河津电厂主汽温控制及评价

河津电厂二期主汽温控制及评价（参考河津电厂设备管理部点检员张琦论文资料整理）结合山西河津电厂二期工程2×300MW机组采用上海西屋公司OVATION-XP型分散控制系统的设计特点，详细叙述该厂主汽温控制系统组成结构；分析该系统全程优化运行的设计方式及意义；并指出了当前主汽温度控制设计中存在的不足之处，最后对该系统的调试提出了具体、有效的方法，最终实现机组的自动控制功能。2010.3河津发电厂二期工程2×300MW机组为国产引进型燃煤火电单元机组，安装两台哈尔滨汽轮机厂生产的300MW亚临界、一次再热、单轴、双缸（高中压缸合缸）双排汽、直接空冷凝汽式汽轮机。汽轮机的型号是：NZK300-16.7/537/537型，采用积木块式的设计，保留了原西屋公司考核机组的技术特点：通流结构介于反动式与冲动式透平之间，级数少，效率高；整锻转子高压通流反向布置，中压通流正向布置，低压通流为对称布置，轴向推力自平衡；采用多层缸结构，通流部分轴向间隙大，径向间隙小，具有较好的热负荷适应性；采用数字式电液调节（DEH）系统一体化设计，自动化程度高。锅炉型式为哈尔滨锅炉厂有限责任公司生产的亚临界、自然循环汽包锅炉。锅炉为单炉膛П型布置、一次中间再热、平衡通风、全钢架悬吊结构、全露天布置(运转层以下封闭)、固态排渣、煤粉炉。锅炉采用四角切圆燃烧方式，过热蒸汽温度采用二级喷水调节，再热蒸汽温度采用摆动燃烧器调节。锅炉呈П型布置。炉膛四周布满水冷壁，炉膛截面尺寸为14048×12468mm(深×宽)。炉膛上部布置有墙式辐射再热器及过热器分隔屏、过热器后屏；炉膛出口处布置屏式再热器；在水平烟道布置了末级再热器和末级过热器；尾部竖井布置有低温过热器及省煤器。炉顶、水平烟道两侧，转向室及尾部竖井周围均由膜式壁包覆。炉后布置两台三分仓回转式空气预热器。锅炉汽包位于炉前上方，内径为1778mm、壁厚185mm、筒身直段长度18000mm，汽包材质为SA-299。锅炉采用四根Φ559mm大口径集中下降管。炉膛水冷壁采用Φ63.5×7mm的管子，共668根。过热器由顶棚管和包墙管、低温过热器、过热器分隔屏、过热器后屏及末级过热器组成。再热器由墙式辐射再热器、屏式再热器和末级再热器组成，有较强的辐射特性。过热器采用二级三点喷水调温，再热器采用摆动燃烧器调温，并配有事故喷水减温器。省煤器单级布置，位于尾部竖井烟道低温过热器的下方。当一台新机组的热控设备安装完毕后，所要进行的工作就是调试。目的是将这些设备按照设计的要求，进行各项检查、调试、试验和调整，并能正常投入运行，质量指标符合验收规程规定的要求。河津电厂二期热工控制采用西屋公司新一代DCS系统（OVATION-XP）,在自动化水平上比以前有所提高，热控系统的设计上也采用了一些新的控制和调节方案。模拟量调节系统MCS是锅炉及全厂主要辅机运行参数控制系统，包括机炉协调、炉膛压力及一、二次风的控制，锅炉气温、汽包水位等重要参数的控制，磨煤机及除氧器的控制等。在这里，我们对该系统中主汽温的控制方案从设计上详细分析，做到调试评估和维护改进。一、过热汽温控制系统的任务过热汽温是影响机组安全运行及经济运行的重要参数之一。过热汽温较高时,机组热效率则相对较高,但过高的过热汽温是汽机金属材料所不允许的。由于过热器处于锅炉的高温区且承受着高压,尽管它的材料采用的是昂贵的耐高温高压的合金钢,但主汽温的设计值已接近钢材允许的极限温度,强度方面的安全系数也很小,所以过热器金属超温是不允许的。过热汽温控制的任务是维持过热器出口汽温即主汽温度在允许的范围内,并对过热器实现保护,使管壁金属温度不超过允许的工作范围。正常运行时,一般过热器温与额定值偏差不超过±5℃。二、过热汽温控制对象的静态和动态特性分析汽温控制对象的特性，是为了分析影响汽温的因素和影响方式，并寻找到合适的控制手段。影响过热汽温的因素很多，有些是设计问题，也有许多是运行问题，因此要维持一定的过热汽温，首先要分析一下影响过热汽温的因素。以便更好的认识OVATION系统的热工控制设计思路。1．静态特性(1)锅炉负荷与过热汽温的关系锅炉负荷(一般可用总风量代表)增加时,炉膛中燃烧的燃料增加,但炉膛中的最高温度没有多大变动,炉膛辐射放热量相对变化不大,使得炉膛出口烟温增高。这说明负荷增加时,每千克燃料的辐射放热百分率减少;而在炉膛后的对流换热区中,由于烟温和烟速的提高,每千克燃料的对流放热百分率将增大。因此,对于对流式过热器来说,当锅炉的负荷增加时,出口汽温的稳态值升高;辐射式过热器则具有相反的汽温特性,即当锅炉负荷增加时,会使出口汽温的稳态值降低。两种过热器的串联配合,可以取得较平的汽温特性,但在一般采用这两种过热器串联的锅炉中,过热器出口的过热蒸汽温度,在某个负荷范围内,随锅炉负荷的增加将有所升高。(2)过剩空气系数与过热汽温的静态关系过剩空气量改变时,燃烧生成的烟气量亦改变,因而所有对流受热面吸热改变,而且对离炉膛出口较远的受热面影响显著。目前大多数锅炉的过热器均以对流吸热为主,当增大过剩空气量时,将使过热汽温上升。(3)给水温度与汽温的关系提高给水温度,将使过热汽温下降,这是因为产生每千克蒸汽所需的燃料量减少了,流经过热器的烟气量也减少了。因此,是否投入高压给水加热器会使给水温度相差很大,这对过热汽温有明显影响。(4)燃烧器的运行方式与过热汽温的静态关系在炉膛内投入高度不同的燃烧器或改变燃烧器倾角（再热汽温调节的需要）会影响炉内温度分布和炉膛出口烟温,因而也会影响过热汽温,火焰中心相对提高时,过热汽温将升高。(5)进入过热器的蒸汽的热焓与过热汽温的静态关系一定压力下,过热器入口蒸汽焓值增加,将使出口汽温增加;采用喷水减温时,喷水量增加,进入过热器的蒸汽热焓降低,过热汽温将下降。同一负荷下,当锅炉汽包压力较低时,进入过热器蒸汽的饱和蒸汽焓值比较高压力下的饱和蒸汽的焓值要高,但从汽包产生的饱和蒸汽量却减少了,所以出口主汽温将增加。(6)其它因素与过热汽温的静态关系，详细内容如下：①受热面清洁程度。过热器之前的受热面发生积灰或结渣时,进入过热器的烟温升高,因而使过热汽温上升,而过热器本身发生积灰或结渣将使过热汽温下降。②饱和蒸汽用量。当锅炉的吹灰器或其它辅机使用饱和蒸汽时,为了供应饱和蒸汽就需要增加燃料,其结果将使过热汽温升高。③排污量。排污对过热汽温的影响和使用饱和蒸汽一样,但由于排污水的焓较低,故影响较小。④燃料性质对过热汽温的影响。当由煤粉改燃油时,由于炉膛内的辐射吸热百分率增大,过热汽温将降低。⑤尾部烟道中再热汽温控制档板位置对过热汽温有较大影响。例如,当关小再热器烟道挡板(一般相应开大过热器档板)时,过热汽温会升高。2．动态特性如前所述,影响过热汽温的因素很多,但其中锅炉输入热量和过热器入口蒸汽焓(或入口汽温)是两种最主要的扰动。在各种扰动下汽温对象动态特性都有一定的迟延和惯性,典型的汽温阶跃响应曲线如图1－2。汽温对象在不同的扰动作用下,其动态特性参数的数值(对象延迟时间τ,对象时间常数Tc,对象自平衡系数ρ)可能有很大差别。为了能在调节机构动作后能及时地对汽温产生影响,要求在调节机构动作后,汽温对象的动态特性具有较小的τ和τ/Tc,因此正确选择调节汽温的手段是非常重要的。目前广泛采用喷水减温作为控制汽温的手段。对于维持汽温这一要求而言,汽温对象在控制作用下动态特性的延迟τ和时间常数Tc还嫌太大,如果只根据汽温偏差来改变减温水量往往不能有效地控制汽温偏差,所以,DCS厂家在分析和设计汽温控制系统时,一般都充分考虑了影响汽温的各种因素及其结果,以便设计出的过热汽温控制系统合理可行并且具有良好控制品质，确保自动顺利投入。三、河电二期2×300MW机组过热汽温控制系统一)过程描述为了整个机组的安全经济运行，必须将锅炉末级过热器出口的主蒸汽温度控制在运行人员设定的数值上，锅炉若只设计一级减温，喷水如果越靠前，对象的惯性越大，对控制系统的设计来说，难度也越大；如果靠后，虽然对象的惯性减小，有利于控制系统的设计，但失去了保护过热器的功能。因此，本机组分二级减温，一级减温为过热汽温的粗调，二级减温为过热汽温的细调，两级喷水减温独立控制。如图1－7，河电二期的锅炉系统布置有二级减温水，说明如下：1．低温过热器出口集箱，分割屏过热器入口集箱，为一级减温（单点）。2．过热器后屏出口集箱，末级过热器入口集箱，为二级减温（分两侧）。每一个减温器都设有一个截止阀、减温水流量调整阀，一个毕锁阀，一个流量元件，这些阀门和元件全部布置在炉前墙12米平台处。减温水取自给水泵后、高加前给水母管，因此能保证减温水有足够的压头。运行中，应尽量多地将减温水分配在一级。二)控制原理即便是分成二级减温，对象特性仍表现为大迟延，大惯性。所以每级减温控制都采用导前信号，构成串级调节系统。三）一级减温水控制方案一级减温控制系统原理如图1－8所示。该系统主要初步调节过热蒸汽温度为给定值，按常规可采用一般的单回路控制系统即可达到目标。但我厂一级喷水减温采用主副串级控制，其中主控制器控制后屏出口温度，副调节器控制一级减温器后温度。其控制方法和二级喷水控制设计相似。这种设计方法于一级减温为单点喷水有关。△M/A∑PID1一级过出口温度负荷指令导前汽温-+图１－８一级减温水调节一级减温水指令前馈信号+-F(x)△PID2最低温度控制+1．被调量：测量出后屏出口，即二级减温器入口，A侧及B侧汽温（各双测量），求平均值，作为后屏出口的汽温，即PV；测量出一级减温器后的蒸汽温度，作为导前信号（用三测量）。2．设定值：主调节器设定值是负荷的函数（为了满足机组定压运行和滑压运行等各种运行方式的设定值不同的要求，该系统的设定值由机组负荷指令经一函数发生器F(x)产生。该定值可由运行人员从M/A站上做偏置修改（SETPOINTBIAS）。副调节器设定值由主调节器的输出和最低温度控制系统选大值组成，保证主蒸汽的过热度，确保设备安全。3．调节器：主调节器对测量值（PV）与设定值（SP）之间的偏差进行PI运算，其做为副调节器的输入，最终使喷水调整门开度变化，调节减温水流量，最终PV＝SP。4．前馈控制：为了改善调节品质，克服大惯性对系统品质的影响，也是为了有效地消除减温水的自发扰动，采用了一级减温器后的汽温作为导前信号，设定值加上了给水压力、总风量、主燃料量信号做为前馈，提前反应水、风、煤等重要信号变化。出现扰动时，导前汽温比出口汽温反应得早（快），副调节器可以及时地进行调节，这种设计尤其有利于克服减温水扰动。5．最低温度控制：该功能块主要是为了防止喷水过多，造成蒸汽湿度过大，设置了最低温度控制系统。汽包相对压力（三测量）加绝对大气压0.1013MPa后经一STM-TBLSV元件计算后得出蒸汽的饱和温度，然后加上一给定值（过热度），本系统设计为50℃，和主调节器的输出选大值，得出副调节器的设定值，直接控制一级减温器出口温度。6．超驰关：当出现MFT或汽机跳闸将超驰关闭减温水，但西屋公司不考虑负荷小于x％时应关减温水的情况，我们会在以后的调试工作中加以关注。7．连锁开：当减温水调节阀的开度大于x％（例如2％），则发出一个脉冲信号打开一减隔离门，反过来。当开度小于x％时，经延时，关闭隔离门（由BSCS实现），以彻底关断减温水。8．M/A站的方式a.后屏出口汽温BQ（BQ表示信号品质变坏，通常情况为断线，西屋公司DCS系统设计的2XMTR元件有传感器报警和故障判断功能）b.一级减温器后的汽温BQc.主燃料跳闸，MFT02d.汽机跳闸，TURTRIP5上述任一信号出现，将使M/A站切手动。这项设计中未考虑减温水调整门的控制指令与实际的位置偏差大，后屏出口汽温与设定值之间偏差大。四）二级喷水减温控制系统该系统主要调节主蒸汽温度为给定值，为了克服汽温控制通道的滞后和惯性，采用串级控制系统，由主、副调节器完成控制任务。导前温度发生变化时，副调节器改变减温水量，维持过热器入口汽温在一定范围内，起粗调作用，并由主调节器校正副调节器工作，发出信号使副调节器控制减温