基于中间点焓值校正的超临界机组给水全程控制

第41卷第3期2010年5月　

锅　炉　技　术

BOILER　TECHNOLOGY

Vol.41,No.3May.,2010

文章编号:　CN3121508(2010)0520011205

基于中间点焓值校正的超临界机组给水全程控制

王玉清,董传敏,郑亚光,张海萍,苗广祥

(保定电力职业技术学院,河北保定071051)

关键词:　直流锅炉;干态模式;湿态模式;焓值;燃水比

摘　要:　由于超临界直流锅炉对象特性复杂、控制回路间相互耦合,导致实现给水全程控制难度较大。把机组整个给水过程分为干态模式和湿态模式给水2个阶段,分别采用相应的控制方案。干态模式用分离器出口焓值校正给水流量指令;湿态模式用最小流量来维持给水流量。同时,合理采用了前馈、变参数、变结构以及解耦等控制技术,来改善调节品质。通过现场调试和实际运行表明,焓值能很好地反映燃水比的变化,用焓值校正给水流量对维持过热汽温非常效果比较好。中图分类号:　TK323　　　　　文献标识码:　A

0　前　言

超临界机组以其效率高、展的主力机组,没有汽包,,经过省煤器、水冷壁、过热器等受热面一次性地将给水全部变为过热蒸汽,其循环倍率为1。它不像汽包炉那样,由于汽包的存在解除了蒸汽管路与水管路及给水泵间的耦合,给水控制相对于蒸汽压力、蒸汽温度控制是独立的。超临界机组的直流锅炉各个控制系统是相互关联的,具有很强的耦合性,给系统设计和调试人员增加了一定的难度。尤其当给水量和燃料量失调时,对汽温、负荷有显著影响。因此,非常有必要对超临界机组的全程给水控制策略进行深入的探讨。

,、准。理论和实践表明,选(或焓值)作为中间点参量来反映燃水比变化比较好,因为它既能快速反映燃料量的变化,又不受减温水流量变化的影响。另外,在直流模式下,此处处于过热状态,温度(或焓值)测量的准确性、灵敏度比较高。因此,目前大多数的超临界机组选择分离器出口作为中间点来进行控制燃水比,相应的控制方案2种:中间点温度校正和中间点焓值校正的给水控制。

早期,一方面由于自动化水平比较低,现场使用的是模拟仪表或性能较低的计算机;另一方面由于蒸汽参数越低,焓值-压力-温度间的非线性越强,精确计算出相应工况下的焓值速度比较慢的,当汽温、汽压变化比较快时,满足不了对焓值计算实时性的要求,虽然控制研究比较好,但最终没有得到实际应用。随着机组参数的提高和高性能计算机的出现,控制系统实时计算蒸汽焓值已不成问题,完全能在采样周期内迅速计算出对应工况下工质的焓值。焓值校正相对于温度校正在灵敏度和线性度方面具有明显的优势,而且不受汽压变化的干扰。因此,焓值校正的给水控制策略越来越受到人们的青睐,并逐渐广泛应用于工程实践。

1　直流锅炉给水控制策略概述

燃水比是直流锅炉控制中非常重要的控制量,理论分析,只要能保证运行机组的燃水比一定,就能保证汽水行程各点的汽温(或焓值)一定,也就能将过热汽温维持在额定温度。但是,如果直接用过热器出口汽温作为被调量来调节燃水比,控制效果非常差,因为被控对象的给水-过热汽温和燃料-过热汽温通道的惯性和迟　　

收稿日期:2009207201

作者简介:王玉清(19662),女,副教授,主要研究方向为动力设备检测、控制与故障诊断。

12锅　炉　技　术　　第41卷

2　焓值控制机理

选择分离器出口作为反映燃水比的中间点,当机组运行进入直流模式后,可以把水冷壁入口

到分离器出口这个开口系统看作是一个稳定流动系统,根据稳定流动能量方程

22

Q=ΔH+m(cout-cin)+mg(zout-zin)+Ws(1)

2

式中:cout、cin———为工质出口和入口流速;

zout、zin———出口、入口质量中心相对参考坐

标系的高度;hout、hin———出口、入口工质的比焓;ΔH—　——工质入口到出口总焓增;　ws———轴功(ws=0);　Q———工质流经开口系统与外界交换的热量;　m———工质质量;　g———重力加速度。

此时,可近似认为,mg(zout-zin),22

工质速度变化不大,m:

(2)Qm(hin)表明了系统从外界吸收的热量用来增加工

质的焓。

考虑单位时间Δt的能量转换,式(2)变为

=(hout-hin)=WΔhΔtΔt

在各台电动给水泵的出口均设有最小流量再循环管道,可以将给水返回到除氧器,以确保流经泵体的流量不小于其允许的最小流量,防止泵内流体汽化。机组正常运行期间,3台电动给水泵并联运行,给水流量用燃水比信号通过调节给水泵转速来调节。启动和低负荷(低于30%负荷)时,通过调节给水旁路调节阀开度来调节给水流量,维持锅炉的最小给水流量在约735t/h左右。因此将全程给水控制分为干态模式、湿态模式及干态/湿态模式转换3个阶段来讨论。3.2干态模式下的给水控制　　当机组负荷>35%时,机组处于直流模式,即干态模式。此时,主给水电动闸阀打开,给水旁路阀关闭,电动给水泵勺管控制给水流量并保证上水压力。

、蒸发器吸。3.1分离器出口焓设定值的计算

根据分离器出口压力计算出对应的焓设计值Hsp。再用过热器减温水流量来修正焓设计值,得出修正后的分离器出口焓设定值Hsp_corr。

用过热器减温水流量修正焓设定值的原因:在直流锅炉中,主蒸汽流量等于给水量和过热器减温水之和,当喷水量增加后,流入蒸发器

的给水量会相应地减少,反而扩大了燃水比的失调程度。因此,用过热器减温水流量调节器PID1的输出来修正焓设计值。保证在稳态时,过热器的实际减温水流量等于相应负荷下的减温水的设计值。其原理如图1。

(3)

W为流过水冷壁的给水流量,Δh为比焓增。

上式的含义:单位时间工质的吸热量(kJ/s)=给水流量(kg/s)×工质比焓增(kJ/kg)=单位时间工质总焓增(kJ/s)。

这样就导出了给水流量、焓增和工质吸热量的关系。焓值控制给水的方案就是基于上面公式来构建的。

3　工程实例分析

3.1概况

国华定洲电厂二期2×660MW机组,采用的是上海锅炉厂有限公司制造的超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉,单炉膛、一次再热、四角切圆燃烧方式,并配有2只启动分离器。设计的额定过热蒸汽压力为25.4MPa,过热蒸汽温度为571℃,再热蒸汽温度为569℃,锅炉最大连续蒸发量为2150t/h。

给水系统配置3台35%BMCR电动给水泵,

图1　分离器出口焓设定值计算

3.2.2实际焓增的计算

把水冷壁和启动分离器看作是一个稳定流

动系统,计算其对应焓的变化量。原理如图2所示。实际焓增ΔHact=校正后的分离器出口焓值

Hsp_corr-省煤器出口焓值H1_act。同时把分离器

出口焓控制回路调节器PID2的输出叠加到实际

第3期王玉清,等:基于中间点焓值校正的超临界机组给水全程控制13

焓增上,就形成修正后的实际焓增ΔHact_corr。稳态时,分离器出口焓值H2_act就等于校正后的分离器出口焓设计值Hsp_corr。

焓值控制器PID2的参数设定是负荷的函数,不同的负荷,对应不同比例、积分时间和微分时间常数

。

比较金属蓄热模型小。另外,金属蓄热模型比较复杂,调试过程中进行参数整定比较繁琐,一般情况下,设计人员把这部分蓄热的变化忽略了。3.2.4给水流量指令的计算

干态给水流量给定值Wdry=工质吸热量Q÷修正后的实际焓增ΔHact_corr。

湿态模式通常是机组启动或低负荷阶段,这时的给水流量就是锅炉最小给水流量Wmin。流量指令切换原理如图4所示

。

图2　工质实际焓增的计算

分离器出口焓的变化是燃水比失调的快速

反映,分环节引入到燃料主控系统,3.2.3=×工质理论焓增-。

理论给水量Wtheory=水煤比函数算出的FWsp-实际减温水流量Wθ_act

工质理论焓增ΔHtheory=分离器出口焓值Hsp_corr-省煤器出口焓H

2sp

图43.停锅炉阶段的给水控制

当机组负荷<30%时,即机组处在启动或低

负荷运行阶段,此时,启动分离器内的工质为汽水混合物,分离器相当于汽包锅炉的汽包,起到汽水分离的作用,分离器的水位由至大气扩容器的2个调节阀来调节,控制策略一般采用单冲量控制。

在这个阶段,给水管道电动阀全关,通过给水旁路调节阀调节给水流量,维持炉膛保护水冷壁的最小流量要求,同时保证给水管道的上水压力和减温水压力。

流经泵内的液体流量小于泵体冷却所要求的最小流量是,将造成泵内液体温度急剧上升,以致局部汽化,从而导致导叶和叶轮汽蚀,泵体振动,甚至损坏。为此,在电动给水泵的出口均设置最小流量再循环阀门,当泵出口流量小于其允许的最小流量时,自动打开再循环调节阀门,给水又流回除氧器。

3.4湿态与干态相互转换

图3　工质吸热量的计算

由于理论给水和理论焓增都是通过负荷指令函数,负荷变化时,炉膛的热负荷的变化相对给水

流量的变化惯性和迟延大,所以负荷指令经过一个二阶惯性环节后转化为对应的理论焓值与理论给水量。另外,当分离器压力变化时,还应考虑蒸发器金属的蓄热的变化,要把这部分热量剔除,最后计算出工质焓变化时应该吸收的热量。直流锅炉的蓄热很小,大约为同容量汽包炉蓄热的1/4左右,压力变化引起金属蓄热的变化

升负荷时,随着燃料量逐渐的增加,随之产生的蒸汽量也增加,从分离器下降管返回的水量逐渐减小,分离器入口湿蒸汽的焓值增加。当负荷升到30%时,分离器入口蒸汽干度达到1,饱和蒸汽流入分离器,此时没有水可分离,锅炉给水流量仍保持在最小流量,继续增加燃料量,同时逐渐关闭分离器至大气扩容器的水位调节阀,分离器入口工质的焓值逐渐增加,当负荷增加至35%时,分

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离器入口蒸汽焓升高到预先的设定值,蒸汽的过

热度也达到要求,锅炉就进入干态模式。

当机组降负荷时,由干态转换为湿态时,其过程是湿态转换为干态的逆过程。其切换过程如图5所示

。

3.6给水阀门的切换

当机组负荷升到30%左右时,给水旁路调节阀调节给水压力逐渐打开,当全部打开时,自动联锁打开主给水电动阀;当电动阀全开后,为了减少给水管道的节流损失,联锁关闭旁路给水阀。

当机组负荷降到30%左右时,给水旁路调节阀自动打开,全开后,联锁关闭主给水电动阀,全关后,旁路调节阀来调节给水压力。

3.7故障情况

当RB发生后,闭锁焓值调节器的增减,控制回路将液力耦合器勺管迅速调节到相应的位置。

当MFT发生后,保留一台电动给水泵运行,自动关闭主给水电动阀和旁路给水调节阀出入电

图5　干态与湿态转换过程

动阀,通过调节给水再循环阀,以满足高旁减温减

3.5给水泵安全工作区保护及流量平衡回路

4,维持过热汽温,必须用保,而用喷水减温作为辅助性细调手段。因此要严格控制好燃水比,保证中间点焓值为规定值。

(2)充分利用前馈控制技术,来改善系统的控制性能。特别在串级控制系统中,为减小主调的动作,前馈和反馈信号的配比应尽可能准确。

(3)为了更好地实现给水全程控制,尽可能采用变参数、变设定值以及解耦等技术。

(4)针对不同运行工况下的对象的不同动态特性,采用变结构的控制技术。

3,者中取大值,并与3,,:当任意一台给水泵的出口压力低于最小安全压力时,限制再提高给水泵的转速,保证给水泵工作在安全工作区内。原理如图6

。

5　结　论

由于超临界直流锅炉对象复杂,存在严重的非线性和耦合性,给水控制方法完全不同于亚临界汽包锅炉,要实现全程给水控制仅采用常规控制策略已不能满足控制要求,要充分采用前馈、变定值、变增益、变参数以及变结构控制技术,来更好改善调节品质。参考文献:

[1]杨凯翔.超临界机组控制特性和控制策略分析[J].中国电

图6　最小安全压力限制与流量平衡

高负荷时,一般2台或3台给水泵同时运行,

此时应保证泵的出口流量要一致,即泵的出力一致。为了避免负荷不平衡现象发生,在给水调节中,设计了一个同步回路。先计算出所有运行泵的平均流量,然后,再与各台泵的流量作偏差,叠加在控制勺管位置的PID3入口偏差上,这样,如果某台泵的出口流量偏高或偏低时,则会将对应偏差引入控制回路中来改变泵的转速,最终其出力会被拉到一个新的平衡流量值,实现多台泵的出力同步功能。

力,2007,40(7):74-78.

[2]刘潇,曹冬林,丁劲松.外高桥1000MW超超临界机组闭环

控制系统设计[J].中国电力,2006,39(3):70-73.

[3]上海锅炉厂有限公司.定洲发电厂2×660MW超临界机组

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第3期王玉清,等:基于中间点焓值校正的超临界机组给水全程控制15

SupercriticalUnitFullRangeFeedwaterControlSystemBased

onIntermediatePointEnthalpyCorrection

WANGYu2qing,　DONGChuan2min,　ZHENGYa2guang,　ZHANGHai2ping,　MIAOGuang2xiang

(BaodingElectricPowerVocationandTechnologyCollege,Baoding071051,China)

Keywords:once2throughboiler;　drymodel;　wetmodel;　enthalpy;　water2fuelratioAbstract:Duetothecomplexityofobjectcharacteristicsandtheintercouplingofcontrol

loops,itisverydifficulttorealizethecontroloffullrangefeedwater.Thewholefeedwaterprocessisdividedintotwostagesofdrymodelandwetmodelinthepaper,anddesignedrespectivelythecontrolmethod.TheenthalpyofStartupseparatoroutletadjuststhefeedwaterflowinstructioninthedrymodelstage.Minimumfeedwaterflowvalueisconsideredtobetheinstructionoffeedwaterintheotherstage.Furthermore,controlqualityisimprovedbyproperlyusingfeedforward,varyingparameter,structure,decouplingetccontroltechnology.Sitcommissioenthalpycanreflectwellchangesofwater2fuelratioanditinmaintainingsuperheatedsteamtemperat(上接第10　　300MW、600MW机组锅炉投运越来越多,问题也会随之出现,做好锅炉运行数据的收集整理和分析总结工作是非常必要的,为今后更高参数的800MW、1000MW机组锅炉进入印度市场打下坚

实基础。参考文献:

[1]J.G.辛格.锅炉与燃烧[M].北京:机械工业出版社,1989.[2]容銮恩.燃煤锅炉机组[M].北京:中国电力出版社,1998.

DesignandCommissionPerformanceofIndian

High2Ash2Coal2FiredBoilerAdoptingTangentialFiringSystem

WANGDing1,2,　WUYu2hong2

(1.SchoolofMechanicalandPowerEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China;

2.ShanghaiBoilerWorks,Ltd.,Shanghai200245,China)

Keywords:high2ash2coal;　combustion;　performance;　heat2transfer

Abstract:Introducedesign,generallayoutandperformancetestingresultofIndianhigh2

ash2coal2firedboileradoptingtangentialfiringsystem.ListtheultimateanalysisandcombustionpropertyofIndianrepresentationalhigh2ash2coal.Presenttheproblemaboutheat2transfercharacteroffluegasproducedbyburninghigh2ashcoalandpointouttheshortageoftraditionalheat2transferformula.Duringboiler’sheatingcalculation,theinfluencefromIndianhigh2ash2coalmustbetakenintoaccountadequately.ThearticleispublishedmainlytobringattentionofpractitionersandcallfortheresearchforIndianhigh2ash2coal’scombustionandheat2transfer.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hj11.html