600 MW超临界W形火焰锅炉机组给水控制策略分析

郭同书，赵明，朱能飞，李雷

(1.国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 210032;2.华电四川珙县发电有限公司，四川 宜宾 644600)

1 机组概况

华电四川珙县发电有限公司(以下简称珙县发电公司)一期工程为2×600 MW超临界燃煤发电机组。锅炉为东方锅炉股份有限公司设计的W形火焰、超临界直流锅炉。额定工况下过热蒸汽压力为25.4 MPa，温度为571℃;再热蒸汽进、出口压力分别为4.28 MPa和4.10 MPa，进、出口蒸汽温度分别为311℃和569℃。汽轮机为东方汽轮机厂生产的600MW超临界参数、中间一次再热、三缸四排汽、单轴、双背压、凝汽式汽轮机，额定功率为600 MW，机前主蒸汽压力和温度分别为24.2 MPa和566℃。

该工程采用TCS3000分散控制系统(DCS)，包括模拟量控制系统(MCS)、炉膛安全监控系统(FSSS)、顺序控制系统(SCS)等10个子系统。数字电液控制系统(DEH)采用东汽－日立H5000M系统，给水泵汽轮机电液调节系统(MEH)包含在TCS3000系统中。#1机组于2011年2月完成168 h试运行，控制系统投入良好、品质优良。

直流锅炉给水调节系统是满足机组能量需求、响应负荷变动的重要途径，也是控制主蒸汽温度的一个最基本手段。现以该工程给水调节系统为例，分析直流锅炉给水调节系统的特点。

2 W形火焰直流锅炉对象及控制特性

2.1 W形火焰锅炉特性

珙县发电公司机组是国产600 MW超临界W形火焰锅炉的首次成功运用。W形锅炉由下部的拱形燃烧室和上部的辐射炉膛组成，前后突出的炉顶构成炉拱，煤粉喷嘴及二次风喷嘴装在炉拱上并向下喷射。煤粉气流向下流动扩展，在炉膛下部与二次风、乏气相遇经过180°的转弯向上流动进而形成W形。由于炉膛设计结构、较低的一次风率、炉内温度高等特点，W形燃烧方式对无烟煤及挥发分低于12%的劣质煤而言，在煤种适应性、稳燃能力、燃烧效率、负荷调节性能等方面具备明显的优势［1］。但由于存在直流锅炉的蓄热相对较小，参数耦合严重，W形锅炉在配风不当时容易引起区域结渣，国内对W形锅炉在运行、管理等方面经验不足等因素［2］，珙县发电公司对机组控制系统的性能提出了更高的要求。

2.2 直流锅炉的对象特性

直流锅炉的结构特点主要表现在受热面和汽水系统上。直流锅炉没有汽包，锅炉给水依靠给水泵的压头依次通过加热、蒸发和过热受热面变成过热蒸汽。各受热面之间没有固定的分界点，随着锅炉负荷和工况的变动，各受热面长度也会相应发生变化。

2.2.1 燃料、给水比控制的意义

稳态工况下锅炉一次工质的热平衡式［3］

式中:Hgr为过热蒸汽的焓;Hgs为入口给水的焓;Q1为一次工质的有效吸热量;qVgs为给水流量。

式中:qmr为燃料量;Qdy为单位体积烟气的放热量;ηg1为锅炉热效率;Ψ1为一次工质占锅炉内有效吸热量的份额。

当锅炉正常运行或工况变化不大时，其热效率ηg1和一次工质吸热份额Ψ1变化不大，假定入口给水焓Hgs不变，则由式(1)和式(2)可以得到

对于超临界锅炉采用式(3)估算，当燃料量和给水量的比值偏差为10%时，过热汽温的变化可达100℃，可见燃料量和给水量的变化对直流锅炉过热汽温的影响很大。因此，为了保持一定的汽温，必须保证燃料、给水的匹配，即保证

因此，保证燃料、给水比是维持过热汽温稳定的基础和关键，也是直流锅炉给水调节系统的一个最重要的目标和特征。

2.2.2 直流锅炉水动力特性

直流锅炉与汽包锅炉最大的不同是水冷壁的水动力系统。直流机组采用定压运行还是滑压运行，与直流锅炉的水动力特性和汽水特性密切相关［4］。

(1)水动力的多值性。锅炉水冷壁的水动力特性是指当炉内热负荷一定时，水冷壁中工质的流量与压差的关系，即Δp=f(qm)，其中qm是质量流量。水动力的多值性是指平行工作的水冷壁管道在同样压差下对应多个不同的流量的情况。直流锅炉产生水动力多值性的最主要原因是加热段和蒸发段的共同存在以及蒸汽和水比容的差异。一般情况下，压力越低，水冷壁入口水温越低(欠焓越大)，水动力多值性越严重。

(2)临界压力附近的大比热容区。对于超临界压力下的水冷壁，虽然没有汽水共存区，但在相变点(22.115 MPa，374℃)附近存在一个“大比热容区”，水的物理特性急剧变化，导热系数、动力黏度急剧下降，焓和比容急剧上升，工质比容变化很大，同样使水动力特性发生变化，也会出现多值性的问题。

因此，直流锅炉压力运行方式取决于水冷壁能否得到稳定的水动力特性，对于低负荷段的流量多值性造成的不稳定流动，常采用保证最小流量的方法来解决。

2.3 直流锅炉的控制特点

鉴于上述直流锅炉的结构和水动力特性，与亚临界汽包炉相比，直流锅炉机组具有一些控制方面的特点［5］。

2.3.1 多输入、多输出对象模型

超临界机组可以看成一个多输入、多输出的被控对象，输入量为给水量、燃料量、汽轮机调门开度，输出量为主蒸汽温度、压力和流量。

2.3.2 锅炉和汽轮机的严重耦合

锅炉和汽轮机之间的非线性耦合是超临界机组难点之一。直流锅炉的蓄热相对较小，一般为同参数汽包炉的1/4～1/2，缺少了汽包的缓冲，锅炉动态特性受末端阻力的影响远比汽包锅炉大，从而使主蒸汽压力大幅度变化，严重影响了系统的控制品质。

2.3.3 非线性强

超临界机组普遍采用变压运行方式，因此，超临界机组也会在亚临界范围内运行。由于超临界和亚临界2个运行区域工质物性的巨大差异以及不同燃烧率下工质相变点位置迁移等因素的影响，超临界机组呈现出很强的非线性特性和变参数特性，远比常规亚临界机组难控制。

2.3.4 给水控制的多重任务

汽包炉给水控制的目的主要是维持锅炉的汽包水位，而超临界直流炉给水控制的主要目的是保证燃料/给水比、控制中间点温度，以实现过热汽温的粗调，同时给水还承担了调节机组负荷的任务。

3 给水调节系统分析及应用效果评价

3.1 给水调节系统的任务

超临界直流锅炉给水调节系统的主要任务不再是控制汽包水位，而是以汽水分离器出口温度(或焓值)作为表征量，保证燃料量与给水量的比例不变，满足机组不同负荷下的给水量需求［6］。

当机组工况变化时，汽水流程中各点工质温度(或焓值)的动态特性相似，因此，可以用某中间点的微过热汽温来提前判断给水和燃料是否失调。珙县发电公司以汽水分离器出口作为中间点并控制该点的焓值代替温度，其优点在于［7］:

(1)焓值的物理概念明确，汽水分离器出口焓值对燃料、给水比失调反应快，灵敏度高，系统校正迅速。

(2)汽水分离器出口焓值是分离器出口温度和压力的二元函数，当工质参数变化时具有较好的代表性，能够在一定程度上克服临界点汽水大比热容现象。尤其对滑压运行的直流炉而言，控制焓值比控制温度更科学。

(3)焓值代表了过热蒸汽的做功能力，控制焓值不但有利于过热汽温粗调，也控制了过热器入口蒸汽的初始做功能力，有利于负荷控制。

3.2 给水调节系统的控制策略

3.2.1 总体说明

珙县发电公司2×600 MW超临界机组给水控制分为4个不同的阶段。

(1)启动阶段，从锅炉上水到点火前，采用给水流量定值控制。

(2)带部分负荷阶段，即在机组燃烧率低于30%锅炉最大连续蒸发量(BMCR)时，锅炉处于非直流运行方式，分离器处于湿态运行，起着汽水分离的作用。类似汽包炉的给水控制汽包水位，此时给水控制分离器水位，分离器中的水位由分离器至除氧器以及分离器至疏水扩容器的组合控制阀进行调节。

(3)纯直流阶段，在机组燃烧率大于30%BMCR后，锅炉逐步进入直流运行状态。锅炉给水由直流运行时带焓值修正的燃料、给水比调节。

(4)停炉阶段，尤其是故障停炉时的给水控制。

上述第(2)项、第(3)项是锅炉点火后的控制，是直流锅炉给水回路控制中的重点内容。

3.2.2 控制策略

纯直流后的给水控制是整个超临界直流机组控制的核心部分，珙县发电公司超临界机组给水控制采用了典型的欧洲直流锅炉的控制思路，采用给水来控制燃料、给水比，即中间点焓用给水来修正。因为给水的响应较快，没有制粉系统和燃烧过程的大时滞，比用燃料调节燃料、给水比有着明显的优势。直流方式下给水调节原理如图1所示。

图1 直流方式下给水控制原理图

(1)末级减温器前、后温差。在运行过程中，锅炉各受热面在不同负荷情况下吸热比例变化较大，若要保持各级减温器出口汽温和过热汽温为定值，各级喷水量变化会较大。为了克服这一缺点，珙县发电公司采用保持末级减温器前、后温差的调节系统。燃料、给水比作为过热蒸汽温度的粗调方式，着重于保持汽温的长期稳定，喷水减温器前、后温差控制作为辅助调节手段，直接影响过热蒸汽温度。将调整燃料、给水比与喷水减温二者协调起来，实现了燃料、给水比控制与喷水减温控制方式间的解耦作用。

(2)总校正后的给水流量。给水操作台的3个主给水流量信号经主给水温度修正后取中值，可得主给水量。该机组设计A侧、B侧的一级和二级减温水均取自省煤器出口集箱，因此，总喷水量已包含在主给水量之中，主给水量即为总校正后的给水流量，不需要再加上总喷水量。

(3)调节过程。A侧、B侧末级减温器前后温差取均值，与锅炉主控(BM)经f1(x)形成的要求值进行比较，其偏差送入温差PID控制器;其输出与调速级压力经函数f2(x)计算的前馈量相加，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实际焓值比较，偏差送入焓值PID调节器;其输出加上锅炉主控经f3(x)计算的前馈量作为给水量的设定值，该设定值与总校正后的给水流量的偏差送入给水调节器，产生给水泵总指令信号，经平衡算法后送入2台汽动给水泵来控制给水量。当汽动给水泵A，B都在自动方式运行时，可手动设定2台泵之间的转速偏差，以适用不同负荷要求。当汽动给水泵A，B至少有1台手动时，自动生成偏置，实现2台泵负荷的平衡。电动给水泵设计为定速泵，不参加上述自动控制。

(4)焓值设定值计算。图1中焓值的设定值是汽轮机调节级压力的函数，由于调节级压力可以代表机组负荷，所以，f2(x)代表了不同负荷对过热器进口蒸汽的过热度要求，也代表了汽轮机的能量需求。

(5)给水流量设定值限制回路。给水流量设定值经锅炉的最小省煤器入口流量限制和煤水交叉限制，防止在各工况下燃料和给水的失调。

3.3 给水调节系统品质的改善

为了提高机组运行稳定性及负荷动态响应能力，应加快锅炉侧的响应尤其是给水的快速响应，因此，在调试过程中对给水调节系统做了合理的优化，以提高其自适应性能。

(1)保证燃料、给水比是直流锅炉控制的首要任务，但给水和燃料对负荷的动态响应相差较大，给水响应较快，一般只有几十秒，而给煤变化的纯延时一般为2～3 min。因此，图1中锅炉主控至给水指令前馈中加了惯性环节(LAG)，用以补偿给水和给煤不同的动态特性，防止二者的动态不匹配。

(2)直流锅炉给水对负荷的响应远比燃料快，应当加快变负荷时给水的响应。因此，上述LAG的时间滞后必须合适，在保证燃料、给水比的同时尽量加快给水指令的前馈作用。在调试过程中惯性时间还区分了加负荷和减负荷，减负荷的LAG时间略长于加负荷，这是为了加负荷时先加煤再加水，减负荷时先减煤再减水，防止变负荷中间点温度过低或过高。

(3)变负荷时适当减弱焓控的修正作用。试验发现变负荷时尽管焓控调节器的入口偏差加大，但在一定范围内不让焓控修正回路动作，燃料、给水比并未失调。因此，在加负荷和减负荷时对焓控调节器的入口偏差设置不同的死区，以减弱焓控的修正作用。

3.4 应用效果［8－9］

机组在430～520 MW段升负荷时的实际运行曲线如图2所示。从图2中可以看出，当机组在滑压运行方式时，给水流量响应较快，主蒸汽流量和机组实际负荷几乎保持相同的上升速率。主蒸汽温度最大偏差控制在±5℃，分离器出口温度偏差控制在±8℃。机组运行稳定，给水调节系统运行良好。

图2 机组在430～520 MW段滑压升负荷运行的主要运行参数曲线

4 结束语

直流锅炉给水调节系统在快速响应机组负荷需求以及保持机组运行稳定性等方面都起着至关重要的作用，而且其控制结构比较复杂，涉及设备较多，对设备和控制系统的稳定性和可靠性也有较高要求。本文对珙县发电公司600 MW超临界W形火焰直流锅炉的给水调节系统进行了分析和改进，提高了调节系统的性能，控制效果良好。

［1］车刚，郝卫东，郭玉泉.W形火焰锅炉及其应用现状［J］.电站系统工程，2004，20(1):38 －40.

［2］李继峰，曾汉才.国内外600 MW级机组锅炉的技术特点［J］.华中电力，2001，14(3):22 －24.

［3］冯俊凯，沈幼庭，杨瑞昌.锅炉原理及计算［M］.北京:科学出版社，2003.

［4］樊泉桂.亚临界与超临界参数锅炉水动力特性的分析［J］.华北电力大学学报，1999，26(4):33 －38.

［5］戈黎红，杨景祺.超临界机组控制策略分析［J］.发电设备，2004(Z1):1－4.

［6］陈永阳，林荣文.浅析超临界机组给水系统［J］.电站辅机，2005，25(4):16 －18.

［7］许海，孙继红.600 MW超临界机组启动系统及其控制系统的特点［J］.吉林电力，2001(4):13－17.

［8］梁福余，庄建华.国产600 MW超临界机组全程给水控制策略［J］.华电技术，2008，30(7):64－67.

［9］李长青，毕艳洲，段新会.超临界机组给水控制研究［J］.华电技术，2009，31(7):20 －23.