亞臨界機(jī)組與**臨界機(jī)組控制策略的差異及分析

時(shí)間：2019-07-06作者：河北國(guó)源電氣股份有限公司瀏覽：139

　　摘 要：本文闡述了亞臨界機(jī)組與**臨界機(jī)組工藝技術(shù)特點(diǎn)的比較與差異，基于兩種不同類型機(jī)組的鍋爐結(jié)構(gòu)、工作原理及啟動(dòng)運(yùn)行方式，結(jié)合熱工控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，對(duì)兩種不同爐型機(jī)組的控制策略進(jìn)行了差異比較與分析，并闡述了作者本人的觀點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞：亞臨界；**臨界；機(jī)組；控制；差異；分析
　　隨著我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展及電力結(jié)構(gòu)的調(diào)整，600MW及以上單機(jī)容量機(jī)組已經(jīng)成為我國(guó)火電發(fā)展的方向并且已經(jīng)成為電網(wǎng)的主力機(jī)組，尤其是**臨界參數(shù)機(jī)組，由于其較低的運(yùn)行成本和高效益，對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷要求響應(yīng)速度快，使得此類型的機(jī)組在現(xiàn)在的電力市場(chǎng)中較具有競(jìng)爭(zhēng)性。
　　一、亞臨界機(jī)組及**臨界機(jī)組的定義
　　水蒸汽的臨界狀態(tài)是指純物質(zhì)的汽、液兩相平衡共有的極限熱力狀態(tài)。在此狀態(tài)時(shí)，飽和液體與飽和蒸汽的熱力狀態(tài)參數(shù)相同，汽液之間的分界面小，因而沒有表面張力，汽化潛熱為零。水蒸汽的臨界溫度T=374.15℃、臨界壓力Tc=22.115兆帕、臨界比容vc=0.00317立方米/千克，臨界焓：2107.3×103焦/千克。在汽、液兩相平衡共存的范圍內(nèi)，包括臨界點(diǎn)，其定壓比熱容、容積熱膨脹系數(shù)、等溫壓縮系數(shù)和絕熱指數(shù)均趨于無限大。亞臨界機(jī)組是指機(jī)組的主蒸汽參數(shù)（壓力、溫度等）均**水蒸汽的臨界參數(shù)，同理，主蒸汽參數(shù)（壓力、溫度等）均**水蒸汽臨界參數(shù)的機(jī)組為**臨界機(jī)組。
　　二、亞臨界機(jī)組與**臨界機(jī)組工藝技術(shù)特點(diǎn)比較
　　1、鍋爐結(jié)構(gòu)
　　亞臨界機(jī)組采用自然循環(huán)鍋爐，鍋爐設(shè)有汽包。
　　**臨界機(jī)組采用的是直流鍋爐，此種鍋爐沒有汽包，但是設(shè)有汽水分離器。汽水分離器在鍋爐濕態(tài)運(yùn)行中起到與亞臨界機(jī)組汽包近乎等同的作用，當(dāng)進(jìn)入直流狀態(tài)后，只作為汽水流程的一個(gè)通道。
　　2、工作原理
　　自然循環(huán)鍋爐其蒸發(fā)受熱面中工質(zhì)的流動(dòng)是依靠下降和上升之間工質(zhì)的密度差來進(jìn)行的。隨著鍋爐容量的增大，特別是壓力的提高，大大增加了自然循環(huán)和汽水分離的困難。因?yàn)楦鶕?jù)水蒸汽性質(zhì)，壓力越高，汽水密度差越小，因此自然循環(huán)形成就越困難和越不可靠，特別是當(dāng)壓力到達(dá)甚至**過臨界壓力時(shí)，自然循環(huán)無法形成。在此情況下，鍋爐蒸發(fā)受熱面中工質(zhì)的流動(dòng)只有依靠外來能源（水泵）來進(jìn)行，**臨界鍋爐就是這種依靠外來能源建立強(qiáng)制流動(dòng)的鍋爐。
　　三、亞臨界機(jī)組與**臨界機(jī)組控制策略差異及其分析
　　基于亞臨界機(jī)組與**臨界機(jī)組鍋爐結(jié)構(gòu)、工作原理及啟動(dòng)方式的差異，在熱工控制策略上，也存在較大的差異。主要差異在于鍋爐給水控制系統(tǒng)、過熱汽溫控制系統(tǒng)及機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。在汽包鍋爐中，給水流量的變化僅影響汽包的水位，而在燃燒率變化時(shí)，僅改變主蒸汽壓力及流量，因此鍋爐的給水量、燃料量、汽溫控制等都是相對(duì)獨(dú)立的，即：給水→水位；燃料量→汽壓及蒸汽流量；噴水→汽溫。在直流鍋爐中，由于沒有汽包，蒸發(fā)與過熱受熱面之間沒有固定的分界線，當(dāng)給水流量或燃料量變化時(shí)，均會(huì)引起蒸發(fā)量、汽溫、汽壓等的同步變化，相互有牽制，關(guān)系密切。
　　1、鍋爐給水控制策略的差異及其分析
　　亞臨界機(jī)組的鍋爐給水控制系統(tǒng)主要任務(wù)是控制汽包水位在允許范圍內(nèi)；**臨界機(jī)組由于沒有汽包，鍋爐給水控制系統(tǒng)的主要任務(wù)不再是控制汽包的水位，鍋爐啟動(dòng)初期控制汽水分離器水位，當(dāng)鍋爐進(jìn)入直流運(yùn)行狀態(tài)后，控制鍋爐的水燃比。
　　1.1、亞臨界機(jī)組鍋爐給水控制策略分析
　　亞臨界機(jī)組鍋爐設(shè)有汽包，鍋爐啟動(dòng)過程中，由于給水流量和主蒸汽流量測(cè)量尚未建立，由單沖量調(diào)節(jié)方式控制汽包水位。當(dāng)鍋爐負(fù)荷大于30%時(shí)，給水流量與主蒸汽流量測(cè)量已經(jīng)建立，汽包水位的控制進(jìn)入三沖量調(diào)節(jié)控制方式，即汽包水位、給水流量及主蒸汽流量，既保證了鍋爐內(nèi)水動(dòng)的循環(huán)，又使給水量隨時(shí)適應(yīng)蒸汽流量的變化，滿足符合變化的需求。亞臨界機(jī)組鍋爐給水控制過程為：30%負(fù)荷以下的單沖量汽包水位控制和30%負(fù)荷以上的三沖量汽包水位控制。
　　1.2、**臨界機(jī)組鍋爐給水控制策略分析
　　**臨界機(jī)組鍋爐沒有汽包，在鍋爐啟動(dòng)前，進(jìn)入分離器的給水流量保持40%負(fù)荷時(shí)的較低流量，燃燒率**40%負(fù)荷時(shí)，鍋爐處于非直流運(yùn)行方式，分離器處于濕態(tài)運(yùn)行，分離器的水位由分離器至除氧器及分離器至擴(kuò)容器的組合控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，給水系統(tǒng)處于循環(huán)工作方式，給水控制方式為分離器水位及較小流量控制方式；當(dāng)鍋爐燃燒率大于40%負(fù)荷時(shí)，鍋爐逐步進(jìn)入直流運(yùn)行狀態(tài)，鍋爐給水控制系統(tǒng)進(jìn)入水燃比控制方式，以汽水分離器出口溫度或焓值作為表征量，保證給水量與燃料量的比例不變，滿足機(jī)組不同負(fù)荷下給水量的要求。
　　2、過熱汽溫控制策略的差異及其分析
　　亞臨界機(jī)組各子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，過熱汽溫的控制手段主要依靠過熱器一級(jí)及二級(jí)噴水減溫。**臨界機(jī)組中，由于各子系統(tǒng)聯(lián)系緊密，過熱汽溫的控制手段以水燃比為主，過熱器一級(jí)及二級(jí)噴水減溫加以輔助。
　　2.1、亞臨界機(jī)組過熱汽溫控制策略分析
　　由于亞臨界機(jī)組鍋爐設(shè)有汽包，汽包起到汽水分離的作用，飽和蒸汽經(jīng)過過熱器加熱成過熱蒸汽然后進(jìn)入汽輪機(jī)。在整個(gè)鍋爐汽水流程中，加熱段、蒸發(fā)段及過熱段都有明顯的分界線，給水量的變化影響汽包水位，燃料量的變化影響主蒸汽流量及壓力，對(duì)于主蒸汽溫度沒有造成很大的影響。因此，亞臨界機(jī)組鍋爐主蒸汽溫度依靠過熱器一級(jí)及二級(jí)噴水減溫承擔(dān)著主要的控制作用。
　　2.2、**臨界機(jī)組過熱汽溫控制策略分析
　　**臨界機(jī)組鍋爐給水泵強(qiáng)制一定流量的給水進(jìn)入爐內(nèi)，一次性地通過省煤器、水冷壁、過熱器。它的循環(huán)倍率始終為1，與負(fù)荷無關(guān)，給水加熱成蒸汽一次完成，汽水通道可看作由加熱段、蒸發(fā)段、過熱段三部分組成。其中蒸發(fā)段是汽、水混合物，隨著管道的往后推移，工質(zhì)由飽和水逐漸被加熱成飽和蒸汽。三段受熱面沒有固定的分界線，隨著給水流量、燃燒率的變化前、后移動(dòng)，使三段受熱面的吸熱量分配比例及與之有關(guān)的三段受熱面面積的比例卻發(fā)生了變化。蒸發(fā)段的前移會(huì)使過熱汽溫偏高，蒸發(fā)段后移則引起過熱汽溫偏低，當(dāng)燃料量和給水量不適應(yīng)時(shí)，過熱汽溫的變化相當(dāng)劇烈，水燃比變化1%，過熱汽溫大約會(huì)有10℃的變化。所以過熱蒸汽溫度的控制關(guān)鍵在于水燃比的控制。
　　3、機(jī)爐協(xié)調(diào)控制策略的差異及其分析
　　鍋爐跟隨為基礎(chǔ)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCBF）為較常用的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)運(yùn)行方式。亞臨界機(jī)組與**臨界機(jī)組鍋爐跟隨為基礎(chǔ)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCBF）的控制策略在設(shè)計(jì)上有著較大的差異。
　　3.1、亞臨界機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)控制策略分析
　　亞臨界機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用的是直接能量平衡（DEB）控制思想，選用汽機(jī)調(diào)速級(jí)壓力（P1）與汽機(jī)自動(dòng)主汽門前壓力（Pt）之比乘以機(jī)前壓力定值（Ps）作為汽機(jī)對(duì)鍋爐的能量需求，即P1*Ps/Pt，該信號(hào)以動(dòng)態(tài)前饋及控制指令的形式控制鍋爐的燃料量，大大加速了鍋爐對(duì)負(fù)荷需求的響應(yīng)。直接能量平衡的主要基礎(chǔ)在于P1/PT代表了汽輪機(jī)調(diào)門的開度，在額定參數(shù)下，汽機(jī)調(diào)門開度的變化反映了汽機(jī)進(jìn)汽量的變化，同樣也反應(yīng)了汽機(jī)對(duì)鍋爐能量需求的變化。機(jī)前壓力定值Ps的改變，反映了鍋爐被控參數(shù)對(duì)鍋爐輸入量需求的變化。因此P1*Ps/Pt反映負(fù)荷對(duì)鍋爐燃燒的需求量，也反映鍋爐主汽壓力對(duì)燃燒的需求量。
　　3.2、**臨界機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)控制策略分析
　　基于**臨界機(jī)組延時(shí)性小，動(dòng)態(tài)過程快的特點(diǎn)，在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制策略上也做了相應(yīng)的加速設(shè)計(jì)，及加入了并行前饋控制的設(shè)計(jì)。并行前饋控制包含靜態(tài)前饋和動(dòng)態(tài)前饋控制兩種方式。靜態(tài)前饋是由鍋爐主控制器指令通過各自的函數(shù)發(fā)生器，并行地形成一套穩(wěn)態(tài)的前饋信號(hào)，送到各自系統(tǒng)，建立一個(gè)穩(wěn)態(tài)的工作點(diǎn)；動(dòng)態(tài)前饋是加速鍋爐響應(yīng)速度的關(guān)鍵，起到先動(dòng)作、早控制的作用。
　　四、結(jié)束語
　　從亞臨界機(jī)組到**臨界機(jī)組，由于兩種爐型在汽水循環(huán)流程上有著很大的差別，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的控制策略也具有很大的差別。亞臨界機(jī)組設(shè)有汽包這類參數(shù)集中的儲(chǔ)能元件，加熱、蒸發(fā)、過熱等各區(qū)段有著明顯的分界線，所以使得各子系統(tǒng)（風(fēng)、水、燃料）之間雖然有耦合關(guān)系，但總的來說還是相對(duì)獨(dú)立的。而**臨界機(jī)組直流爐在汽水流程上的一次性循環(huán)特性，沒有汽包，在直流運(yùn)行狀態(tài)下汽水之間沒有明顯的分界點(diǎn)，給水從省煤器進(jìn)口就被連續(xù)加熱、蒸發(fā)與過熱，各區(qū)段沒有明顯的分界點(diǎn)，在流程中，每一段的長(zhǎng)度都受到燃料、給水、汽機(jī)調(diào)門開度等的擾動(dòng)而變化，從而導(dǎo)致了機(jī)組功率、主汽壓力、過熱汽溫等的變化，各子系統(tǒng)之間非線性耦合關(guān)系緊密。因此，**臨界機(jī)組較亞臨界機(jī)組在控制策略的設(shè)計(jì)上各子系統(tǒng)的聯(lián)系較為緊密、復(fù)雜，自動(dòng)化水平要求也較亞臨界機(jī)組要高。


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