二次再热超超临界机组给水系统控制逻辑设计

顾徐鹏

(华东电力设计院有限公司，上海 200063)

二次再热超超临界机组给水系统控制逻辑设计

顾徐鹏

(华东电力设计院有限公司，上海 200063)

泰州电厂二期是国内首台二次再热燃煤机组。介绍泰州二期电厂的给水系统的配置情况，分析锅炉在各个运行阶段给水系统的控制要求，得出湿态运行阶段和干态运行阶段给水控制逻辑的设计方案。

二次再热；给水控制；焓值控制。

给水主控是1000MW超超临界机组协调控制系统的一个非常重要的部分。直流锅炉的给水控制相对于汽包炉的三冲量调节系统，其控制精度和系统响应速度要求都更高，控制模式也更为复杂。

国电泰州电厂二期百万千瓦超超临界燃煤发电机组是我国自主设计、自主制造的首台超超临界二次再热机组，主机参数为31 MPa/600/610/610℃，建成后它将成为全世界容量最大的二次再热机组，具有重要的示范作用。本文将详细介绍机组在不同运行阶段给水系统的控制策略。

1　泰州电厂二期的给水系统

泰州电厂二期的锅炉采用了上海锅炉厂有限公司生产的1000MW超超临界、单炉膛、二次中间再热、变压直流、塔式锅炉，锅炉配置了带再循环泵的启动系统。主给水泵为2x50%的汽动给水泵组，启动汽源由电厂一期辅助蒸汽系统提供，不再配置电动给水泵。

给水系统的主要流程见图1，来自高压加热器的给水经过省煤器、水冷壁进入锅炉启动分离器，低负荷时启动分离器处于湿态运行，起着类似于锅炉汽包的作用，经汽水分离器分离后的水储存在分离器储水箱中。锅炉启动期间, 当炉水不合格时, 炉水可以通过储水箱底部的溢流调节阀送至疏水扩容器直接排放。当系统内的水质合格时, 炉水经再循环泵被再次送到省煤器进口进行循环，从而减少了由于排放而造成的工质和能量的损失，有效地缩短了锅炉在冷态和稳态的启动时间。当机组大于30%负荷以后，锅炉很快转入干态运行，工质到达启动分离器时已完全汽化，这时启动分离器相当于锅炉中间点的一个蒸汽联箱。

图1　泰州电厂二期给水系统主要流程图

给水母管上设置了主给水截止阀，同时还有一路满足启动容量的给水旁路，设置一台给水旁路调节阀用于低负荷时的给水流量调节，当给水流量指令大于汽动给水泵的最小出力时，给水流量将切换到由给水泵汽轮机调节，给水旁路调节阀这时将全开。

2　给水系统的控制要求

充分了解系统的运行方式，对控制策略的设计起着至关重要的作用。超超临界机组给水系统的运行主要分为以下几个阶段：

(1) 停运阶段：在点火前，锅炉需要适当进水，给水由汽动给水泵打入锅炉，对启动分离器前的各段受热面进行冲洗，并监视分离器储水箱的水质，按照水质情况将炉水排放至地沟，或回收到凝汽器，直到炉水品质合格，开启锅炉启动循环泵，并在各风系统完成炉膛吹扫，且风温满足点火要求后，锅炉可以开始点火升温。

(2) 低负荷湿态运行阶段：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，分离器储水箱液位由给水旁路调节阀来控制，给水母管压力则通过控制汽泵转速来保证。同时，通过控制启动循环泵出口调节阀来调节再循环流量，维持锅炉启动和低负荷时所需的最小流量，保证水冷壁的安全运行。

(3) 干态运行阶段：在这一运行状态下，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，在干态运行时，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)的自动调节系统。

由此可见，直流炉的给水控制在锅炉停运阶段、湿态运行阶段和干态运行阶段都担负着不同的控制任务，系统的控制要求、控制手段都不一样，是一个极为复杂的控制系统。

3　湿态运行阶段的给水控制

湿态阶段时的直流锅炉汽水分离器相当于锅炉汽包，故此时的给水控制也类似于汽包锅炉。在湿态阶段给水控制的主要任务是合理控制分离器水位，同时确保锅炉给水流量不低于水冷壁要求的最低限值，如果分离器水位过高或者给水流量过低都会导致锅炉跳闸。

图2是湿态运行阶段给水指令的生成逻辑。给水指令以分离器贮水箱水位作为目标进行控制，水位偏差的变比例环节、分离器压力计算出的控制系数都由锅炉厂给定。当分离器压力大于20 MPa时，锅炉运行已接近湿态运行上限，这时比例积分(Proportion and Integration, PI)控制器的输入将切换到焓值偏差，并在控制系统判断锅炉进入直流状态后，将给水控制平滑地转入干态控制方式。通常主蒸汽流量可作为分离器水位三冲量控制的一个输入，起到改善调节品质的作用，但泰州电厂二期没有设置主蒸汽流量测点，且笔者认为改用锅炉燃烧率或机组负荷替代主蒸汽流量在这里作为前馈指令并不合适，所以设计逻辑时把分离器水位转为单冲量控制。

由于采用汽动给水泵启动的方式，而汽动给水泵的最低工作转速较高，在最低工作转速下给水泵出口流量会远超过启动初期锅炉所需要的给水流量，此时由给水旁路调节阀来调节给水流量和控制分离器水位，而给水泵再循环调节阀则保证给水泵的最小流量。随着锅炉蒸发量的增加，给水量需求也会逐渐加大，给水旁路调节阀慢慢开启，给水泵再循环调节阀逐渐关小直至全关。在这一过程中给水泵的转速会逐渐升高，当转速离开最低工作值一定距离、给水旁路调节阀开度较大且有一定给水流量时，进行控制切换，由给水泵转速来控制分离器水位，而后全开给水旁路调节阀和主给水电动截止阀。

在湿态运行阶段，如果再循环泵故障无法运行，则给水控制将有所变化，此时给水旁路调节阀或给水泵转速不再控制分离器水位，而是控制给水流量以满足锅炉水冷壁需要的最小流量。在这种方式下，启动初期锅炉进水流量必定会大于蒸发量，使得分离器水位升高，只能由分离器水位溢流调门将多余的工质放至锅炉疏水扩容箱，相当于放掉热水，补充冷水，这将延长机组的启动时间。

图2　湿态运行阶段的给水指令

4　干态运行阶段的给水控制

干态运行时，所有的给水将一次性地全部转化为过热蒸汽，这样给水流量的变化将直接影响机组负荷和主蒸汽温度，所以在机炉协调控制中，给水控制就成为了配合机组出力、初步调节过热汽温的重要手段。如果选择末级过热器出口温度直接作为给水流量的控制参数，由于锅炉燃烧过程存在很大的惯性，给水流量变化反映到主蒸汽温度延迟时间较长，控制器将难以获得良好的控制效果，而分离器出口焓值相对来说能更快的反映锅炉燃烧和给水的匹配情况，所以干态运行阶段的给水控制一般都采用基于分离器出口焓值的控制策略。

干态方式下的给水指令见图3，它是一个带有前馈的中间点焓值PI控制器。锅炉负荷指令通过函数换算到给水流量作为给水主控的前馈指令，因为锅炉负荷同样会送到燃料主控，所以给水前馈指令基本上保证了煤水比关系。由于燃料量变化对汽温、汽压的影响较给水对汽温、汽压的影响要慢，在负荷指令到给水的回路上加上了两阶惯性环节，使煤水变化速度得以匹配。在机组发生快速减负荷(Runback, RB)时，负荷指令到给水的惯性时间常数时会被减小，使得给水更快地响应锅炉负荷的变化。

焓值设定值由设计焓值和修正量两个部分叠加而成。锅炉中间点设计焓值通过分离器储水箱压力计算得到，锅炉厂提供了三个函数，分别代表了在某一设计工况点下的正常焓值以及焓值上下限，计算出的正常焓值将作为焓值设定值的基础。为了更好地控制给水流量，焓值设定值还设计了两路修正量，一路是当水冷壁出口温度大于最大设定值1(即图3中的MAX SP1)时，会形成一个负修正值，降低给水焓值设定，从而加大给水量，降低水冷壁出口温度；另一路是控制过热器减温水流量不偏离设计点，保证喷水减温有一定的控制裕度，当实际减温水流量大于设计值时，说明中间点焓值偏高，需要加大给水量。这两路修正中取负修正作用大的一路通过积分作用，最终被叠加到焓值设定值上。另外，当水冷壁出口温度大于最大设定值2(即图3中的MAX SP2)时，焓值设定值将直接切换到设计焓值下限，使得锅炉快速加水，防止因水冷壁出口金属温度过高而发生主燃料跳闸(Main Fuel Trip, MFT)。

图3　干态运行阶段的给水指令

5　结论

本文详细分析了泰州二期电厂给水系统的配置情况，并介绍了锅炉在各个运行阶段给水系统的控制要求，最后给出了湿态运行阶段和干态运行阶段给水控制逻辑的设计方案，希望能对其他超超临界机组逻辑设计提供参考。

[1] 吴建平，等．1000MW超超临界机组给水控制系统分析及其优化[J]，华东电力，2012，40(6)．

[2] 杜景琦，等．超临界火电机组给水全程控制策略研究[J]，云南电力技术，2014，(42)．

[3] 何畅，等．1000MW超超临界机组全程给水自动控制的优化与调整[J]，能源工程，2010，(01)．

Control Logic Design of Feed Water System for Double Reheat Ultra-supercritical Unit in Power Plant Tai Zhou

GU Xu-peng
(East China Electric Power Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

Tai Zhou Power Plant Phase II is the first double reheat coal fired power plant in China. Based on the feed water system of Tai Zhou Power Plant Phase II, a brief introduction of its configuration and the control requirements in different operation modes will be provided. The control logic of feed water system in one-through mode and none onethrough mode will be proposed finally.

double reheat; feed water control; enthalpy control.

TM621

B

1671-9913(2016)05-0017-04

2016-02-17

顾徐鹏(1985- )，男，江苏启东人，硕士，助理工程师，从事电厂热工控制系统设计工作。