900MW 超临界机组给水控制系统的技术特点

施敏 易凡

外高桥发电厂二期工程建设的二台900MW超临界燃煤机组，是目前国内已开工的最大容量火力发电机组工程，第1台机组已于2004年4月20日移交生产, 第2台机组计划2004年底投产。900MW机组锅炉由ALSTOM公司中标，其型式为超临界、塔式、一次中间再热、扩容式启动系统、单炉膛四角切向燃烧、固态排渣煤粉炉，其主要技术参数如下：
    最大连续蒸发量          2788t/h
    过热器出口压力          25.76MPa
    过热器出口温度          542℃
    再热器出口温度           568℃
    给水温度                      272℃
    锅炉纯直流运行负荷    32% BMCR
    最低稳燃负荷               25% BMCR
    锅炉效率                      93.7%
二、超临界直流锅炉给水系统的控制特征
      直流锅炉作为一个多输入、多输出的被控对象，其主要输出量为汽温、汽压和蒸汽流量（负荷），其主要的输入量是给水量、燃烧率和汽机调门开度,由于是强制循环且受热区段之间无固定界限，一种输入量扰动将对各输出量产生作用，如单独改变给水量或燃料量，不仅影响主汽压与蒸汽流量，过热器出口汽温也会产生显著的变化，所以比值控制(如给水量/蒸汽量、燃料量/给水量及喷水量/给水量等)和变定值、变参数调节是直流锅炉的控制特点。
实践证明要保证直流锅炉汽温的调节性能，维持特定的燃水比来控制汽水行程中某一点焓（分离器出口焓）达到规定要求，是一个切实有效的调温手段。当给水量或燃料量扰动时，汽水行程中各点工质焓值的动态特性相似；在锅炉的燃水比保持不变时（工况稳定），汽水行程中某点工质的焓值保持不变，所以采用微过热蒸汽焓替代该点温度作为燃水比校正是可行的，其优点在于：
    1) 分离器出口焓（中间点焓）值对燃水比失配的反应快，系统校正迅速；
    2) 焓值代表了过热蒸汽的作功能力，随工况改变焓给定值不但有利于负荷控制，而且也能实现过热汽温（粗）调正。
                     
   

 3) 焓值物理概念明确，用"焓增"来分析各受热面的吸热分布更为科学。它不仅受温度变化影响，还受压力变化影响，在低负荷压力升高时（分离器出口温度有可能进入饱和区），焓值的明显变化有助于判断，进而能及时采取相应措施。
    因此，静态和动态燃水比值及随负荷变化的焓值校正是超临界直流锅炉给水系统的主要控制特征。
           
三、给水控制系统的工艺流程
     外高桥发电厂2×900MW超临界压力机组的锅炉为螺旋管圈、变压运行直流锅炉，其启动系统配有6只内置式启动分离器，在锅炉启动和低负荷运行时，分离器处于湿态运行，同汽包一样起着汽水分离的作用，此时适当控制分离器水位，通过循环回收合格工质；当锅炉进入直流运行阶段，分离器处于干态运行，成为（过热）蒸汽通道。锅炉给水系统的工艺流程如图1所示，机组配备有二台60%BMCR汽动给水泵和一台40%BMCR的电动给水泵，电泵出口设计有启动流量调节阀，用于启动时调节给水压力。启动过程中，蒸汽加热除氧器给水，主给水泵的出水分别经两级并列高压加热器后进入省煤器，考虑到低负荷下直流锅炉对重量流速的要求，在启动和低负荷阶段最小给水流量设置为32%BMCR，流过水冷壁管的汽水混合物进入分离器，分离器疏水分两路，一路进入除氧器，进行合格工质及热量的回收；另一路经扩容器扩容后进入疏扩箱，由扩疏泵输送至凝汽器或直接向外排放。随着循环加热的进行，当给水达到一定温度后，锅炉允许点火。
四、控制方案
     在机组燃烧率低于32%BMCR，锅炉处于非直流运行方式，焓控制器处于跟踪状态，给水控制保持32% BMCR流量指令，由于分离器处于湿态运行, 分离器中的水位由分离器至除氧器以及分离器至扩容器的组合控制阀进行调节，给水系统处于循环工作方式；在机组燃烧率大于32%BMCR后，锅炉逐步进入直流运行状态 ，焓控制器开始工作，利用焓值校正的给水控制系统原理见图2。 
          

4.1 给水流量基本指令的形成
     锅炉的燃烧率指令通过相应的函数F（x）计算出理想的给水流量要求值，当燃烧率小于32%BMCR时，保持最小的给水流量要求值32%BMCR；当燃烧率大于32%BMCR，根据函数F（x）计算出给水量要求值（燃水比值约为1：8），考虑到水冷壁进口给水的焓值H6偏差对过热蒸汽温的影响，对给水量要求值进行给水焓差H6修正，然后通过动态补偿形成给水流量基本指令F6，与焓控制器输出F7结合组成给水流量指令F8，送至三台给水泵流量控制子回路。
4.2 焓设定值的形成
     分离器出口焓要求值H8应该是实际负荷的函数，在直流、滑压运行方式下分离器压力可以代表负荷作为焓值设定函数F1（P）输入，函数F1（P）的设置应考虑不同负荷对分离器出口焓的要求，要保证分离器出口有一定的过热度，除此之外焓最终设定值H10的形成还要注意以下因素：
    1) 过热器减温水流量F3校正；
    2) 水冷壁管出口温度T7越限干预。
4.2.1过热器减温水流量校正
     直流锅炉的给水流量控制与减温水总量的控制之间有着必然的联系。在调试中我们发现燃水比失配1%，过热汽温变化6℃以上且迟延大，直流锅炉给水控制的一个主要任务就是维持汽温稳定，一方面严格控制燃水比完成过热汽温粗调，另一方面又要确保后级减温在可调范围内。根据设计在不同的负荷下，给水流量和减温水流量有相对应比值，如果实际减温水流量发生偏差时，焓设定值积分器就会自动校正焓要求值H8，改变给水流量指令F8，使减温水量F3逐步消除偏差。
4.2.2水冷壁管出口温度越限
      直流锅炉的水冷壁出口温度T7超过其对应负荷下的温度保护定值，则发生MFT，这是直流锅炉为防止水冷壁管超温而设置的一个重要保护，为此在给水控制系统中增设限值I，限值II二步控制超温回路，限定值见附表。在限值I设定的控制回路中，当水冷壁管出口温度中的最高值大于限值I时，经过焓设定值积分器将焓设定值H10逐步减少，相应增加给水流量指令F8，达到降低水冷壁管温度的目的；如果限值I功能没有得到有效控制，水冷壁温度超过限值II，限值II设定的控制回路将焓设定值H10迅速切至最低限H8 min，通过快速增加给水流量指令F8，强制抑制水冷壁管温度上升。随后通过动态环节，逐步将焓设定值恢复至正常。
4.3 非直流状态下分离器水位的控制：
      在机组燃烧率小于32%的情况下，给水流量控制在32%BMCR，分离器处于湿态运行阶段，水位组合控制阀将维持分离器水位在正常范围内。为防止分离器水位溢至过热器，水位超过定值（28m）也作为锅炉保护条件。
4.3.1分离器疏水至除氧器控制
      至除氧器的疏水控制除完成控制分离器水位的定值（9m）控制的任务外，还受到除氧器自身的压力、水位及其所能承受的流量的限制。
    1） 除氧器水位限制，当除氧器水位大于3200mm时，分离器至除氧器疏水阀闭锁开。
    2） 除氧器压力限制，当除氧器压力大于0.8MPa时，分离器至除氧器疏水阀闭锁开。
    3） 除氧器入口流量的限制，当分离器至除氧器再循环流量大于流量限制值时，分离器至除氧器疏水阀闭锁开。
4.3.2分离器疏水至扩容器的控制
     当分离器水位上升至12m，分离器至扩容器疏水阀（14）参与调节；若水位上升至21m时，分离器至扩容器疏水阀（15）快速干预。
五、运行情况
    外高桥电厂2*900MW机组给水控制系统经过多次改进和调整，目前试运效果良好。在稳定运行时，分离器出口焓维持在定值±23kJ/kg以内；负荷变化时，焓值一般控制在定值±55kJ/kg附近。
六、几点探讨：
6.1 热态低负荷运行
      如果负荷过低，分离器进入湿态运行，给水系统处于循环工作方式，大量的回水由分离器排至除氧器，往往造成除氧器参数飞升而反过来限制回水流量，分离器水位进一步上升，导致扩容器的疏水流量增加，由于扩容器及疏水箱设计压力（1MPa）和容积有限，常常产生扩容器排汽管带水，疏水泵汽蚀及扩容器及疏水箱剧烈晃动。在系统检修过程中发现因大量的回水由分离器至除氧器，导致除氧器的淋水板冲坏，使除氧器除氧效果降低，与外方专家讨论后，将除氧器的流量限制值改为原设计流量的0 .3倍，但扩容器排水量增加。要真正解决热态低负荷运行和极热态启动的给水循环问题，建议论证在分离器疏水后增设一个给水热交换器的可行性。
6.2 焓值计算
      亚临界机组DCS一般不涉及焓值控制，少数使用焓概念的进行计算的DCS系统，也仅采用一个或多个矩阵插值功能块来完成计算，这样存在以下问题：
    1) 应用范围小，难以满足超临界高参数要求；
    2) 矩阵分度间隔大，计算精度低；
    3) 组态复杂。
    所以，要求DCS制造商编制专用软件模块来解决焓值计算问题。
6.3 非直流与直流状态的转换
      非直流与直流状态的转换并非为一固定点（固定负荷），它与燃水比设置、焓值校正有关。在机组启动及低负荷运行中，我们发现某些电泵过负荷闭锁及水冷壁超温等原因与非直流与直流状态转换逻辑有关。理论上锅炉从非直流进入到直流状态时，水-汽转换一次完成，也就是在稳定流动时给水量等于蒸发量，即"流量恒等"。由于存在测量误差、受热面过度区无固定"分界点"等因素，非直流与直流状态的转换基本不用单纯的"流量恒等"来判别。现场试验表明，在考虑到直流锅炉实际启/停特性情况下，用负荷（给水流量）、分离器出口焓及分离器水位变量组成相应逻辑，可较好解决非直流与直流状态的转换问题。
6.4 低负荷阶段水冷壁管道的超温
    在锅炉进入直流低负荷运行阶段，多次发生某一水冷壁管道温度突升的现象，分析认为是水冷壁管道在低负荷阶段吸热不均，水动力不平衡而造成的流动停滞，即"汽阻" 现象，一旦某一水冷壁管道出现"汽阻"，其介质的比容迅速增加，流动停滞越发明显，造成此管道温度迅速上升。
    低负荷阶段水冷壁管道的超温主要原因有：
    1) 低负荷阶段A、B磨煤机运行时，燃烧率较低使四角燃烧煤粉浓度偏差导致炉膛各部受热偏差相对增大，从而引起水冷壁管道吸热不均；
    2) 低负荷阶段由于重量流速降低使水冷壁管道本身的流量偏差不同程度地存在；
    3) 过热减温水实际流量的偏大引起焓值积分器的饱和 。
针对以上的情况已采取的对策有：
    1) 在低负荷阶段尽量不投运A磨煤机
    2) 降低温度限值I、限值II的定值，使得一旦某管道汽温突升，给水控制尽早动作。
    3) 在给水焓值控制器输出加入水冷壁管道温升的微分前馈，一旦发生超温，前馈信号起作用，迅速加大给水量。
    目前，我们仅从控制角度来提出解决方案，但最根本的应从低负荷锅炉水动力及煤粉浓度均匀性等方面来考虑将温度偏差彻底解决。