華能玉環(huán)電廠4X1000MW超超臨界機(jī)組

燃水比控制策略作者：王遠(yuǎn)平1,傅望安1,時(shí)標(biāo)1,王利國2一、 概述玉環(huán)電廠4X1000MW超超臨界燃煤火力發(fā)電機(jī)組:鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司(三菱重工業(yè)株式會社提供技術(shù)支持)設(shè)計(jì)的超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐(型號:HG-2953/27.56-YM1),采用II型布置、單爐膛、低NO^PM主燃燒器和MACT燃燒技術(shù)、反向雙切圓燃燒方式，爐膛采用內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁、循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)、一次中間再熱，調(diào)溫方式除煤/水比外，還采用煙氣分配擋板、燃燒器擺動(dòng)、噴水等方式。鍋爐采用平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)煤種為神府東勝煤，校核煤種為晉北煤，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量2953t/h，主蒸汽額定溫度為605^，主汽壓力27.56MPa，再熱蒸汽額定溫度為603^，再熱蒸汽壓力5.94MPa。汽輪機(jī)由上海汽輪機(jī)廠(德國西門子公司提供技術(shù)支持)設(shè)計(jì)的一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)，額定參數(shù)26.25MPa/600°C/600°C。發(fā)電機(jī)由上海發(fā)電機(jī)廠(德國西門子公司提供技術(shù)支持)設(shè)計(jì)，額定參數(shù)1056MVA/27kV/l000MW，冷卻方式為水一氫一氫。在此，對玉環(huán)電廠超超臨界燃煤火力發(fā)電機(jī)組及其控制特點(diǎn)做簡要介紹，并對其燃水比控制策略進(jìn)行分析。二、 超超臨界燃煤火力發(fā)電機(jī)組及其控制特點(diǎn)2.1超超臨界燃煤火力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)超超臨界直流鍋爐是一個(gè)多輸入、多輸出的被控對象，沒有汽包環(huán)節(jié)，在不同的運(yùn)行工況下，其加熱區(qū)、蒸發(fā)區(qū)和過熱區(qū)之間的界限是變動(dòng)的。因此，為了維持鍋爐汽水行程中各點(diǎn)的溫度、濕度及汽水各區(qū)段的位置在規(guī)定的范圍內(nèi)，要求控制系統(tǒng)嚴(yán)格地保持燃燒速率與給水之間(燃水比)的平衡關(guān)系、燃燒速率與風(fēng)量之間(燃風(fēng)比)的平衡關(guān)系。這種平衡關(guān)系不僅是穩(wěn)態(tài)下的平衡，而且應(yīng)保持動(dòng)態(tài)下的平衡。超超臨界直流鍋爐由于沒有儲能作用的汽包環(huán)節(jié)，汽水容積小，所用金屬少，鍋爐蓄能小且呈分布特性。一方面，由于蓄能小，負(fù)荷調(diào)節(jié)的靈敏性好，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的快速啟停和負(fù)荷調(diào)節(jié);另一方面，由于蓄能小，在外界負(fù)荷變動(dòng)時(shí)汽壓反映很敏感，因此，機(jī)組變負(fù)荷性能較差，保持汽壓困難。由于循環(huán)工質(zhì)總質(zhì)量下降，循環(huán)速度上升，工藝特性加快，這就要求控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，控制周期更短，控制的快速性更好。從汽機(jī)一鍋爐協(xié)調(diào)控制的角度分析，要求協(xié)調(diào)控制更及時(shí)、準(zhǔn)確。在超超臨界直流鍋爐中，不同工況下各區(qū)段工質(zhì)的比熱、比容、熱焓與其溫度、壓力的關(guān)系是非線性的，工質(zhì)傳熱特性、流量特性是非線性的。在直流爐工藝結(jié)構(gòu)中，采用直吹式制粉系統(tǒng)，從給煤、制粉、送粉到燃燒環(huán)節(jié)，具有大的純遲延和大的滯后特性，因此燃燒系統(tǒng)成為機(jī)組的又一個(gè)控制難點(diǎn)。在直流爐工藝結(jié)構(gòu)中，從給水泵到汽輪機(jī)，汽水直接關(guān)聯(lián)，因此鍋爐各參數(shù)之間以及汽輪機(jī)與鍋爐之間具有較強(qiáng)的耦合特性，整個(gè)被控對象是一個(gè)多輸入、多輸出的多變量系統(tǒng)。2.2超超臨界燃煤火力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的特點(diǎn)對超臨界直流爐直吹式機(jī)組，控制系統(tǒng)應(yīng)能最大限度利用蓄能、快速響應(yīng)發(fā)電負(fù)荷控制、發(fā)電負(fù)荷控制與鍋爐控制的解耦以及鍋爐與汽機(jī)的協(xié)調(diào)，以滿足電網(wǎng)要求機(jī)組既能帶基本負(fù)荷，又能調(diào)峰運(yùn)行的需要。因此，在進(jìn)行控制系統(tǒng)配置和構(gòu)造協(xié)調(diào)控制策略時(shí)，必須考慮控制作用的快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，控制系統(tǒng)要有變負(fù)荷、變工況的自適應(yīng)能力。玉環(huán)電廠1O00MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(MCS)是按照三菱提供設(shè)計(jì)進(jìn)行邏輯組態(tài)，三菱控制方案有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1)鍋爐側(cè)控制對象分機(jī)爐協(xié)調(diào)(CC)、鍋爐跟蹤(BF)、鍋爐輸入(BI)和鍋爐手動(dòng)(BH)四種機(jī)爐協(xié)調(diào)方式。其中BI和BH包含汽機(jī)跟隨方式。各種運(yùn)行方式自動(dòng)根據(jù)給水、燃料、風(fēng)量、爐膛負(fù)壓、水燃比、鍋爐輸入控制、汽機(jī)控制等的狀態(tài)自行判定，無需運(yùn)行人員手動(dòng)切換。鍋爐控制采用以給水為基本量的控制方案。濕態(tài)方式時(shí)，燃料量控制主蒸汽壓力；干態(tài)方式時(shí)，給水控制主蒸汽壓力。同時(shí)考慮燃料量交叉限制及防止省煤器ECO出口汽化。燃料量控制以鍋爐輸入指令為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮燃水比校正、給水量交叉限制、風(fēng)量比交叉限制以及防止鍋爐受熱面超溫。鍋爐汽水分離器疏水箱水位在濕態(tài)時(shí)主要由鍋爐循環(huán)泵再循環(huán)流量控制，同時(shí)考慮機(jī)組在非冷態(tài)方式啟動(dòng)時(shí)第1支油槍點(diǎn)火防止疏水箱的虛假水位。考慮機(jī)組用汽動(dòng)給水泵啟動(dòng)的應(yīng)對策略。二次風(fēng)控制策略:綜合考慮機(jī)組負(fù)荷、爐膛與風(fēng)箱差壓、燃油壓力、運(yùn)行磨煤機(jī)組合及相應(yīng)的給煤機(jī)出力，并以鍋爐輸入率為前饋指令，以求達(dá)到鍋爐的最佳燃燒。控制系統(tǒng)(包括過熱、再熱汽溫控制系統(tǒng))考慮全面的前饋和變參數(shù)控制，使控制系統(tǒng)在機(jī)組的不同負(fù)荷段都能達(dá)到較好的控制效果。過熱汽溫調(diào)溫方式為燃水比加三級噴水，再熱汽溫調(diào)溫方式為煙氣擋板、燃燒器擺動(dòng)以及事故緊急噴水。一次調(diào)頻功能考慮主蒸汽壓力的修正，提供頻差的高/低和速率限制，防止鍋爐輸入控制需求指令的波動(dòng)，以維持鍋爐在安全的范圍內(nèi)運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生鍋爐輔機(jī)故障快速減負(fù)荷(RB)時(shí)，控制方式將自動(dòng)切換到鍋爐輸入控制(BI)方式，同時(shí)BI目標(biāo)自動(dòng)設(shè)定到預(yù)先設(shè)定的RB目標(biāo)負(fù)荷，以達(dá)到快速穩(wěn)定負(fù)荷的目的。三、超超臨界燃煤火力發(fā)電機(jī)組燃水比控制直流鍋爐在控制上與汽包爐的區(qū)別很大，尤其是超超臨界變壓運(yùn)行的直流爐，其燃燒與給水的自動(dòng)控制更為復(fù)雜。理論上，如果鍋爐效率、燃料發(fā)熱量、給水熱焓均保持不變，則過熱蒸汽溫度只決定于燃料量與給水量的比值，如果該比值保持一定，則出口過熱蒸汽和給水的熱焓保持不變。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，受煤質(zhì)變化、負(fù)荷變化、配風(fēng)變化、給水溫度變化等各種因素影響，要精確控制燃水比很困難。如果燃水比失調(diào)，將嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行，過熱汽溫的波動(dòng)會導(dǎo)致減溫水噴水量的大范圍變化，這不但影響機(jī)組的效率而且可能造成設(shè)備的損壞，影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，在控制策略上必須保證燃水比作為維持過熱蒸汽溫度的主要調(diào)節(jié)手段，把減溫水作為輔助的細(xì)調(diào)手段。考慮到給水到鍋爐出口這一流程的慣性較大，為保證燃水比調(diào)節(jié)的迅速并排除噴水調(diào)節(jié)的干擾，一般情況下，取微過熱汽溫或微過熱蒸汽焓值來反應(yīng)燃水比狀況。玉環(huán)電廠10OOMW機(jī)組過熱汽溫控制采用燃水比作為粗調(diào)，以一、二、三級噴水減溫作為細(xì)調(diào)。使用汽水分離器入口溫度信號作為中間點(diǎn)溫度進(jìn)行控制。下面，對燃水比控制做詳細(xì)分析。3.1微過熱汽溫信號的采用超超臨界直流鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，水冷壁出口即汽水分離器入口的蒸汽溫度處于微過熱狀態(tài)，該點(diǎn)是反映燃料和水關(guān)系變化最靈敏的地方，通常將該點(diǎn)稱之為中間點(diǎn)溫度，該點(diǎn)溫度還需根據(jù)鍋爐熱負(fù)荷、噴水量進(jìn)行修正。鍋爐運(yùn)行中將中間點(diǎn)溫度控制在一定范圍內(nèi)，就可以認(rèn)為鍋爐汽水系統(tǒng)中的相變點(diǎn)界面被基本固定住，從而達(dá)到了燃料和水保持一定比值關(guān)系，也才能保證過熱汽溫在可控制范圍內(nèi)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，中間點(diǎn)溫度每變化1°C，低負(fù)荷時(shí)對過熱汽溫的影響達(dá)10°C，高負(fù)荷時(shí)對過熱汽溫的影響為5°C，因此超超臨界機(jī)組直流鍋爐調(diào)節(jié)的關(guān)鍵是調(diào)整燃水比，以保證中間點(diǎn)溫度的變化范圍。玉環(huán)電廠10OOMW機(jī)組的鍋爐有2只立式汽水分離器，每只汽水分離器入口安裝4個(gè)溫度測點(diǎn)，分2組，每組測點(diǎn)可選，最后取均值作為A或B汽水分離器的入口溫度，并用A和B汽水分離器入口溫度的平均值作為中間點(diǎn)溫度。該溫度信號與汽水分離器壓力下的飽和溫度的差值即為汽水分離器入口蒸汽的過熱率。3.2微過熱蒸汽過熱率設(shè)定值形成鍋爐輸入指令(BID)信號并行送給給水控制系統(tǒng)和燃料控制系統(tǒng)，即鍋爐指令直接送給水主控，而鍋爐指令經(jīng)過燃水比修正后送燃料主控。在協(xié)調(diào)方式時(shí)，微過熱蒸汽過熱率設(shè)定跟隨負(fù)荷需求指令(MWD)，在除協(xié)調(diào)外的其他方式則跟隨鍋爐輸入指令(BID)，生成的微過熱蒸汽過熱率經(jīng)過一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)處理，這是考慮鍋爐時(shí)間常數(shù)有關(guān)的滯后功能。3.3燃水比控制回路燃水比控制回路通過控制進(jìn)入爐膛的燃料量來調(diào)節(jié)鍋爐水冷壁出口溫度，與機(jī)組負(fù)荷相適應(yīng)，控制框圖如圖1所示。系統(tǒng)有2種控制方式：（1） 當(dāng)鍋爐處于濕態(tài)運(yùn)行方式時(shí)，燃水比控制回路通過切換器切換到主蒸汽壓力控制，即主蒸汽壓力由燃料量控制（同汽包爐）。這是因?yàn)殄仩t處于濕態(tài)方式運(yùn)行時(shí)，濕蒸汽是在汽水分離器分里離的，飽和蒸汽通過過熱器是為了保護(hù)過熱器和再熱器，這種運(yùn)行方式類似于"汽包爐"。主汽壓是由燃料量的多少來決定的，燃料量的增/減會立即影響蒸汽量和主汽壓。給水流量的增/減對蒸汽量的產(chǎn)生和主汽壓沒有影響，僅影響汽水分離器疏水箱水位，水位由爐水再循環(huán)、疏水調(diào)節(jié)閥控制。主蒸汽溫度僅由過熱器噴水流量控制。因此，在這種工況下，調(diào)整燃水比來控制主蒸汽壓力。（2） 當(dāng)鍋爐處于干態(tài)運(yùn)行方式時(shí)，燃水比指令控制汽水分離器入口蒸汽的過熱度。這是因?yàn)榇藭r(shí)汽水分離器入口處的介質(zhì)完全處于干態(tài)，介質(zhì)以完全干態(tài)的方式進(jìn)入過熱器。這種運(yùn)行方式就是"直流爐"方式，主汽壓由給水量決定。鍋爐干態(tài)運(yùn)行時(shí)，過熱蒸汽溫度也受噴水流量控制，但這種控制是有限的。基本解決方案是通過燃水比來控制汽水分離器入口工質(zhì)的微過熱度，從而使主蒸汽溫度控制始終處于最佳位置，以快速響應(yīng)溫度擾動(dòng)。為了保護(hù)鍋爐，必須把微過熱蒸汽過熱率控制在規(guī)定的設(shè)定點(diǎn)上。即通過燃水比回路控制分離器入口的過熱率，使之與對應(yīng)負(fù)荷下的設(shè)定過熱率相一致。在控制結(jié)構(gòu)上，比例控制和積分控制分開，有利于系統(tǒng)的調(diào)試和參數(shù)整定，采用變增益變參數(shù)控制以提高控制系統(tǒng)適應(yīng)各種工況的能力。另外，為了協(xié)助主蒸汽溫度的控制，把每一受熱面（后煙道后墻水冷壁入口及一、二、三和末級過熱出口）的溫度偏差加起來的比例控制作為前饋信號。并將上游溫度偏差（即分離器出口蒸汽溫度、一級過熱器出口溫度）加在主蒸汽溫度控制回路上作為前饋指令。當(dāng)燃料切為手動(dòng)控制時(shí)，燃水比跟蹤燃料偏差。當(dāng)一級過熱器出口蒸汽溫度超過基于分離器壓力的設(shè)定值時(shí)，將以燃水比低限為目標(biāo)值強(qiáng)降燃水比，速率為0.75t/min;當(dāng)后煙道后墻水冷壁過熱率高時(shí)將以實(shí)際燃水比-3t為目標(biāo)值強(qiáng)降燃水比，速率為0.75t/min;當(dāng)水冷壁金屬溫度高或后煙道后墻水冷壁過熱率高高時(shí)，將以實(shí)際燃水比-么為目標(biāo)值強(qiáng)降燃水比，速率為lOt/min。這就是超馳"燃水比"控制。3.4主燃料控制回路上述生成的燃水比指令經(jīng)過根據(jù)鍋爐輸入指令(BID)計(jì)算的高、低燃水比限制，將燃水比指令加在總?cè)剂狭啃枨笾噶钌稀？側(cè)剂狭髁啃枨笾噶钍腔诓煌膯?dòng)方式所提供的鍋爐輸入需求產(chǎn)生的。主燃料控制原理見圖2。主燃料控制還考慮以下幾個(gè)因素：根據(jù)正常運(yùn)行、不同啟動(dòng)方式計(jì)算出基本的燃料需求指令。為了改進(jìn)鍋爐在負(fù)荷改變期間的響應(yīng)性，燃料需求指令加進(jìn)鍋爐輸入比率指令(BIR-FF)作為前饋信號。考慮總給水量和總風(fēng)量對燃料指令交叉限制，確保在調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生的不平衡始終控制在規(guī)定限值范圍內(nèi)。考慮再熱器保護(hù)，當(dāng)進(jìn)入再熱器的蒸汽還沒建立時(shí)，以15%MCR燃料量限制燃料量需求指令。四、調(diào)試、投產(chǎn)后出現(xiàn)的問題及采取的改進(jìn)措施4.1燃水比控制單方向積分飽和及煤質(zhì)校正問題生成的燃水比指令經(jīng)過根據(jù)鍋爐輸入指令計(jì)算的高、低燃水比交叉限制，按艾默生公司OVA-TION系統(tǒng)功能，控制回路的跟蹤功能自動(dòng)生成，調(diào)節(jié)器不提供跟蹤信號管腳，因此，應(yīng)該考慮在燃水比調(diào)節(jié)器輸出值達(dá)到高、低限值時(shí)，避免調(diào)節(jié)器繼續(xù)單方向積分飽和。解決辦法:以燃水比的高、低限作為調(diào)節(jié)器的高、低限，且WFR出現(xiàn)限制時(shí)，閉鎖調(diào)節(jié)器輸入、前饋信號增減，避免調(diào)節(jié)器繼續(xù)單方向積分飽和。另外，當(dāng)煤種變化大時(shí)，由于燃水比高、低限的作用可能限制燃水比的調(diào)節(jié)，因此就要把燃水比高、低限范圍整定得寬一些，WFR低限由原-35?-l5t/h放寬為-64?-40t/h,WFR高限由原15?22.5t/h放寬為35?42t/h。增加BTU煤質(zhì)校正功能。由于燃煤中所含水分的不同或者煤種的不同，單位質(zhì)量的燃煤發(fā)熱值可能變化很大。由于燃水比率是鍋爐控制的一個(gè)主要過程變量，它的輸出直接調(diào)整總?cè)剂狭恐噶睿孕》秶娜济喊l(fā)熱量變化會通過給水/燃料比率得到校正。然而當(dāng)燃煤發(fā)熱值變化很大時(shí)，將會導(dǎo)致燃水比偏離它所需要的靜態(tài)特性，從而引起對主蒸汽溫度或主蒸汽壓力控制所需的控制裕量變得緊張。當(dāng)實(shí)際燃煤的發(fā)熱量嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)煤種，就需要根據(jù)實(shí)際煤種去修正燃料量指令FFD。煤種校正系數(shù)BTU是這樣計(jì)算的:根據(jù)實(shí)際負(fù)荷SELMW推算出需要的標(biāo)煤，然后減去實(shí)際給煤量與BTU的乘積，其差值作為PID計(jì)算的過程量，PID輸出的結(jié)果就是煤種校正系數(shù)BTU，并設(shè)置BTU高低限為0.9?1.1。4.2過熱率設(shè)定值偏置問題微過熱蒸汽過熱率設(shè)定由負(fù)荷需求指令或鍋爐輸入指令自動(dòng)生成。考慮到超超臨界機(jī)組控制的復(fù)雜性，對微過熱蒸汽過熱率設(shè)定增加一個(gè)±10°C偏置回路，以便運(yùn)行調(diào)整。4.3強(qiáng)降燃水比功能實(shí)現(xiàn)問題當(dāng)一級過熱器出口溫度高，燃水比WFR以一定的速率減至WFRLL，當(dāng)一級過熱器出口溫度高信號消失，WFR立即恢復(fù)到正常的調(diào)節(jié)值，造成給煤量比較大的擾動(dòng)。解決辦法:將WFR回路中的切換塊(圖2:T-8)的跟蹤取消，將切換速率設(shè)置為有效，并設(shè)置切換速率為0.1。從而避免WFR在受限前后對給煤量的擾動(dòng)。當(dāng)水冷壁中間集箱溫度高時(shí)，WFR以當(dāng)前WFR減去3t為目標(biāo)值并按照lOt/min的速率減少給煤量，如果3min后溫度仍然高，則繼續(xù)按照上述方式減煤。但后來發(fā)現(xiàn)當(dāng)水冷壁中間集箱溫度高時(shí)，由于WFR減煤速率回路的積分飽和作用