MW超超临界机组协调控制策略.pdf

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660MW超超临界机组协调控制策略CoordinatedControlStrategyfor660MWUltra2supercriticalUnit焦健,赵志强（东北电力科学研究院有限公司,辽宁沈阳110006）摘要:

以大唐许昌龙岗公司3号660MW超超临界直流炉机组为例,采用以机组负荷指令为核心的并行前馈控制策略,设计了实用新型的协调控制系统。

在机组整套启动试运期间,进行了负荷变动试验、控制参数优化,取得了很好的控制效果。

关键词:

超超临界机组;协调控制系统;并行前馈控制;燃水比中图分类号TK22912;TK32;TM62116文献标志码B文章编号1004-7913（2010）01-0027-06近年来,随着国民经济的快速发展,大容量超临界单元机组日益增多,660MW超超临界机组已经成为电力系统的主力机组。

超超临界直流锅炉的控制任务虽然与亚临界汽包锅炉的控制任务基本相同,但由于直流炉与汽包锅炉在被控对象上的明显差异,使得直流锅炉的控制比汽包锅炉困难。

超临界机组的直流运行特性、多变量的控制特点对机组的协调控制提出了更高的要求。

本文以大唐许昌龙岗公司3号660MW超超临界直流炉机组为例,总结了机组协调控制系统的设计和调试经验,应用以机组负荷指令为核心的并行前馈控制策略进行协调控制系统设计,提高了机组的负荷适应性和运行稳定性。

1设备及控制系统大唐许昌龙岗公司3号660MW超超临界直流炉机组锅炉为上海锅炉厂有限公司制造,型号为SG-2000/26125-M型。

锅炉为超超临界参数变压直流炉、一次再热、平衡通风、半露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构型锅炉。

煤种为郑煤集团赵家寨矿供煤。

锅炉点火和助燃油采用0号轻柴油,采用少油点火系统。

制粉系统采用中速磨煤机正压直吹式系统,设6台ZGM113G型中速磨煤机,其中1台为备用。

6台耐压计量式给煤机。

空气预热器采用转子转动的容克式三分仓空气预热器。

送风机和一次风机每台炉各配2台动叶可调轴流式风机;引风机每台炉配2台动叶可调轴流式风机;每台锅炉配2台双室5电场静电除尘器。

汽轮机为哈尔滨汽轮机有限责任公司生产的CLN660-2510/600/600型超超临界、一次中间再热、单轴、双背压、凝汽式汽轮机组。

额定功率660MW,最大连续功率700MW。

给水采用单元制系统,按最大运行流量（锅炉最大连续蒸发量,BMCR）工况时相对应的锅炉给水量进行设计。

系统中配置2台50%容量汽动给水泵,每台泵均配有同容量的前置泵。

设置1台电动给水泵,启动时使用。

设置3套50%容量的水环式真空泵,正常运行时2台运行,1台备用,设置2台循环水泵;设置有2100%容量的凝结水泵,一拖二变频调速,1台运行,1台备用;3台高加、1台除氧器、4台低加。

旁路系统采用一级大旁路。

本工程DCS控制设备采用日立公司生产的HI2ACS-5000M分散控制系统,机组共设计自动调节103套。

机组试运首次带大负荷时协调系统投入自动,调节品质良好,系统抗扰动能力强。

2超超临界机组特点211超超临界机组的控制由于超临界机组压力、温度等级的提高（目前运行的超临界机组压力为2425MPa）,理论上在水的状态参数达到临界点时（压力221129MPa、温度374）水的汽化会在一瞬间完成（在临界点时饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的二相区存在,二者的参数不再有区别）。

由于在临界参数下汽水密度相等,在超临界压力下无法维持自然循环（不能再采用汽包锅炉）,所以超超临界机组设计为直流炉型式。

制粉系统一般采用直吹式。

超超临界机组的控制具有以下特点。

722010年第1期东北电力技术a.超超临界直流炉没有汽包环节,给水经加热、蒸发和变成过热蒸汽是一次性连续完成,三段受热面没有固定的分解线。

随着运行工况的不同,锅炉将运行在亚临界或超临界压力下,蒸发点会自动地在一个或多个加热区段内移动,因此燃烧、给水和气温系统的控制密切相关,要求燃水比、风燃比及减温水等调节品质相当高,必须做为一个整体进行控制。

b.在超超临界直流炉中由于没有汽包,锅炉的蓄质和蓄热量小,蓄热能力一般仅为汽包炉的1/3左右。

一方面使超超临界直流炉负荷调节的灵敏性高,可实现快速启停和调节负荷;另一方面由于锅炉蓄热量小,在变负荷过程中可以利用的蓄能少,负荷变动对汽压影响较大,保持汽压比较困难。

c.直流炉中由于没有储能作用的汽包环节,工质在机组内的循环速度上升,要求控制系统应严格地保持负荷与燃烧率之间的关系、燃水比以及燃烧速率与给煤、通风之间在稳态和动态下的平衡关系。

d.在超超临界直流炉直吹式机组中由于省略了煤粉中间储仓,燃烧系统具有大时延和滞后特性进一步增强,动力学响应速度进一步下降,不利于机炉间的协调控制。

e.在超超临界机组中机、炉间存在严重的非线性耦合。

直流锅炉的一次性通过特性、采用滑参数的运行方式,使机组的主要控制参数功率、压力、温度均受到了汽机调门开度、燃料量、给水量的影响。

因此,直流锅炉是一个三输入三输出并具有相互耦合关联极强的被控对象。

只有采用变参数、变结构的控制策略才能保证控制系统具有良好的控制效果。

212超超临界机组的启动21211启动系统的功能超超临界锅炉与亚临界自然循环锅炉由于结构和工作原理不同,启动方法也有较大的差异。

由于没有汽包,直流锅炉需设置专门的启动系统,在锅炉启动前建立足够启动流量和直流之前排除不合格的工质。

超超临界直流锅炉启动系统的主要功能是建立冷态、热态循环清洗,建立启动压力和启动流量,以确保水冷壁运行,最大可能回收启动过程中的工质和热量,提高机组的运行经济性。

本机组锅炉安全启动系统采用带再循环泵的内置式启动系统。

锅炉炉前沿宽度方向垂直布置2只汽水分离器,进出口分别与水冷壁和炉顶过热器相连接。

当机组启动锅炉负荷低于最低直流负荷30%BMCR时,蒸发受热面出口的介质流经分离器进行汽水分离,蒸汽通过分离器上部管接头进入炉顶过热器。

而水则通过2根疏水管道引至连接球体。

连接球体下方设有2根管道分别通至启动循环环泵的入口和大气式扩容器。

在炉水循环中,由分离器分离出来的水往下流到锅炉启动循环泵的入口,通过循环泵提高压力来克服系统的流动阻力和省煤器最小流量控制阀的压降。

水冷壁的最小流量是通过省煤器最小流量控制阀实现控制。

从控制阀出来的水通过省煤器,再进入炉膛水冷壁。

启动时不合格的疏水及汽水膨胀阶段部分疏水被引入大气扩容器中,减压后产生的蒸汽通过管道在炉顶上方排向大气,水进入下部的集水箱。

在启动系统管道进入大气式扩容器前布置2只液动调节阀,称为高水位调节阀（HWL）。

当分离器中的水质不合格或分离器水位过高时,通过该阀将分离器中大量的疏水排入大气式扩容器。

炉水再循环提供了锅炉启动和低负荷时所需的最小流量,选用的循环泵能提供锅炉冷态和热态启动时所需的体积流量。

在启动过程中并不需要像简单疏水系统那样往扩容器进行连续排水,启动循环泵提供了足够的压头来建立冷态和热态启动时循环所需的最小流量。

当锅炉最初启动没有蒸汽产生时,进入省煤器的水可以来自分离器的疏水;有蒸汽产生时,分离器中的水位开始下降,给水泵需启动补充给水,以维持分离器水位。

锅炉进入直流运行方式后,进入蒸发器的水全部变成蒸汽,省煤器的流量完全来自于给水。

21212启动系统运行方式在湿态运行状态下,给水是通过分离器的水位和定流量来控制。

其控制方法类似亚临界控制循环锅炉。

a.从水位控制到温度控制切换最低直流负荷是启动系统的隔离点和锅炉进入干态运行的起始点,在此负荷以下,湿态运行期间省煤器和蒸发器中的流量保持恒定值。

当接近最低直流负荷时,分离器水位消失进入干态,此时蒸汽温度控制可投入使用。

锅炉开始由定压运行转入滑压运行,温度控制系统投入运行,由“煤水比”控制分离器出口的蒸汽温度。

在干态自动方式时循环泵停运。

b.从温度控制到水位控制切换82东北电力技术2010年第1期负荷降低时,从纯直流锅炉方式切换到启动运行方式,由温度控制切换到水位控制。

21213给水启动系统控制方案a.再循环调节阀控制低负荷时负荷小于210MW（最低直流负荷）,再循环调节阀采用单回路调节省煤器入口流量;定值由流量控制总站产生,默认值为启动流量。

运行人员可以手动设定流量定值。

高负荷时负荷大于210MW,再循环调节阀切手动,且再循环泵运行时,再循环调节阀有最小阀位限制（定为30%）。

b.给水系统调节低负荷时负荷小于210MW,上水旁路调节门调节分离器水位（可分为单冲量和三冲量控制,手动选择方式）,汽泵控制给水差压或水位。

高负荷时负荷大于210MW,上水旁路调节门或汽泵调节省煤器入口流量。

流量定值由流量控制总站产生,默认值为启动流量600t/h,运行人员可手动设定流量定值;也可以投入自动,按负荷形成流量定值曲线,控制给水流量。

c.高水位调节阀（HWL）控制在启动系统管道进入大气式扩容器前布置2台液动调节阀（高水位调节阀（HWL）,当分离器水位过高时,可采用手动或自动方式通过该阀将分离器中大量的疏水排入大气式扩容器。

3超超临界机组协调控制策略机炉协调控制系统是将锅炉和汽轮发电机作为一个整体来进行控制,协调锅炉控制系统与汽轮机控制系统的工作,以消除锅炉和汽轮机在动态特性方面的差异,使机组既能适应电网负荷变化的需要,又能保证机组的安全稳定经济运行。

本机组协调主控制系统包括:

负荷指令处理回路、机炉主控制器两大部分。

负荷指令处理回路主要实现AGC目标负荷或运行人员目标负荷的选择、一次调频投切、高低负荷限幅、速率限制、负荷闭锁增减、负荷指令保持/进行选择、辅机跳闸RB、频率校正以及燃料调节回路。

机炉主控制器是协调主控系统的核心,主要实现机炉运行方式选择及切换,机炉主控指令运算等功能。

协调控制系统处于直流方式有基本控制方式、机跟炉控制方式、炉跟机控制方式及机炉协调控制方式。

本机组的协调控制策略采用以机组负荷指令为核心的并行前馈控制法,以炉跟机协调为基础,锅炉和汽机主控同时参与功率和压力调节（汽机调门控制负荷为主、锅炉控制主汽压力为主的控制策略）。

机组负荷指令代表机组应发的功率,也代表锅炉侧应提供的蒸汽功率。

以机组负荷指令为核心的并行控制算法可以避免锅炉内部水、煤、风系统之间耦合,有利于直流炉的快速控制和协调控制。

在并行前馈控制的基础上,合理调整并行前馈量,施以反馈调节,能使机组在变动负荷时获得满意的控制效果。

311锅炉和汽机主控回路将功率偏差和机前压力偏差同时送到汽机主控调节器和锅炉主控调节器,在稳定工况下实发功率等于功率给定值,机前压力等于机前压力给定值。

加负荷时功率偏差为正值,通过汽机调节器开大调节阀,增加实发功率;通过锅炉调节器使燃料量增加（增加蒸汽量）,增加实发功率。

当汽机调节阀开大时会立即引起机前压力下降,尽管此时锅炉已经开始增加燃料量,但机前压力对燃料的响应有一定的惯性和滞后,这时机前压力偏差也为正值,作用于锅炉调节器继续增加燃料量,作用于汽机调节器,使机前压力恢复到压力给定值,要求关小汽机调节阀,协调机炉间动态特性的差异。

协调控制的结果使实发功率与机前压力均与其给定值相等,机组达到新的稳定状态。

合理调整汽机主控制调节器和锅炉主控调节器中的功率偏差和机前压力偏差的配比系数,既能减小机前压力波动,又能提高负荷响应速度,使机组达到最佳的能量供需平衡点。

控制原理如图1所示:

Pt为机前压力;Ptsp为机前压力设定值（滑压时由单元机组负荷指令经函数发生器形成）;Nsp为单元机组负荷指令;Ne为机组负荷。

31111锅炉主控回路在协调方式下锅炉主控指令由以下几部分组成。

a.主汽压力偏差对锅炉主控调节器产生作用,同时功率偏差按照一定比例对锅炉主控调节器产生作用,以加快炉侧调节速度。

b.为加快负荷响应速度,机组负荷指令信号作为前馈主回路,由静态前馈和动态前馈构成。

静态前馈按照物料平衡的原则,通过折线函数F（x）使燃料量快速调整到新平衡点附近。

动态前馈采用负荷指令微分环节,微分时间可变,微分时间在负荷指令变化过程中逐渐减小,负荷指令到位后微分时间为0。

通过动态前馈,可加快燃料调节的动作922010年第1期东北电力技术图1