燃水比

书书书 !""#年$月 第%卷 第$期 电!力!设!备 &'()*+,)-'&./,01(2* ! 3-24!""# 56'7%867$ 华能玉环电厂"#$%%%&'超超临界机组 燃水比控制策略 王远平"!傅望安"!时!标"!王利 ! # !"$华能玉环电厂"浙江省 玉环县 %"&'()##$华能国际电力股份有限公司"北京""(((*#$ 摘!要!简要华能玉环电厂)+"(((,-超超临界燃煤发电机组及其控制特点!指出超超临界直流锅炉调节的关 键是控制燃水比!阐述了超超临界燃煤发电机组的燃水比控制策略!并针对调试"投产后燃水比控制出现的问题提出了 解决方法!取得了良好的控制效果# 关键词!直流锅炉$超超临界机组$中间点温度$燃水比控制 中图分类号!./%#$./##%0& $9概述 玉环电厂)+"(((,-超超临界燃煤火力发电 机组!锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司"三菱重工 业株式会社提供技术支持#设计的超超临界变压运行 直流锅炉"型号!12 #34%5#&04' 6,"#$采用 ! 型 布置%单炉膛%低 78 ! 9,主燃烧器和 ,:;.燃烧技 术%反向双切圆燃烧方式$炉膛采用内螺纹管垂直上 升膜式水冷壁%循环泵启动系统%一次中间再热$调温 方式除煤5水比外$还采用烟气分配挡板%燃烧器摆 动%喷水等方式&锅炉采用平衡通风%露天布置%固态 排渣%全钢构架%全悬吊结构$设计煤种为神府东胜煤$ 校核煤种为晋北煤$锅炉最大连续蒸发量#34%<5=$主 蒸汽额定温度为'(4>$主汽压力#&04',9?$再热蒸 汽额定温度为'(%>$再热蒸汽压力403),9?&汽轮 机由上海汽轮机厂"德国西门子公司提供技术支持# 设计的一次中间再热%单轴%四缸四排汽%双背压%凝 汽式汽轮机$额定参数#'0#4,9?5'((>5'((>&发 电机由上海发电机厂"德国西门子公司提供技术支 持#设计$额定参数"(4',@:5#&A@5"(((,-$冷 却方式为水'氢'氢&在此$对玉环电厂超超临界燃 煤火力发电机组及其控制特点做简要介绍$并对其燃 水比控制策略进行分析& !9超超临界燃煤火力发电机组及其控制 特点 !($9超超临界燃煤火力发电机组的特点 ""#超超临界直流锅炉是一个多输入%多输出的 被控对象$没有汽包环节$在不同的运行工况下$其加 热区%蒸发区和过热区之间的界限是变动的&因此$ 为了维持锅炉汽水行程中各点的温度%湿度及汽水各 区段的位置在规定的范围内$要求控制系统严格地保 持燃烧速率与给水之间"燃水比#的平衡关系%燃烧速 率与风量之间"燃风比#的平衡关系&这种平衡关系 不仅是稳态下的平衡$而且应保持动态下的平衡& "##超超临界直流锅炉由于没有储能作用的汽 包环节$汽水容积小$所用金属少$锅炉蓄能小且呈分 布特性&一方面$由于蓄能小$负荷调节的灵敏性好$ 可以实现机组的快速启停和负荷调节(另一方面$由 于蓄能小$在外界负荷变动时汽压反映很敏感$因此$ 机组变负荷性能较差$保持汽压困难& "%#由于循环工质总质量下降$循环速度上升$ 工艺特性加快$这就要求控制系统的实时性更强$控 制周期更短$控制的快速性更好&从汽机'锅炉协调 控制的角度分析$要求协调控制更及时%准确& ")#在超超临界直流锅炉中$不同工况下各区段 工质的比热%比容%热焓与其温度%压力的关系是非线 性的$工质传热特性%流量特性是非线性的& "4#在直流炉工艺结构中$采用直吹式制粉系 统$从给煤%制粉%送粉到燃烧环节$具有大的纯迟延 和大的滞后特性$因此燃烧系统成为机组的又一个控 制难点& "'#在直流炉工艺结构中$从给水泵到汽轮机$ 汽水直接关联$因此锅炉各参数之间以及汽轮机与锅 炉之间具有较强的耦合特性$整个被控对象是一个多 输入%多输出的多变量系统& !(!9超超临界燃煤火力发电机组控制系统的特点 对超临界直流炉直吹式机组$控制系统应能最大 限度利用蓄能%快速响应发电负荷控制%发电负荷控 制与锅炉控制的解耦以及锅炉与汽机的协调$以满足 电网要求机组既能带基本负荷$又能调峰运行的需 要&因此$在进行控制系统配置和构造协调控制策略 时$必须考虑控制作用的快速性%稳定性%准确性$控 超超临界机组热控系统专题 王远平等!华能玉环电厂)+"(((,-超超临界机组燃水比控制策略 3!!!! 制系统要有变负荷%变工况的自适应能力& 玉环电厂"(((,-机组协调控制系统",;B#是 按照三菱提供设计进行逻辑组态$三菱控制方案有以 下几个特点! ""#锅炉侧控制对象分机炉协调";;#%锅炉跟 踪"CD#%锅炉输入"CE#和锅炉手动"C1#四种机炉协 调方式&其中 CE和 C1包含汽机跟随方式&各种运 行方式自动根据给水%燃料%风量%炉膛负压%水燃比% 锅炉输入控制%汽机控制等的状态自行判定$无需运 行人员手动切换& "##锅炉控制采用以给水为基本量的控制方案& 湿态方式时$燃料量控制主蒸汽压力(干态方式时$给 水控制主蒸汽压力&同时考虑燃料量交叉限制及防 止省煤器F;8出口汽化& 燃料量控制以锅炉输入指令为基础$同时考虑燃 水比校正%给水量交叉限制%风量比交叉限制以及防 止锅炉受热面超温& "%#锅炉汽水分离器疏水箱水位在湿态时主要 由锅炉循环泵再循环流量控制$同时考虑机组在非冷 态方式启动时第"支油枪点火防止疏水箱的虚假水 位&考虑机组用汽动给水泵启动的应对策略& ")#二次风控制策略!综合考虑机组负荷%炉膛 与风箱差压%燃油压力%运行磨煤机组合及相应的给 煤机出力$并以锅炉输入率为前馈指令$以求达到锅 炉的最佳燃烧& "4#控制系统"包括过热%再热汽温控制系统#考 虑全面的前馈和变参数控制$使控制系统在机组的不 同负荷段都能达到较好的控制效果& "'#过热汽温调温方式为燃水比加三级喷水$再 热汽温调温方式为烟气挡板%燃烧器摆动以及事故紧 急喷水& "&#一次调频功能考虑主蒸汽压力的修正$提供 频差的高5低和速率限制$防止锅炉输入控制需求指 令的波动$以维持锅炉在安全的范围内运行& "*#当发生锅炉辅机故障快速减负荷"GC#时$ 控制方式将自动切换到锅炉输入控制"CE#方式$同时 CE目标自动设定到预先设定的 GC目标负荷$以达到 快速稳定负荷的目的& :9超超临界燃煤火力发电机组燃水比控制 直流锅炉在控制上与汽包炉的区别很大$尤其是 超超临界变压运行的直流炉$其燃烧与给水的自动控 制更为复杂&理论上$如果锅炉效率%燃料发热量%给 水热焓均保持不变$则过热蒸汽温度只决定于燃料量 与给水量的比值$如果该比值保持一定$则出口过热 蒸汽和给水的热焓保持不变&但在实际运行过程中$ 受煤质变化%负荷变化%配风变化%给水温度变化等各 种因素影响$要精确控制燃水比很困难&如果燃水比 失调$将严重影响机组的安全运行$过热汽温的波动 会导致减温水喷水量的大范围变化$这不但影响机组 的效率而且可能造成设备的损坏$影响整个系统的稳 定&因此$在控制策略上必须保证燃水比作为维持过 热蒸汽温度的主要调节手段$把减温水作为辅助的 细调手段&考虑到给水到锅炉出口这一流程的惯性 较大$为保证燃水比调节的迅速并排除喷水调节的 干扰$一般情况下$取微过热汽温或微过热蒸汽焓值 来反应燃水比状况&玉环电厂"(((,-机组过热 汽温控制采用燃水比作为粗调$以一%二%三级喷水 减温作为细调&使用汽水分离器入口温度信号作为 中间点温度进行控制&下面$对燃水比控制做详细 分析& :($9微过热汽温信号的采用 超超临界直流锅炉正常运行时$水冷壁出口即汽 水分离器入口的蒸汽温度处于微过热状态$该点是反 映燃料和水关系变化最灵敏的地方$通常将该点称之 为中间点温度$该点温度还需根据锅炉热负荷%喷水 量进行修正&锅炉运行中将中间点温度控制在一定 范围内$就可以认为锅炉汽水系统中的相变点界面被 基本固定住$从而达到了燃料和水保持一定比值关 系$也才能保证过热汽温在可控制范围内&根据经验 数据$中间点温度每变化">$低负荷时对过热汽温 的影响达"(>$高负荷时对过热汽温的影响为4>$ 因此超超临界机组直流锅炉调节的关键是调整燃水 比$以保证中间点温度的变化范围& 玉环电厂"(((,-机组的锅炉有#只立式汽水分 离器$每只汽水分离器入口安装)个温度测点$分#组$ 每组测点可选$最后取均值作为:或C汽水分离器的入 口温度$并用:和C汽水分离器入口温度的平均值作为 中间点温度&该温度信号与汽水分离器压力下的饱和温 度的差值即为汽水分离器入口蒸汽的过热率& :(!9微过热蒸汽过热率设定值形成 锅炉输入指令"CEH#信号并行送给给水控制系统 和燃料控制系统$即锅炉指令直接送给水主控$而锅炉 指令经过燃水比修正后送燃料主控&在协调方式时$ 微过热蒸汽过热率设定跟随负荷需求指令",-H#$在 除协调外的其他方式则跟随锅炉输入指令"CEH#$生成 的微过热蒸汽过热率经过一个一阶惯性环节处理$这 是考虑锅炉时间常数有关的滞后功能& :(:9燃水比控制回路 燃水比控制回路通过控制进入炉膛的燃料量来 调节锅炉水冷壁出口温度$与机组负荷相适应$控制 框图如图"所示&系统有#种控制方式! ""#当锅炉处于湿态运行方式时$燃水比控制回 路通过切换器切换到主蒸汽压力控制$即主蒸汽压力 由燃料量控制"同汽包炉#&这是因为锅炉处于湿态方 式运行时$湿蒸汽是在汽水分离器分里离的$饱和蒸 "(!!! 电!力!设!备 第3卷 第"期 H/LT AI AI H/LT AI AI Σ Σ D D P LAG H/LT AI AI Σ H/LT AI AID D D D Σ XFX SG T SG PI SG SG T T SG SG T V ≯ TAM X I T Σ P FX FX X X Σ FX TR D SG 负荷指令 A侧水分离器入口温度 B侧水分离器入口温度(1) (2) (3) (4) (1) (2) (3) (4) 水分离器 饱和温度 WSI过热速率 过热速率设定 COAL 3 变参数 <干态> <湿态> 水分离器出口过热率控制 主汽压力偏差 主汽压力控制 跟踪信号 燃料偏差 TFDD T_9 T_1 9 8T_8 0% T_5 WFRLL 燃水比低限 最终燃水比 T_7 7T_2 T_45 6 4 3 4 T_3 6 5 0.12 10.9 SHRWSI DTFSO DPT DT TSAT WFR(1) WFR 燃水比 前馈信号 各段受热 面过热度 主汽温度偏差 燃水比手操 LOD 图"!燃水比控制原理 汽通过过热器是为了保护过热器和再热器$这种运行 方式类似于)汽包炉*&主汽压是由燃料量的多少来 决定的$燃料量的增5减会立即影响蒸汽量和主汽压& 给水流量的增5减对蒸汽量的产生和主汽压没有影 响$仅影响汽水分离器疏水箱水位$水位由炉水再循 环%疏水调节阀控制&主蒸汽温度仅由过热器喷水流 量控制&因此$在这种工况下$调整燃水比来控制主 蒸汽压力& "##当锅炉处于干态运行方式时$燃水比指令控 制汽水分离器入口蒸汽的过热度&这是因为此时汽 水分离器入口处的介质完全处于干态$介质以完全干 态的方式进入过热器&这种运行方式就是)直流炉* 方式$主汽压由给水量决定&锅炉干态运行时$过热 蒸汽温度也受喷水流量控制$但这种控制是有限的& 基本解决方案是通过燃水比来控制汽水分离器入口 工质的微过热度$从而使主蒸汽温度控制始终处于最 佳位置$以快速响应温度扰动& 为了保护锅炉$必须把微过热蒸汽过热率控制在 规定的设定点上&即通过燃水比回路控制分离器入 口的过热率$使之与对应负荷下的设定过热率相一 致&在控制结构上$比例控制和积分控制分开$有利 于系统的调试和参数整定$采用变增益变参数控制以 提高控制系统适应各种工况的能力&另外$为了协助 主蒸汽温度的控制$把每一受热面"后烟道后墙水冷 壁入口及一%二%三和末级过热出口#的温度偏差加起 来的比例控制作为前馈信号&并将上游温度偏差"即 分离器出口蒸汽温度%一级过热器出口温度#加在主 蒸汽温度控制回路上作为前馈指令&当燃料切为手 动控制时$燃水比跟踪燃料偏差& 当一级过热器出口蒸汽温度超过基于分离器压 超超临界机组热控系统专题 王远平等!华能玉环电厂)+"(((,-超超临界机组燃水比控制策略 ""!!! 力的设定值时$将以燃水比低限为目标值强降燃水 比$速率为(0&4<5IJK(当后烟道后墙水冷壁过热率 高时将以实际燃水比 L%<为目标值强降燃水比$速 率为(0&4<5IJK(当水冷壁金属温度高或后烟道后墙 水冷壁过热率高高时$将以实际燃水比 L%<为目标 值强降燃水比$速率为"(<5IJK&这就是超驰)燃水 比*控制& :(;9主燃料控制回路 上述生成的燃水比指令经过根据锅炉输入指令 "CEH#计算的高%低燃水比限制$将燃水比指令加在总 燃料量需求指令上&总燃料流量需求指令是基于不同 的启动方式所提供的锅炉输入需求产生的&主燃料控 制原理见图#&主燃料控制还考虑以下几个因素! ""#根据正常运行%不同启动方式计算出基本的 燃料需求指令& "##为了改进锅炉在负荷改变期间的响应性$燃 料需求指令加进锅炉输入比率指令"CEG DD#作为前 馈信号& "%#考虑总给水量和总风量对燃料指令交叉限 制$确保在调节过程中产生的不平衡始终控制在规定 限值范围内& ")#考虑再热器保护$当进入再热器的蒸汽还 没建立时$以 "4M,;G燃料量限制燃料量需求 指令& ;9调试!投产后出现的问题及采取的改进措施 ;($9燃水比控制单方向积分饱和及煤质校正问题 ""#生成的燃水比指令经过根据锅炉输入指令 计算的高%低燃水比交叉限制$按艾默生公司 8@:N .E87系统功能$控制回路的跟踪功能自动生成$调节 器不提供跟踪信号管脚$因此$应该考虑在燃水比调 节器输出值达到高%低限值时$避免调节器继续单方 向积分饱和& 解决办法!以燃水比的高%低限作为调节器的高% 低限$且-DG出现限制时$闭锁调节器输入%前馈信 号增减$避免调节器继续单方向积分饱和&另外$当 煤种变化大时$由于燃水比高%低限的作用可能限制 燃水比的调节$因此就要把燃水比高%低限范围整定 得宽一些$-DG低限由原 L%4OL"4<5=放宽为 L')OL)(<5=$-DG高限由原"4O##04<5=放宽为 %4O)#<5=& "##增加C.P煤质校正功能& 由于燃煤中所含水分的不同或者煤种的不同$单 位质量的燃煤发热值可能变化很大&由于燃水比率 是锅炉控制的一个主要过程变量$它的输出直接调整 总燃料量指令$所以小范围的燃煤发热量变化会通过 给水5燃料比率得到校正&然而当燃煤发热值变化很 FX FX FX FX FX FX T T + SG TL T D T FX T SG SG FX Σ SGT H L L T T FX 燃水比低限 燃水比高限 实际燃水比 燃料 基本指令 燃水比校正 启动方式 冷态 温态 热态 极热态 锅炉输入 率指令 给水量 锅炉输入指令 燃料量基本指令 燃料量偏差 水燃比 交叉限制 锅炉总风量 风燃比 交叉限制 燃料指令 蒸汽闭锁限制 燃水比 低限 再热器保护(15%MCR) T_6 4 WFRLL WFR 燃水比 FUEL BIAS3 2 1 COAL T_2 T_1 T_3 T_4 T_5 1 0% 2+a%4 T_8 30% FWF BIRFF FA TFF 燃料量 T_7 T_7 FFD 5DTFD WFR(1) BID 图#!燃料主控原理图 "#!!! 电!力!设!备 第3卷 第"期 大时$将会导致燃水比偏离它所需要的静态特性$从 而引起对主蒸汽温度或主蒸汽压力控制所需的控制 裕量变得紧张&当实际燃煤的发热量严重偏离设计 煤种$就需要根据实际煤种去修正燃料量指令DDH& 煤种校正系数 C.P是这样计算的!根据实际负 荷BFQ,-推算出需要的标煤$然后减去实际给煤量 与C.P的乘积$其差值作为 9EH计算的过程量$9EH 输出的结果就是煤种校正系数 C.P$并设置 C.P高 低限为(03O"0"& ;(!9过热率设定值偏置问题 微过热蒸汽过热率设定由负荷需求指令或锅炉 输入指令自动生成&考虑到超超临界机组控制的复 杂性$对微过热蒸汽过热率设定增加一个 R"(>偏 置回路$以便运行调整& ;(:9强降燃水比功能实现问题 ""#当一级过热器出口温度高$燃水比 -DG以 一定的速率减至 -DGQQ$当一级过热器出口温度高 信号消失$-DG立即恢复到正常的调节值$造成给煤 量比较大的扰动& 解决办法!将-DG回路中的切换块"图#!. *#的 跟踪取消$将切换速率设置为有效$并设置切换速率为 ($"&从而避免-DG在受限前后对给煤量的扰动& "##当水冷壁中间集箱温度高时$-DG以当前 -DG减去%<为目标值并按照"(<5IJK的速率减少 给煤量$如果%IJK后温度仍然高$则继续按照上述 方式减煤&但后来发现当水冷壁中间集箱温度高时$ 由于-DG减煤速率回路的积分饱和作用$-DG会一 直减煤$直到低限& 解决办法!在温度高切换逻辑中增加与门$消除 -DG减煤速率回路的积分饱和作用$一旦温度高条 件失去$-DG立即切为正常调节值& ;(;9燃水比控制的前馈信号较多 包括后烟道后墙水冷壁入口%一%二%三和末级过 热出口温度偏差$其作用是协助主蒸汽温度的控制& 在调试%生产过程中$注意前馈作用强弱&整定得太 强$可能造成控制系统互相影响而不稳定(太弱$则起 不到应有的作用& ;(<9燃水比与过热喷水减温控制的协调 燃水比是保持汽温的主要手段$但对过热汽温 影响迟延大(过热喷水减温能较快改变汽温$但最终 不能维持汽温恒定&将二者协调起来$才能完善汽温 控制性能&在控制策略上$将过热各受热面温差信号 送燃水比控制作前馈指令$干态方式燃水比受限时切 换为水冷壁出口温度控制$将分离器出口蒸汽温度% 一级过热器出口温度偏差加在主蒸汽温度控制回路 上作为前馈指令$使燃水比与过热喷水减温控制互相 协调&在调试%生产过程中$注意控制回路之间的密 切关联$控制的相互作用和影响$保证汽温控制的 稳定& <9结束语 燃水比在超超临界机组汽温调节中起着至关重 要的作用$对于保证直流锅炉各受热面的稳定$保证 一%二%三级喷水减温的准确%快速$起到至关重要的 作用&这需要我们不断地学习%理解%掌握和消化其 控制原理%特点和策略&并根据调试%生产过程中出 现的问题$提出解决问题的方法%思路并实施$不断完 善机组的控制性能$为机组安全稳定经济运行积累维 护经验& 收稿日期!#((& "" (3 作者简介! 王远平""3&)#$男$师$从事电厂仪控维护工作( 傅望安""3&%#$男$高级工程师$从事电厂仪控管理工作( 时!标""3&3#$男$工程师$从事电厂仪控维护工作( 王利国""3''#$男$高级工程师$从事电厂热工控制技术及 管理工作& %责任编辑!宋红梅& )*+,-'./+01./23435/03,6/0./+7839"#$%%%&' :,/0. ! ;*<+0=02/2=., >0+;;*0+:52/;25?>@A*B*.5>3C+0>,.5/ !"#$ %&'( N )*(+ , - ./ !'(+ N '( , - 012 3*'4 , -!"#$ 5* N +&4 6 " ,7 1&'(8(+ %&9&'( :4;8< :='(>- %&9&'( ?,@ABC- D9*('E 67 F98 2(>8<('>4('= G=8H><*H 5*I*>8J D4I)'(K 4L 1&(8(+ $<4&)- 38*M*(+ ,BBBN6- D9*('O DE;/0.=/! 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