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东方1000MW超超临界锅炉水燃比控制
作者：王嘉毅
来源：《中国科技纵横》2015年第15期
【摘 要】东方1000MW超超临界锅炉引进日立技术，采用煤跟水的协调控制结构，通过水燃比控制对锅炉负荷指令产生的基本燃料指令进行补偿，产生燃烧率指令。根据水燃比在机组不同运行阶段的不同控制方式，对其结构和各控制对象进行分析，着重介绍干态运行下水燃比对中间点温度的控制，以及现场投用效果。
【关键词】东方锅炉 超超临界机组 水燃比控制 中间点温度
【Abstract】Dongfang 1000MW ultra supercritical boiler introduction of BHK technology， use coal follow water in coordination？control strategy. FW/FR ratio control compensate basic fuel program from boiler input demand， generate the firing rate demand. Based on the different strategy of FW/FR ratio control in different operational states， analyze its structure and control object， focus on intermediate point temperature control in one-through mode and application effect. 【Key words】Dongfang boiler， ultra supercritical unit， FW/FR ratio control， intermediate point temperature
东方锅炉厂引进日立技术生产的1000MW超超临界参数、变压直流锅炉，采用对冲燃烧方式、∏型结构布置。其控制原理属于日系流派，采用煤跟水的协调控制结构。水燃比控制通过对锅炉负荷指令产生的基本燃料指令进行补偿，动态保持燃烧率与给水之间的平衡关系，实现机组各运行阶段的不同控制功能。 1 水燃比控制结构
燃料主控的基本燃料量指令由锅炉负荷指令产生，通过水燃比控制输出和机组变负荷时有效的锅炉动态加速指令（BIR）对其进行补偿，经过水-煤交叉、风-煤交叉限制及BTU修正，产生最终的燃烧率指令，如下图1 所示：
水燃比主控在机组不同运行阶段下分别具有分离器入口升温控制、炉膛排烟温度控制、主汽压力控制和中间点温度控制的功能。当燃料主控手动时，水燃比主控跟踪基本燃料指令与总燃料量的偏差，使燃料主控在切换自动时无扰。当燃料主控自动、水燃比主控手动时，由于煤跟水的协调控制结构，给水指令基本维持锅炉负荷指令对应的给水流量，水燃比主控可以作为燃料的偏置器，手动调整燃烧率与给水之间的比值。当燃料主控和水燃比主控都在自动时，水燃比主控根据当前机组运行状态，选择不同控制对象，通过修正燃料指令，自动调整燃烧率与给水之间的比值，使其达到动态平衡。水燃比主控各阶段控制功能如下图2 所示： 2 湿态水燃比控制
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2.1 分离器入口升温控制
在机组启动阶段，当锅炉点火且主汽压力小于冲转压力时，若水燃比主控自动，则分离器入口升温控制有效。根据分离器入口温度对应的函数，温度较低时对燃料指令进行负方向修正，随着温度升高修正量逐渐归零，达到控制分离器入口温升率的目的。当锅炉升压至冲转压力时，分离器入口升温控制结束。 2.2 炉膛排烟温度控制
在主汽压力达到冲转压力且机组并网之前，若水燃比主控自动，则炉膛排烟温度控制器有效，其目的是为了在机组启动阶段防止燃料过量使再热蒸汽管超温。炉膛排烟温度控制器是一个PI控制器，当炉膛出口烟气温度超过最大设定值时，对燃料指令进行负方向修正，最大修正量为5t/h。机组并网后，炉膛排烟温度控制结束。 2.3 Standby mode
机组并网至旁路全关之前，此时汽机手动控制负荷，主汽压力由旁路控制。为保证汽机全进汽，一般对燃料的操作是维持不变，因此在此期间水燃比无实际控制对象，不论水燃比主控在自动或手动，都处于跟踪状态，跟踪基本燃料指令与总燃料量的偏差。 2.4 主汽压力控制
当旁路全关，汽机全进汽至机组进入干态运行前，若汽机依然维持负荷控制，须由锅炉控制主汽压力，则水燃比切换至主汽压力PI控制器。原因是当锅炉处于湿态循环运行方式时，主汽压力是单由燃料量的多少来决定的，燃料量的增减直接影响分离器的蒸发量；此时改变给水流量只会影响分离器储水箱的液位，不会影响主汽压力（同汽包炉）。因此，在这种工况下，水燃比主控通过燃料量控制主汽压力，直至机组进入干态运行结束。 3 干态水燃比控制（中间点温度控制）
超超临界锅炉在直流工况下是一个多输入、多输出的被控对象，没有汽包环节，在不同运行工况下，其加热区、蒸发区和过热区之间的界限是变动的。为了维持汽水行程中各点的温度、湿度及各区段的位置在规定的范围内，要求控制系统严格地保持燃烧率与给水之间的动态平衡关系。因此，将反映燃料和水关系变化最灵敏的地方称之为中间点温度，锅炉运行中将中间点温度控制在一定范围内，就可以认为锅炉汽水系统中的相变点界面被基本固定住，从而达到了使燃料和水保持一定比值关系的目的，也保证了过热汽温在可控范围内。 3.1 屏过出口温度控制
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根据东锅1000MW超超临界锅炉控制说明，选取与以往不同的屏过出口温度作为中间点温度，在调试和运行过程中也验证了该点对燃料的响应最为灵敏。下图3 为东锅1000MW超超临界锅炉主蒸汽系统过程控制画面。
屏过出口温度设定值由负荷指令MWD产生，其与实际屏过出口温度的偏差被送至积分控制器，同时把温度偏差作为积分控制器的输出前馈，即比例环节与积分环节分开，这样做是为了在变负荷或水燃比超驰动作时，闭锁积分器的增减，防止水燃比控制反向作用和积分饱和。由于在不同负荷下过热蒸汽的压力不同，改变同样蒸汽温度所需要吸收和放出的能量也不同，因此通过蒸汽比热容对比例增益和积分时间常数进行修正。屏过出口温度控制输出由此比例+积分产生。
3.2 水燃比温度控制前馈
为了保证各受热面温度和过热器喷水流量在设计范围之内，将上游顶棚出口温度偏差和过热器总喷水流量控制偏差的比例控制作为前馈加在屏过出口温度控制的比例环节上，协助过热器喷水流量控制，形成最终的水燃比中间点温度控制输出，其原理如下图4 所示： 3.3 水燃比超驰控制
在机组进入干态以后，为了防止顶棚出口过热度过高或过低，在控制系统中设置了根据分离器出口压力产生的顶棚出口温度上限和下限的函数，当顶棚出口温度超过该上限或下限时，水燃比按比例超驰减少或增加燃料，最大超驰量±6t/h（Oil base），同时闭锁屏过出口温度控制的积分环节。
3.4 水燃比温度控制与过热器减温水控制的协调
由于屏过出口温度作为中间点由水燃比控制，因此过热器一级喷水只需要单回路控制，根据东锅1000MW超超临界锅炉控制说明，过热器一级喷水控制一级喷水流量，保证其在各负荷段基本保持在设计流量，并通过各受热面（顶棚出口、低过出口、屏过进口、屏过出口）温度的偏差对流量设定进行修正。过热器二级喷水仍采用常规串级调节，精确控制主汽温度。下图5 为国电汉川电厂5号1000MW机组水燃比控制曲线。 4 结语
东方1000MW超超临界锅炉水燃比控制结合其协调控制方案在控制理念上突出机组全程控制的思想，这就对机组自动化控制水平和设备可靠性提出了更高的要求。其在过热汽温的控制上讲求全系的兼顾，因此在调试过程中尤其需要注意各控制偏差的权重分配及水燃比与喷水减温的协调，保证汽温控制的稳定。同时，在调试和运行中也发现屏过出口温度的变化可以视作主汽压力变化的前馈，中间点温度的稳定，也利于主汽压力控制的稳定；但是通过燃料调节汽温，其惯性时间较长，还受炉膛配风、吹灰状况及煤质变化等燃烧工况的影响，这也是造成东锅煤跟水的控制方案有利于汽压控制、不利于汽温控制的原因之一。