乐清电厂4号机组给水控制系统控制策略分析

乐清电厂 4号机组给水控制系统控制策略分析

王方超 吴潇琳

浙江浙能乐清发电有限责任公司，浙江 乐清 325600

摘 要：给水控制系统是火电协调控制系统的重要组成部分，本文根据乐清电厂4号机组给水控制系统逻辑，阐明了给水控制系统的任务、比较了两种燃水比表征策略的不同，并对控制原理进行了详细介绍分析。

关键词：超超临界、给水、焓控、火电

0 引言

乐清发电厂4号机组为660MW超超临界燃煤机组，锅炉采用上海锅炉厂制造的超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，锅炉型号为SG-2031/26.15-M623，采用定-滑-定运行方式，单炉膛、一次中间再热、采用四角切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊Π型结构、露天布置。汽机采用上海汽轮机有限公司和德国SIEMENS公司联合设计制造的超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、反动凝汽式汽轮机，机组型号为N660—25／600／600。给水系统包含两台汽动给水泵，给水泵为卧式、多级筒式泵，型号HPT300-340-6S/27A。

笔者针对乐清发电厂4号机组对其给水控制系统任务、控制策略的选择以及控制原理进行了分析。

1 给水控制系统任务

超超临界机组的汽温控制主要有减温喷水、燃烧器摆角或烟气挡板及燃水比三个手段。其中减温喷水实质上是调整水在水冷壁和过热器之间分配比例，不会影响最终汽温的稳态参数。燃烧器摆角或烟气挡板变化只影响锅炉内的热量在各受热面区段的分配，锅炉内吸收的总热量并未改变，最终的过热汽温也不会改变。所以燃水比才是影响汽温的主要因素，只要控制好燃水比，锅炉的过热汽温就可保持在额定值。

改变燃料量和给水流量均可调整燃水比，但是燃料量控制汽温的迟延时间比用给水流量控制汽温迟延时间大，因此超超临界机组通常采用调节给水流量来实现燃水比控制的控制方案。给水控制系统的主要任务就是根据当前机组参数，给出合理的给水流量设定值调整燃水比从而保证锅炉汽温正常。

2 燃水比表征策略

为了尽快稳定汽温，我们必须要有一个能快速反映燃水比失衡信号。这里有两个思路，一个是用分离器出口处的温度(中间点温度, 也叫微过热温度) 作为燃水比的表征信号。另一个思路是采用分离器出口过热蒸汽的焓值信号。

采用分离器出口作为中间点有以下几点原因：①能快速反应出燃料量的变化,燃料量增加,水冷壁最先吸收燃烧释放的辐射热量,分离器出口温度变化比吸收对流热量的过热器快得多；②中间点选在两级减温器前,基本上不受减温水变化的影响,即使减温水大幅度的变化,锅炉的给水量等于给水泵的入口流量与减温水量之和,中间点温度送出的调节信号仍可保证正确的调节方向；③分离器出口前的受热面系统，已包括了各种类型的受热面(以对流换热为主的省煤器、以辐射换热为主的水冷壁)，能比较全面的反映炉内热量变化的情况。

焓是表示物质内部具有的一种能量的物理量。对于流体(液体、气体)，焓等于热力学能和流动能之和。

在机组负荷大范围变化时，工质压力将在超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。所以焓值比温度反应更快，更能代表给水的做功能力

3 控制方式

图1 乐清电厂给水控制系统SAMA图

乐清电厂给水控制系统逻辑架构如图1所示，主要是水煤比控制、给水焓值控制两种方式。

3.1 水煤比控制

水煤比控制是基于中间点温度为燃水比表征信号的控制方式。乐电4号机组的水煤比控制方案是由锅炉主控的函数直接产生给水量设定值，是一种开环控制方式。

此外，当高加撤出运行时，由于省煤器入口给水温度的快速大幅下降，导致机组的吸热分配比例、吸热量、锅炉效率等一系列参数发生了改变，使得原来的负荷-给水指令无法满足该工况的需求，因此高加投入和撤出时有各自独立的给水量设定值函数。

当给水控制在水煤比控制方式时，主要由运行人员对水煤比和中间点温度进行判断，通过给水偏置对给水量的调整，把水煤比控制在7左右，过热度控制在30℃左右。

3.2 焓值控制

超超临界直流炉机组在稳态工况下，某段连续的受热面组成的系统可以视为稳定流动的开口系统。由热力学第一定律可知，对于一个稳定流动的开口系统而言开口系统内工质所吸收的热量基本等于该工质的焓增与流量之积。因此只要在超超临界直流机组中选取一段稳定流动的开口系统，通过该系统的入口和出口参数计算出焓增，得到系统工质流量的设定值。

乐电4号机组选取从省煤器入口到分离器出口之间的连续受热面作为焓控模式下给水量设定计算的开口系统。这是因为：

①省煤器是经分离器出口前的以对流换热为主的受热面，且省煤器中焓升占工质总焓升中的比例较大，因此选取的参考系统包括省煤器后能全面、稳定的反映炉内热量变化；②省煤器出口焓值经过省煤器环节后，焓值变化滞后，而省煤器入口焓值则直接快速反应省煤器入口水温的变化；③从省煤器入口至分离器出口前工质的焓升已占炉内工质总焓升的3/4左右，且该比例在燃水比或其他工况发生较大变化时变化不大，能稳定的反映炉内热量变化的情况。

选定从省煤器入口到分离器出口的开口系统作为燃水比控制的参考系统后，再考虑到系统可能存在的其他微小吸热量和其他修正因素，我们可以得到给水量设定值的公式：

式中：W_sp为给水量设定值；W_sp0为给水量设计值；h_sepout为分离器出口焓值；h_sepout0为分离器出口设计焓值；h_ecin为省煤器入口焓值；h_ecin0为省煤器入口设计焓值；Q_sep为储水箱吸热；h_q为焓值修正量。

焓值控制就是根据分离器出口焓值为控制对象进行PID运算，输出h_q对给水量进行调整。焓值控制中最大的问题是需要精确的汽水焓值的计算。

此外，机组还在焓控的基础上采用了过热度修正控制方式。当过热度设定值与中间点温度的过热度产生偏差时，PID计算产生的值对焓控输出产生一定的影响，以达到控制中间点过热度的目的。该控制回路的工作条件是焓控在自动的情况下过热度PID控制器才运算，否则控制器输出跟踪到0，考虑到恶劣工况下运行的需要，过热度偏置的可设范围为±20℃，以保证中间点温度在允许范围之类。

4 结论

超超临界机组，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，直接做功的蒸汽质量与总的机组循环工质总质量的比值很高。而且机组锅炉蓄热量很小，不同的负荷段，蓄热能力也不一样，给水量对机组参数和稳定性影响明显。因此好的给水控制策略能够极大提高机组的经济性与安全性。

本文对乐清发电厂4号机组给水控制系统进行了深度分析，为后续优化提供了理论基础。

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作者简介:王方超(1992-)，男，助理工程师，从事火电厂热控系统工作。

吴潇琳（1991—），女，本科，助理工程师，从事火电厂热控系统工作。