一种超(超)临界二次再热机组汽温控制方案

孙 漾

(华东电力设计院有限公司，上海 200063)

一种超(超)临界二次再热机组汽温控制方案

孙 漾

(华东电力设计院有限公司，上海 200063)

超(超)临界二次再热燃煤发电机组锅炉汽温控制的品质，直接影响机组热效率及机组的安全稳定运行。本文结合某1000 MW超超临界二次再热燃煤发电机组工程，介绍了机组工艺系统概况。根据锅炉汽水系统的工艺配置情况，分析了主蒸汽、一次再热蒸汽、二次再热蒸汽温度的控制方式和控制要求，并重点介绍了一种超(超)临界机组直流锅炉基于过程物理机理的过热汽温控制策略设计方案。该方案结构简单，实现方便，可以尝试在二次再热机组主汽温控制中进行应用。

超超临界燃煤发电机组；二次再热；汽温控制；减温喷水控制。

1 概述

目前，我国新建的火力发电机组大多采用了效率更高的超临界和超超临界机组。机组工质运行温度高，尤其是过热器、再热器出口汽温这个热力系统中的温度最高点，其正常运行的温度已经接近材料所允许的最高温度，因此，机组汽温的控制，直接影响机组热效率及机组的安全稳定运行。而过热器、再热器出口汽温控制系统又具有大时滞、大惯性、时变性和非线性的特点，且扰动因素多、扰动频繁、扰动量大，采用传统的控制方法控制品质很难保证。

二次中间再热技术是近年来热门研究的提高机组热效率的一种有效方法。再热技术可以提高蒸汽膨胀终了的干度，提高蒸汽的做功能力。有研究表明，增加中间再热次数，能够降低机组的热耗，31 MPa/566℃/566℃/566℃的二次再热技术相比传统的24.1 MPa/ 566℃/566℃一次再热技术，其热效率可提高约5%。然而，二次再热机组的热力系统更加复杂，过热器、一次再热器、二次再热器出口汽温控制难度更大。

本文结合某电厂1000 MW超超临界二次再热燃煤发电机组工程，介绍了机组工艺系统概况，以及锅炉汽水系统的工艺流程。根据相关工艺系统，分析了过热、一次再热、二次再热汽温的控制方式和控制要求，重点介绍BABCOCK超(超)临界机组直流炉基于过程物理机理的汽温控制策略设计方案。

2 二次再热机组主要工艺

某电厂1000 MW超超临界二次再热燃煤发电机组采用上海锅炉厂有限公司超超临界参数二次再热、直流、单炉膛、切圆燃烧方式、塔式炉。汽轮机采用上海汽轮机厂超超临界二次再热、单轴、五缸四排汽、十级回热抽汽、凝汽式汽轮机。发电机由上海发电机厂供货。机组设高、中、低压三级串联汽机旁路系统。给水回热系统为带二级外置式蒸汽冷却器的十级回热抽汽系统(5低加、1除氧器、4高加)。凝结水系统采用2台100%容量的凝结水泵，一台运行，一台备用。主给水泵采用2台50%容量同轴汽动给水泵。

该机组锅炉制粉系统采用中速磨煤机正压直吹式制粉系统，每炉配6台磨煤机，其中5用1备。锅炉送风机、一次风机、引风机各按2×50%配置。启动系统为带再循环泵的内置式启动系统，锅炉设一台再循环泵和六只内置式启动分离器以及一只贮水箱。锅炉燃烧器摆动时，在热态运行中一、二次风(含燃尽风)均可上下摆动，最大摆角一次风为±20°，二次风为±30°。油燃烧器的总输入热量按20%BMCR计算。点火方式为高能电火花点燃轻油，然后点燃煤粉。锅炉配备两台三分仓式回转式空气预热器。

3 机组过热、再热汽温调节手段

锅炉汽水系统流程简图见图1。锅炉过热蒸汽汽水系统配置两级喷水减温装置。根据锅炉厂资料，在B-MCR工况下，过热器设计喷水的总流量约为4%过热蒸汽流量。一次再热、二次再热蒸汽系统配置了事故减温喷水和微量减温喷水。

图1 锅炉汽水系统流程简图

3.1 过热汽温调节

超(超)临界直流锅炉过热汽温的调节一般采用燃水比调节为粗调，一、二级减温水作细调。本机组仍采用该控制方案。

3.1.1 过热汽温粗调

由于直流锅炉本身的特性，超临界锅炉过热汽温调节必须以燃水比作为粗调手段，只有保证合适的燃水比，才能保证过热汽温不发生大的变化。控制点可采用中间点的(即水冷壁出口过热器I级减温喷水前)焓值或温度)。

3.1.2 过热汽温细调

由于锅炉运行过程会受到许多因素变化的影响，只靠燃水比的粗调是无法准确地调节过热汽温的偏差。因此，在低温过热器的入口和高温过热器的入口分别布置了I级和II级减温喷水(每级左、右各两路，可分别调节)，可以实现出口汽温的细调，以达到精确控制过热汽温的目的。必须注意的是，直流锅炉要严格控制减温水总量，以保证有足够的水冷壁流量；投用时，尽可能多投I级减温水，少投II级减温水，以保护过热器。

3.2 再热汽温调节

根据本机组锅炉的配置，一次再热汽温及二次再热汽温采用燃烧器摆动或改变过量空气系数调温为粗调，再热器烟气挡板为细调，减温喷水仅用作事故紧急减温手段。

3.2.1 再热汽温粗调

根据锅炉厂资料，本机组锅炉一次、二次再热器采用并列布置形式，两组再热器各负荷下的烟温、汽温都是接近的。一次、二次再热器的吸热比例在各负荷下基本处于58∶42的比例。同时，一次、二次再热器设计的烟道尺寸比例为58∶42，受热面积比例也约为58∶42，和吸热量比例接近。这种并列布置方式使得一次、二次再热受热面有着自然平衡性。在两组再热器烟道流量分配比例固定的情况下，一次、二次再热汽温的变化趋势一致。因此，采用摆动燃烧器或提高过量空气系数的手段可以对一次、二次再热汽温同时起到方向一致的作用，作为同步调温手段。

3.2.2 再热汽温细调

当一次、二次再热汽温出现一高一低情况，即需要异步调节时，可采用调节再热器烟气挡板的手段。由于各负荷下一、二次再热吸热比例基本相同，因此，再热器烟气挡板不需要过大的开度调节，仅需微调，即可满足调整需求。

为提高机组工质(汽、水)的循环效率，降低机组热耗，参与循环的工质尽可能多的进入汽轮机自始至终完整的参与做功，再热器喷水减温系统的设置是仅用于确保在事故或紧急工况下锅炉再热器受热面运行安全，正常运行中不采用再热器减温喷水进行汽温调整。

4 过热汽温喷水减温调节策略

高温过热器减温喷水控制方案的设计对过热汽温的控制品质具有重要影响。多年来，大量学者及工程师提出了多种不同的过热汽温喷水减温调节策略。根据本机组锅炉厂资料，锅炉厂推荐高温过热器喷水减温控制采用常规的燃料量微分信号、主蒸汽流量微分信号作前馈的汽温串级控制方案。传统的控制系统设计通常考虑较多的是被控对象的数学模型，采用的控制策略大都是基于线性方法的。但在一些场合，基于被控对象和过程物理机理的控制策略可以不需要复杂的计算和补偿环节，更为简单和有效。英国BABCOCK公司针对超(超)临界机组直流炉提出的汽温控制策略就是属于这种基于过程物理机理的设计方案，取消了传统的串级控制方式，系统结构简单，能改善汽温这种大惯性对象的控制性能，在以往机组的实际运行中取得了较好的控制效果，可在本机组过热汽温喷水减温调节策略设计中尝试。

4.1 设计原理

为了避免汽温控制的大时滞现象，该方案不直接对过热器出口汽温进行控制，而是通过将过热器出口汽温的改变量转换为过热器进口汽温的改变量，从而控制过热器进口汽温来实现。通常在不同的负荷或压力下，同样出口温度的改变量需要不同的进口汽温改变量。这两处汽温改变量间存在定量关系，可通过过热器进口和出口蒸汽的比热确定。具体公式如下：出口蒸汽参数：温度Tout、压力Pout、比热Cpout进口蒸汽参数：温度Tin、压力Pin、比热Cpin

图2表示的是：滑压工况下，亚临界机组(过热器出口蒸汽参数约为541℃，18.5 MPa)、超临界机组(过热器出口蒸汽参数约为571℃，24.5 MPa)、超超临界机组(过热器出口蒸汽参数约为605℃，27.5 MPa)的调整因子随压力变化曲线。

图2 滑压工况下调整因子随压力变化曲线

由图2可知：一方面：从亚临界机组到超临界，再到超超临界机组参数，调整因子的值的变化幅度增大。亚临界机组，当压力从14 MPa滑压到18.5 MPa，调整因子从0.96变化到0.94，变化2.1%；超临界机组，当压力从17 MPa滑压到24.5 MPa，调整因子从0.94变化到0.89，变化5.6%；超超临界机组，当压力从18 MPa滑压到27.5 MPa，调整因子从0.92变化到0.84，变化9.5%；因此，超临界及超超临界机组汽温控制回路更加需要调整因子进行补偿。而另一方面，从亚临界到超超临界机组参数，调整因子的线性度变好，因此，超超临界机组过热汽温比亚临界及超临界机组更加好控。

过热器进口汽温(喷水减温器出口汽温)的变化以过热器的动态特性影响过热器出口汽温的动态变化。基于上述物理机理的汽温控制系统原理见图3。出口汽温与其设定值的偏差(Tsp-Tout)与调整系数相乘转换为对进口汽温的调整要求。出口汽温偏差产生后，PID 控制器即按转换后对进口汽温的调整要求进行调节，改变减温喷水量，改变进口汽温Tin。进口汽温改变后，将通过过热器改变出口汽温Tout。从图3可知，进口汽温通过模拟的过热器特性PTn(多容环节)形成的PTn·Tin，在PID调节器的设定值回路与经调整因子相乘的实际出口汽温Tout相互抵消。PID凋节器的入口偏差为[K(Tsp-Tout)+ PTn·Tin]-Tin，K为调整系数f(x)在某压力下的值。如果模拟的过热器特性PTn与实际过热器特性充分接近，则在整个动态调整过程中设定值回路[k(Tsp-Tout)+ PTn·Tin]基本维持恒定，系统调节性能十分稳定。

图3 BABCOCK设计的喷水减温调节示意

过热器的特性PTn随负荷的变动会发生改变，可通过负荷与多容环节时间常数的关系曲线实现不同负荷下的过热器的特性。过热器特性PTn和调整系数并不总是很准确，但PTn·Tin最终能稳定到Tin，所以Tout总能调整稳定到其设定点。这一系统可以满足超临界机组负荷调峰时的需要。

4.3 该方案与常规控制方案的比较

一般电厂，通过改变减温水流量改变高温过热器的入口汽温，从而影响过热器出口汽温。由于大型锅炉的过热器管路很长，因此，它是一个大惯性带纯滞后的对象。目前电厂对锅炉过热汽温调节通常采用串级控制系统；也有些采用基于状态观测器的状态反馈控制。

串级控制系统是针对大滞后控制对象的一种传统调节方法，其控制系统见图4。为了保证副回路的快速性同时中间变量并不要求无差，所以副调节器采用比例调节；主回路采用PID控制器。除能尽快消除副环外的扰动之外，还可以校正汽温偏差，保证汽温控制的精度。但由于串级控制系统是多回路系统，主副回路容易发生共振，主、副调节器之间出现相互干扰，导致汽温的调节品质不佳。

图4 串级控制系统结构图

图5 状态反馈控制系统结构图

在锅炉负荷发生变化时，过热器中蒸汽流程上的各点温度总是先于主汽温的变化，所以控制系统理论上可以根据这些流程上的各点温度进行调节，一旦这些温度发生变化，控制系统及时参与调节，从而取得较好的控制效果。但是，在高温过热器上加装过多的温度测点是不现实的，故可以采取由过热器的动态数学模型来估算这些温度值(即状态观测器)，然后根据这些估计出来的温度值来进行调节，这就构成了状态反馈控制系统见图5。采用状态反馈控制技术，可以加快喷水阀的动作，从而有效抑制汽温的最大动态偏差。但使用状态观测器使系统参数增多，现场整定较为困难。

BABCOCK提出的设计方案(见图6)不需要对象精确数学模型，维数相对低，调节器变为单回路，所以结构简单，消除了串级控制时存在的主、副控制器耦合情况。

5 结语

图6 BABCOCK设计控制系统结构图

本文通过对某1000 MW超超临界二次再热发电机组锅炉汽水系统的分析，提出了过热汽温、一次再热汽温、二次再热汽温的控制方案。高温过热器减温喷水控制方案的设计对过热汽温的控制品质具有重要影响。BABCOCK公司基于物理机理的设计方案能够避免传统汽温调节系统存在的问题，该方案结构简单，实现方便，也具有较强的鲁棒性，控制效果也很好，可以尝试在本机组主汽温控制中应用。

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Steam Temperature Control Scheme for Ultra Supercritical Double Reheat Units

SUN Yang
(East China Electric Power Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

The performance of boiler steam temperature control system for ultra supercritical double reheat coal-fired generating units will directly affect the safety, stability and thermal efficiency of the unit. In this paper, with a 1000MW ultra supercritical double reheat coal-fired unit project, the general situation of unit process system is introduced. According to the process configuration of the boiler steam water system, the main steam, first reheat steam and second reheat steam temperature control modes and requirements are analyzed, and a main steam temperature control strategy in the process of supercritical boiler based on regulating theory is emphatically introduced. The system control method is simple and valid, and can be used in steam temperature control for double reheat coal-fired units.

Ultra supercritical coal-fired units; double reheat; steam temperature control; spray water control.

TM621

B

1671-9913(2016)06-0020-05

2016-0

孙漾(1984- )，男，吉林长春人，博士，工程师，研究方向：过程建模与控制优化、大型火力发电机组自动控制。