摘要：内蒙古大唐国际锡林浩特某发电公司通过对水煤比优化，针对超超临界660MW机组锅炉燃烧控制系统间耦合性强，在不同工况下的耦合不同工况下控制品质很难控制的负责情况，保证燃烧系统的稳定运行。
关键词：水煤比；控制策略；燃烧系统；
中图分类号： 文献标识码： 文章编号：
Optimization of ultra supercritical water coal ratio control strategy
Shi mingran
(Inner Mongolia Datang International Xilinhot Power Generation Co., ltd, Inner Mongolia xilinhot city, 026000，China)
Abstract：The desulfurization system of a power center of a company in Inner Mongolia Datang International Keshiketeng through the optimization of water-coal ratio, the boiler combustion control system of ultra-supercritical 660 MW unit has strong coupling, and the control quality is difficult to control under different coupling conditions, so as to ensure the stable operation of the combustion system.
Key words：Water coal ratio; control strategy; combustion system;
近年来，随着能源我国经济的飞速发展导致对电力能源的需求量日益增大，目前我国电站向大容量、高参数的方向发展，各地也大力投入新建核能、风能、太阳能、水利等可再生新能源。但是鉴于新能源的诸多隐患及其受季节和天气等环境影响始终难以稳定发电等问题，大容量低污染高效率的火电机组目前从各方面综合考虑仍为一种解决我国电力能源迫切需求的一种方案。
我国的煤炭资源丰富,是世界上最大的煤炭生产国和消费国,也是世界上少数几个以煤炭为主要一次能源的国家之一。己探明的煤炭保有量为1亿万吨,占一次能源的90%以上。国一次能源结构决定了我国发电机中火电机组占绝对优势。2017年底,我国火电机组总容量占电装机总容量的比例为55.17%，前瞻产业研究院《2018-2023年中国风电行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》数据显示，2017年全国累计装机容量达到177703万千瓦，同比增长7.6%，其中：水电、火电、核电装机容量分别达到34119、110604、3582万千瓦，累计增速分别为2.7%、4.3%、6.5%。2017年虽然火电装机仍然占绝对领先地位（62.25%，其中煤电占55.17%，其他火电占7.08%），但较2016年下降了2.03个百分点，虽然下降，仍是主要供应电力方式。
超临界、超超临界火电机组是常规蒸汽动力火电机组的自然发展和延伸。提高蒸汽的初参数蒸汽压力和蒸汽温度一直是提高这类火电厂效率的主要措施。在一定范围内,新蒸汽温度和再热蒸汽温度每提高1℃,机组的耗热就可下降0.25%-0.3%。当蒸汽压力提到高于时就称为超临界机组,习惯上又将超临界机组分为两个层次①常规超临界机组,其主蒸汽22.1MPa压力一般为左右,主蒸汽和再热蒸汽温度为540-560℃②超超临界机组,其主蒸汽25MPa压力为及以上,主蒸汽及再热蒸汽温度为及以上。与常规超临界机组相比,超超临界机组的热效率可提高左右,而相对于亚临界机组其热效率更要高左右。与此同时,超超临界机组的供电煤耗也有较大幅度的降低。
我国燃煤机组发电现状
21世纪以来，我国的经济发展有了质的飞跃，工业用电量的需求量也大大增加。随着火力发电站的建设和国家政策的支持，我国火电站如雨后春笋般的矗立在全国各地。截止2017年底，我国发电机组装机容量达到 177703万千瓦，比去年同时期增长7.6%。全国基建新增发电设备容量 13372 万千瓦，其中火电设备容量新增 4753 万千瓦。由此可见，火电站仍然是我国电能的主要来源。然而，火电站对环境有着较大的考验，燃煤、废弃都会对环境造成危害。
能耗高和环境污染严重是目前我国火电厂中存在的两大突出问题,并成为制约我国力工业乃至整个国民经济发展的重要因素。因此,在能源日趋紧张、环境日益恶化的情况下,为节约能源和减轻环境污染,必须发展洁净煤发电技术,即循环流化床、增压流化床联合循环一、整体煤气化联合循环以及超临界与超超临界技术。发展超临界、超超临界机组是提高我国能源利用率现实可行的选择,其发电净效率为左右,与整体煤气化联合循环发电和一增压流化床燃气蒸汽联合循环发电相当并且超临界、超超临界机组具有良好的负荷调节特性,在部分负荷下依旧能保持较高的效率,基建投资、发电成本也较和一优越,是21世纪电力工业的主力机组。结合我国的能源资源状况和电力技术发展的实际水平等具体因素,当前积极发展作为洁净煤发电技术之一的超临界、超超临界火电技术很有必要。
近几年来，雾霾严重影响了我国人们的生活质量，生态环境问题逐渐成为人们关注的焦点问题，政府也将治理大气污染和节约能源问题提上日程。2014 年我国 600 兆瓦及以上电厂供电标准煤耗为 318 克/千瓦时，同比降低 3 克/千瓦时，距离国家预期的 300 克/千瓦时还有一段差距，但是仍可以看出全国火电机组逐步朝大容量、高参数、高效率、低排放的标准迈进，未来 10 年电力行业将延续可持续发展主题，以实现高效、绿色、节约、可靠的发电机组为目标。锅炉在整个火力发电过程中占据着非常重要的位置，锅炉的运行状态直接影响到整个电厂的运行效率与环保特性。火电厂锅炉内的燃烧过程存在复杂性、非线性、时变性等难控特性，传统的控制技术很难取得令人满意的控制效果。随着智能控制技术的发展与应用，采用智能控制技术优化水煤比，对于提高火电厂安全经济环保运行，具有很大的现实意义。
我厂为超超临界参数、变压运行直流炉，一次中间再热、单炉膛平衡通风、紧身封闭、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构采用两台三分仓回转式空气预热器，π型布置。制造商为东方锅炉（集团）股份有限公司。过热蒸汽流量2072t/h，过热蒸汽压力29.4MPa，过热蒸汽温度605℃，再热蒸汽流量1749.7t/h，锅炉最低稳燃负荷40％。汽轮机为超超临界、一次中间再热、单轴、三缸两排汽直接空冷凝汽式。汽机额定出力660MW。汽轮机设有八级回热抽汽+一次风二次加热系统。制造商为东方汽机（集团）股份有限公司。额定功率660MW，额定主蒸汽压力28Mpa，额定主蒸汽压力600℃，额定热再热蒸汽温度(THA)620℃。机组纯凝汽运行，带基本负荷，并具有一定的调峰能力，其调峰范围为40%～100%机组额定出力，机组应能满足锅炉负荷为40%BMCR 及以上时，投入全部自动装置、锅炉不投油、全部燃煤的条件下长期安全稳定运行的要求，滑压运行的范围暂按40～100%额定负荷。
与汽包锅炉相比直流锅炉在控制上有其特殊性,最显著的区别是,直流锅炉中没有把给水控制系统与汽温控制系统和燃烧控制系统隔离开来。而且超临界直流锅炉是多变量控制系统,直流锅炉的控制任务与汽包锅炉有很大差别。超临界直流锅炉调节系统中,最主要的是给水调节和燃料调节系统,这两个调节系统的正确协调动作与配合,使锅炉的负荷达到要求,也使过热汽温基本稳定。由于燃料量和给水量的变化都对输出功率产生明显影响,所以对于直流锅炉的负荷调节就存在着下列两种不同的原则方案第一种方案是,以燃料量作为协调控制系统的主动调节量,调节负荷或机前压力以给水量作为从动调节量,调节中间点微过热蒸汽温度或烩值,保证燃水比第二种方案是,以给水量为主动调节量,调节负荷或汽压以燃料量为从动调节量,调节微过热段喷水减温器前后温差,保证燃水比,实现过热汽温粗调。
直流炉工作原理
直流锅炉的汽水流程中不设置汽包,而且直流锅炉是由各受热面以及连接这些受热面的管道所组成。锅炉给水依靠给水泵的压头一次性通过预热、蒸发、过热各受热面而变成过热蒸汽,蒸发量等于给水量,故可认为直流锅炉的循环倍率为。在直流锅炉中,给水加热成蒸汽一次性完成,汽水通道可看作由加热段、蒸发段、过热段三部分组成,各受热段如图所示。其中蒸发段是汽、水混合物,随着管道的往后推移,工质由饱和水逐渐被加热成饱和蒸汽。直流炉由于没有汽包进行汽水分离,因此水的加热、蒸发和过热的受热面没有固定的分界线,随着给水流量、燃料量的变化前后移动,使三段受热面的吸热量分配比例及与之有关的三段受热面面积的比例发生了变化。在锅炉吸热和其他条件都不变时,若减小给水量,则只需要吸收较少的热量就可以使水达到沸点,故蒸发段前移,即加热段的长度缩小,蒸发段长度也会缩小,但是锅炉受热管总的长度是不变的,所以过热段长度势必增大,也就是增加了过热器的受热面,因而过热汽温会上升。反之,给水量增大时,过热汽温会下降。这对机组运行极为不利,所以要控制蒸发段的位置。一般来说,要控制蒸发段出口的微过热汽温界,若界偏离规定值,则说明由于燃料量与给水流量比例不当致使蒸发段发生移动,应及时调节燃料量和给水量。
直流炉动态特性
从控制的角度分析,超临界机组可视为一个多输入、多输出对象,其输入为给水量W、燃料量B和汽轮机调节阀门开度,输出为发电量N主蒸汽压力P和主蒸汽温度T。在所有参数控制中,主蒸汽温度T的控制最为困难,因为燃料量和给水流量的比例对它有严重影响。对于一般超临界压力锅炉,燃料量和给水量的比例变化1%,将使变化8-10℃。在实际超临界机组控制中,喷水减温仅作为主蒸汽温度的精细调节手段,而在汽水流程上选择一点(一般选择在微过热区),其温度较之T对燃料量和给水量变化的反应更为迅速。设计控制系统维持不变,以减少喷水减温调节的困难。超临界直流锅炉在运行过程中经常受到各种扰动,如汽机调门开度扰动、燃料量扰动等,各种扰动下的动态特性示意如图所示。
汽轮机调门开度扰动对压力、温度、功率的影响。假定汽轮机调门开度阶跃增加,压力降低导致锅炉蓄热释放,蒸汽流量急剧增加,功率也显著上升,由于燃料量没有发生变化,功率又逐渐恢复到原来的水平压力随着锅炉蓄热的释放逐渐降低最后稳定中间点温度在蒸汽流量增加后略微降低,由于燃料量和给水流量没有变化,随着蒸汽流量恢复回升到原来的水平。燃料量扰动对压力、温度、功率的影响。假定燃料量阶跃增加,由于加热段和蒸发段缩短锅炉储水量减少,在燃料量扰动后经过一个较短的延迟,机组蒸发量会向增加的方向变化,也使压力、功率、温度增加。但是如果给水量没有改变,不能维持上升趋势。由于燃水比增加,蒸发段提前,中间点温度上升至一定水平。给水流量扰动对压力、温度、功率的影响。假定给水流量阶跃增加,由于加热段、蒸发段延长,而推出一部分蒸汽,因此初期压力和功率是增加的,但由于过热段缩短使汽温下降,减温水系统减少减温水流量以维持汽温,最终使压力和功率恢复到原来水平由于燃水比减小,蒸发段延后,中间点温度下降至一定水平。
超超临界直流锅炉过热汽温的调节以燃水比作为主调手段,这是由工质的特性和直流锅炉的灵敏性决定的。直流锅炉的汽水行程既无汽包,也没有小循环回路,在给水泵的动力作用下,给水一次性的流过加热段、蒸发段和过热段,加热段、蒸发段和过热段没有严格固定的界限。当燃料量与给水量的比例失调时,三个受热段的面积将发生变化,吸热比例也将随之改变,这将直接影响出口蒸汽的参数,尤其是出口汽温的数值。如当燃料量增加时,蒸发段与过热段之间的汽水行程将前移,即加热、蒸发段缩短,过热段伸长,过热段面积增加,过热器出口汽温升高反之,如果给水流量增大,则加热段、蒸发段后移,过热段面积减小,过热器出口温度降低。可见直流锅炉如果发生燃水比失调,将引起出口汽温发生很大波动。当负荷指令与目标负荷绝对值偏差大于0.2不超过10s时，分离器出口温度目标值与水冷壁出口温度计算值乘以锅炉指令进行PID运算，并通过水煤比主控、燃料主控手动等选择最终输出水煤比指令。并通过分离器出口温度目标值与水冷壁出口温度进行PID运算得出水煤比校正值。
当水煤比保持不变时，过热器出口蒸汽焓值不变。当负荷偏差时，通过调节水煤比偏差作用于锅炉主控汽机主控，调节燃料主控和给水主控。当然，通过经验值将作用于燃料主控的水煤比偏置限制为±50T/h,通过强化水煤比（燃料主控）响应，水煤比（给水）跟随其变化进行调整，从而达到调节过热气温。为了维持主蒸汽温度，必须严格控制水煤比，通过对不同负荷下不同中间点温度反馈修正，可以在燃料量及给水量扰动的情况下，中间温度的快速响应，比较直观反应的体现工质的工况。从曲线可以看出，对于负荷变化响应，很好的保证了系统的稳定。
结束语
超超临界机组控制的难点就是系统的强祸合性和时变性。汽温、汽压等参数随工况变化会无规律地波动,并且相互影响,相互作用,无法单独控制,要解决这一难点必须按照荷要求严格控制好燃水比。在直流锅炉中给水变成过热蒸汽是一次完成的,锅炉的蒸发量不仅决定于燃料量,同时也决定于给水流量。因此超超临界机组的给水控制、燃料控制密切相关,互相影响。为此,本文以锡林浩特某电厂超超临界直流锅炉为研究对象,研究了超超临界直流锅炉燃水比调节,对燃水比调节提出了一种有效的控制策略，提高了系统对运行过程中的波动抗干扰性。
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论文作者:石明然 张卫宝 杨国春 杨会敏 和占强
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/16
标签：锅炉论文; 机组论文; 超临界论文; 蒸汽论文; 燃料论文; 温度论文; 火电论文; 《当代电力文化》2019年第9期论文;