直流锅炉控制

直流锅炉控制系统第一节直流锅炉特点临界点（压力22.129MPa、温度374℃）超临界机组是指过热器出口主蒸汽压力超过22.129MPa的机组。超超临界机组（玉环、100万，2006年）机组参数为26.25MPa、600℃/600℃。超（超）临界机组采用直流锅炉，其工作原理上和结构上与汽包锅炉有所不同，因此直流锅炉在运行特性和控制特性上其相应的特点。汽包锅炉的特点1.自然循环（也有靠循环泵的强制循环汽包锅炉）2.受热面的界限是固定的省煤器给水流量W过热器过热蒸汽蒸发段Q1Q3Q2图1汽包锅炉汽水流程汽包将锅炉加热段、蒸发段和过热段都明确地分开，不论负荷、燃烧率如何变化，各受热面的大小是固定不变的。控制特点：（1）锅炉蒸发量主要由燃烧率来决定（蒸发量由加热段受热面的吸热量Q1和蒸发段受热面的吸热量Q2决定），而与给水流量W的大小无关。所以在汽包锅炉中由燃烧率调节负荷（实现燃料热量与蒸汽热量之间的能量平衡），由给水流量调节水位（实现给水流量与蒸汽流量间的物质平衡地）。这两个控制系统的工作可以认为是相对独立的。(2)汽包除作为汽水分离器外，还作为燃水比失调的缓冲器。当燃水比失去平衡关系时，利用汽包中的存水和空间容积暂时维持锅炉的工质平衡关系，而各段受热面积的界限是固定，使得燃料量或给水流量的改变对过热汽温的影响较小。因为过热蒸汽温度主要取决于加热段、蒸发段吸热量与过热段吸热量的比值（Q1＋Q2）：Q3，由于汽包锅炉各受热面的区域界限是固定的，所以当燃烧率变化时，即使Q1、Q2、Q3也都发生了变化，但这个比值不会有过大的改变，因而对汽温的影响幅度较小。因此在汽包锅炉中仅依靠改变减温水流量Wj控制过热蒸汽温度。而改变Wj时，可近似认为对汽包水位H和主蒸汽压力pT没有影响。3.蓄热量大锅炉蓄热量是其工质和受热面金属中储存热量的总和。汽包锅炉有重型汽包、较大的水容积、较粗的下降管和联箱等，所以其蓄热能力比直流锅炉要大2～3倍。直流锅炉的特点1.强制循环图2直流锅炉简图1给水烟气2345671－省煤器；2－螺旋水冷壁；3－垂直水冷壁（和后水冷壁吊挂管）；4－屏式过热器（前屏和后屏）；5－汽水分离器；6－末级过热器；7－一级过热器蒸汽2.各受热面无固定分界点Thp过热区蒸发区给水过热蒸汽省煤器水冷壁过热器加热区v图3直流锅炉原理示意图p－压力；T－温度；h－焓；v－比容lonce-throughboilerlT燃料量增加图4燃料量、给水流量对过热汽温影响给水量增加现在来说明燃料量与给水量对过热汽温（或焓hgr）的影响。一次工质在稳定工况下的热平衡方程式为：1rgrgsQhhW11rarQMQ1grgsarMhhQW由于锅炉给水温度是随负荷增加而升高，故hgs也随之升高。而机组定压运行时，过热汽温和主蒸汽压力为定值，即过热蒸汽焓值hgr为定值，因此燃水比M/W是随着负荷升高而减小。3蓄热量小对外界负荷扰动比较敏感，在外界负荷变动时，其主汽压的波动比汽包锅炉剧烈得多。在主动变负荷时，由于直流锅炉的热惯性小，其蒸汽流量能迅速变化，所以它在负荷适应性方面比汽包锅炉来得快，有利于机组对电网尖峰负荷的响应。第二节直流锅炉动态特性一、直流锅炉动态特性需要调节的主要变量有过热汽温T、主蒸汽压力pT和蒸汽流量D（负荷）。改变给水流量W、燃料量M（燃烧率）和汽轮机调节汽门开度μT可作为调节过热汽温、主蒸汽压力和蒸汽流量的手段。同时考虑，直流锅炉各输入量对机组功率PE的影响。tMtWtμTtDtDtDtTtTtTtpTtpTtpTtPEtPEtPE图5直流锅炉动态特性曲线(a)燃料量M扰动(b)给水流量W扰动(c)负荷μT扰动（１）负荷扰动时，主蒸汽压力的变化没有迟延，变化很快，且变化幅度较大，这是因为直流锅炉没有汽包，蓄热能力小。若负荷扰动时，能保持给水流量不变，就能减小对过热汽温的影响。（2）单独改变燃料量或给水流量时，对过热汽温、主蒸汽压力和蒸汽流量都有显著影响，尤其是对汽温的影响更加突出。虽然过热汽温对燃料量或给水流量的动态响应都很慢，但过热汽温对给水流量的动态响应还是快于对燃料量的动态响应。二、直流锅炉被控对象特点1、具有很强的耦合特性给水流量W、燃烧率（燃料量M）和汽轮机调节汽门开度μT这三个对象输入量中的任一输入量单独变化，除汽轮机调节汽门开度μT对过热汽温度T影响较小外，其余的都会对过热汽温度T、主蒸汽压力pT和蒸汽流量D有很大的影响，具有很强的耦合特性。2、对象的非线性随着负荷的变化，工质压力将在亚临界到超临界的广泛范围内变化，随着工质物性变化巨大，直流锅炉表现出严重的非线性，具体体现为：汽水的比热、比容和焓值与它的温度、压力的关系是非线性的，传热特性、流量特性是非线性的。第三节直流锅炉控制方案一、直流锅炉的控制任务直流锅炉的控制任务和汽包锅炉基本相同；（1）使锅炉的蒸发量迅速适应负荷的需要；（2）保持蒸汽压力和温度在一定范围内；（3）保持燃烧的经济性；（4）保持炉膛负压在一定范围内。直流锅炉的控制系统也包括给水、燃料、送风、炉膛压力和汽温等控制系统。在给水控制、过热汽温控制、直流锅炉特有的启动过程控制（或燃料控制）上有所不同，而送风、炉膛压力和再热汽温等控制系统与汽包锅炉相同。二、直流锅炉负荷控制动态特性可知：单独改变燃料量（燃烧率）或给水流量对主蒸汽压力pT、机组功率PE、蒸汽流量和过热汽温都有显著影响。所以，无论是改变燃烧率或是改变给水流量都可以作为锅炉的负荷调节手段。直流锅炉负荷控制时，需要给水控制系统和燃料控制系统同时动作，以保证给水量和燃烧率两者同时比值变化给水调节器锅炉指令BD给水流量W给水流量调节燃料调节器燃料量调节给水流量W燃料量M直流锅炉负荷控制方案之一燃料调节器锅炉指令BD燃料量M给水流量调节给水调节器燃料量调节燃料量M给水流量W直流锅炉负荷控制方案之二f(x)f(x)给水调节器锅炉指令BD给水流量调节燃料调节器燃料量调节给水流量W常用直流锅炉负荷控制方案（以煤为基础）f(x)燃料量Mf(t)tBDtMttWtT燃水动态校正效果1231－燃料对汽温影响；2－给水对汽温影响；3－校正后汽温三、燃水比控制燃水比控制：调整给水量和调整燃料量二种方式。快速反映燃水比失衡信号，进行燃水比修正信号。（1）中间点温度燃水比改变后，汽水流程中各点工质焓值和温度都随着改变，可选择锅炉受热面中间位置某点蒸汽温度作为燃水比是否适当的信号。中间点温度不仅变化趋势与过热汽温一致，而且滞后时间比过热汽温滞后时间要小得多。中间点温度过热度越小，滞后越小，也就是越靠近汽水行程的入口，温度变化的惯性和滞后越小。超临界机组一般取汽水分离器出口蒸汽温度作为中间点温度来反映燃水比。（2）采用焓值信号采用分离器出口过热蒸汽的焓值信号，原因（1）能快速反应燃水比；（2）出口过热蒸汽为微过热蒸汽，微过热蒸汽焓值比分离器出口微过热蒸汽温度在反应燃水比的灵敏度和线性度方面具有明显的优势。机组负荷大范围变化时，工质压力将在超临界到亚临界的广泛范围内变化。由水和蒸汽的热力特性可知，其焓值－压力－温度之间为非线性关系，蒸汽的过热度越低，焓值－压力－温度之间关系的非线性度越强，特别是在亚临界压力下饱和区附近，这种非线性度更强。在过热度低的区域，当增加或减少同等量给水量时，焓值变化的正负向数值大体相等，但微过热汽温的正负向变化量则明显不等。如果微过热汽温低到接近饱和区，则焓值/温度斜率大，说明给水量扰动可引起焓值的显著变化，但温度变化却很小。（1）调整给水量（以燃料为基础控制）基本给水指令给水调节器锅炉指令BD给水流量调节燃料调节器燃料量调节给水流量W由给水侧调整燃水比的原则方案（600MW）f(x)燃料量Mf(t)×分离器出口温度修正减温器进出口温差修正以及其它修正特点：汽温相应快，但负荷波动大+－锅炉指令f(x)f(t)×中间点温度修正给水调节器给水广义对象总给水量+－压力给定值燃料调节系统燃烧广义对象主蒸汽压力锅炉主控制器给水扰动通道燃烧率可用解耦设计消除给水流量调节对燃烧率的影响，使给水流量只对微过热汽温或微过热蒸汽焓值作用。方法：将微过热汽温或焓值调节器的输出通过微分环节加到燃烧率的指令侧作为校正信号，通过适当的微分信号消除对燃料的要求，使燃烧率不变或少改变。燃料调节器锅炉指令BD给水流量调节给水调节器燃料量调节给水流量W由给水侧调整燃水比的原则方案（1000MW）燃料量M×分离器出口温度修正减温器进出口温差修正∑主蒸汽流量∑∑－＞BD×KBD（K+1）M－BD×K给水指令（1）锅炉指令BD增加时汽温高，K0,BD（K+1）做给水指令（增加）；汽温低，K0,M－BDK，做给水指令（增加）；（2）锅炉指令BD减少时汽温高，K0,BD（K+1）做给水指令（减少）；汽温低，K0,M－BDK，做给水指令（减少）；（2）调整燃料的燃水比控制（以水为基础控制）给水调节器锅炉指令BD给水流量调节燃料调节器燃料量调节给水流量W由燃料侧调整燃水比的原则方案燃料量M×水冷壁出口温度修正过热汽温修正以及其它修正特点：汽温相应慢，负荷波动小。锅炉指令BD给水流量W具有交叉限制的燃料侧调整燃水比的原则方案燃料量M×水冷壁出口温度修正过热汽温修正以及其它修正燃水交叉限制回路给水指令燃烧率指令燃水交叉限制目的是保证负荷响应的快速性的同时；减小过热汽温的波动性。交叉限制采用原则：锅炉指令增加时，给水增加，燃料变化幅值与负荷增加幅度，给水增加幅度以及中间点汽温偏离设定值高低有关；锅炉指令减少时，燃料减少，给水的变化幅值与负荷减少，燃料减少幅度以及中间点汽温偏离设定值的高低有关。超超临界机组燃水控制+总给水量+Y图燃水比控制方案锅炉指令BD末级过热汽温PI1末级过热汽温设定T2PI2末级喷水流量设定值末级汽温自动Nf(x)∑4＜对应水冷壁温度水冷壁温度高限＞水冷壁温度低限水冷壁温度设定PI3水冷壁出口温度T3湿态YATAI燃水比模式KT1×＜∑1&燃料率手动湿态TAI燃烧率指令燃烧率自动YN－修正系数K∑2++∑3总燃料量－＞给水指令燃水比修正燃水率燃水交叉限制等效图（1000MW）＞BDKM－BD（K－1）＜BDW+BD（K－1）给水指令燃烧率指令（1）锅炉指令DB增加，给水指令总是增加；燃烧侧：如冷壁出口温度偏低（K＞1），燃烧率指令增加。如冷壁出口温度偏高（K＜1），燃烧率指令的变化取决于W、BD和K。（2）锅炉指令DB减小，燃烧率指令总是减小。给水侧：如水冷壁出口温度如偏低（K＞1），给水指令减小。如水冷壁出口温度如偏高（K＜1），给水指令的变化取决于M、BD和K。电厂660MW机组锅炉为DG2000/26.15-Ⅱ型超超临界参数变压直流型锅炉主汽温度在锅炉运行稳定的情况下波动达到15℃左右，变负荷过程中，有时汽温波动达到30℃。锅炉指令BD给水指令原控制方案燃料量Mf(t)∑f(t)减温水流量×f(x)负荷指令PI中间点汽温燃料率指令改进（1）协调控制协调，汽机控制加压力限制；避免汽轮机调门动作对锅炉的储能过度的释放，导致汽温骤然下降。BD－△pTTDpoPI△PEPoPI＋－＋锅炉跟随及协调控制改进的地方－＋∑（2）给水改进低温过热器出口温度给水指令给水侧改进方案f(t)∑焓值燃料量MPIf(x)调节级压力负荷指令f(x)PI∑分离器出口温度分离器出口压力f(x)锅炉指令BDf(x)主汽温度在稳态期间达到平均±3℃左右，升降负荷期间达到平均±5.5℃左右。第四节直流锅炉给水控制系统第一种：以水为基础的控制系统第二种：由调水实现燃水比控制系统第一种：以水为基础的控制系统汽泵A自动总给水指令图给水控制方案省煤器出口汽温PI1省煤器出口压力f1(x)∑1＞TAIYN∑2－最小流量AA∑3++++f2(x)T1省煤器保护投入Af3(x)+∑5++BALANCER总给水流量PI2YNT2两泵均自动A汽泵A入口水流量汽泵B入口水流量∑6+∑7－TAI×f4(x)f(x)汽动给水泵AMEH控制汽泵A转速指令TAI×f5(x)汽动给水泵BMEH控制汽泵B转速指令∑8Af7