600MW超臨界鍋爐給水控制系統(tǒng)分析

1、華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）600MW超臨界鍋爐給水控制系統(tǒng)分析摘 要隨著我國電力市場的實際情況和國民經(jīng)濟發(fā)展的需要，電站項目朝著高參數(shù)、大容量的方向發(fā)展已成為大勢所趨，近年來超臨界發(fā)電機組在國內(nèi)得到迅速發(fā)展和應用。超臨界直流爐的給水控制技術是目前國內(nèi)熱控領域一個重要的研究課題。本文介紹了直流超臨界機組的鍋爐給水控制系統(tǒng)結(jié)構、控制特點，分析了在不同調(diào)節(jié)特性下的超臨界直流鍋爐給水控制系統(tǒng)的基本原理。根據(jù)超臨界直流爐給水控制系統(tǒng)的特點，分析了目前國內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)和將要投產(chǎn)的超臨界機組給水自動控制系統(tǒng)常用的基于中間點溫度校正和基于中間點焓值校正控制的優(yōu)缺點；結(jié)合某電廠一期600MW超臨界機組鍋爐給水

2、控制系統(tǒng)的設計，對采用中間點焓值校正的給水控制系統(tǒng)、焓值測量方法、焓值定值的產(chǎn)生及部分技術措施進行了分析。關鍵詞:超臨界直流爐；給水控制系統(tǒng)；燃水比；中間點溫度；中間點焓ANALYSIS OF 600MW SUPERCRITICAL BOILER FEEDWATER CONTROL SYSTEMAbstractIt becomes a trend that the power station projects go forward to high parameter and large capacity in consideration of chinas actual situation a

3、nd the demand of the national economic development. In the past years the super-critical unit were applied and developed quickly.The feedwater control of super critical once through boiler is an important study subject in thermal field at presentPresents the operating principle under different seffi

4、ngs, the construction and characteristics of the water supply control system for the once-through boilers of supercritical generoctor set. According to the characteristics of the feedwater control system of the supercritical once-through boiler, the paper analyzes the two types of feedwater control

5、systems: one is based on the intermediate points enthalpy adjust and the other one is based on the intermediate points temperature adjust, which are commonly used in the supercritical and ultra-supercritical power unit. And it compares the advantages and disadvantages between them. Regarding the des

6、ign of the feedwater control system of the 2600MW supercritical power unit, methods of enthalpy measured, production of definite valve of enthalpy, and some technical measures are introduced and analyzed, and these can provide a reference for design and operation of the feed water control system.Key

7、words: Supercritical once-through boiler; Feedwater control system; Coal to water ratio; Intermediate points enthalpy; Intermediate points temperature34目 錄摘要 Abstract 第一章 緒論 31.1 論文研究的背景和意義 31.2 國內(nèi)外研究動態(tài) 31.3 論文的主要工作 41.4 本章小結(jié) 4第二章 超臨界直流鍋爐概述 52.1 超臨界機組簡介 52.1.1 超臨界機組定義 52.1.2 超臨界機組在國外的應用 52.1.3 超臨界機組

8、在我國的應用 62.2 超臨界直流鍋爐 62.2.1 直流爐的工作原理 62.2.2 超臨界直流爐的靜態(tài)特性 82.2.3 超臨界直流爐的動態(tài)特性 92.3 超臨界機組的控制特點 102.3.1 汽包鍋爐的控制特點 102.3.2 超臨界鍋爐的控制特點 112.3.3 超臨界直流爐和汽包爐控制系統(tǒng)比較 112.3.4 超臨界鍋爐的控制任務 122.4 超臨界鍋爐的給水控制系統(tǒng) 122.4.1 鍋爐給水控制系統(tǒng)的主要任務 132.4.2 鍋爐給水系統(tǒng)的工藝流程 132.4.3 鍋爐給水系統(tǒng)的控制策略 142.5 本章小結(jié)16第三章 600MW超臨界機組給水系統(tǒng)控制策略 173.1 600MW超臨

9、界機組給水系統(tǒng)控制方案 173.1.1 給水控制系統(tǒng)的指令 173.1.2 給水系統(tǒng)控制方案 183.1.3 工程應用效果 213.2 超臨界鍋爐基于中間點焓校正的給水控制系統(tǒng)213.2.1超臨界直流鍋爐燃水比控制223.2.2 中間點溫度校正的給水控制系統(tǒng)簡介 233.2.3中間點焓值校正的給水控制系統(tǒng)243.3 本章小結(jié)26第四章 費縣600MW超臨界機組鍋爐給水控制系統(tǒng)分析 274.1 費縣電廠給水控制系統(tǒng)274.1.1 費縣電廠一期2x600MW 機組概況 274.1.2 費縣電廠給水工藝流程 274.2 給水流量控制回路分析284.2.1 費縣鍋爐給水流量指令形成回路分析 284.2

10、.2 給水泵控制回路分析 31結(jié)論 34參考文獻 35致謝 36第一章 緒 論 1.1 論文研究的背景和意義電力工業(yè)在我國國民經(jīng)濟中有著非常重要的作用。中國近年來已經(jīng)成為世界上電力建設速度最快的國家。截至2006年底，中國發(fā)電裝機容量達到6.22億千瓦，躍居成為世界第二電力大國；2007年底，全國裝機總?cè)萘坑锌赡芡黄?億千瓦1。超臨界鍋爐具有發(fā)電效率高、負荷適應性強等特點，是中國未來大型鍋爐的發(fā)展趨勢，深入研究并掌握其動態(tài)特性是十分重要的。直流鍋爐是指靠給水泵壓力，使給水順序通過省煤器、蒸發(fā)受熱面、過熱器并全部變?yōu)檫^熱蒸氣的鍋爐。由于給水在進入鍋爐后，水的加熱、蒸發(fā)和水蒸氣的過熱，都是在受熱面

11、中連續(xù)進行的，不需要在加熱中途進行汽水分離。因此，它沒有自然循環(huán)鍋爐的汽包。在省煤器受熱面、蒸發(fā)受熱面和過熱器受熱面之間沒有固定的分界點，隨鍋爐負荷變動而變動。直流鍋爐的主要優(yōu)點是它可適用于一切壓力，特別在臨界壓力及以上壓力范圍內(nèi)廣泛應用。由于它沒有汽包，因此，加工制造方便，金屬消耗量??；水冷壁布置比較自由，不受水循環(huán)限制；調(diào)節(jié)反應快，負荷變化靈活；啟、停迅速；最低負荷通常低于汽包鍋爐2。超臨界直流鍋爐的這些特點，也決定了其運行調(diào)節(jié)特性有別于汽包爐，汽溫調(diào)節(jié)與給水控制的配合更為密切。機組的主要設備之一是鍋爐，超臨界機組中的鍋爐都是直流爐，與汽包路相比在控制上有其特殊性。最顯著的區(qū)別是，在直流路

12、中沒有汽包將給水控制系統(tǒng)與汽溫控制系統(tǒng)和燃燒控制系統(tǒng)隔離開來。給水系統(tǒng)雖然在超臨界機組中只是一個子系統(tǒng)，但其在整個機組中發(fā)揮著舉足輕重的作用。如果說鍋爐是整個機組的心臟，那么給水系統(tǒng)可以說就是機組的主動脈，它不僅要向鍋爐輸送合格的工質(zhì)，而且還擔負著保證機組穩(wěn)定運行的任務。通過使用，調(diào)試引進的國外超臨界機組鍋爐給水控制策略、供水控制系統(tǒng)的工藝流程，及時歸納、研究探討和改進以形成我們自己的技術，以及對后面超臨界機組仿真系統(tǒng)的開發(fā)和超超臨界機組控制系統(tǒng)的研究有重要意義。本文將對直流爐的給水系統(tǒng)進行透析。1.2 國內(nèi)外研究動態(tài)超臨界直流爐的專利方案，是由移居美國的捷克人馬克本生在1919年提出的，19

13、23 年德國西門子公司按他的專利建成了第一臺實驗性超臨界機組。從30年代至60年代，德國、美國、前蘇聯(lián)和日本，先后對超臨界機組實驗臺進行實驗，發(fā)現(xiàn)超臨界機組不僅效率高，而且超臨界蒸汽也有一定的優(yōu)越性。因而，吸引著生產(chǎn)發(fā)展速度快、電力需求急、競爭能力較強的國家如美國、前蘇聯(lián)和日本，大步向前發(fā)展超臨界機組，先后掌握了先進的超臨界技術，而且技術比較成熟，自動控制水平比較高4。目前，隨著單元機組容量的增大和參數(shù)的提高，機組在啟停過程中需要監(jiān)視和控制的項目越來越多，因此，為了機組的安全和經(jīng)濟運行，必須實現(xiàn)鍋爐給水從機組的啟動到正常運行，又到停爐冷卻全部過程均能實現(xiàn)自動控制7。近年來600MW超臨界機組已

14、經(jīng)成為我國電力行業(yè)的主力機組，研究超臨界機組給水的文獻也相應增多，并且建立了一些超臨界火電機組給水系統(tǒng)的數(shù)學模型。范永勝，程芳真等為了研究超臨界直流鍋爐的整體動態(tài)特性，在已建立的兩相區(qū)段和單相區(qū)段模型的基礎上，進一步補充了汽水分離器模型、煙氣側(cè)模型以及汽機簡化模型，從而建立了適用于大擾動全工況仿真的超臨界直流鍋爐的整體動態(tài)數(shù)學模型，最后以該模型為基礎，通過數(shù)學仿真對某600MW超臨界直流鍋爐的動態(tài)特性進行了研究，并分析了仿真結(jié)果的合理性。通過結(jié)果表明，該數(shù)學模型是合理有效的6。蔡寶玲，王哲等研究了超臨界機組分布式數(shù)學模型結(jié)構設計及相關軟硬件配置方案；在引進國外先進的仿真支撐軟件基礎上，通過二次

15、開發(fā)，建立了超臨界機組機、爐、電過程動態(tài)模型和控制系統(tǒng)動態(tài)模型及各種故障模型；開發(fā)了操作員界面軟件和教練員站控制軟件并與模型軟件進行連接，形成了一套完整的超臨界600MW機組仿真系統(tǒng)。在對超臨界600MW機組仿真系統(tǒng)數(shù)學模型及其驗證比較，對實時仿真模型試驗動態(tài)過程進行了分析，并給出了試驗曲線8。1.3 論文的主要工作本論文主要包括如下研究內(nèi)容：（1）了解直流鍋爐及其控制的基本概念、任務和要求，熟悉超臨界直流鍋爐被控對象的特點。（2）分析與設計超臨界機組直流爐給水控制系統(tǒng)控制方案。（3）對超臨界鍋爐基于中間點焓校正的給水控制系統(tǒng)進行分析。（4）熟悉直流爐給水控制系統(tǒng)的組態(tài)圖。針對某電廠直流爐給水

16、控制系統(tǒng)的組態(tài)圖。1.4 本章小節(jié)超臨界機組與相同容量的亞臨界汽包爐相比，反應速度更快，更難于控制。600MW超臨界直流鍋爐以其啟停速度快、負荷變化快的特點將逐漸成為我國今后發(fā)展的調(diào)峰主力機組，對該機型的運行特性應更深入的了解，在實際運行中更為合理和精確的控制機組運行。第二章 超臨界直流鍋爐概述2.1 超臨界機組簡介2.1.1 超臨界機組定義超臨界機組是指過熱器出口主蒸汽壓力超過22.125MPa。目前運行的超臨界機組運行壓力均為2425MPa。理論上認為，在水的狀態(tài)參數(shù)達到臨界點時(壓力22.125MPa，溫度374.15)，水的汽化會在一瞬間完成，即在臨界點時飽和水和飽和蒸汽之間不再有汽水

17、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法維持自然循環(huán)，即不能再采用汽包鍋爐，直流鍋爐成為唯一型式。我國火電機組平均單機容量不足10萬kW，2006年我國平均供電煤耗達366g/(kW/h)，比國外先進水平高5060g/(kW/h)，高出25%以上1，資源浪費太大，廢氣排放嚴重。超臨界機組和超超臨界機組不僅提高煤炭利用率，而且是降低環(huán)境污染有效而經(jīng)濟的途徑之一。2.1.2 超臨界機組在國外的應用水的臨界狀態(tài)點壓力和溫度分別為22.125MPa和374.15。通常認為蒸汽參數(shù)超過水的臨界狀態(tài)點壓力和溫度數(shù)值的機組稱為超臨界機組，實際投運的超臨界機

18、組的蒸汽參數(shù)大多在23.5MPa，538以上，一般把參數(shù)超過29MPa，560的機組稱為超超臨界機組或高效超臨界機組。蒸汽機組隨著蒸汽參數(shù)的提高，機組效率不斷上升，表2-1列出了亞臨界機組，超臨界機組和超超界機組的凈效率和供電煤耗。表 2-1 亞臨界、超臨界和超超臨界機組的凈效率和供電煤耗蒸汽參數(shù)機組凈效率/%供電煤/g(kwh)-117MPa，538 3738330340 24MPa，538404131032030MPa，5664445290300超臨界直流鍋爐的專利方案，是由捷克人馬克本生在1919年提出來的，1923年德國西門子公司按他的專利建成了第一臺試驗性超臨界機組。美國于1957年

19、在Philo電廠投運了蒸汽參數(shù)為31MPa，538功率為125MW的超臨界試驗機組，隨后投產(chǎn)了蒸汽參數(shù)更高的Eddystone電廠，其蒸汽參數(shù)34.4MPa，566功率為325MW超超臨界機組。美國由于初期采用了過高的蒸汽參數(shù)，超出了當時的技術水平，不可避免地發(fā)生了頻繁的事故，后來制造的超臨界機組蒸汽參數(shù)大多采用24.1MPa，538美國投運的超臨界機組大約170臺，其中燃煤機組占70%以上，并擁有臺世界上單機容量最大的1300MW機組。由于美國電力工業(yè)大力發(fā)展高效的燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)，絕大部分超臨界機組都是在上世紀60和70年代投運的。前蘇聯(lián)從上世紀50年代以來一直積極地發(fā)展超臨界機組，主要立

20、足于國內(nèi)自主開發(fā)。1963年投運了第一臺蒸汽參數(shù)為25MPa，570功率為300MW的超臨界機組，其后所有300MW及以上的機組都采用超臨界技術。至1985年共有18臺超臨界機組投入運行，總功率達6800萬kW，單機功率最高為1200MW，蒸汽參數(shù)為23.5MPa，5401。日本發(fā)展超臨界機組采用引進、仿制、創(chuàng)新的技術路線。日本第一臺超臨界機組是從美國通用公司引進的600MW樣機，于1967年正式投入運營。隨后，由東芝公司仿制相同樣機于1969年投運，而1971年投運的600MW機組則有效地利用了日本自己的技術。當日本發(fā)現(xiàn)引進的美國超臨界機組技術不能在廣泛的范圍內(nèi)滑壓變負荷運行和快速經(jīng)濟地啟停

21、時，便在70年代后期果斷從歐洲引進了水冷壁管螺旋盤繞上升的本生超臨界直流鍋爐技術。80年代以后，日本能自行開發(fā)能夠帶中間負荷，滑壓運行的超臨界直流鍋爐。日本將450MW以上機組全部采用超臨界參數(shù)，超臨界機組占其火電容量的50%以上，最大單機容量為1000MW，蒸汽參數(shù)一般為24.1MPa，53856614。2.1.3 超臨界機組在我國的應用我國從80年代后期開始重視發(fā)展超臨界機組，很大部分都是引進設備，最大單機容量為1000MW，上海石洞口二廠引進的兩臺600MW超臨界變壓運行機組于1991年和1992 年投入運行；從俄羅斯引進的南京熱電廠2300MW，天津盤山電廠2500MW，內(nèi)蒙伊敏電廠2

22、500MW，遼寧綏中電廠2800MW共480萬kW的超臨界機組已陸續(xù)投運。目前，上海外高橋電廠建設引進的兩臺900MW機組，一臺已完成168。在已運行的機組中，石洞口第二電廠兩臺超臨界機組已投運多年，運行情況良好，大大好于鄰近的石洞口第一電廠亞臨界機組。在全國火電大機組競賽中，該兩臺機組每年都評為600MW進口機組特等或一等獎。電廠設計凈效率達42%，供電煤耗低于300g/(kW/h)13。1999年鍋爐/汽輪發(fā)電機組非計劃停機為零。該機組經(jīng)常處于中間負荷運行，承擔華東電網(wǎng)調(diào)峰任務，夜間常為半負荷運行狀態(tài)。而華能南京電廠兩臺超臨界機組是從原蘇聯(lián)進口，由于機組制造及配套硬件質(zhì)量較差，自動化水平不

23、高，投運初期事故較多，后經(jīng)整治及多年運行調(diào)整，目前機組運行良好。伊敏電廠兩臺機組，其1號機自1998年11月9日到1999年5月9日完成試生產(chǎn)任務，并創(chuàng)造國內(nèi)同類機組試生產(chǎn)期間連續(xù)運行774h的記錄。在2000年4月，國家已確定河北沁北電廠(2600MW)工程作為600MW超臨界火電機組設備國產(chǎn)化項目的依托工程。大型超超臨界火電技術的研究項目已列入我國“十五”高科技發(fā)展計劃，確定了以華能玉環(huán)電廠為依托工程，計劃開發(fā)600MW以上的超超臨界機組，供電效率將達43%45%。2.2 超臨界直流鍋爐2.2.1 直流爐的工作原理直流鍋爐依靠給水泵的壓頭將鍋爐給水一次通過加熱、蒸發(fā)、過熱各受熱面而變成過熱

24、蒸汽。直流爐的汽水流程如圖2-1所示。在直流鍋爐蒸發(fā)受熱面中，由于工質(zhì)的流動不是依靠汽水密度差來推動，而是通過給水泵壓頭來實現(xiàn)，工質(zhì)一次通過各受熱面，蒸發(fā)量等于給水量，故可認為直流鍋爐的循環(huán)倍率為1。圖2-1 直流爐工作原理圖直流鍋爐沒有汽包，在水的加熱受熱面和蒸發(fā)受熱面間，及蒸發(fā)受熱面和過熱受熱面間無固定的分界點，在工況變化時，各受熱面長度會發(fā)生變化。1. 直流鍋爐的結(jié)構特點直流鍋爐無汽包，工質(zhì)一次通過各受熱面，各受熱面之間無固定的界限，隨著鍋爐負荷和工況的變動而變動。直流鍋爐的結(jié)構特點主要表現(xiàn)在蒸發(fā)受熱面和汽水系統(tǒng)上。直流鍋爐的省煤器、過熱器、再熱器、空預器及燃燒器等與自然循環(huán)鍋爐相似。2

25、. 直流鍋爐適用于壓力等級較高的鍋爐根據(jù)直流爐的工作原理，任何壓力的鍋爐理論上都可采用直流鍋爐。但實際上中、低壓鍋爐、高壓鍋爐以及亞臨界鍋爐一般均采用汽包型，而超臨界壓力的鍋爐只能采用直流型。3. 直流鍋爐可采用布置自由的小直徑蒸發(fā)管直流鍋爐采用小直徑蒸發(fā)管會增加水冷壁管的流動阻力，但由于水冷壁管內(nèi)的流動為強制流動，且采用小直徑蒸發(fā)管大大降低了水冷壁管的截面積，提高了管內(nèi)汽水混合物的流速，因此保證了水冷壁的安全。工作壓力相同的條件下，水冷壁管的壁厚與管徑成正比，直流鍋爐采用小管徑水冷壁且不用汽包，可以降低鍋爐的金屬耗量。與自然循環(huán)鍋爐相比，直流鍋爐通?？梢怨?jié)省約20%30%的鋼材。但由于采用小

26、直徑蒸發(fā)管后流動阻力增加，給水泵電耗增加，因此直流鍋爐的廠用電量比自然循環(huán)鍋爐大。4. 直流鍋爐的給水品質(zhì)要求高直流鍋爐沒有汽包，不能進行鍋內(nèi)水處理，給水帶來的鹽分除一部分被蒸汽帶走外，其余將沉積在受熱面上影響傳熱，且這些鹽分只有停爐清洗才能除去，因此為了確保受熱面的安全，直流鍋爐的給水品質(zhì)要求高。直流爐通常要求凝結(jié)水進行100%的除鹽處理。5. 直流爐的自動控制系統(tǒng)要求高直流爐無汽包且蒸發(fā)受熱面管徑小，金屬耗量小，使得直流鍋爐的蓄熱能力較低。當負荷變化時，依靠自身鍋水和金屬蓄熱或放熱來減緩汽壓波動的能力較低。當負荷發(fā)生變化時，直流爐必須同時調(diào)節(jié)給水量和燃料量，以保證物質(zhì)平衡和能量平衡，才能穩(wěn)

27、定汽壓和汽溫。6. 直流鍋爐的啟停速度和變負荷速度快為了保證受熱面的安全工作，且為了減少啟動過程中的工質(zhì)損失和能量損失，直流鍋爐需設專門的啟動旁路系統(tǒng)。直流鍋爐由于沒有汽包，在啟停過程及變負荷運行過程中的升、降溫速度可快些，鍋爐啟停時間大大縮短，鍋爐變負荷速度提高。2.2.2 超臨界直流爐的靜態(tài)特性熱力學理論認為，在22.125MPa、溫度374.15時，水的汽化會在一瞬間完成，即在臨界點時飽和水和飽和蒸汽之間不再有汽、水共存的兩相區(qū)存在，兩者的參數(shù)不再有區(qū)別。由于在臨界參數(shù)下汽水密度相等，因此在臨界壓力下無法維持自然循環(huán)，只有采用直流爐。超臨界直流爐的汽水形程經(jīng)歷了加熱、蒸發(fā)和過熱三個過程，

28、如圖2-2 所示。圖2-2 超臨界直流爐汽水行程示意1. 汽溫靜態(tài)特性由圖2-2可知，超臨界直流爐的各級受熱面串聯(lián)連接，給水的加熱、蒸發(fā)和過熱三個階段的分界點在受熱面中的位置雖工況變化而變化。根據(jù)一次工質(zhì)在穩(wěn)定工況下的熱平衡方程式且假設二次工質(zhì)吸熱量為0（無再熱器），有： (2-1）式中，W 給水流量，等于主流量；hgr 過熱蒸汽焓； hgs 給水焓；M 燃料量；gl 鍋爐效率；Qar，net 燃料量應用基低位發(fā)熱量；經(jīng)整理得： （2-2）對一個新工況，有： （2-3）由式（2-2）和（2-3）可知： 當 即燃水比不變時，過熱蒸汽焓（溫度）保持不變； 當燃料發(fā)熱量變小時，過熱蒸汽焓（溫度）隨之

29、降低；反之，升高； 當給水焓降低時，過熱蒸汽焓（溫度）隨之降低；反之，升高；2. 汽壓靜態(tài)特性超臨界機組的主汽壓由系統(tǒng)的質(zhì)量平衡、熱量平衡和工質(zhì)流動壓降等決定。 當燃料量M 增加時，若燃水比保持不變，則主汽流量增加從而使汽壓上升；若燃水比增加，則過熱汽溫增加，減溫水流量也需增加，相應地增加主汽流量，從而汽壓上升。 當給水流量增加時，若燃水比保持不變，則主汽流量增加從而使汽壓上升；若燃水比減小，從而過熱汽溫降低，減少減溫水流量，汽壓基本不變。2.2.3 超臨界直流爐的動態(tài)特性超臨界直流爐在運行過程中經(jīng)常受到各種擾動，如汽機調(diào)門開度擾動、燃料量擾動等，各種擾動下的動態(tài)特性示意如圖2.3 所示。圖2

30、-3 超臨界機組的動態(tài)特性1. 汽機調(diào)門開度擾動（圖 2-3a）汽機擾動對鍋爐是一種負荷擾動，對超臨界機組的影響具有典型的耦合特性：汽機調(diào)門開度變化不僅影響了鍋爐出口的壓力，還影響了汽水流程的加熱段，導致了溫度的變化。1) 主汽流量迅速增加，隨著主汽壓力的下降而逐漸下降直至等于給水流量。2) 主汽壓力迅速下降，隨著主汽流量和給水流量逐步接近，主汽壓力的下降速度逐漸減直至穩(wěn)定在新的較低壓力。3) 過熱汽溫一開始由于主汽流量的增加而下降，但由于過熱器金屬釋放蓄熱的補償作用，汽溫下降的并不多，最終主汽流量等于給水流量，且燃水比未發(fā)生變化，故過熱汽溫近似不變。4) 由于蒸汽流量急劇增加，功率也顯著上升

31、，這部分多發(fā)功率來自鍋爐的蓄熱，由于燃料量沒有發(fā)生變化，功率有逐漸恢復到原來的水平。2. 燃料量擾動（圖2-3b）燃料量擾動是指燃料量、送風量、引風量同時變化的一種擾動。1) 由于給水流量保持不變，因此主汽流量最終仍保持原來的數(shù)值。但由于燃料量的增加而導致加熱段和蒸發(fā)段縮短，鍋爐中貯水量減少，因此主汽流量在燃料量擾動后經(jīng)過一段時間的延遲會有一個上升的過程。2) 主汽壓力在短暫的延遲后逐漸上升，最后穩(wěn)定在較高的水平。最初的上升是由于主汽流量的增大，隨后保持在較高的水平是由于過熱汽溫的升高，蒸汽容積流量增大，而汽機調(diào)速閥開度不變，流動阻力增大所致。3) 過熱汽溫一開始由于主汽流量的增加而略有下降，

32、然后由于燃料量的增加而穩(wěn)定在較高的水平。4) 功率最初的上升是由于主汽流量的增加，隨后的上升是由于過熱汽溫（新汽焓）的增加。3. 給水流量的擾動（圖2-3c）1) 隨著給水流量的增加，主汽流量也會增大。但由于燃料量不變，加熱段和蒸發(fā)段都要延長。在最初階段，主汽流量只是逐步上升，在最終穩(wěn)定狀態(tài)，主汽流量必將等于給水流量，穩(wěn)定在新的平衡點。2) 主汽壓力開始隨著主汽流量的增加而增加，然后由于過熱溫的下降而有所回落。3) 過熱汽溫經(jīng)過一段較長時間的延遲后單調(diào)下降直至穩(wěn)定在較低的數(shù)值。4) 功率最初由于蒸汽流量的增加而增加，隨后則由于氣溫降低而減少。因為燃料量未變，所以最終的功率基本不變，只是由于蒸汽

33、參數(shù)的下降而稍低于原有水平。2.3 超臨界機組的控制特點2.3.1 汽包鍋爐的控制特點汽泡鍋爐的汽水行程中，汽包將鍋爐受熱面分割為加熱，蒸發(fā)和過熱三段。汽包在運行中除作為汽水分離器外，還作為燃水比失調(diào)的反沖器。當燃水比失去平衡關系時，利用汽包中的存水和空間容積暫時維持鍋爐的工質(zhì)平衡關系，以保持各段受熱面積不變。因此，當我們用汽包水位H、過熱汽溫T和主汽壓PT來表示汽包鍋爐的運行狀態(tài)時，與3個主要控制量（給水流量W、減溫水流量WJ和燃料量M）之間的關系如下：可見，上式中的傳遞函數(shù)為上三角陣，由此也說明汽包鍋爐給水、汽溫和汽壓控制可采用單變量系統(tǒng)的分析方法，設計相應的較為獨立的控制系統(tǒng)。2.3.2

34、 超臨界鍋爐的控制特點在直流爐中給水變成過熱蒸汽是一次性完成的，見圖2-2，因此鍋爐的蒸發(fā)量D不僅決定于燃料量M， 同時也決定于給水流量W。因此，超臨界機組的負荷控制是與給水控制和燃料量控制密切相關而不可分的。當給水量和燃燒率的比例改變時，直流爐的各個受熱面的分界就發(fā)生變化，從而導致過熱汽溫發(fā)生劇烈的變化。根據(jù)上述超臨界機組的靜、動態(tài)特性分析，表征超臨界機組運行狀態(tài)的三個重要參數(shù)（主汽壓力PT、微過熱汽溫Tsl和過熱汽溫T）與三個相應的控制量（燃料量M、給水流量W和減溫水流量WJ）之間的矩陣方程可表示如下：由此可見，主汽壓力與微過熱汽溫構成多變量相關被控對象，而減溫水流量對主汽壓力與微過熱汽溫

35、沒有直接的影響，因此在維持燃水比的前提下，減溫水控制可按單回路控制系統(tǒng)設計。綜上所述，超臨界機組有以下控制特點：1. 超臨界機組是一個多輸入、多輸出的被控對象，輸入量為給水量、燃料量、汽機調(diào)門開度，輸出量為汽溫、汽壓和蒸汽流量；2. 負荷擾動時，主汽壓力反應快，可作為被調(diào)量；3. 超臨界機組工作時，其加熱區(qū)、蒸發(fā)區(qū)和過熱區(qū)之間無固定的界限，汽溫、燃燒、給水相互關聯(lián)，尤其是燃水比不相適應時，汽溫將會有顯著的變化，為使汽溫變化較小，要保持燃燒和給水量的適當比例；4. 從動態(tài)特性來看，微過熱汽溫能迅速反應過熱汽溫的變化，因此可以將該信號來判斷給水和燃燒率是否失調(diào)；5. 超臨界機組的蓄熱系數(shù)小對壓力控

36、制不利，但有利于迅速改變鍋爐負荷，適應電網(wǎng)尖峰負荷的能力強。2.3.3 超臨界直流爐和汽包爐控制系統(tǒng)比較超臨界機組與汽包爐機組的控制任務相同，即在能夠承受的限度內(nèi)，機組的發(fā)電負荷對指令的響應速度最快，同時協(xié)調(diào)鍋爐與汽輪發(fā)電機間的運行，使鍋爐的熱量輸入與電能輸出相平衡，保持鍋爐各輸入，如燃料、風和水之間的匹配關系。為完成上述機組控制任務，機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應做到：最大限度利用蓄能，具有快速響應的發(fā)電負荷控制，發(fā)電負荷控制與鍋爐控制解耦，在所有工況下，鍋爐指令都基于汽機的能量需求，保證鍋爐與汽機相協(xié)調(diào)3。直接能量平衡（DEB）控制策略在汽包鍋爐機組應用中表現(xiàn)出良好的性能。實際上，DEB控制策略最初是

37、用于直流爐機組控制的，但直流爐機組DEB控制策略還需就以下問題進一步的研究和完善。1. 熱量度量，基于準確熱量度量的鍋爐輸入熱量和汽機需求信號的直接平衡是DEB良好控制性能的基礎，準確的熱量信號只反映鍋爐的能量輸入、對汽機調(diào)門開度變化是解耦的。而直流爐由于蓄熱呈分布特性、無類似汽包的相對集中蓄熱，簡便的熱量度量難以求取。直流爐這一重要信號缺失給解除機爐間的耦合、協(xié)調(diào)鍋爐與汽機間的控制作用、發(fā)熱量校正和燃水比校正都帶來困難。2. 蓄熱量小，不能滿足應快速響應的發(fā)電負荷控制的需要。控制系統(tǒng)應最大限度地利用直流爐能快速改變鍋爐蒸汽負荷的能力，以補償相對其相對較低的蓄熱量，這在很大程度上取決于鍋爐前饋

38、信號選擇和形式。另一方面，應有完善的實時監(jiān)視鍋爐跟蹤負荷的能力，以鍋爐實際能力為限改變機組負荷。3. 嚴重非線性耦合的解除。應在深入分析超臨界機組過程機理的基礎上找出各參量間相互影響關系，減弱或消除不利的耦合。2.3.4 超臨界鍋爐的控制任務超臨界直流鍋爐主要輸出量為汽溫、汽壓和蒸汽流量（負荷），主要輸入量是給水量、燃燒率和汽機調(diào)門開度如圖2-4 所示。由于是強制循環(huán)且受熱區(qū)段之間無固定界限，一種輸入量擾動則將對各輸出量產(chǎn)生影響，如單獨改變給水量或燃料量，不僅影響主汽壓與蒸汽流量，過熱器出口汽溫也會產(chǎn)生顯著的變化，所以比值控制（如給水量/蒸汽量、燃料量/給水量及噴水量/給水量等）和變定值、變參

39、數(shù)調(diào)節(jié)是直流鍋爐的控制特點。超臨界機組的控制任務：1) 快速、準確響應負荷并維持主汽壓在一定的范圍內(nèi)，使鍋爐的蒸發(fā)量適應負荷的需求；2) 維持過熱氣溫和再熱氣溫在一定的范圍內(nèi)；3) 維持燃燒的經(jīng)濟性；4) 維持爐膛負壓；圖 2-4 超臨界機組的輸入輸出2.4 超臨界鍋爐的給水控制系統(tǒng)2.4.1 鍋爐給水控制系統(tǒng)的主要任務超臨界發(fā)電機組沒有汽包，鍋爐給水控制系統(tǒng)的主要任務不再是控制汽包水位；而是以汽水分離器出口溫度或焓值作為表征量，保證給水量與燃料量的比例不變，滿足機組不同負荷下給水量的需求。當給水量或燃料量擾動時，汽水行程中各點工質(zhì)焓值的動態(tài)特性相似；在鍋爐的燃水比保持不變時（工況穩(wěn)定），汽水

40、行程中某點工質(zhì)的焓值保持不變，所以采用微過熱蒸汽焓代替該點溫度作為燃水比校正是可行的，其優(yōu)點在于：1) 分離器出口焓（中間點焓）值對燃水比失調(diào)的反應快，系統(tǒng)校正迅速。2) 焓值代表了過熱蒸汽的做功能力，隨工況改變焓給定值不但有利于負荷控制，而且也能實現(xiàn)過熱汽溫（粗）調(diào)整。3) 焓值的物理概念明確，用“焓增”來分析各受熱面的吸熱分布更為科學。它不僅受溫度變化影響，還受壓力變化影響，在低負荷壓力升高時（分離器出口溫度有可能進入飽和區(qū)），焓值的明顯變化有助于判斷，進而能及時采取相應措施。因此，靜態(tài)和動態(tài)燃水比值及隨負荷變化的焓值校正是超臨界直流鍋爐給水系統(tǒng)的主要控制特征。2.4.2 鍋爐給水系統(tǒng)的工

41、藝流程在鍋爐啟動和低負荷運行時（35%BMCR），分離器處于濕態(tài)運行，分離器同汽包一樣起著汽水分離的作用，此時適當控制分離器水位，通過循環(huán)回收合格工質(zhì)。當鍋爐進入直流運行階段時，分離器處于干態(tài)運行，成為（過熱）蒸汽通道。一般機組配備有汽動給水泵和電動給水泵。在機組啟動時，電動給水泵以最低轉(zhuǎn)速運行，用其出口管道旁路上的氣動調(diào)節(jié)閥控制給水流量。當機組負荷上升，給水流量加大時，由給水控制系統(tǒng)的信號控制給水泵的轉(zhuǎn)速，以調(diào)節(jié)給水流量，直至汽動給水泵投入，停止電動給水泵運行，使其處于備用狀態(tài)。啟動過程中，蒸汽加熱除氧器給水，主給水泵的出水分別經(jīng)三級高壓加熱器后進入省煤器，考慮到低負荷下直流鍋爐對流速的要求

42、，在啟動和低負荷階段保證最小給水流量。流過水冷壁管的汽水混合物進入分離器，分離器疏水分兩路，一路進入除氧器，進行合格工質(zhì)及熱量的回收；另一路經(jīng)擴容器擴容后進入疏擴箱，由擴疏泵輸送至凝汽器或直接向外排放。隨著循環(huán)加熱的進行，當給水達到一定溫度后，鍋爐允許點火。給水系統(tǒng)按要求的流量、壓力和溫度供給鍋爐給水，以及向有關設備供給各種運行工況所需要的減溫水，以保證機組的正常運行。直流鍋爐的汽水系統(tǒng)如圖2-5。圖2-5 直流鍋爐的汽水系統(tǒng)2.4.3 鍋爐給水系統(tǒng)的控制策略給水控制系統(tǒng)原理圖如2-6。在機組燃燒率低于35%BMCR、鍋爐出處于非直流運行方式，分離器處于濕態(tài)運行，分離器中的水位由分離器至除氧器

43、以及分離器至擴容器的組合控制閥進行調(diào)節(jié)，給水系統(tǒng)處于循環(huán)工作方式。在機組燃燒率大于35%BMCR 后，鍋爐逐步進入直流運行狀態(tài)，此時的給水控制是燃水比調(diào)節(jié)。1. 汽水分離器水位調(diào)節(jié)分離器水位通過改變鍋爐給水量來實現(xiàn)。當發(fā)生水膨脹時，由調(diào)節(jié)閥來輔助控制分離器水位。根據(jù)鍋爐汽水分離器貯水灌得水位，按比例控制鍋爐汽水分離器貯水灌水位調(diào)節(jié)閥開度。貯水灌水位在11.3 米以下，貯水灌水位調(diào)節(jié)閥全關；貯水灌水位達到15.4 米以上，貯水灌調(diào)節(jié)閥全開。下列情況鍋爐汽水分離器貯水灌水位控制強制手動：貯水灌水位控制閥交流電源失去；貯水灌水位控制閥直流電源失去；控制指令信號故障；分離器貯水灌壓力信號故障；分離器注

44、水罐水位信號故障。圖2-6 給水控制系統(tǒng)原理圖2. 燃水比調(diào)節(jié)1) 一級減溫器前后溫差如果各受熱面的吸熱比例不變，過熱器出口焓值為一常數(shù)，那么減溫器后蒸汽焓值也是一個常數(shù)，與負荷無關，保持減溫器前后溫差為一常數(shù)，也就間接保持了減溫器前蒸汽溫度為一常數(shù)，相當于用減溫器前微過熱汽溫作為校正燃水比信號。由于在運行過程中上、下排噴燃器的切換以及蒸汽吹灰的投入與否。過熱器屬于對流過熱或熱輻射的吸熱特性等諸多因素，鍋爐受熱面在不同負荷時的吸熱比例變化比較大，若要保持微過熱段汽溫和各級減溫器出口汽溫為定值，則各級噴水量變化就比較大。為了克服上述缺點，采用保持減溫器前后溫差的調(diào)節(jié)系統(tǒng)與直接調(diào)節(jié)微過熱段汽溫調(diào)節(jié)

45、系統(tǒng)相比，其調(diào)節(jié)品質(zhì)有降低，但有改善一級減溫器工作條件的優(yōu)點。2) 總給水量A 側(cè)一級減溫水流量、B 側(cè)一級減溫水流量、A 側(cè)二級減溫水流量和B 側(cè)二級減溫水流量經(jīng)平滑處理相加得總噴水流量。三個主給水流量信號經(jīng)主動給水溫度修正后三取中，得主給水量?？倗娝髁颗c主給水量相加得總給水流量。3) 控制策略A、B 兩側(cè)一級減溫器前后溫差二取一，與負荷經(jīng)f(x)形成的要求值進行比較，偏差送入溫差PID控制器，其輸出與調(diào)速級壓力、平均溫度等前饋量相加，作為焓值設定值與用分離器出口溫度和出口壓力計算出的焓值比較，偏差送入焓值PID 調(diào)解器，輸出加上燃料偏差作為給水量的要求值，與實際總水量的偏差送入給水調(diào)解器

46、，產(chǎn)生給水指令。給水指令經(jīng)平衡算法，送入2臺汽泵和1臺電泵，去控制給水量。當汽泵A、B都自動時，可手動給定泵的偏差量，以承擔不同負荷要求。當A、B有手動時，自動生成偏置，實現(xiàn)兩泵的平衡。而電泵只能手動給定泵的偏置量。4) 給水泵轉(zhuǎn)速控制在給水泵控制系統(tǒng)中，給水主控發(fā)出的給水需求指令，被送到給水轉(zhuǎn)速控制器，通過改變給水泵轉(zhuǎn)速來維持給水流量。5) 給水調(diào)節(jié)門控制給水調(diào)節(jié)門不直接調(diào)節(jié)給水流量，調(diào)節(jié)門僅控制給水母管壓力。當給水母管壓力發(fā)生偏差時，通過給水調(diào)節(jié)門的調(diào)節(jié)來維持給水母管壓力，以保證對過熱器的噴水壓力。6) 給水泵最小流量控制電動給水泵和汽動給水泵都設計有最小流量控制系統(tǒng)，通過給水再循環(huán)，保證

47、給水泵出口流量不低于最小流量設定值，以保證給水泵設備安全。給水泵最小流量控制系統(tǒng)通常為單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，流量測量一般采用二取一。給水泵最小流量控制系統(tǒng)僅工作在給水泵啟動和低負荷階段；鍋爐給水量只要大于最小流量定值，給水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥門就關閉。最小流量給水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥通常設計為反方向動作即控制系統(tǒng)輸出為0時，閥門全開；輸出為100時，閥門全關。這樣在失電或失去氣源時，閥門全開，可保證設備的安全。2.5 本章小結(jié)本章介紹了超臨界機組的概況；分析了超臨界鍋爐的靜、動態(tài)特性及控制特點；分析了超臨界鍋爐給水系統(tǒng)的工藝過程；比較分析了亞臨界汽包鍋爐和超臨界直流鍋爐給水系統(tǒng)控制的異同。第三章 600MW超臨界機

48、組給水系統(tǒng)控制策略3.1 600MW超臨界機組給水系統(tǒng)控制方案3.1.1 給水控制系統(tǒng)的指令在機組燃燒率低于35%BMCR，鍋爐處于非直流運行方式，給水控制保持35% BMCR流量指令，通過大小溢流閥及鍋爐再循環(huán)閥控制分離器水位；當鍋爐進入直流運行階段，分離器處于干態(tài)運行，成為(過熱)蒸汽通道，此時給水控制任務不僅是應負荷需求調(diào)整省煤器入口流量，還要調(diào)整微過熱汽溫達到期望的設定值，實現(xiàn)過熱主汽溫的粗調(diào)。給水流量指令的形成:(1)基本指令:鍋爐的燃燒率指令通過相應的函數(shù)F(x)，經(jīng)過三階慣性環(huán)節(jié)計算出理想的主蒸汽流量和減溫噴水流量，兩者相減作為給水流量的基本指令，一方面使燃水比保持一致以保證過熱

49、汽溫基本不變，另一方面是快速響應負荷變化。三階慣性環(huán)節(jié)的作用是使快速的給水流量變化與慢速的燃燒過程相適應，保證負荷動態(tài)響應過程的匹配。(2)分離器中間點溫度修正燃水比:微過熱汽溫能迅速反映燃水比的改變，采用微過熱汽溫調(diào)節(jié)器的指令(輸出限制在0.81.2之間)乘以給水流量定值形成最終的給水流量指令，送至3臺給水泵流量控制子回路。同樣，微過熱溫度設定值加以一階慣性環(huán)節(jié)的動態(tài)修正，使其與實際的物理過程相匹配。調(diào)節(jié)器采用變參數(shù)控制，以保證不同負荷工況點的調(diào)節(jié)品質(zhì)。(3)減溫噴水量與給水量的協(xié)調(diào):直流爐在干態(tài)運行時，水汽轉(zhuǎn)換一次完成，穩(wěn)定流動時給水量(包含減溫水流量)等于蒸發(fā)量。通過一減前后溫差(代表減

50、溫噴水量)調(diào)節(jié)器的輸出修正分離器出口溫度的設定值，間接修正燃水比。溫差調(diào)節(jié)器的目的是使減溫水量在不同的負荷點時工作在適當?shù)奈恢?，提高燃燒?jīng)濟性，但校正作用相對緩慢。圖3-1 超臨界直流爐汽水流程示意圖3.1.2 給水系統(tǒng)控制方案大唐國際南方三廠600 MW超臨界機組的鍋爐給水系統(tǒng)均配置了1臺35%容量的電動給水泵和2臺50%容量的汽動給水泵,給水管路上配有一30%容量的給水旁路調(diào)節(jié)閥和一100%容量的電動截止閥。鍋爐啟動系統(tǒng)配有4只汽水分離器,1個儲水箱和鍋爐再循環(huán)泵。其汽水流程參見圖3-1。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產(chǎn)汽量和蒸汽溫度控制的要求。在啟動和低于本生負荷(

51、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，給水泵流量是本生流量與循環(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本生流量。當負荷增加到本生負荷時，貯水箱水位降

52、到最低，循環(huán)泵控制閥關閉，當循環(huán)流量降低到約20%泵的設計流量時，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45%BMCR負荷下自動停運或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)泵在約35%BMCR負荷下自動啟動，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，開啟小溢流閥及其隔離閥以降低水位。如水位繼續(xù)升高，還將開啟大溢流閥及其隔離閥。大小溢流閥控制范圍之間有一個重疊控制區(qū)。大小溢流閥的運行條件和控制范圍3見圖3-2。圖3-2 溢流

53、閥運行控制啟動初期，汽水膨脹將使水位升高到6400mm以上。在水位達到6700mm之前，除了泵保持循環(huán)之外，再沒有其它措施去防止水位升高。在6700mm和7650mm之間，小溢流閥逐步開啟，在7450mm和8160mm之間大溢流閥開啟。為了防止溢流閥在儲水箱壓力較高時開啟將儲水箱排空，大溢流閥將在分離器壓力大于5MPa時連鎖關閉并禁止開啟；當分離器壓力大于20MPa時，小溢流閥被連鎖關閉并禁止開啟。鍋爐濕態(tài)運行時，電泵勺管控制給水旁路調(diào)門前后差壓，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35%，約為670t/h13。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。一般通過控制燃水比來粗調(diào)主蒸汽溫度，通過過熱減溫水來細調(diào)主蒸汽溫度。理論和實踐證明要保證直流鍋爐的過熱汽溫的穩(wěn)定，維持一定的燃水比并且通過控制汽水流程中某一點(通常取分離器出口處)的焓值為負荷的函數(shù)是切實有效的手段。由于該點位于整個汽水流程的前部，因此該點焓值(溫度)對燃水比失調(diào)的反應快，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；在鍋爐的燃水比保持不變時(穩(wěn)定工況