600MW超临界直流炉机组控制特点

追求卓越技术第一PowerGenerationlITPowerSolutions华北电科院有限责任公司热控技术研究所600MW超临界直流炉机组控制特性分析追求卓越技术第一PowerGenerationlITPowerSolutions华北电科院有限责任公司热控技术研究所600MW超临界直流炉机组控制特性分析华北电科院有限责任公司热控技术研究所600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions3华北电科院热控技术研究所一、国际上超临界机组的现状我国一次能源以煤炭为主，火力发电占总发电量的75%全国平均煤耗为394g/(kWh)，较发达国家高60~80g，年均多耗煤6000万吨，不仅浪费能源，而且造成了严重的环境污染，烟尘，SOx,NOx,CO2的排放量大大增加火电机组随着蒸汽参数的提高，效率相应地提高压临界机组(17MPa,538/538℃)净效率约为37~38%煤耗330~340g超临界机组(24MPa,538/538℃)净效率约为40~41%煤耗310~320g超超临界机组(30MPa,566/566℃)净效率约为44~45%煤耗290~300g由于效率的提高，污染物排量也相应减少，经济效益十分明显。1957年美国投运第一台超临界试验机组，截止1986年共166台超临界机组投运，其中800MW以上的有107台，包括9台1300MW。1963年原苏联投运第一台超临界300MW机组，截止1985年共187台超临界机组投运，包括300MW,500MW,800MW，1200MW。1967年日本从美国引进第一台超临界600MW机组，截止1984年共73台超临界机组投运，其中31台600MW,9台700MW，5台1000MW，在新增机组中超临界占80%。600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions4华北电科院热控技术研究所二、目前超临界机组的发展方向90年代，日本投运的超临界机组蒸汽温度逐步由538/566℃提高到538/593℃，566/593℃及600/600℃，蒸汽压力保持在24~25MPa，容量以1000MW为多，参数为31MPa,566/566℃的两台700MW燃气机组于1989年和1990年在川越电厂投产。目前正在研究参数为34.3MPa,649/593℃及34.3MPa,649/593℃的机组。欧洲超临界机组参数多为25MPa,540/540℃，机组容量中等，440~600MW。德国两台900MW机组于1999年投产；1998年投运的丹麦一台参数为28.5MPa,580/580/580℃的二次中间再热，411MW机组的净效率达到了47％是目前世界上效率最高的超临界火电机组。欧盟制定了“THERMIE”700℃先进燃煤火电机组发展计划，联合欧洲40家公司于1998年开始，计划用17年时间开发35MPa,700/720/（720）℃的超超临界机组，其净效率达到50%以上。美国电力科学院（EPRI）从1986年起一直致力开发32MPa,593/593/593℃的带中间负荷的燃煤火电机组。600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions5华北电科院热控技术研究所二、国内500及以上超临界直流炉机组投运情况我国自80年代后期开始重视发展超临界火电机组，国家确定以河南沁北电厂作为国产化依托，将超超临界发电技术列为国家高技术发展计划，计划开发30MPa,600/600℃，600MW以上的超超临界机组，供电效率达43~45%。我国前期的超临界机组多为从原苏联直接引进，如营口，盘山，伊敏，绥中等厂，机组运行方式均以定压运行为主，后期主要以从欧洲引进技术的滑压运行机组目前国内已投运的500MW及以上超临界直流炉机组机组机组容量投产时间备注国华盘山#1,2500MW1995俄供定压运行伊敏电厂#1,2500MW1995俄供定压运行国华绥中#1,2800MW2001俄供定压运行石洞口二期#1,2600MW1991/1992欧供滑压运行外高桥二期#1,2900MW2004欧供滑压运行华能沁北#1,2600MW2004欧供滑压运行常熟电厂#1,2600MW2005欧供滑压运行600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions6华北电科院热控技术研究所三、超临界直流炉的控制特点理论上认为：（22.129MPa、温度374℃），水的汽化会在一瞬间完成，即在临界点时饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的两相区存在，两者的参数不再有区别。由于在临界参数下汽水密度相等，因此在临界压力下无法维持自然循环，不能再采用汽包锅炉，直流炉成为唯一的型式。超临界锅炉与亚临界自然循环锅炉的结构和工作原理不同，启动方法也有较大的差异，超临界锅炉与自然循环锅炉相比，有以下的启动特点：设置专门的启动旁路系统直流锅炉在锅炉点火前就必须不间断的向锅炉进水，建立足够的启动流量，以保证给水连续不断的强制流经受热面，使其得到冷却。为防止低温蒸汽送入汽轮机后凝结，造成汽轮机的水冲击，直流炉需要设置专门的启动旁路系统来排除这些不合格的工质。配置汽水分离器和疏水回收系统低于本生流量时，给水流量要保持恒定。因此在本生负荷下超临界锅炉需要设置汽水分离器和疏水回收系统。启动前锅炉要建立启动压力和启动流量超临界直流炉，由于锅炉的蓄质和蓄热量小，因而负荷调节的灵敏性好，可实现快速启、停和调节负荷。600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions7华北电科院热控技术研究所三、超临界直流炉的控制特点－存在问题超临界机组控制中机、炉之间存在严重的非线性耦合。直流锅炉在直流运行状态汽水之间没有一个明确的分界点，在流程中每一段的长度都受到燃料、给水、汽机调门开度的扰动而变化，从而导致了功率、压力、温度的变化，直流锅炉是一个三输入/三输出相互耦合关联极强的被控对象；汽机扰动对锅炉的耦合特性：汽机调门开度变化不仅影响了锅炉出口压力，还影响了汽水流程的加热段，导致了温度的变化；锅炉燃料扰动对压力、温度、功率的影响：燃料率增加，缩短了加热段和蒸发段，使压力、温度、功率均增加；给水扰动对压力、温度、功率的影响：给水量增加，加热段和蒸发段延长，推出一部分蒸汽，因此压力和功率开始是增加的，但由于过热段的缩短使汽温下降，导致功率和压力下降，汽温一段时间延迟后单调下降稳定在一个较低温度上。600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions8华北电科院热控技术研究所三、超临界直流炉的控制特点－存在问题强烈的非线性是超临界机组又一主要特征超临界机组采用超临界参数的蒸汽,其机组的运行方式采用滑参数运行，机组在大范围的变负荷运行中，压力运行10MPa~25MPa.之间。超临界机组实际运行在超临界和亚临界两种工况下，在亚临界运行工况给水具有加热段、蒸发段与过热段三大部分，在超临界运行工况汽水的密度相同，水在瞬间转化为蒸汽，因此在超临界运行方式和亚临界运行方式机组具有完全不同的控制特性，是复杂多变的被控对象。超临界机组是被控特性复杂多变的对象，随着机组负荷的变化，机组的动态特性参数亦随之大幅度变化。如燃水比调节的温度对象，在负荷变化50-100%范围内，增益变化达5~6倍，时间常数的变化也有3倍左右。600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions9华北电科院热控技术研究所三、超临界直流炉的控制特点－汽包炉的控制汽包炉中，汽包把汽水流程分为加热段、蒸发段和过热段，三段受热面的位置和面积是固定不变的，在给水流量变化时，仅影响汽包水位，不影响蒸汽压力和温度。而燃烧量变化时仅改变蒸汽流量和蒸汽压力，对蒸汽温度影响不大，因此给水、燃烧、蒸汽温度控制系统是可以相对独立的，可以通过控制给水流量、燃烧率、喷水流量分别控制汽包水位、蒸汽流量和蒸汽压力。600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions10华北电科院热控技术研究所三、超临界直流炉的控制特点－直流炉直流锅炉没有汽包，又没有炉水小循环回路，给水是一次性流过加热段、蒸发段和过热段的，三段受热面没有固定的分界线。当给水流量及燃烧量发生变化时，三段受热面的吸热比率将发生变化，锅炉出口温度以及蒸汽流量和压力都将发生变化，因此给水、气温、燃烧系统是密切相关的，不能独立控制，应该作为整体进行控制。直流锅炉随着蒸汽压力的升高，蒸发段的吸热比例逐渐减少，而加热段和过热段的吸热比例增加；以及受热面管径变小，管壁变厚，因此，随着蒸汽压力的升高，锅炉分离器出口气温和锅炉出口气温的惯性增加，时间常数和延迟时间增加。启动分离器一级过热器一级减温器一级减温器微过热点600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions11华北电科院热控技术研究所四、超临界直流炉的控制策略压力控制是直流锅炉控制系统的关键环节，压力的变化对机组的外特性来说将影响机组的负荷，对内特性来说将影响锅炉的温度。因为直流炉蓄热较小，调门变化时引起的负荷变化较小，而且压力变化较大，对机组的负面影响较大，所以国外的资料中更推荐在超临界机组中采用机跟炉为基础的协调方式，协调锅炉与汽机的控制。但是在该方案的设计中应该充分考虑利用锅炉的储能加快机组对负荷的响应。在超临界机组中要保证主蒸汽温度的稳定，必须要控制汽水流程，控制蒸发点。一般通过控制煤水比来粗调主蒸汽温度，通过过热喷水减温来细调主蒸汽温度。理论和实践证明要保证直流锅炉汽温的调节性能，维持特定的燃水比来控制汽水行程中某一点焓（分离器出口焓）为负荷的函数是切实有效的手段。当给水量或燃料量扰动时，汽水行程中各点工质焓值的动态特性相似；在锅炉的燃水比保持不变时（稳定工况），汽水行程中某点工质的焓值保持不变，对于滑压运行锅炉，故采用微过热蒸汽焓替代该点温度作为燃水比校正信号，其优点在于：分离器出口焓（中间点焓）值对燃水比失配的反应快，系统校正迅速；焓值代表了过热蒸汽的作功能力，随工况改变焓给定值不但有利于负荷控制，而且也能实现过热汽温（粗）调正。600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions12华北电科院热控技术研究所四、超临界直流炉的控制策略超临界直流炉的设计中风煤比的控制在静态平衡的前提下要考虑动态下的风煤交叉，保证动态过程中风大于煤，确保锅炉燃烧的稳定。在超临界直流炉RB逻辑设计中需要充分考虑分离器出口温度，即必须考虑在事故工况下有合适的煤水比。由于超临界直流炉的强非线性，常规的控制策略难以达到良好的控制效果。因此需要大量采用变参数PID，变结构控制策略，以保证在各个负荷点上控制系统具有良好的效果注意微过热点焓值对燃料率和给水量的响应较慢，响应时间达2～4分钟。由于燃烧对温度的动态响应要比给水对温度的动态响应慢的多，因此控制方案设计中要考虑煤水控制参数的动态补偿。焓值物理概念明确，用“焓增”来分析各受热面的吸热分布更为科学。它不仅受温度变化影响，还受压力变化影响，在低负荷压力升高时（分离器出口温度有可能进入饱和区），焓值的明显变化有助于判断，进而能及时采取相应措施。因此，静态和动态燃水比值及随负荷变化的焓值校正是超临界直流锅炉给水系统的主要控制特征。600MW超临界直流炉机组控制特性分析PowerGenerationlITPowerSolutions13华北电科院热控技术研究所四、超临界直流炉的控制策略－启动系统对于具有内置式启动分离器的超临界机组，具有干式和湿式两种运行方式。在启动过程锅炉建立最小工作流量，蒸汽流量小于最小给水流量，锅炉运行在湿式方式，此时机组控制给水流量，利用疏水控制启动分