600 MW超临界机组给水控制策略分析及优化

于 强

(国电科学技术研究院有限公司，南京 210023)

0 引 言

随着世界经济的发展，国内生活水平的提高和工业快速发展，用电负荷急速增加，电力系统的供电形势非常的严峻和电力行业的发展带来机遇。世界环境污染日益严重，研究新能源是急不可待的课题，以可持续发展能源和环境保护为目的，超临界机组已成为我国电力行业的主力机组。超临界机组配备有常规的烟气脱硫系统和脱硝系统，对环境的大气污染降低到最低点。超临界和超超临界机组的发展已日趋成熟，其可用率、可靠性、运行灵活性和机组寿命等方面已接近亚临界机组。对于超临界机组，在超临界压力下，水到蒸汽的变化主要经历加热阶段和过热阶段，而无明显的饱和蒸汽阶段，这是与汽包锅炉的本质区别。分析直流锅炉有三个主要特点：

(1)直流锅炉是汽水一次性循环，不具有类似于汽包的储能元件，因此锅炉的储能比较小，很难找到类似于热量信号的仅反映燃料的变化而不反映汽机调门变化及给水流量变化的信号。

(2)直流锅炉——汽机是复杂的多输人多输出的被控对象，燃料、给水、汽轮机调门3项控制量中任一项变化，都会对机组负荷、主汽压力、中间点温度的变化产生影响，使得超临界机组的锅炉——汽轮机的关系变得十分复杂，大大增加了控制的难度。

(3)直流锅炉是汽水一次性循环，汽水设有固定的分界点，它随着燃料、给水流量以及汽机调门的变化而前移或者后移，而汽水分界点的移动直接影响汽水流程中加热段、蒸发段和过热段的长度，影响主蒸汽的温度，并导致主汽压力、负荷的变化，因此控制中间点温度一直被认为是直流锅炉控制的主要环节。

1 机组结构介绍

600 MW超临界参数变压直流炉，单炉膛、W火焰燃烧方式、一次中间再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉，采用定压或滑压运行方式。锅炉最大连续出力(BMCR)为2 129 t/h，锅炉不投油最低稳燃负荷45%B-MCR。过热器汽温采用二级喷水减温，再热器汽温主要采用烟气挡板调节，同时配有事故喷水减温。给水系统设置两台50%BMCR容量的汽动给水泵和一台30%BMCR容量的启动定速电动给水泵。给水管路上配有一个30%容量的给水旁路调节阀和一个100%容量的电动截止阀。锅炉启动系统配有2只汽水分离器，1个储水箱和锅炉炉水再循环泵。配有三台100%BMCR容量的高压加热器。高压加热器水侧设给水大旁路。给水泵汽轮机正常工作汽源来自主汽轮机的四级抽汽，启动及低负荷时由高压汽源供给。

2 给水控制系统控制策略

2.1 锅炉湿态运行时给水控制方案

调节给水流量是为了满足锅炉产汽量和蒸汽温度控制的要求。在启动和低于30% BMCR运行时，省煤器和水冷壁必须维持30% BMCR的最小通流量，以保证水冷壁在任何时候都能得到足够的冷却。这样就需要锅炉再循环泵从贮水箱将分离器分离出的给水泵入省煤器入口，再经过水冷壁、折焰角回路、分离器、返回贮水箱。在开始蒸发时，通过增加给水量和减少循环流量来维持水冷壁30%BMCR 的流量。在稳定状态下，循环流量是由贮水箱水位确定的，给水泵流量是总给水流量与循环流量之间的差值。当蒸发开始后，水冷壁中的汽水混合物在分离器中分离，饱和蒸汽进入过热器，饱和水返回到贮水箱。由于产生蒸汽，贮水箱水位下降，循环流量减少，增加给水流量去维持进入水冷壁的给水流量。当负荷增加到30%BMCR负荷时，贮水箱水位降到最低，循环泵控制阀关闭，当循环流量降低到约20%泵的设计流量时，最小流量截止阀开启，泵在最小流量下运行。随后锅炉完全在纯直流状态下运行，给水流量与蒸汽流量相匹配。循环泵在贮水箱低水位下跳闸，贮水箱水位由水位控制切换到限制流量模式下运行。循环泵在负荷降至约20%BMCR负荷时自动启动，将汽水分离器分离出来的水泵回省煤器入口。

在启动升压和低负荷运行期间，由于水的膨胀，水位会升高到超出泵控制范围之外，开启HWL阀及其隔离阀以降低水位。HWL阀控制分离器储水箱的水位。锅炉湿态运行时，给水旁路调门控制省煤器入口流量为锅炉额定蒸发量的30%，约为670 t/h。

2.2 锅炉干态运行时给水控制方案

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，通过过热减温水来细调主蒸汽温度。要保证直流锅炉的过热汽温的稳定，根据机组燃煤量来对应锅炉给水量控制好煤水比，由于燃料进入炉膛后燃料发热响应时间长大概需要三分钟的时间，所以在燃料量后加三分钟延时模块，保证燃料发热前后给水量能够跟上，控制主汽温度。通过控制汽水流程中汽水分离器出口温度来控制主汽温度。由于该点位于整个汽水流程的前部，因此该点温度对煤水比失调的反应快，惯性和迟延时间均较小。当给水量或燃烧率扰动时，汽水流程中各点工质温度的动态特性相似；在锅炉的煤水比保持不变时，汽水流程中该点工质的温度就保持不变。对于定压运行锅炉，由于压力一定，分离器出口温度基本稳定在某值。对于滑压运行机组，由于压力变化范围很大，根据负荷的变化主汽压力随之变化，对应的中间点温度也变化，机组负荷对应的中间点温度不同。根据不同负荷下的中间点温度和分离器出口温度的变化作为锅炉给水量的修正。机组运行过程中煤种变化大，就要求操作员按照目前的煤质来手动修正中间点温度的给定值，控制主汽温度。再通过过热减温器细调主汽温度，由于减温器的减温水是取自省煤器进口的主给水管路上，减温水量增大而减少了省煤器进水量，而使锅炉实际的给水量减少导致中间点温度偏高，利用一级减温进出口温度差值作为中间点温度的修正，一级减温器进出口温度差值大表明中间点温度过高，经过一级过热器的蒸汽温度高，为了防止一级过热器管壁温度超高损坏管壁，降低中间点温度。

干态运行时给水控制为了保证锅炉处于直流状态，分离器出口的中间点温度过热度控制在8 ℃以上，中间点温度过热度在小于7 ℃时切除中间点温度的给水量修正，以达到迅速减少给水量使中间点温度过热度上升，保证锅炉处于直流状态。在中间点温度的过热度大于8 ℃时，中间点温度给水量修正回路投入控制主汽温度。给水自动控制系统示意图如图1所示。

图1 给水自动控制系统示意图

3 给水控制问题和解决方法

600 MW超临界机组的锅炉给水控制在运行过程中发现一些问题及解决方法：

3.1 磨煤机出口燃煤量计算方法

该机组采用的磨煤机为双进双出正压直吹滚筒钢球磨，磨煤机出力在设计装球量(102 t)的情况下应为56.0 t/h，给煤机为电子称重式皮带给煤机输送能力5～75 t/h。由于磨煤机内的煤粉通过容量风门热一次风吹进炉膛，受到给煤机给煤量、一次风量、磨煤机中煤粉料位等因素的影响导致磨煤机出口燃煤量计算难度大。磨煤机出口燃料量的计算有两种：

(1)通过给煤机的给煤量计算磨煤机出口燃煤量，煤进入磨煤机后，要经过磨煤机的制粉过程，磨煤机出口燃煤量延迟较大，容量风门的开度影响吹进炉膛的煤粉量。因此通过给煤机的给煤量计算磨煤机出口燃料量误差较大。

(2)根据容量风门的开度计算磨煤机出口燃煤量，按照容量风门开度特性对应的磨煤机出口风量曲线计算容量风门和燃煤量函数。能够实时反映磨煤机出口的燃煤量，容量风门开度大，进入磨煤机的热一次风量大，吹出来的煤粉量大。只有磨煤机的煤粉料位稳定在正常料位，单位体积的热一次风中的煤粉量稳定不变，通过给煤机的给煤量控制磨煤机的煤粉料位。这种计算方法在机组运行过程中能够准确反映磨煤机出口燃煤量。

3.2 燃料量偏差大

锅炉给水定值由燃料量——给水流量函数算出，该函数就是煤水比函数，此函数为机组设计煤质下的锅炉给水与燃料的曲线。但燃煤煤质变化较大，在相同的机组负荷下，维持锅炉热负荷是恒定的，维持锅炉热负荷吸收的给水流量也应该是恒定的。而煤质的大幅变化，导致锅炉给煤量也大幅变化。由于函数为固定值，给水流量则大幅变化。锅炉热负荷不变，而给水流量大幅变化，无疑对机组主汽温度造成极大的扰动。虽然有中间点温度调节器对给水流量进行修正，但该调节器的调节作用对比煤质的变化调节较慢且幅度不大。

在运行初期是根据煤质的不同手动修改给水流量指令的偏置，这种方式下运行人员的工作强度大，要时刻了解煤仓中的煤质参数，根据主汽温度的变化趋势和中间点温度过热度手动设置给水流量指令偏置，手动调节过程中主汽温度和中间点温度过热度波动较大，在操作不当的情况下可能导致给水流量低MFT。这是一个急于解决的问题。

要解决煤质变化对机组主汽温度调节的影响，主要是解决主给水流量，需要对煤水比对应的给水量进行修正。机组在协调运行方式下在燃煤量和机组负荷不变的情况下，燃煤的煤质的变化引起主汽温度的波动，主汽温度是由给水流量来调节，机组负荷不变时主蒸汽流量不变，燃煤的发热量大的情况下主汽温度升高，要求给水流量在此时增加，通过分离器出口中间点温度来修正煤水比的给水量，中间点温度过热度高，经过中间点温度控制器输出增加煤水比的给水量，中间点温度控制器的输出范围在±0.2，减小由于中间点温度的波动对给水系统控制的影响，能较好的控制机组在升降负荷过程中燃料量超调引起的水冷壁及主汽温度波动大。

4 结束语

对于直流锅炉，其产汽量直接由给水量来定，因而燃料量变化，不能直接引起锅炉出力的变化，只有变动给水量才会引起锅炉蒸发量的变化。显然，当调节给水量以保持压力稳定时，必然引起过热汽温的变化，必须校正过热汽温，也即给水调压，燃料配合给水调温，抓住中间点，喷水微调，这是直流锅炉运行调节的基本原则。随着我国电力事业的发展，超临界机组由于循环热效率高，污染物排放量低，调峰性能好等优势，占全国装机总量的百分比将逐渐增加。在文中，通过研究大型直流炉机组的动态特性，提出了控制煤水比对整个系统安全稳定运行有很重要的作用，根据直流炉的调节特性，以工程实例对超临界机组对给水流量控制的控制原理和控制策略进行了研究，并对实际控制系统进行了分析。目前超临界机组已成为一种趋势，将逐渐替代亚临界机组。