超臨界直流鍋爐的控制技術(shù)分析與研究

張贊助

摘? 要：在當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的進(jìn)程中，由于工業(yè)的發(fā)展促使環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，因此相關(guān)工業(yè)企業(yè)必須要強(qiáng)化節(jié)能減排，盡可能的提高資源利用效率。而超臨界直流鍋爐憑借著熱效率較高、發(fā)電煤消耗量少等優(yōu)勢(shì)受到廣泛的青睞和認(rèn)可。因此文章主要分析超臨界直流鍋爐內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)，簡(jiǎn)述其核心控制系統(tǒng)，分析其控制特性，旨在進(jìn)一步提高超臨界直流鍋爐控制技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：超臨界;直流鍋爐;控制技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM621.2? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）23-0156-02

Abstract： In the current process of rapid social and economic development， due to the development of industry， the environmental pollution problem is becoming increasingly serious， so related industrial enterprises must strengthen energy conservation and emission reduction and improve the efficiency of resource utilization as much as possible. However， supercritical once-through boilers are widely favored and recognized for their high thermal efficiency and low consumption of electricity-generating coal. Therefore， this paper mainly analyzes the built-in startup system of supercritical once-through boiler， briefly describes its core control system and analyzes its control characteristics， aiming at further improving the control technology level of supercritical once-through boiler.

Keywords： supercritical; once-through boiler; control technology

前言

我國(guó)現(xiàn)階段的超臨界機(jī)組控制技術(shù)有了較大的發(fā)展，其能夠有效的提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和質(zhì)量。相比于亞臨界鍋爐控制機(jī)組，有一定的控制優(yōu)勢(shì)，最主要體現(xiàn)在直流鍋爐以及汽包鍋爐的控制技術(shù)中。隨著當(dāng)前生產(chǎn)任務(wù)的不斷增多，控制參數(shù)也逐漸提高，致使超臨界直流鍋爐控制技術(shù)較為復(fù)雜。而在汽水結(jié)構(gòu)上，超臨界鍋爐機(jī)組有汽包爐和直流爐兩種類型，而其中直流爐采用的參數(shù)多數(shù)為超臨界。因此為保障資源合理利用，對(duì)超臨界直流鍋爐控制技術(shù)進(jìn)行研究和分析是十分必要的。

1 內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)

超臨界直流鍋爐機(jī)組內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)的原理和過程是通過高加給水的方式，使水經(jīng)過機(jī)組系統(tǒng)中的省煤器，然后流入到水冷壁中。隨后汽水混合物在水冷壁的出口位置進(jìn)行有效分離，其中蒸汽可以經(jīng)過相應(yīng)管道而進(jìn)入到過熱器當(dāng)中，水則流入到貯水罐中。從而在最后環(huán)節(jié)流經(jīng)擴(kuò)容器而進(jìn)入到系統(tǒng)的疏水箱中，根據(jù)水質(zhì)的差異分別流入到循環(huán)水系統(tǒng)或者是凝結(jié)水系統(tǒng)中。內(nèi)置，式啟動(dòng)系統(tǒng)在超臨界直流鍋爐機(jī)組控制發(fā)揮了重要作用，首先，其能夠建立和啟動(dòng)流量和壓力，充分確保給水的連續(xù)性，可以保障流經(jīng)省煤器和水冷壁的水流量和動(dòng)力較為穩(wěn)定。其次，內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)可以利用回收鍋爐在啟動(dòng)初期所排出的汽水混合物、蒸汽等實(shí)現(xiàn)熱量回收。最后一方面，內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)可以通過啟動(dòng)參數(shù)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)燃燒和氣溫以及水流量的合理調(diào)整，并保障各個(gè)參數(shù)調(diào)整的獨(dú)立性[1]。

2 核心控制系統(tǒng)概述

2.1 分離器液位控制

超臨界機(jī)組控制技術(shù)中的分離器液位控制技術(shù)，即是通過控制系統(tǒng)中的溢流門開度，實(shí)現(xiàn)分離器液位參數(shù)能夠保持在正常數(shù)據(jù)狀態(tài)下進(jìn)行運(yùn)行。所以分離器液位控制系統(tǒng)的主要原理是在直流鍋爐濕態(tài)以及干態(tài)狀態(tài)下進(jìn)行運(yùn)行，在濕態(tài)工況下，控制系統(tǒng)內(nèi)會(huì)呈現(xiàn)蒸汽流量少于給水流量的情況，因此汽水分離器可以充分將蒸汽輸送到過熱器中。對(duì)于分離出來的水分則要經(jīng)過調(diào)節(jié)門而流入到擴(kuò)容器，此時(shí)如果分離器下端的儲(chǔ)水箱液位升高，則會(huì)導(dǎo)致蒸汽中含有的水量增加。而如果分離器的液位較低，則會(huì)使省煤器出現(xiàn)汽化，導(dǎo)致鍋爐的受熱面出現(xiàn)安全隱患和威脅。

對(duì)分離器液位的有效控制則是在點(diǎn)火前階段采用常規(guī)的PID控制或者是折線函數(shù)控制等方法。比如在超臨界機(jī)組控制技術(shù)中，當(dāng)處于吹管階段時(shí)，則需要按照升壓或者減壓對(duì)折線函數(shù)進(jìn)行控制，或者也可以采用手動(dòng)控制的方法將溢流閥及時(shí)關(guān)閉。而在分離器的帶負(fù)荷階段中，一旦分離器的出口壓力超過了20MPa，則要通過超馳來對(duì)貯水箱的溢流門進(jìn)行關(guān)閉。除此之外的所有階段則需要利用PID控制技術(shù)來對(duì)分離器的液位進(jìn)行調(diào)節(jié)[2]。

2.2 給水控制

超臨界機(jī)組控制技術(shù)的給水控制，通俗來說就是對(duì)水流量的調(diào)整和控制，在分離器出口溫度正常范圍內(nèi)，其主要的控制原理是對(duì)鍋爐出口主蒸汽溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過兩級(jí)噴水減溫的形式確保煤水比適當(dāng)，同時(shí)促使分離器的出口蒸汽溫度在合理范圍之內(nèi)。在超臨界直流鍋爐機(jī)組中控制給水流量主要有三個(gè)階段，其一為旁路門控制，具體是指在給水流量相對(duì)較低的情況下，如果給水主路未完全打開，則可以利用旁路門調(diào)節(jié)和控制給水流量，這種控制方法主要適用于超臨界機(jī)組初負(fù)荷階段或者是鍋爐的冷熱態(tài)沖洗情況下;其二是電泵控制階段，具體來說，這一階段主要發(fā)生在給水主路全部打開的狀況下，可以通過勺管的開度對(duì)電泵實(shí)行控制，實(shí)現(xiàn)給水流量得到有效調(diào)節(jié)。在汽泵控制階段，一般是在超臨界直流鍋爐機(jī)組的負(fù)荷允許時(shí)，汽泵會(huì)立即進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，可以替代電泵來對(duì)給水流量進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，此時(shí)超臨界直流鍋爐機(jī)組帶額定負(fù)荷。

在給水控制中給水流量定值保障機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行的重要條件，也是給水流量控制中的主要組成部分。對(duì)于給水流量的形成需要滿足四個(gè)基本條件。其一是機(jī)組在運(yùn)行初期必須采用穩(wěn)定最小流量控制，但不能低于最小流量;其二是要根據(jù)實(shí)際的給水量和給煤量對(duì)水燃比函數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，按照機(jī)組負(fù)荷的變化情況，改變給水流量定值;其三是對(duì)分離器出口溫度的設(shè)置要充分考慮水燃比的科學(xué)性和合理性，以便于作為參考機(jī)組的設(shè)計(jì)值。同時(shí)要將過熱溫度控制在10℃-60℃之間;最后為保障給水流量定值的形成，運(yùn)行人員需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)水燃比，如果出口溫度出現(xiàn)過熱度不合理，則要及時(shí)進(jìn)行給水流量的調(diào)整，通過設(shè)置出口溫度偏置來保證給水流量的開環(huán)調(diào)整。

2.3 協(xié)調(diào)控制

通常情況下，超臨界機(jī)組直流鍋爐的控制技術(shù)中不針對(duì)汽包環(huán)節(jié)，原因是由于直流鍋爐機(jī)組中不存在汽包。因此工質(zhì)參與做功相對(duì)較少、循環(huán)速度會(huì)明顯加快。從而能夠有效的保障直流鍋爐機(jī)組系統(tǒng)中的各項(xiàng)物質(zhì)和能量，基于物質(zhì)流的作用而實(shí)現(xiàn)平衡。所以為保障超臨界直流機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定，則要進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)給水流量與主汽流量和機(jī)組負(fù)荷之間的平衡。對(duì)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，必須要通過改變給水流量和燃料量，即是將燃料和給水比例的大小調(diào)整到適當(dāng)范圍，從而確保超臨界直流機(jī)組物質(zhì)和能量的平衡。

此外，超臨界機(jī)組控制技術(shù)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)量、燃料量和給水流量等要素的控制，同時(shí)可以滿足電網(wǎng)測(cè)量負(fù)荷的工作需求。在此基礎(chǔ)上可以使直流鍋爐所產(chǎn)生的熱量與超臨界汽輪機(jī)消耗的熱量形成穩(wěn)定的平衡關(guān)系。但由于超臨界機(jī)組沒有汽包，則需要進(jìn)一步提高受熱面的承受壓力來提升工質(zhì)的換熱性能。因?yàn)闄C(jī)組水冷壁的管徑相對(duì)較小，所以在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中其工質(zhì)存儲(chǔ)量會(huì)出現(xiàn)明顯減少的情況。而對(duì)于直流鍋爐來說，只能借助機(jī)組調(diào)節(jié)功能和快速反應(yīng)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，保障各項(xiàng)主要參數(shù)得到合理調(diào)整。

3 相關(guān)控制特性分析

3.1 汽輪機(jī)擾動(dòng)特性分析

在超臨界直流鍋爐控制技術(shù)和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，汽輪機(jī)組的調(diào)速汽門擾動(dòng)特性比較常見，而且超臨界汽輪機(jī)組的調(diào)節(jié)汽門開度在一定程度上會(huì)使直流鍋爐的參數(shù)受到較大的影響。因此在實(shí)際的控制過程中，調(diào)速汽門的擾動(dòng)特性會(huì)增加機(jī)前壓力和機(jī)組負(fù)荷。所以為保障超臨界機(jī)組控制技術(shù)的有效實(shí)現(xiàn)，則要在超臨界機(jī)組燃燒率和水燃比不發(fā)生變化的情況下，只需增加調(diào)速汽門的開度，則能夠保障主汽流量得到大量且較快的增加。同時(shí)主汽壓力出現(xiàn)下降，并緩慢恢復(fù)到與給水流量達(dá)成平衡的狀態(tài)下，使較低的壓力保持平穩(wěn)。另外一方面由于主汽流量的增加，會(huì)促使過熱汽溫逐漸下降，但由于水燃比未發(fā)生明顯更改，則超臨界直流鍋爐會(huì)保持汽溫不變。同時(shí)主汽流量的增加也會(huì)導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷有所增加，所以在燃料保持不發(fā)生變化的基礎(chǔ)上，超臨界直流鍋爐機(jī)組功率會(huì)得到有效控制，并恢復(fù)到原有的正常狀態(tài)。

3.2 燃料量擾動(dòng)特性分析

超臨界直流鍋爐機(jī)組控制技術(shù)的燃料量擾動(dòng)特性是指在增加給煤量的同時(shí)，也會(huì)促使直流鍋爐的總風(fēng)量調(diào)整為增加，并且在保障系統(tǒng)中給水流量不發(fā)生變化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組主要參數(shù)的控制和影響;另外由于超臨界直流鍋爐機(jī)組主汽量會(huì)隨著鍋爐發(fā)熱量的增加而增加，在給水流量不變時(shí)，會(huì)使其恢復(fù)到原始狀態(tài)和初始參數(shù)數(shù)值;此外由于水燃比的變小會(huì)使主蒸汽溫度維持在相對(duì)較高的水平上，同時(shí)保持調(diào)速汽門開度不變的狀況下，極有可能因?yàn)檎舭l(fā)量的增加而導(dǎo)致機(jī)前壓力升高，并且能夠保持較高的壓力狀態(tài)。

3.3 給水流量擾動(dòng)分析

給水流量的擾動(dòng)特性通常是在燃料量不發(fā)生變化、調(diào)速汽門工況不變時(shí)，增加給水流量就能夠?qū)ΤR界直流鍋爐進(jìn)行控制。并且在給水流量擾動(dòng)的特性影響下，主汽流量會(huì)隨著給水流量的增加而不斷增加，即使是在高流量狀態(tài)下，仍然可以繼續(xù)進(jìn)行;其次給水流量會(huì)影響主汽壓力，在超臨界直流鍋爐的燃燒率不發(fā)生變化時(shí)，鍋爐氣溫將會(huì)出現(xiàn)回落和降低;其三在超臨界直流鍋爐機(jī)組中，過熱汽溫將會(huì)受水燃比的增大而出現(xiàn)降低的情況，并保持在較低狀態(tài);另外超臨界直流鍋爐機(jī)組負(fù)荷會(huì)由于給水流量和主汽流量的增大而增大，不過燃料量并未發(fā)生變化，其主要是以內(nèi)主汽溫度過低而使焓值降低導(dǎo)致的擾動(dòng)。

4 結(jié)束語

綜上所述，超臨界機(jī)組的負(fù)荷發(fā)生變化，具有快速性和機(jī)組熱慣性較小的特點(diǎn)，因此在對(duì)超臨界直流鍋爐機(jī)組進(jìn)行控制時(shí)，需要充分掌握其包含的控制對(duì)象，利用主要參數(shù)的耦合特點(diǎn)，合理構(gòu)建和設(shè)置控制系統(tǒng)，采取有效控制方法。通過對(duì)超臨界直流鍋爐機(jī)組控制的內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)和核心控制系統(tǒng)的分析，保障其平穩(wěn)正常運(yùn)行則要控制分離器的液位、給水流量定值以及協(xié)調(diào)控制等，并基于汽輪機(jī)擾動(dòng)特性、燃料量擾動(dòng)特性、給水流量擾動(dòng)特性等機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保障機(jī)組的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]惠偉民.660MW超超臨界直流鍋爐汽溫控制策略分析[J].科技風(fēng)，2019（33）：145.

[2]安子健.東方鍋爐1000MW超超臨界機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)[D].燕山大學(xué)，2018.

[3]李中堯，吳維康，王艷龍.超臨界直流爐在運(yùn)用過程中的相關(guān)問題分析與策略探討[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2018（1）：985.