动，对超临界机组的影响具有典型的耦 合特性：汽机调门开度变化不但影响了锅炉出口的压力，还影响了汽水流程的加热 段，导致了温度的变化。当调门开度突然增加时，其对主汽流量、主汽压力、过热 汽温和功率分别产生如下影响：主汽流量迅速增加，随着主汽压力的下降而逐渐 下降直至等于给水流量；主汽压力迅速下降，随着主汽流量和给水流量逐步接近， 主汽压力的下降速度逐渐减慢最终稳定在新的较低压力；过热汽温一开始由于主 汽流量的增加而下降，但由于过热器金属释放蓄热的补偿作用，汽温下降的并不多， 最终主汽流量等于给水流量，且燃水比未发生变化，故过热汽温基本不变。由于 蒸汽流量急剧增加，功率也显著上升，这部分多发功率来自锅炉的蓄热，由于燃料 量没有发生变化，功率有逐渐恢复的原来的水平。 燃料量扰动是指燃料量、送风量、引风量同时变化的一种扰动。当燃料量突然 增加时，其对主汽流量、主汽压力、过热汽温和功率分别产生如下影响：由于燃 料量的增加而导致加热段和蒸发段缩短，锅炉中贮水量减少，因此主汽流量在燃料 量增加后经过一段时间的延迟会有一个上升的过程。但由于给水流量保持不变，主 汽流量最终仍保持原来的数值。主汽压力在短暂的延迟后逐渐上升，最后稳定在 较高的水平。刚开始上升是由于主汽流量的增大，随后保持在较高的水平是由于过 热汽温的升高，蒸汽容积流量增大，而汽机调阀开度不变i ，流动阻力增大所致。 过热汽温开始时由于主汽流量的增加而略有下降，然后由于燃料量的增加而稳定在 较高的水平。功率最初的上升是由于主汽流量的增加，随后的上升是由于过热汽 温的增加。 当给水流量突然增加时，其对主汽流量、主汽压力、过热汽温和功率分别产生 如下影响：随着给水流量的增加，主汽流量也会增大。但由于燃料量不变，加热 段和蒸发段都要延长。在开始阶段，主汽流量逐步上升，在最终稳定状态，主汽流 量等于给水流量，稳定在新的平衡点。主汽压力开始随着主汽流量的增加而增加， 然后随着过热汽温的下降而有所回落。过热汽温经过一段较长时间的延迟后单调 下降直至稳定在较低的数值。功率最初由于蒸汽流量的增加而增加，之后由于汽 温降低而减少。因为燃料量未变，所以最终的功率基本不变，只是由于蒸汽参数的 9 华北电力大学硕士学位论文 下降而稍低于原有水平。 2 3 超临界机组的控制特点 2 3 1 超临界锅炉的控制特点 首先介绍下汽包炉的控制特点。汽包锅炉的汽水行程中，汽包将锅炉受热面分 割为加热，蒸发和过热三段。汽包在运行中不但作为汽水分离器，还作为燃水比失 调的缓冲器。当燃水比不匹配时，利用汽包中的存水和空间容积暂时维持锅炉的工 质平衡关系，以保持各段受热面积不变。因此，当我们用汽包水位h 、过热汽温t 和主汽压b 来表示汽包锅炉的运行状态时，与3 个主要控制量( 给水流量w 、减温 水流量形和燃料量m ) 之间的关系如下： 卧 g 哪0g h 镰 0 00 g m 可见，上式中的传递函数为上三角阵， 控制可采用单变量系统的分析方法，设计相应的较为独立的控制系统。 而直流炉中给水变成过热蒸汽是一次性完成的，见图2 2 ，因此锅炉的蒸发量d 不仅取决于燃料量m ，同时也取决于给水流量w 。因此，超临界机组的负荷控制是 与给水控制和燃料量控制密切相关的。当给燃水比改变时，直流炉的各个受热面的 分界就发生变化，导致过热汽温发生剧烈的变化。根据上述超临界机组的静、动态 特性分析，表征超临界机组运行状态的三个重要参数( 主汽压力弓、微过热汽温己 和过热汽温t ) 与三个相应的控制量( 燃料量m 、给水流量w 和减温水流量暇) 之间的矩阵方程可表示如下： 【；】- g m g 唧 q 盯 ( 2 - 5 ) 由此可见，主汽压力与微过热汽温构成多变量相关被控对象，而减温水流量对 主汽压力与微过热汽温没有直接的影响，因此在维持燃水比的前提下，减温水控制 可按单回路控制系统设计。 综上所述，超l 临界机组有以下控制特点： 1 超临界机组是一个多输入、多输出的被控对象，输入量为给水量、燃料量、送 风量，输出量为汽温、汽压和蒸汽流量； 2 负荷扰动时，主汽压力反应较快，可作为被调量； 1 0 ) l 4 压 柳 压 c 、- b 、 p 汽和温汽、 水给炉 锅包汽 明说 电】此 形m 由 华北电力大学硕士学位论文 3 超临界机组工作时，其加热区、蒸发区和过热区之间无固定的界限，汽温、燃 烧、给水相互关联。当燃水比失调时，汽温将会有显著的变化，故为使汽温变 化较小，要保持燃水比在适当比例； 4 从动态特性来看，微过热汽温能迅速反应过热汽温的变化，因此可以将该信号 来判断燃水比是否失调； 5 超临界机组的蓄热系数小对压力控制不利，但有利于迅速改变锅炉负荷，适应 电网尖峰负荷的能力强。 2 3 2 超临界锅炉的控制任务 超临界直流锅炉主要输出量为汽温、汽压和蒸汽流量( 负荷) ，主要输入量是 给水量、燃烧率和汽机调门开度，其示意图如图2 3 所示。超临界机组的控制任务 主要有以下几点： 1 ) 快速、准确响应负荷并维持主汽压在一定范围内，使锅炉的蒸发量适应负荷的 需求； 2 ) 维持过热汽温和再热汽温在一定的范围内； 3 ) 维持燃烧的经济性； 4 ) 维持炉膛负压。 给水藏量 总科量 汽机调门开度 图2 3 超临界机组的输入输出 2 4 超临界锅炉给水控制策略 主汽度 圭淞力 圭汽氟量 本文主要针对机组运行在于态方式时进行分析，对于机组燃烧率低于 3 5 b m c r ，即分离器处于湿态运行方式下的情况不再进行叙述。超i i 缶界锅炉的给 水控制系统原理如图2 - 4 ，在实际电厂中其控制策略一般分为以下几部分： 1 ) 一级减温器前后温差控制方式 如果各受热面的吸热比例不变，过热器出口焓值为一常数，那么减温器后蒸汽 焓值也是一个常数，与负荷无关。保持减温器前后温差为一常数，也就间接保持了 减温器前蒸汽温度为一常数，相当于用减温器前微过热汽温作为校正燃水比信号。 1 】 华北电力大学硕士学位论文 由于在运行过程中，上下排喷燃器的切换、蒸汽吹灰的投入与否、过热器的换 热类型以及吸热特性等诸多因素，锅炉受热面在不同负荷时的吸热比例变化比较 大。若要保持微过热段汽温和各级减温器出口汽温为定值，则各级喷水量变化就比 较大。为了克服上述缺点，采用保持减温器前后温差的调节系统与直接调节微过热 段汽温调节系统相比，其调节品质有降低，但有改善一级减温器工作条件的优点。 萄总给水量信号的形成 a 侧一级减温水流量、b 侧一级减温水流量、a 侧二级减温水流量和b 侧二级 减温水流量经平滑处理相加得总喷水流量。三个主给水流量信号经主动给水温度修 正后三取中，得主给水量。总喷水流量与主给水量相加得总给水流量。 3 ) 控制策略 a 、b 两侧一级减温器前后温差二取一，与负荷经f 伍) 形成的要求值进行比较， 偏差送入温差p i d 控制器，其输出与调速级压力、平均温度等前馈量相加，作为焓 值设定值与用分离器出口温度和出口压力计算出的焓值比较，偏差送入焓值p i d 调 解器，输出加上燃料偏差作为给水量的要求值，与实际总水量的偏差送入给水调解 器，产生给水指令。 给水指令经平衡算法，送入2 台汽泵和1 台电泵，去控制给水量。当汽泵a 、 b 都自动时，可手动给定泵的偏差量，以承担不同负荷要求。当a 、b 有手动时， 自动生成偏置，实现两泵的平衡。而电泵只能手动给定泵的偏置量。 4 ) 给水泵转速控制 在给水泵控制系统中，给水主控发出的给水需求指令，被送到给水转速控制器， 通过改变给水泵转速来维持给水流量。 5 ) 给水调节门控制 给水调节门不直接调节给水流量，调节门仅控制给水母管压力。当给水母管压 力发生偏差时，通过给水调节门的调节来维持给水母管压力，以保证对过热器的喷 水压力。 6 ) 给水泵最小流量控制 电动给水泵和汽动给水泵都设计有最小流量控制系统，通过给水再循环，保证 给水泵出口流量不低于最小流量设定值，以保证给水泵设备安全。给水泵最小流量 控制系统通常为单回路调节系统，流量测量一般采用二取一；给水泵最小流量控制 系统仅工作在给水泵启动和低负荷阶段，锅炉给水量只要大于最小流量定值，给水 再循环调节阀门就关闭。最小流量给水再循环调节阀通常设计为反方向动作即控制 系统输出为0 时，阀门全开；输出为1 0 0 时，阀门全关。这样在失电或失去气源 时，阀门全开，可保证设备的安全。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 分 分 2 5 本章小结 图2 - 4 给水控制系统原理图 本章介绍了超临界机组的概况以及其在国外和国内的发展历程；分析了超临界 锅炉的静、动态特性；针对直流炉的控制特点及其控制任务进行了分析；并针对超 临界锅炉给水控制策略进行了简要概述。本章的介绍使得人们对超临界机组有了一 定的认识，为第四章对超临界机组给水策略的设