超超临界机组多级烟气换热自动控制探讨

上海电力建设启动调整试验所有限公司 金麒麟

随着锅炉机组容量和运行参数的提高，空预器入口烟温随之提高[1]。为控制排烟温度，目前一些新建机组和部分在役机组通过各种技术方式增加烟气余热回收装置，对常规给水及凝结水系统进行改造，高压侧给水和低压侧凝结水利用锅炉的烟气温度进行加热，汽轮机抽汽量减少的同时，能增加汽轮机做功工质，从而提升锅炉效率，使得汽轮机热耗率及机组发电煤耗率有效降低。整个多级烟气换热涉及的系统包括烟气系统、抽汽系统、凝结水系统、给水系统、吹灰系统等。

1 高低压省煤器系统

1.1 烟气侧系统布置

锅炉烟气通过空预器主路加热一、二次风温，对于未配备空预器旁路加热系统的机组，空预器出口烟温受锅炉负荷、一二次风量的影响较大，其热损耗的利用率无有效的控制手段。空预器烟气旁路系统则是在锅炉尾部烟道设置一套与现有的空预器并联布置的旁路通路，在确保一、二次风温温升满足机组设计要求的情况下，根据锅炉负荷调节空预器旁路烟道挡板的开度，使一部分烟气通过烟道旁路上的高/低压省煤器，利用这部分烟气中的热量给高压给水和低压凝结水加热。降温后的旁路烟气与空预器主路出口烟气汇合后，再与安装在除尘器前烟道的低温省煤器完成热交换。

对于采用排烟加热的设备，其换热能效，受机组负荷变化影响，为保证烟气温度在酸露点之上，避免除尘器、烟道、引风机等发生低温腐蚀[2]，需综合考虑烟气温度控制方案。当机组负荷低于30%时，由于锅炉排烟温度过低，高/低压省煤器及低低温省煤器不投入运行。高/低压省煤器系统图如图1所示。

图1 高/低压省煤器系统示意图

1.2 水侧系统布置

高压省煤器从3号高加入口前引出部分锅炉给水至高压省煤器进行加热，分两路分别通过高压省煤器进出口联箱。加热后的给水与高加出口的给水进行混合后，汇入主给水管道。高压省煤器进口的电动调节阀通过控制流经高压省煤器的给水量，从而调节进入锅炉省煤器的最终给水温度。

低压省煤器从8号低加入口引出部分凝结水，通过增压泵进入低压省煤器，加热后的凝结水从低压省煤器出水集箱引出，汇入除氧器。运行过程中，通过改变7号低加出口阀门的开度，可有效调节低压省煤器进口水温，进而影响热交换器的烟气换热量。高/低压省煤器将烟气余热引入机组回热系统后，能够有效地提高给水温度和凝结水温度。

1.3 控制方案

高/低压省煤器系统被控参数通常包括：空预器出口混合后的烟气温度、高压省煤器出水温度以及低压省煤器出水温度。

空预器主要是利用锅炉尾部烟气余热来加热炉膛一、二次风的换热设备，未配备空预器旁路加热系统的机组，空预器出口烟温受锅炉负荷、一二次风量的影响较大，其热损耗的利用率无有效的控制手段。通过在空预器增设旁路烟道及挡板，在确保烟气温度高于酸露点温度的同时，实时调节一、二次风的工作温度与设定温度的偏差。当两者设定温度的偏差在一定范围内，烟气挡板的开度为锅炉负荷的函数，负荷小于30%BMCR时，挡板保持关闭。当风温偏差超出设定时，烟气挡板的开度设定根据温度偏差量进行动态修正。同时，把空预器出口混合后的烟温与烟气酸露点温度值作为烟气挡板闭锁增的保护条件，尤其是在锅炉负荷相对较低阶段。控制方案如图2所示。

图2 高/低压省煤器控制方案示意图

图3 低温省煤器系统示意图

高、低压省煤器水侧分别通过高省进水调节阀，以及低省增压泵的频率调节控制进入省煤器的给水及凝结水流量。锅炉负荷以及被加热工质流量的变化，最终会对给水及除氧器的水温产生一定影响。高压省煤器温度设定值为当前给水压力下饱和温度减去裕量值，在保证省煤器不沸腾的情况下，尽可能提高给水温度以达到降低煤耗经济运行的目标。低压省煤器则通过锅炉负荷对应的函数，叠加ΔT作为低省给水出口水温的设定值。当水温小于设定值时，表明此时烟温过低，换热量不足，通过关小阀门或降低变频泵的指令，减少被换热的工质流量，提高工质温升，反之亦然。

需要注意的是，为了保证增压泵最低通流量，当增压泵运行时，两路进水阀开度之和应当大于50%。

2 低温省煤器系统

2.1 系统布置

低温省煤器布置在空预器至除尘器之间的烟道内，可有效回收排烟余热，加热热媒水，降低排烟温度。低温热媒水进入烟气换热器系统，经烟气换热器系统内翅片管换热面吸收烟气热量，变成高温热煤水。高温热煤水分别进入一次风暖风器和二次风暖风器加热空预器入口冷风，与冷风换热后变为低温热媒水，通过循环水泵再次进入烟气换热器系统吸收烟气热量，完成闭式循环。整个热水循环系统采用变频水泵建立闭式循环。

在机组启动的阶段或烟气换热系统无法投运时，热水循环系统可采用辅助蒸汽进行加热，尽快提高一、二次风进风温度，缩短机组启动时间。随着锅炉负荷升高，逐步退出辅汽系统。

2.2 控制方案

低温省煤器整个控制方案要确保系统运行中的入口水温和出口烟温在酸露点温度之上，避免除尘器、烟道、引风机腐蚀的风险。控制重点在于让管壁温度略高于露点温度，而排烟温度略高于管壁温度，同时又要保证暖风器的换热效率最高。考虑机组负荷有一定的滞后性，选择比机组负荷能够更快反应锅炉负荷变化的参数，如主蒸汽流量、总燃料量、总风量等，作为控制前馈[3]。

暖风器水侧的调节阀通过调节流经一、二次风暖风器的闭环水流量，从而控制一、二次风温度的配比，取一、二次风暖风器的温度与其设定温度的偏差大值作为被控对象。

低低温省煤器共有四组出口烟温，取四组的最小值作为被控对象，确保烟温高于酸露点温度。假如采用常规的单回路调节系统，由于温度对象都有较大的惯性，且从烟温变化传导到水温，再经由水温传导到风温，整个控制系统路径过长，变化速率慢，尤其是当燃烧工况不稳定、锅炉增加负荷或者启停制粉系统时，更为明显。为了提高系统的响应速度和精度，采用动态前馈和静态前馈相结合的方式调节。

当锅炉负荷变化或制粉系统启停时，最先变化的参数就是风量，而且低低温省煤器最终被调量也是一、二次暖风器出口的风温。因此，采用一次风和二次风的指令叠加限幅后作为静态前馈。另外，低低温省煤器上游空预器主路和旁路的换热量也会影响除尘器入口烟温PID的调节，因此分别通过对空预器进、出口温度进行微分、限幅处理后作为循环泵频率控制的动态前馈。对于负担调峰任务的机组，还可增加负荷指令微分前馈[4]，更加快速的响应系统被调量的变化。

通过动态和静态前馈的设置，可改善因负荷变化及入口烟温变化引起的扰动。基础控制方案如图4所示。

图4 低温省煤器控制框图

综上，超超临界机组多级烟气换热系统有效利用锅炉排烟余热，提高了机组的热效率，其中烟气出口温度调节及烟气侧进出口温降是主要控制任务。随着烟气换热器数量的增加，安装位置和换热方式也趋于多元化，需要对各个热力参数有针对性地进行控制，才能在确保机组及设备安全正常运行的前提下，最大限度地利用烟气余热，实现机组的节能减排。