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超临界直流炉机组控制系统分析 华北电力大学动力系谷俊杰 目录 1 超临界机组特点概述2 超临界机组协调控制3 超临界机组给水控制4 超临界机组汽温控制5 超临界机组汽轮机控制6 火电机组控制系统特点分析 超临界机组三个重要平衡关系 1 机炉电与电网的关系 有功与无功满足电网的目标要求 一次调频和二次调频与调压 2 机炉之间能量平衡的关系 分为直接能量平衡与间接能量平衡两种方法 3 锅炉内部能量的平衡关系 分为煤水比与煤风比平衡 除氧器 省煤器 水冷壁 再热器 给水控制阀 锅炉给水泵 除氧器 低压加热器 冷凝水净化器 冷凝水泵 高压加热器 省煤器 水冷壁 汽水分离器储水罐 汽水分离器 水位控制阀 启动排污 低温过热器 屏式过热器 高温过热器 高温再热器 高压缸 中压缸 低压缸 冷凝器 高压旁路阀 疏水阀 喷水 喷水 低压旁路阀 HP IP 低温再热器 喷水 喷水 L P 喷水 BCP 360 361 带锅炉循环泵BCP 不带锅炉循环泵BCP 除氧器 省煤器 水冷壁 再热器 给水控制阀 锅炉给水泵 除氧器 低压加热器 冷凝水净化器 冷凝水泵 高压加热器 省煤器 水冷壁 汽水分离器储水罐 汽水分离器 水位控制阀 启动排污 低温过热器 屏式过热器 高温过热器 高温再热器 高压缸 中压缸 低压缸 冷凝器 高压旁路阀 疏水阀 喷水 喷水 低压旁路阀 HP IP 低温再热器 喷水 喷水 L P 喷水 361 1 超临界直流炉的控制特点 理论上认为 22 129MPa 温度374 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 因此在临界压力下无法维持自然循环 不能再采用汽包锅炉 直流炉成为唯一的型式 超临界锅炉与亚临界自然循环锅炉的结构和工作原理不同 启动方法也有较大的差异 超临界锅炉与自然循环锅炉相比 有以下的启动特点 设置专门的启动旁路系统直流锅炉在锅炉点火前就必须不间断的向锅炉进水 建立足够的启动流量 以保证给水连续不断的强制流经受热面 使其得到冷却 为防止低温蒸汽送入汽轮机后凝结 造成汽轮机的水冲击 直流炉需要设置专门的启动旁路系统来排除这些不合格的工质 配置汽水分离器和疏水回收系统低于本生流量时 给水流量要保持恒定 因此在本生负荷下超临界锅炉需要设置汽水分离器和疏水回收系统 启动前锅炉要建立启动压力和启动流量 超临界直流炉 由于锅炉的蓄质和蓄热量小 因而负荷调节的灵敏性好 可实现快速启 停和调节负荷 1 1超临界直流炉的控制特点 存在问题 超临界机组控制中机 炉之间存在严重的非线性耦合 直流锅炉在直流运行状态汽水之间没有一个明确的分界点 在流程中每一段的长度都受到燃料 给水 汽机调门开度的扰动而变化 从而导致了功率 压力 温度的变化 直流锅炉是一个三输入 三输出相互耦合关联极强的被控对象 汽机扰动对锅炉的耦合特性 汽机调门开度变化不仅影响了锅炉出口压力 还影响了汽水流程的加热段 导致了温度的变化 锅炉燃料扰动对压力 温度 功率的影响 燃料率增加 缩短了加热段和蒸发段 使压力 温度 功率均增加 给水扰动对压力 温度 功率的影响 给水量增加 加热段和蒸发段延长 推出一部分蒸汽 因此压力和功率开始是增加的 但由于过热段的缩短使汽温下降 导致功率和压力下降 汽温一段时间延迟后单调下降稳定在一个较低温度上 1 1超临界直流炉的控制特点 存在问题 强烈的非线性是超临界机组又一主要特征超临界机组采用超临界参数的蒸汽 其机组的运行方式采用滑参数运行 机组在大范围的变负荷运行中 压力运行10MPa 25MPa 之间 超临界机组实际运行在超临界和亚临界两种工况下 在亚临界运行工况给水具有加热段 蒸发段与过热段三大部分 在超临界运行工况汽水的密度相同 水在瞬间转化为蒸汽 因此在超临界运行方式和亚临界运行方式机组具有完全不同的控制特性 是复杂多变的被控对象 超临界机组是被控特性复杂多变的对象 随着机组负荷的变化 机组的动态特性参数亦随之大幅度变化 如燃水比调节的温度对象 在负荷变化50 100 范围内 增益变化达5 6倍 时间常数的变化也有3倍左右 1 2超临界直流炉的控制特点 汽包炉的控制 汽包炉中 汽包把汽水流程分为加热段 蒸发段和过热段 三段受热面的位置和面积是固定不变的 在给水流量变化时 仅影响汽包水位 不影响蒸汽压力和温度 而燃烧量变化时仅改变蒸汽流量和蒸汽压力 对蒸汽温度影响不大 因此给水 燃烧 蒸汽温度控制系统是可以相对独立的 可以通过控制给水流量 燃烧率 喷水流量分别控制汽包水位 蒸汽流量和蒸汽压力 1 3超临界直流炉的控制特点 直流炉 直流锅炉没有汽包 又没有炉水小循环回路 给水是一次性流过加热段 蒸发段和过热段的 三段受热面没有固定的分界线 当给水流量及燃烧量发生变化时 三段受热面的吸热比率将发生变化 锅炉出口温度以及蒸汽流量和压力都将发生变化 因此给水 汽温 燃烧系统是密切相关的 不能独立控制 应该作为整体进行控制 直流锅炉随着蒸汽压力的升高 蒸发段的吸热比例逐渐减少 而加热段和过热段的吸热比例增加 以及受热面管径变小 管壁变厚 因此 随着蒸汽压力的升高 锅炉分离器出口汽温和锅炉出口汽温的惯性增加 时间常数和延迟时间增加 1 4超临界直流炉的控制策略 压力控制是直流锅炉控制系统的关键环节 压力的变化对机组的外特性来说将影响机组的负荷 对内特性来说将影响锅炉的温度 因为直流炉蓄热较小 调门变化时引起的负荷变化较小 而且压力变化较大 对机组的负面影响较大 所以国外的资料中更推荐在超临界机组中采用机跟炉为基础的协调方式 协调锅炉与汽机的控制 但是在该方案的设计中应该充分考虑利用锅炉的储能加快机组对负荷的响应 在超临界机组中要保证主蒸汽温度的稳定 必须要控制汽水流程 控制蒸发点 一般通过控制煤水比来粗调主蒸汽温度 通过过热喷水减温来细调主蒸汽温度 理论和实践证明要保证直流锅炉汽温的调节性能 维持特定的燃水比来控制汽水行程中某一点焓 分离器出口焓 为负荷的函数是切实有效的手段 当给水量或燃料量扰动时 汽水行程中各点工质焓值的动态特性相似 在锅炉的燃水比保持不变时 稳定工况 汽水行程中某点工质的焓值保持不变 对于滑压运行锅炉 故采用微过热蒸汽焓替代该点温度作为燃水比校正信号 其优点在于 分离器出口焓 中间点焓 值对燃水比失配的反应快 系统校正迅速 焓值代表了过热蒸汽的作功能力 随工况改变焓给定值不但有利于负荷控制 而且也能实现过热汽温 粗 调正 1 4超临界直流炉的控制策略 超临界直流炉的设计中风煤比的控制在静态平衡的前提下要考虑动态下的风煤交叉 保证动态过程中风大于煤 确保锅炉燃烧的稳定 在超临界直流炉RB逻辑设计中需要充分考虑分离器出口温度 即必须考虑在事故工况下有合适的煤水比 由于超临界直流炉的强非线性 常规的控制策略难以达到良好的控制效果 因此需要大量采用变参数PID 变结构控制策略 以保证在各个负荷点上控制系统具有良好的效果 注意微过热点焓值对燃料率和给水量的响应较慢 响应时间达2 4分钟 由于燃烧对温度的动态响应要比给水对温度的动态响应慢的多 因此控制方案设计中要考虑煤水控制参数的动态补偿 焓值物理概念明确 用 焓增 来分析各受热面的吸热分布更为科学 它不仅受温度变化影响 还受压力变化影响 在低负荷压力升高时 分离器出口温度有可能进入饱和区 焓值的明显变化有助于判断 进而能及时采取相应措施 因此 静态和动态燃水比值及随负荷变化的焓值校正是超临界直流锅炉给水系统的主要控制特征 1 5超临界直流炉的控制策略 启动系统 对于具有内置式启动分离器的超临界机组 具有干式和湿式两种运行方式 在启动过程锅炉建立最小工作流量 蒸汽流量小于最小给水流量 锅炉运行在湿式方式 此时机组控制给水流量 利用疏水控制启动分离器水位 启动分离器出口温度处于饱和温度 此时直流锅炉的运行方式与汽包锅炉基本相同 控制策略基本是燃烧系统定燃料控制 给水系统定流量控制 启动分离器控制水位 温度采用喷水控制 当锅炉蒸汽流量大于最小流量 启动分离器内饱和水全部转为饱和蒸汽 直流锅炉运行在干式方式 即直流控制方式 此时锅炉以煤水比控制温度 燃烧控制压力 2 超临界机组协调控制 日立超临界机组协调控制策略基本框图 汽机 锅炉之间的功率平衡信号选择 汽包炉DEB协调控制系统 PI PI D D D PI PI NSP Pd N P1 PT PSP 锅炉调节系统 压力偏差校正 汽机调节系统 热量信号 P1 B PI PI PI PI PD PD P1 P1 dPd dt P1 PT PSP NSP N PT a b 三井巴布科克超临界直流炉协调控制思想 协调控制系统CCS 是指通过控制回路协调气轮机和锅炉的工作状态 同时给锅炉自动控制系统和气轮机自动控制系统发出指令 以达到快速响应负荷变化的目的 尽最大可能发挥机组的调频调峰能力 同时还要稳定运行参数 协调控制系统的运行方式大致有炉跟机方式 机跟炉方式 协调方式和手动方式四种 根据单元机组的不同的工况和运行要求 以及锅炉主控BM和气轮机主控 TM 所具备的不同的控制方式及组态 可构成多种不同的单元机组协调控制系统的运行方式 协调控制系统和协调控制方式 不同厂商根据不同的机组需要设计有不同的控制策略 下图为三井巴布科克超临界直流炉协调控制原理图 超临界机组是高参数 大容量的被控对象 机组的变负荷率应满足锅炉的运行要求 目前制造厂对超临界直流锅炉的变负荷率限制在1 分 在满足机组负荷变化率的要求下 为稳定机组压力 对超临界机组来说以机跟炉为基础的协调控制系统不失是一个好的控制方案 三井巴布科克直流炉协调控制系统原理图 压力定值微分前馈 压力限制 功率微分前馈 燃烧响应 AGC负荷指令 压力调节器 功率调节器 沁北电厂600MW协调方式下锅炉主控 双入双出磨煤机燃料控制 机组负荷指令形成逻辑 汽机主控 锅炉主控 3 超临界直流锅炉给水控制系统 锅炉的运行中 煤水比不是恒定不变的 它随着负荷的变化而改变 不考虑机组再热 则煤水比 式中 煤发热量 kJ kg 锅炉效率 分别为给水焓值 过热蒸汽焓值 J kg 给水流量 t h 燃料量 t h 超临界压力下工质的大比热特性 超临界直流炉给水控制方案1 中间点焓值给水控制 中间点温度给水控制 方案2 结论 1 中间点温度控制煤水比 可以减小蒸汽温度调节的滞后时间 及时控制水冷壁的工质温度 防止水冷壁发生传热恶化 且对于运行人员来讲 温度控制比焓值控制更直观 2 对于一定压力 超临界机组工质存在一个大的比热区 工质温度随吸热量变化不大 负荷变化时 在大比热区控制中间点温度容易造成给水控制失调 焓值的物理概念明确 用 焓增 来分析各受热面的吸热分布更为科学 3 焓值比中间点温度灵敏度高 4 过热蒸汽焓值代表过热蒸汽的做功能力 控制微过热蒸汽的焓值 有利于负荷控制 中间点温度给水控制实例 4 过热汽温串级控制系统 过热器一级减温 过热器二级减温 温差控制 5 汽轮机控制原理 DEH控制系统原理 一次调频 一次调频是为了使电网频率稳定而采取的措施 大功率机组需要在频率变化较小的时候保证负荷值 所以并不是机组转速偏离3000R M调频控制器就动作 而是有一定的范围 这个范围被称为死区 死区可调 当机组功率大于一定值且系统自动时 一次调频功能就投入 单阀 顺序阀流量关系图 不同重叠度下调节级流量和效率曲线 6 火电机组控制系统特点分析 串级三冲量给水系统的方框图 开环与闭环的优缺点 闭环控制器的作用