600MW亚临界机组汽温控制策略的优化

李 敦

（国能浙江北仑第一发电有限公司,浙江 宁波 315800）

机组正常运行中需要将过热器和再热蒸汽温度保持在标准温度范围内，锅炉主再热汽温度过高会对安全性造成影响，过低则经济效益差。以再热汽为例，若温度下降5 ℃，则煤耗提高0.1%。以常规亚临界机组每年发电60亿kW·h来计算，按生产1 kW·h电消耗320 g标准煤（热量为29 307 kJ），每年造成的直接损失为1 920 t标准煤。本文探讨通过对亚临界汽温控制系统的优化，控制锅炉主再热汽的温度保持在合适范围，以实现安全性和经济性达到最大平衡。

1 机组概述

某600MW机组锅炉是露天布置的全钢构架的倒U型汽包炉，采用美国燃烧工程公司(CE)设计制造的亚临界参数控制循环，具有直流式四角切向燃烧、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣等特点，设计煤种为山西晋北烟煤[1]。

2 亚临界汽包锅炉的部分影响因素

亚临界汽包锅炉的过热器出口汽温决定于省煤器及水冷壁吸热量与过热器受热面吸热量的分配比例。任一影响该比例的锅炉运行和设计变化都会影响到出口汽温。增大蒸发受热面吸热量，减少过热器受热面吸热量，使出口汽温下降；反之，则汽温上升。在合理布置受热面的同时，采用减温、调温挡板等调节手段使汽温保持稳定。

锅炉负荷对出口汽温的影响方面，不同类型受热面的出口汽温特性与锅炉负荷的关系各不相同。辐射式受热面的出口汽温随锅炉负荷的增大而降低；对流式受热面的出口汽温随锅炉负荷的增大而升高；屏式受热面（辐射、对流参半）的出口汽温受锅炉负荷的影响较小。锅炉负荷增加，投入炉内的燃料量和燃烧量随之增大，流经辐射受热面的蒸汽量也增大，但辐射受热面的吸热量虽有增大，由于理论燃烧温度不变，炉内辐射的有效温度只因炉膛出口温度的增大而略有增大，辐射受热面的吸热量的增大跟不上蒸汽流量的增大，结果使出口汽温降低；对流受热面吸热量既因炉膛出口烟温升高、受热面烟汽温差增大而增大，也因烟气流量与流速增大而增大，使对流受热面随负荷增大的吸热量增大超过蒸汽流量的增大，其结果是出口汽温随负荷增大而升高。

运行操作的影响主要是给水温度、吹灰、排污。过量空气系数增大，使煤粉燃烧速度增加、火焰长度缩短，同时热容增加使炉膛出口烟温减小，二者相抵。因高压加热器投运方式的改变使锅炉给水温度改变，而给水温度对出口汽温的影响是：给水温度增加，饱和蒸汽和给水的焓差减小，蒸发量增大，结果使出口蒸汽温度下降；反之则出口汽温上升。锅炉排污量增加，使蒸汽量减少，出口汽温上升。水冷壁吹灰时，水冷壁吸热能力增大，炉膛出口烟温下降，对流受热面出口汽温下降；对流受热面的吹灰使对流受热面吸热增大，其出口汽温上升。采用摆动式燃烧器的锅炉，燃烧器上下摆角也影响火焰中心的位置和炉膛出口烟温，同时它也是日常调节汽温的一种手段。

3 原设计控制方式存在的问题

在原有的方案中，无论是一级减温、二级减温、再热减温，其控制思想都是以出口温度为输入，减温调节阀的开度为输出。#1炉过热器汽温分二级控制。其中一级减温器控制的是屏过出口的汽温，在运行中我们往往是通过设置一个固定值的增减来使其达到所想要的目标值。由此可以看出一级减温器温度的设定值是固定的，而不是动态的，这样就带来了一个现实的问题，当二级减温器出口汽温由于外部原因突然变化时，一级减温器汽温设定值不会跟着变化。当二级减温器出口温度迅猛上升时，需要开大一级减温水调节阀帮助调节。但由于一级减温器老化，调节性能滞后，二者叠加使得汽温上升很快，高出了当时一级减温器所设定的实际温度，使过热器出口汽温快速上升不易控制，极易造成超温。反之，当二级减温器出口汽温突降时，一级减温器汽温设定值也跟着下降，一级减温水量随之减少过于缓慢，从而使得过热器出口汽温快速且过度下降，其恢复时间延长。

在原有的再热蒸汽温度控制中，存在一个与当前负荷相关的前馈环节，但在实际操作中并没有投入使用。这种直接控制温度的方法，虽然结构简单，对温度的反应也很敏感，但也有一些问题。（1）由于控制比较简单、直接，所以加热水的喷水量波动比较大，在过热器出口之前，管子内的温度变化很大，使管子表面出现氧化，从而堵塞管路，从而引起水冷壁的超温爆管。（2）因为控制仅仅是为了调节温度，没有考虑到压力的改变，所以当负载变化造成温度改变时，减热水的流量也会随之改变，使压力和温度一起波动，产生调整振荡发散，从而使控制系统失稳，影响 AGC的调整和负载变化率。为防止经常发生氧化，操作中需要降低二级减温的喷水量和次数，采用一级减温作为主要的调节手段，同时采用一级减温来控制二级减温，中间出现了许多干扰因素，增加了控制延时，原来的控制方法很难保证出口温度的稳定性。这一问题在负载变动较大时尤为突出，所以需要对现有的控制模式进行改造，以便寻找一种能够稳定地维持蒸汽温度和压力变化的新型控制方法，从而保证机组的稳定。

另外，再热蒸汽温度的调整是以再热器的出口温度为目标，因为喷水点与测点距离较远，有一定的延迟和惰性。如果没有适当的辅助控制，很容易导致再热蒸汽温度的控制失稳。在稳定状态下，再热蒸汽温度会出现波动，这种控制方法可以对再热蒸汽温度进行有效地控制。但是，在机组运行状态出现波动时，没有考虑到其他因素（比如负载和压力的变化），会使蒸汽温度和流量随着压力的变化而出现调整振荡发散。而在负载和压力波动大的情况下，它的振荡很难收敛，从而导致系统的不稳定性。这也是传统的串级控制系统的特点：可以很好地调整内部扰动（调整后的变化扰动），而对外部扰动（压力、负荷变化等）的调整效果则是有限的。

4 过热汽温控制策略及优化

要优化原蒸汽温度控制方案，首先要对其产生的主要问题进行分析，并提出相应的改进措施。通过对锅炉的实际运行分析，发现在负载稳定的条件下，蒸汽温度的控制比较平稳；而在负载变化时，蒸汽温度的变化比较大，容易产生波动。

4.1 气温变化原因分析

汽温的变化主要有两种原因，一种是当汽机调门调整负载时，主汽的压力发生了变化，而当汽比焓不变时，汽温会随着汽压的变化而发生相应的变化；反之亦然。二是由于蒸汽流量和烟气热量不均衡所造成的汽温变化，尤其是在变负载条件下，即使燃料量迅速提高，但对炉膛的吸热仍有一定的延迟，造成汽温的波动。对蒸汽温度的变化进行了分析，发现在加载初期，燃料的上升初期并不能立即提高锅炉的输出热负荷，而负载控制系统为了提高负载，已经打开了汽机的调门，导致蒸汽压力降低，蒸汽温度降低。这时候燃料会超调，炉温升高，负荷、汽压、汽温急剧升高，汽温调整系统会立即加减温水，使汽压进一步升高，特别是在制粉系统延迟时间过长时，会使控制系统中的煤量增大较多，从而使主汽压力发生剧烈变化。

在原有的设计中，减温器的过热度设置与过热器是与过热器出口蒸气压力的函数关系。优化后的过热度设置函数可按机组滑压工况曲线进行调整，并在变负载状态下加入过热度定值的调整；添加了一阶减温水调门的平均开启命令，通过功能及惯性调整过热度设置；WFR调整参数是通过变负载前馈信号函数的函数值来实现的。WFR紧急回落过程中，速度降低到0.167 t/s。根据机组负载的不同，采用变参数控制过热器减温水调节器，并在WFR前向信号中加入可变负载信号[2]。

4.2 优化方案的制定

在此基础上，本文提出了蒸汽温度控制系统的优化设计目标：一是降低蒸汽温度和AGC之间的交互作用，二是降低负荷波动条件下蒸汽温度的变化幅度。通过分析汽温和负荷调整的相互关系，观察汽温和汽压在AGC状态下的同步变化，汽温调节系统应该维持在恒温状态，使汽压恢复正常，汽温自然恢复，从而避免了前面提到的振荡发散现象。本文提出以蒸气的比焓结合汽温控制作为减温的控制方案，可以有效地解决或减少汽温与负载控制系统之间的交互作用，改善汽温、负载的控制质量，改善机组的运行稳定性。

除了以总热量控制为主要调控方式外，还应考虑蒸汽流量与烟气热量不均衡所导致的汽温变化。当机组负载较大时，煤炭消耗较大[3]。首先，炉膛内热负荷增大，但蒸发量不会立刻跟上，会有一段时间的延迟，这时的烟气热相对于蒸气流量较大，汽温也会随之升高，这个时候不能再加减温，因为锅炉蒸发量上升到了与烟气热平衡的时候，汽温就会恢复，但如果由于蒸气温度升高，再注入减温水，那么在锅炉吸热充分、蒸发量增加后，蒸汽流量与烟气热之间的平衡将会出现新的变化。为此，本文提出采用综合能源平衡能求出减温水量的方法，并对其进行了简化，并将其应用于减温水中。通过这种方法，可以根据煤炭、蒸气流量的变化，提前调整减温，降低汽温的波动幅度，从而实现对温度的稳定和精确控制。

过热一级、二级和再热降温均采用相似的方法。首先，将目标温度和目前有关的压力值结合，得到 PID设置的焓设置；然后将相应的降温器进口温度与进口蒸汽压力相结合，得到实际的热焓值，通过一系列的滞后校正环节得到结果；最后得到的 PID PV值，再加上一个包括降温量和温度修正的前馈环节，组成了一个新的控制逻辑。

4.3 喷水减温控制

该机组的过热器采用两段式布局，以一次减温为主要蒸汽的精细调节。为了消除各个过热器两侧的蒸汽温度的偏差，每个阶段的喷水减温器都被分成了左右两侧。原来的两个温度控制都是单回路。（1）一次降温控制。一级过热器出口温度设置为：负载指令经过功能变换和设置偏压后，提高速度上限为0.1℃/s。改变了原单回路的调整方式，采用串级回路方式，以及一级过热器的进口蒸汽温度，提高了主回路的抗积饱和特性。采用一次减温控制装置，增加了一个进口温控回路，确保减温器后温度控制高于饱和温度、维持10℃以上的过热值。（2）将原单回路变为串级回路，并提高了主回路的抗击饱和特性，其效果与一级减温控制大同小异，为了减小蒸汽温度控制延迟，增加了如下的前馈信号。在减温水调节阀的控制命令中增加了可变负载前馈信号，采用二次减温器的入口蒸汽温差作为前馈信号。（3）减温水原设计为串级回路，以提高主回路的能力。主回路的前馈信号是由负载命令函数产生的，而副回路则是由锅炉的变载前馈控制，通过两个前馈信号提高了系统的调节质量[4]。

5 再热汽温优化控制

5.1 优化控制改进设想

原来的控制方法是采用传统的单回路加导前汽温度的串联控制。由于再热减温控制是一种大惯性控制，因此单回路控制难以达到良好的控制质量，因为大惯性系统需要迅速而及时地调整；为了保持大惯性控制系统的稳定性，调整调节器的速度也要很慢（需要放大比例和积分时间），这两者显然是矛盾的。增加了蒸汽温度的串级控制，虽然可以提高控制质量，但是它只能提前调整导致被调量变化的内部扰动，而不能提前调整如汽压、烟气流量变化。有外部扰动时，串级控制系统仍然处于滞后调整状态，仍然会导致系统调整的迟缓和不稳定[5]。由于串级控制系统具有很好的抗干扰性能和自适应性，在此基础上加以改进。针对其抗外扰能力差的特性，提出了将延迟控制目标替换为具有抗干扰能力的控制目标。同时，适当地选取导前信号，对提高系统的调速和稳定性都有很大的帮助。再热汽温度变化详情见图1和图2。

图1 再热汽温变化情况（负荷变化10MW）

图2 再热汽温变化情况（负荷稳定在450MW）

5.2 再热优化方案的制定

再热汽温的变化主要是因为蒸汽流量和烟气流量的不均衡，尤其是当机组负荷急剧变化时，炉膛的吸放热存在一定的延迟，使蒸汽流量比烟气流量的变化慢，从而造成汽温的波动。通过上述分析，并考虑到原有的串联控制系统存在的不足，故将其改为蒸气的比焓和再热器出口汽温协调控制，降低了汽温与锅炉的负荷控制之间的相互干扰，从而使机组的运行更加平稳。该方案能有效地消除锅炉负荷变化与再热蒸汽温度的交互作用，提高蒸汽温度控制的稳定性，解决了原有控制系统难以兼顾的问题[6]。

6 结语

该方法通过对汽温波动的两个主要因素进行分析，确定了一个合理的控制目标，以总热量平衡为基础，以AGC负荷指令函数为前馈，来调节各级过热器和再热器减温水量。从而降低了汽温与锅炉的负荷控制之间的相互干扰，搭建了稳定、完备的控制系统。该方法不仅对控制需求作出了迅速的反应，而且在调整时减少了主蒸汽压力的波动，操作人员人工介入的需要大幅减少，增加了自动化程度，提高了运行机组的安全性，且降低了损耗。