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邹县1000MW超超临界机组热工自动设计特点分析

北极星电力网技术频道    作者:孟祥荣 魏丰年 刘志敏   2009/3/31 17:24:43   

  所属频道:  火力发电    关键词:  超超临界机组 控制策略

邹县1000MW超超临界机组热工自动设计特点分析
孟祥荣 魏丰年 刘志敏
(山东电力研究院,山东 济南,250002)

摘要:本文结合邹县电厂1000MW机组现场调试,介绍了自动控制系统的设计特点,同时介绍了调试过程中出现的问题和处理过程,对同类机组的调试和生产具有一定的借鉴作用。
关键词:超超临界机组 控制策略 RB 水燃比
华电国际邹县发电厂#7机组为国内最早的超超临界1000MW燃煤汽轮发电机组之一,也是我院调试的首台1000MW超超临界机组。锅炉由东方锅炉(集团)股份有限公司、BHK、BHDB制造;汽轮发电机组由东方汽轮机厂、日立制造;制粉系统采用沈阳重型机械厂生产的双进双出滚筒式磨煤机;DCS采用艾默生公司生产的OVATION控制系统,锅炉控制方案由日立公司提供,DEH为日立公司H-5000M。
该机组从热效率、设计、控制特性和设计制造都达到了世界先进水平,与超临界、常规亚临界有诸多不同之处,值得我们进一步研究和学习,本文将对自动控制系统的设计特点和调试中出现的问题进行分析。
1、机组热力系统变化引起控制特性发生变化
超超临界机组的一次性通过特性决定了必须采用直流锅炉,系统结构的变化导致自动控制的任务和控制对象特性发生巨大变化。
(1)动态特性随负荷大范围变化,呈现很强的非线性特性和变参数特性;尤其是为了适应调峰的需要,超临界机组常采用复合变压运行,这样就意味着超临界机组实际上也要在亚临界区运行,由于亚/超临界区工质物性的巨大差异,使得超临界机组在亚/超临界区转换时的动态特性的差异尤为显著;
(2)由于没有汽包,工质流和能量流相互耦合,致使各个控制回路之间存在着很强的非线性耦合,机、炉之间影响更加严重;
(3)蓄热能力较亚临界汽包炉更小,对外扰响应更快、更大,易于发生超温、超压,如机组负荷、汽机调门对主汽压力、主汽温度的影响更加明显;
(4) 由于超超临界直流炉的汽水流程与亚临界汽包炉不同,部分系统的控制任务或特性发生变化,如给水系统、减温水控制系统。
2、热工自动的设计特点
为适应超超临界机组的控制特性的变化,热工自动控制策略设计与常规亚临界机组发生明显不同,根据邹县1000MW机组控制方案,分析总结如下:

2.1非线性控制技术广泛应用

超临界机组重要特殊之处在于机组具有强烈的非线性特性。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。如水燃比调节的温度对象,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。
解决被控对象非线性特性的最有效的手段是非线性函数的应用,这些函数主要用于解决动态参数调整和系统之间静态配合。下面分别举例说明。
1)变参数控制在控制系统中经常被用于解决被控对象的非线性,在超超临界机组控制上应用尤其明显。例如为处理锅炉主控中主汽压力的非线性动态特性,在锅炉主控系统设计时,控制器采用变参数控制,控制器的动态参数全部采用外部设定的方式,如图1所示

图1 锅炉主控调节器框图
动态参数随机组负荷指令的变化而变化。f4(x)对调节器的比例系数进行调整,是机组目标负荷指令的函数f(MW);积分作用对积分增益进行调整,根据负荷的变化分两种情况:稳定工况,即机组负荷变化幅度小、速度慢的情况下,增益调整系数是负荷指令的函数,调节器的入口偏差在进入积分器前与函数f3(x)相乘;变负荷时,即负荷变化幅度较大,速率较快的运行工况下,考虑瞬间的能量不平衡与主汽压力的非线性特性无关,宜采用常数控制,如果使用变参数控制反而会增加系统的扰动。
2)系统之间的静态配合非线性函数常用于物质之间匹配或前馈系统的设定上。如图2水燃比控制中四个非线性函数的应用就是明显的例子。

图2水燃比控制原理图
函数f1(x)是水燃比控制的负荷前馈系数,不同的负荷对应的不同的前馈,当机组负荷变化时,水燃比的前馈增益系数随负荷的变化而变化;
函数f2(x) 和f3(x)是给水和燃料指令的生成函数,接受BID作为输入信号,扣除煤质和控制品质等影响,可以完成给水和燃料的基本配合,保证蒸汽温度的基本稳定,也是广义水燃比控制的一部分。图3是邹县1000MW机组的给水和燃烧率指令曲线,为了便于比较,图中的数据以1000MW为标准工况进行了标“1”处理,从图中可以看出,为保证在不同负荷工况下,给水量和燃烧率基本平衡,但给水和燃烧率的曲线并不是完全重叠的,这主要是由于锅炉特性决定的。如果该函数配置合理,在任一工况下,给水量和燃烧率基本平衡,大大减少水燃比控制器的调节幅度,有利于保持蒸汽温度的稳定。 

图3 给水燃烧率配合曲线

2.2 系统之间的交叉限制更加重要

超超临界机组比亚临界机组由于控制参数更高,机组蓄热更小,各被控参数的惯性时间常数相对减小,一旦出现物质或者能量之间的不平衡,会造成机组参数的巨大波动,如不能及时控制事故的发展,很可能危及机组的安全,因此系统之间的交叉限制尤其重要,它的主要作用就是在系统之间的物质或能量出现不平衡时,及时限制相关系统的进一步动作,以维持系统之间的稳定。
(1) 交叉限制主要项目
水-燃料比、风-燃料比的平衡是锅炉稳定运行不可缺少的,它能引起蒸汽温度大幅变化 ,燃烧不稳定。燃料-给水和风-燃料之间是相互影响的,因此锅炉输入量的变化不能超出预定的比率。
a) 燃料→给水降低: 防止主蒸汽温度下降。
b) 给水→燃料降低 : 防止主蒸汽温度上升。
c) 燃料→给水升高 : 防止主蒸汽温度上升。
d) 风→燃料降低 : 燃烧不稳定,因过剩空气率降低产生黑烟。
e) 燃料→风升高 : 燃烧不稳定,因过剩空气率降低产生黑烟。
其中给水和燃料之间的交叉限制主要保证在机组变化过程中蒸汽温度的稳定,使锅炉保持平衡以防止锅炉过热;风煤之间的交叉限制与常规的亚临界机组相似,实现加煤先加风,减煤后减风的目的,以保证燃烧稳定,同时不致因过剩空气率降低产生黑烟,增加不完全燃烧损失。
(2) 交叉限制系统构成
图4是交叉限制系统的构成原理图,燃料至给水的限制是双向的,燃料增加,给水指令必须增加,燃料减少给水量必须减少;但给水至燃料是单向的,给水减少,燃料减少,给水增加,燃料不一定增加,主要是防止锅炉超温;燃料至送风的限制与亚临界机组一样为单向的,加煤必须先加风,减煤后减风的控制要求。图5是交叉限制系统的作用关系曲线。


图4交叉限制系统原理图


图5 交叉限制关系曲线
(3) 交叉限制时控制方式切换
a) 当交叉限制检测到给水流量导致燃料指令增加时,燃料指令采用由给水流量对应的最小燃料量信号。
b) 当在风-燃料间交叉限制操作时,风量控制只采用燃料量对应的总风量,风-燃料比保持不变,氧量校正功能被闭锁,跟踪当前风量指令,防止控制超调。
c)当在给水-燃料间交叉限制操作时,给水指令采用由燃料对应的最大或最小给水流量指令,RB过程中超过预定时间(30分钟)后,给水-燃料交叉限制取消,以便稳定设备运行。

2.3 动态补偿环节以弥补系统之间的特性差异

在整个机组控制系统中包含许多的需要互相配合的控制对象,如锅炉与汽机、给水与燃料、燃料与送风、送风与引风、容量风与料位等,但被控对象之间往往存在巨大的差异,为弥补各控制系统之间的特性差异,大量的动态补偿环节被广泛应用,以提高机组的负荷响应性和控制的稳定性。

  1. 锅炉输入率需求(BIR)

BIR是锅炉输入加速度,主要是为了满足机组在负荷快速变化时各系统的平衡。大家知道,每一负荷下的锅炉输入静态平衡由与各相关控制子回路如给水、燃料量和风的需求信号来维持,但在负荷快速变化时,只靠该功能还远远不够,由于各参数对机组负荷变化的响应特性不同,惯性时间常数长短不一,考虑到整个锅炉的动态平衡,就要提供锅炉输入速率需求指令并将其加到各自子控制回路需求信号上作为前馈信号,被称为锅炉输入加速度。下面是BIR功能说明的一个例子。

图6 BIR示意图

图7 功率补偿环节
从图7中可以看出,汽机、锅炉同时接受经速率和上下限处理后的机组目标负荷指令,实现机炉之间的能量基本平衡,但由于锅炉和汽机之间的动态特性不同,在汽机主控回路设计了动态补偿回路。如AGC或操作员设定的目标负荷增加时,速率限制后的输出增加,在正常控制情况下,锅炉输入指令和汽机主控随之增加,为消除二者之间的差异,在汽机侧加上一负向的补偿环节,以弥补锅炉响应速度慢的特点,补偿的幅度和作用时间与负荷变化率有关。补偿时间的设置如图8所示。

图8 汽机主控的动态补偿时间与负荷变化率关系曲线
图中f(t)是时间模块,其传递函数为,其中t是负荷变化率的函数,整个微分补偿传递函数为,其输出与机组负荷指令的变化方向正好相反,当机组负荷指令增加时,动态补偿的输出为负值,使汽机主控的输出变化减小,锅炉输入指令的变化大,反之,负荷指令减少,补偿块的输出为正值,汽机主控减负荷速度变小,起到了弥补锅炉惯性时间常数大的缺陷,补偿了锅炉、汽机之间的动态特性差异,但负荷控制的跟踪效果变差。
该功能适应于对机组负荷控制要求不高或带基本负荷的机组,AGC机组会导致控制误差增加,对于参加AGC的机组,建议在调试过程中取消该功能。

  1. MSP生成回路


图9 主汽压力设定值回路
主蒸汽压力设定值基于目标负荷产生,图9为主汽压力设定值回路,图中f1(x)是压力定值产生函数,滑压定值曲线与常规机组的相同,采用定-滑-定的模式,①是主汽压力定值曲线。
在变压运行负荷变化时,虽然压力设定值随负荷的增加(减少)而增加(减少) ,由主蒸汽压力偏差产生的额外压力补偿对控制系统产生扰动,为防止这种情况,在主蒸汽压力设定值加动态补偿环节,补偿时间常数根据负荷调整,对应关系如图中②曲线所示。

2.4 前馈控制广泛应用,加强系统静态配合作用,提高控制速度。

前馈控制是对扰动信号进行直接控制,扰动量是控制的依据,由于它不经过调节器的计算,直接作用于控制机构,在控制系统中起到快速消除扰动的作用。
超超临界机组由于缺少了汽包这个大蓄热部件,控制对象的动态特性发生了明显的改变,被控对象的惯性时间常数大大减小,控制的快速性要求提高,为适应超超临界的快速性特点,所以在控制系统中使用了大量的前馈控制功能,大部分系统设计为前馈-反馈复合控制系统,利用前馈控制实现控制的快速性,反馈控制保证控制精度。尤其是具有同一扰动量的控制系统之间需要配合时,前馈控制回路又起到了系统静态配合的作用,通过二者之间的前馈增益的设置,使两参数之间能够快速地完成物质或能量的基本平衡,减少被控对象的波动幅度。
如机、炉控制的主要控制目的是协调二者之间的能量平衡,维持主汽压力的稳定,负荷指令的变化就是二者共同的外扰,所以在协调控制系统的设计中采用了负荷指令前馈控制,在负荷指令变化的瞬间,燃烧率和汽机调门同时动作,如果将机组看成一个统一的整体,输入能量和输出能量是平衡的,之所以还会有主汽压力的波动,是由于锅炉和汽机的不同动态特性决定的,经过相应的动态补偿环节可以降低压力波动的幅度。
超超临界机组的给水、燃烧率之间也是一对关系非常密切的控制量,只有保持燃料释放热量和给水变成蒸汽吸收热量平衡,才能既满足汽机蒸汽需求,又保持蒸汽温度的稳定,否则就会引起蒸汽温度大幅波动,影响机组的效率,甚至危及机组安全运行,所以二者的配合尤其重要,因此通过前馈控制实现水燃比的合理配置,而水燃比控制器只起到微调和修正的作用,如果二者的前馈配置不合理,就会造成水燃比控制器的调整幅度加大,且控制品质也会明显变坏。
类似的系统在控制系统中还有很多,如送风、引风之间的前馈作用,配合直流炉的双进双出制粉系统中容量风与料位控制之间等等,在超超临界机组中,由于特性差异前馈功能的作用变得更加重要。

2.5 变压运行方式

滑压控制是指机组主汽压力随机组负荷变化而变化,汽机调门开度基本不变,节流损失减小,机组效率具有明显提高。锅炉蓄热量是主汽压力的函数,主汽压力升高,锅炉蓄热增加,主汽压力减小,锅炉蓄热减小,因此滑压运行方式下,机组负荷变化的同时锅炉蓄热量也发生变化,变化方向与负荷变化方向相同,加剧了主汽压力的波动,蓄热量越大造成的压力波动越大,不利于机组的稳定,直流锅炉蓄热量小,惯性时间常数减小,在主动变负荷时,主汽压力能够快速响应,非常适应于滑压运行方式,所以超超临界机组大都选择滑压运行方式。
3、常见问题及处理

3.1 磨煤机制粉系统的优化引起锅炉协调控制的巨大波动

邹县电厂采用双进双出的磨煤机制粉系统,利用容量风流量代替入炉煤量,给水燃比控制带来巨大困难,主要是容量风测量的诸多不确定因素严重影响了入炉煤量的测量。①取样管的泄漏、堵塞等均对风量测量产生一定影响,需要很好的维护才能保证。②磨煤机料位的变化,由于锅炉指令的不断变化,随着容量风挡板的改变,磨煤机的料位发生改变,影响进入锅炉的一次风的风粉浓度,进而影响实际的瞬时入炉煤量。③磨煤机的运行工况、磨煤机的煤粉分离器调整严重影响着磨煤机的风煤比或风粉比例。④料位的控制与测量水平也对入炉煤量的测量产生一定影响。
因此如何保证瞬时入炉煤量的测量是关键,如#7机组投运后进行了制粉系统调整,调整前后磨煤机的风煤比发生了巨大变化,试运期间,满负荷对应容量风量为400T/H左右,制粉系统调整后,满负荷对应的容量风流量达到600 T/H左右,制粉系统调整前磨煤机的风煤比(容量风与给煤量之比)为0.8~1.0之间,系统调整后风煤比接近1.5,原有的给水流量和燃料量的配置函数已经不能满足控制的需要,严重影响了机组协调控制系统的控制效果
如要彻底解决上述问题,一种方法是每次大小修后或间隔一定时间重新整定给水流量和燃料量的配合函数;第二修改完善相应的控制方案,①引入磨煤机的风煤比信号进行实时调节,保证容量风量与实际的入炉煤基本吻合,②利用风粉在线系统中可靠稳定的煤粉浓度信号计算出相应的瞬时入炉煤量与给水量进行匹配。

3.2 水燃比控制对RB功能的影响

由于在RB过程中,机组的负荷为开环控制,锅炉侧只需维持合适的燃烧率使之与目标负荷基本相符即可,主蒸汽压力调节由汽机主控维持,主蒸汽温度作为直流炉中的非常重要的信号,只能依靠水燃比的控制实现,如果控制效果不好,造成蒸汽温度的大幅度波动,危及汽轮机组的安全运行。
按照修正方式分类,水燃比控制方案又可分为比例调整和偏置调整两种,两者具有相同之处,也有不同点,在实际应用中各有优缺点,邹县电厂采用比例调整的修正方式。
比例调整方案就是在给水和燃料同时接受锅炉主控制器的控制信号同时,水燃比控制信号对给水(燃料)进行比例修正,以达到调节汽温的目的。偏置调整方案同比例调整不同之处在于水燃比控制通过增加偏置量对给水(燃料)指令进行修正。
两种控制方案均是通过非线性函数完成给水流量和燃料量的理论配合,水燃比控制信号对给水(燃料)指令进行修正,以维持蒸汽温度。在机组稳定工况或负荷变化较慢的情况下,均可通过水燃比的调整达到汽温控制的目的,但在负荷大幅变化的工况,易造成系统的不稳定。
邹县电厂采用的为比例调整的修正方式,在RUNBACK工况下,机组要从稳定工况快速调整到另一工况,短时间工况变化巨大,水燃比无法正常调节,一般设计为保持当前的控制信号,在煤质变化不大的情况下,给水和燃料的比例值应该是固定的,但偏置调整量应随机组负荷工况的变化而变化,因此比例调整的控制方案更加合适。

3.3直流锅炉的特性引起的蒸汽温度和管壁温度控制之间的矛盾

由于超临界直流炉与亚临界汽包炉的汽水流程不同,造成了直流炉的汽温控制主要以水燃比为主,减温水调节只能进行蒸汽温度的微调。亚临界汽包锅炉,在燃料量不变的情况下,通过改变减温水流量,可以改变进入汽机的蒸汽流量,从而调整主蒸汽的温度;超临界直流炉在稳定工况下,当锅炉的水燃比保持不变,汽水行程中某点工质的温度保持不变,仅调整减温水的流量,不能改变机组主蒸汽的温度。
在直流的热力系统中,当机组的负荷不变,主汽压力不变,水燃比保持不变的情况下,减温水流量增加,势必造成水冷壁中给水流量的减少,炉膛中的吸热量降低,烟道中的烟气热量增大,虽然短时间内过热器局部温度降低,但烟气温度升高,过热器的管壁温度升高,给锅炉造成爆管的危险,反之亦然。
因此要同时保证蒸汽温度和管壁温度,锅炉控制必须以水燃比控制为主,控制合适的减温水量,合理分配锅炉各部分的吸热量。
4、结束语
由于超临界机组中直流锅炉的汽水一次性循环特性,造成了超临界直流机组的控制发生了巨大变化,与常规的亚临界汽包炉有很大不同,需要对其控制特点进一步研究,本文主要对超超临界机组的控制特点进行了分析,并对出现的问题进行分析和探讨,希望能对相同类型的机组具有一定的参考价值。

参 考 文 献

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作者简介
孟祥荣 1970年出生,山东高密,硕士,高级工程师,从事电厂热控系统技术监督、生产服务和调试工作。

来源:山东电力研究院
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