超临界火电机组给水全程控制策略研究

杜景琦，刘友宽，唐立军，李长更

(云南电网公司电力研究院，昆明 650217)

1 前言

目前，随着电力需求的不断增长，600 MW超临界火电机组因其煤耗低、效率高及负荷适应性好等特点已逐渐成为我国目前发电行业的主流机组。同时超临界机组控制策略也向高精度、高效率、高稳定性的方向发展。机组自启停系统(APS)是近几年自动控制发展的一个方向，而全程给水自动控制是实现APS必须要实现的一个功能。因此，对超临界火电机组的全程给水控制策略进行分析与研究是非常必要的。

2 超临界机组给水系统的分析

2.1 超临界机组给水系统特性

当超临界火电机组的负荷超过了锅炉本生点后，给水到过热蒸汽是一次性完成的，燃料量和给水量同时决定锅炉的蒸发量。因此，超临界火电机组的负荷控制与给水控制和燃料量控制是密不可分的，也就是说，给水流量会影响到蒸汽压力、蒸汽温度、蒸汽流量及负荷。

主蒸汽焓值为:

式中:

hst——主蒸汽焓值，kJ/kg;

hfw——给水焓值，kJ/kg;

F——燃料量，t/h;

Qn——燃料低位发热量，kJ/kg;

Η——锅炉效率，%;

W——给水量，t/h。

从式中可知，在给定了锅炉负荷情况下hst和hfw是确定的，那么hst和hfw稳定的也就意味着蒸汽温度及其压力的相对稳定。如果燃料低位发热量也稳定的情况下，在一定的负荷下η是基本不变的，F和W的比值 (燃水比)也同样保持不变。实际运行中燃料的发热量是不稳定的，发生在燃料侧的扰动就会影响燃水比的变化，进而引起hst的变化。除此之外，不同的负荷点下hst和hfw也是变化的，因此燃水比是需要实时修正的。

2.2 给水全程控制系统作用

1)停运阶段:在机组停运阶段给水泵的出水经两级高压加热器进入省煤器，炉水流过水冷壁管后进入分离器，若水质不合格，那么就开启分疏箱液位控制阀进行排放，如果水质合格，便可以启动锅炉循环泵进行炉水回收。

2)湿态低负荷运行阶段:即锅炉点火后3 min起至锅炉转干态前。此阶段锅炉工作特性类似于汽包炉，分疏箱液位由给水旁路阀来控制;给水母管压力则通过控制汽泵转速来保证;通过控制再循环炉水流量来保证锅炉启动和低负荷时所需的最小流量，同时提供水冷壁安全保护。

3)直流阶段:加热段、蒸发段和过热段没有固定的分界线，给水一次性流过三段受热面。给水控制系统的任务不仅是要向锅炉输送合格的工质，还担负着负荷控制和汽温控制的任务。因此，锅炉给水流量控制是基于中间点焓值 (汽水分离器出口焓值)校正、控制动态燃水比值的给水自动控制系统。

3 超临界机组全程给水控制实现

3.1 给水指令形成及中间点焓值校正回路

给水控制策略中给水指令的形成主要由燃水比计算回路、焓值H控制器及低温过热器出口温度T控制器组成。

图1 给水指令的形成

如图1所示，设计温度与低温过热器出口实际温度的偏差形成了一个PID调节器，即PIDT控制器。当燃水比出现了偏差时，设计温度与低温过热器出口实际温度的偏差会发生变化，进而通过PIDT控制器去修正分离器出口的焓值来调整实际给水流量，使低温过热器出口温度与设计值保持一致。焓值调节器 (PIDH控制器)是由PIDT控制器的输出对焓值设定值进行修正后与分离器出口的实际焓值的偏差进行闭环调节而形成的。PIDH控制器的输出修正计算后的给水流量保证了中间点焓值与设计值一致。对PIDH控制器中的焓值的计算精度是至关重要，在大比热容区内要保证调节质量的稳定，就更加的要保证焓值的计算精度。另外，为了提高解列后分离器出口焓值的稳定，PIDH控制器还增加了高压加热器解列时的减水前馈。随着负荷的变化PIDH控制器的参数也会自适应发生改变 (变参数调整)。

实际需要的给水流量Fs经过最小流量限制后作为给水主控系统的设定值，当给水主控系统在自动控制运行方式时，给水流量的指令是计算得出的所需给水流量、分离器焓控制器输出修正量与减温水流量之和。

3.2 给水主控回路

给水主控主要包括:流量平衡、汽动给水泵(简称汽泵)控制、电动给水泵 (简称电泵)控制。

图2 给水主控回路

如图2中，在给水控制系统投入自动运行方式后，给水指令作为给水主控PID设定值，与给水实测流量形成闭环控制，使给水流量达到设定值。流量平衡回路是为了保证在长期运行的条件下各给水泵的出力比例 (汽泵A、汽泵B、电泵的流量比例按5∶5∶3)不变。PID输出经函数变换后与给水流量的流量平衡调节输出共同形成汽泵和电泵的调节指令。

3.3 启、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。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。

3.4 湿态与干态相互转换

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，分离器入口工质的焓值逐渐增加，当负荷增加至35%时，分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，由干态转换为湿态的过程是湿态转换为干态的逆过程。

其切换过程如图3所示。

图3 干态与湿态转换过程

4 电厂全程给水控制应用

4.1 湿态控制方案

采用炉水循环泵出口调门调节再循环流量为大于本生流量的某个设定值，储水箱水位采用传统亚临界串级三冲量控制方式，内回路调节净给水流量 (省煤器流量减炉水再循环流量)与主回路输出匹配，外回路调储水箱水位满足设定要求，蒸汽流量作为主回路的前馈量，控制输出分旁路与主路两种方式。

4.2 干态控制方案

给水控制在干态时，炉水循环泵已停运处于直流状态，给水控制需采用燃水比平衡的方式，通过分离器出口温度的校正，使给水的燃水比处于真正平衡合理的比值。干态的给水控制采用串级的控制方式，主调的被控量为分离器出口温度，设定值为对应负荷下分离器出口压力的蒸汽过热度函数曲线;副调的被控量为给水净流量，设定值为燃水比计算得到的给水流量指令叠加给水主调的校正输出值。

4.3 干/湿态控制逻辑

湿态转干态条件:机组负荷在30%BMCR～45%BMCR范围内;给水主路供水，省煤器给水流量在汽泵 (一台或二台)给水自动调节方式下;随着锅炉蒸发量加大，省煤器给水流量增加，储水箱水位下降，锅炉再循环泵出口调门开度及循环流量减小，再循环泵最小流量阀开启 (循环流量≤7%BMCR)，到出口调门关闭，循环流量为零，再循环泵在最小流量方式运行，中间点温度在饱和状态。

干态转湿态条件:机组运行在干态。机组负荷≤干态转湿态的转换设定点 (采用湿态转干态转换设定负荷值减5%计算得到，面板显示)，锅炉运行方式及给水控制专用画面的湿态/干态转换操作面板上显示转换条件允许，确认干态转换湿态运行方式。

5 结束语

对超临界机组的给水全程控制，首先明确机组的不同运行阶段所要控制的对象及合理的实现控制逻辑;其次就是机组不同运行阶段切换的判断条件以及保证机组各个运行状态的无扰切换。课题对超临界机组给水系统的特性进行了分析，提出了超临界机组给水全程控制策略的实现方法，并且在镇雄电厂#1机组中成功投用。课题的研究成果不仅可以省内新投产的超临界机组进行推广应用，对已投产的汽包炉火电机组同样有参考价值。

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