半超超临界机组给水控制策略

施燕美，蒋小东

(1.西北电力设计院，陕西 西安 710075；2.东方电气集团东方锅炉厂，四川 成都 611731)

半超超临界机组给水控制策略

施燕美1，蒋小东2

(1.西北电力设计院，陕西 西安 710075；2.东方电气集团东方锅炉厂，四川 成都 611731)

由于超临界直流锅炉没有汽包，蓄热能力小、惯性小、易超温超压，同时在锅炉启、停过程中存在干态、湿态转换过程，启、停机组时需要平稳、顺畅且快速过渡，否则易发生干、湿态频繁交替，对汽水系统扰动非常大。本文结合某电厂660 MW半超超临界机组带炉水循环泵启动系统锅炉给水控制系统实例，分析了机组给水控制的主要难点和特点，介绍了启动期间由湿态向干态转换过程的特点，以及基于中间点温度的水燃比控制，实现了全负荷范围给水自动控制。

半超超临界直流炉；给水控制；启动系统；炉水循环泵；中间点温度。

1 工程概况

燃煤发电机组运行过程中，锅炉内工质都是水，水的临界点压力为22.12 MPa、温度374.15℃；在这个压力和温度时，水和蒸汽的密度是相同的，就叫水的临界点。超临界机组是指蒸汽参数大于水临界点参数的机组。一般超临界机组的蒸汽压力为24～26 MPa，其典型参数为：压力24.1 MPa、温度538℃/538℃；超超临界机组实际上是在超临界机组参数的基础上进一步提高蒸汽压力和温度，其典型参数为压力25～26.5 MPa、温度600℃/600℃。超超临界机组具有煤耗低、环保性能好的特点，且温度越高，热效率越高，煤耗越少。

印度某电厂660 MW半超超临界机组，过热器出口压力25.4 MPa(g)，过热器出口温度571℃，再热器出口温度603℃。三大主机由东方电气有限公司提供。锅炉为半超超临界参数变压直流本生型锅炉，采用定一滑一定方式运行，一次再热，单炉膛、前后墙对冲燃烧，尾部双烟道结构，平衡通风、露天布置，固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉，最大连续蒸发量2105 t/h。

汽轮机为超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽凝汽式汽轮机组。额定功率为660 MW，最大连续功率为693 MW，采用定一滑一定方式运行。

发电机为水氢氢冷却汽轮发电机。

DCS系统为上海FOXBORO控制系统。

2 给水控制系统特点

本工程设计为半超超临界参数变压直流本生型锅炉，无汽包，汽、水没有固定的分界线，锅炉在启、停过程中存在一个干态、湿态转换过程。在跨越超临界压力或在临界压力附近，工质状态和工质物性变化最大，这时的工质比热很大，所以即使燃烧量变化较大，但水冷壁出口工质温度变化不大，随着温度的升高，比热会迅速降低，这时温度会突升，产生超温现象。这个过程是超临界直流锅炉控制的关键点之一。

锅炉在直流运行阶段，在给水流量或燃料量发生变化时，加热段、蒸发段和过热段三段受热面的比例都会发生变化，其汽水分界面也随之发生移动，受热面的吸热比率将发生变化，从而影响到锅炉蒸汽流量、压力和温度随之发生变化，所以无论是给水还是燃烧都无法单独控制某个参数，而且由于直流炉无汽包，水容积很小，锅炉蓄热能力弱，使得抗扰动能力不强。

另一方面本工程设计上配置直吹式制粉系统，它的大滞后性容易导致水燃比动态失调。

水燃比的稳定控制是超临界机组控制的难点。研究表明，水燃比变化1%，将使过热汽温变化8～10℃，如果水燃比失调，将会导致过热汽温大幅波动，而这时通过减温水很难将主汽温度调节到正常范围，而只能通过调节给水去调节减温水，而给水对减温水的影响存在相当大的惯性，很容易引起过热汽温摆动，造成过热器爆管。

3 给水控制系统目的

给水控制的目的是控制总给水流量，时刻维持锅炉燃烧过程中给水与燃料量输入量之间合理关系，防止锅炉发生超温或汽温、汽压大幅度波动现象。

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，此时给水控制任务不仅是应负荷需求达到调整省煤器入口流量，还要调整微过热汽温达到期望的设定值，实现过热蒸汽温度粗调。

4 给水控制策略

直流本生锅炉包含两种运行阶段，分别是湿态运行和干态运行。本工程中当机组负荷大于26%且储水罐水位控制阀关闭60 s后，判定为干态运行。当负荷小于22%或储水罐水位控制阀没有关闭，判定为湿态运行。

由于没有汽包，直流锅炉需设置专门的启动系统，在锅炉启动前建立足够启动流量和直流之前排除不合格工质。启动系统的主要功能是建立冷态、热态循环清洗，建立启动压力和启动流量，以确保水冷壁运行，最大可能回收启动过程中的工质和热量，提高机组的运行经济性。

4.1 启动系统

本工程660 MW超临界直流炉，带有炉水再循环泵锅炉启动系统，见图1。2台立式汽水分离器布置于锅炉前方接近炉顶处，分离器设计压力29.12 MPa、温度437℃。当来自水冷壁出口集箱的汽水混合物沿筒体切向进入分离器后，旋转形成的离心力使汽水分离，分离后的蒸汽从分离器顶部引出管流向顶棚过热器进口集箱，水从汽水分器底部排入储水罐，储水罐量程为0～20000 mm。储水罐底部出水管与锅炉启动系统扩容器连接，用以启动阶段特别是启动初期汽水膨胀阶段稳定储水罐水位，回收工质。储水罐总管直接与BCP入口相连，为启动阶段提供再循环水。循环泵进水来自储水罐，出水至省煤器入口集箱。在故障情况下，可以利用BCP出、入口管道上的电动闸阀隔绝BCP，以便检修。

BCP、储水罐水位调节阀暖管管路指省煤器出口连接管→BCP、储水罐水位调节阀→储水罐的管路，主要目的是对BCP、储水罐水位调节阀及其各自的进口管道进行暖管，以防止在BCP、储水罐水位调节阀及其进口管道出现热冲击对再循环泵、阀门和管道产生疲劳伤害。在锅炉启动过程中，BCP、储水罐水位调节阀暖管管路在锅炉实现直流转换、储水罐水位调节阀完全关闭后启用。

在锅炉启、停和低负荷运行时，通过BCP炉水再循环泵在启动系统和省煤器及炉膛水冷壁之间建立有效的循环，将炉膛水冷壁排出的热水返 回到省煤器和水冷壁，以减少能量损失和工质损失，同时加快锅炉启动速度。炉水再循环泵提供了足够的压头来建立冷态和热态启动时循环所需的最小流量，此时炉膛最小流量和再循环流量之间的差由给水泵补充。锅炉启动系统自动控制与湿态给水控制系统融为一体。

图1 600 MW超临界机组锅炉启动系统

4.2 湿态运行给水流量控制

锅炉启动初期，启动锅炉给水泵经给水旁路向锅炉内上水，上水至储水罐水位达到12000 mm时，上水完成。上水完成后进入锅炉冷态开式清洗，加水流量为10%B-MCR，此时储水罐水位调节阀进口总管电动阀、储水罐水位调节361阀处于自动状态，锅炉循环水流量调节阀、主给水电动阀处于关闭状态，BCP炉水循环泵处于备用状态，炉水经361阀排入启动系统扩容器后进入机组排水槽。

当储水罐出口水质达标后，开式清洗结束，进入冷态循环清洗阶段，启动锅炉BCP炉水再循环泵，并使锅炉循环水流量为20%B-MCR，此时锅炉循环水流量调节阀全开，炉水经361阀排入启动系统扩容器后进入凝汽器(仅7%BMCR流量通过361阀排出)。

当省煤器入口水质达标时，冷态循环清洗结束，随后锅炉点火。

在湿态运行状态下，给水是通过汽水分离器储水罐的水位和定流量来控制。

锅炉湿态运行时，水冷壁出口工质为饱和水与蒸汽，汽水分离器将工质中的饱和水分离出来并收集在储水罐中。储水罐水位通过361阀控制，当水位超过预先设定值时，水通过361阀排向锅炉启动系统扩容器。在BCP运行过程中，通过BCP出口再循环调节阀控制循环水流量。循环水流量根据储水罐水位来设定。当蒸汽量达到7%B-MCR时，关闭361阀，分离器储水罐水位由再循环调节阀控制。

在锅炉启动初期，主给水电动阀关闭，给水流量由给水旁路调节阀控制，维持锅炉给水流量(省煤器入口)为25%B-MCR。电动给水泵改变转速维持给水泵出口母管与省煤器入口母管差压。当给水旁路调节阀开度增大至75%，锅炉负荷达15%B-MCR时，主给水电动阀打开，给水旁路调节阀关闭，由电动给水泵调速控制给水流量。当负荷达到20%B-MCR时，启动第1台汽动给水泵，停运电动给水泵。当锅炉负荷达到50 %B-MCR时，启动第2台汽动给水泵。

4.3 干态运行过程中给水流量控制

在锅炉负荷大于25%B-MCR，水冷壁出口的蒸汽处于干态，汽水分离器不再有水分离，给水经过给水泵的压头一次通过预热、蒸发、过热各受热面而变成过热蒸汽，锅炉进入干态运行，储水罐液位为零，361阀和BCP关闭。

直流炉给水控制策略从原则上可以分为水跟煤和煤跟水两种。按照苏尔寿建议的动态控制概念，本工程采用水跟煤控制方式，并采用中间点温度校正控制方案，见图2。

图2 基于中间点温度的给水控制回路

给水流量指令由静态前馈和动态前馈两部分组成。静态前馈是给水流量指令的主要部分，由锅炉的主控指令(负荷或总燃料量)经函数F1(x)折算出锅炉需要的给水总量，乘以BTU校正系数，作为给水流量的基本指令，该部分保证了稳定设计的水燃比，可认为是水跟煤的控制方式；另外，由于给水调节的快速性，需要在锅炉负荷指令后增加惯性环节F1(t)，并设置一定的惯性时间，以协调给煤机、磨煤机及煤粉输送的惯性和锅炉的燃烧及传热惯性，保证动态过程的水燃比。动态前馈是根据中间点温度进行修订，与静态前馈设计的水燃比一起形成给水流量指令。

本工程中控制汽水分离器前的水冷壁出口集箱的过热度，以控制微过点的温度(中间点温度)，若中间点温度过低，过热器带水；若中间点温度过高，水冷壁出口段超温。按照锅炉厂家提供的说明书，经函数F2(x)写入分离器出口压力对应工况下的饱和蒸汽温度，并与汽水分离器前的水冷壁出口集箱温度比较，作为中间点过热度，并与中间点过热度定值比较(一般为10～15℃)经过PID1计算出给水流量定值动态前馈。该动态前馈同时反应了给水温度的变化率，在温度变化后，提前改变给水量，以实现超前调节。

实际给水流量由省煤器入口给水流量加上再循环流量，由于给水流量对水冷壁出口集箱给水温度的影响比燃料量要快得多，因此，在实际给水流量信号加了动态延迟块F2(t)，与给水流量设定值经过PID2产生给水控制指令，并经过函数F3(x)折算成汽动给水泵转速指令信号实现给水控制。

5 结论

本工程带炉水再循环泵，在启动过程中既回收工质又回收热量，同时还可降低给水泵的运行功率。

给水自动控制是超临界直流炉中最重要的回路，它对主汽压力、过热器出口温度、机组有功功率的影响都很大，而基于中间点温度校正的控制方案，降低主汽温度调节的滞后性，及时控制水冷壁工质温度，防止水冷壁发生超温爆管，而且温度设定值变化是线性的，修改方便，运行人员易于掌握和操作，该方案能很好的解决给水与其它变量间的耦合，可以保证机组安全、稳定、经济运行。

[1] 谷俊杰．热工控制系统[M]．北京：中国电力出版社，2011．

[2] 钱庆生．600 MW超临界机组控制系统特点与协调控制策略[J]．热电技术，2008，98(2)．

[3] 李伟，超临界机组给水控制应用研究[J]．电力学报，2011，26(3)．

[4] 王丕洲，等．600 MW超临界直流锅炉两种给水控制系统分析[J]．电力科学与工程，2013，29(4)．

Feed Water Control Strategy for Semi Ultra Supercritical Unit

SHI Yan-mei1, JIANG Xiao-dong2
(1.Northwest Electric Power Design Institute, Xi'an 710075, China; 2. Dongfang Boiler Group Co., Ltd., Chengdu 611731, China)

As a super-critical once-through boiler with the characteristics of no drum, small regenerative capacity, low inertia, easy over-temperature and over-pressure, while a wet state converts into dry state in the process of boiler startup and shutdown, the unit needs a smooth and rapid transition, dry/wet frequent alternation largely disturbs the steam/water system. In this paper, a instance of a 660 MW semi ultra-supercritical units power plant with BCP start system boiler feedwater control system, analyzed the main features of the difficulties and feedwater control unit, describes the characteristics of dry/wet alternation in the process startup, and based on intermediate point temperature of the water-fuel ratio control to achieve the full load range water supply control.

semi-ultra-supercritical once-through boiler; feedwater control; start-up system; BCP; intermediate point temperature.

TM621

：B

：1671-9913(2017)01-0031-05

2015-08-12

施燕美(1979- )，女，云南丽江人，硕士，高级工程师，主要从事电厂热工自动化设计。