浅议电厂超临界锅炉的给水控制系统

侯文博郭星

摘要：锅炉是发电机组的主要设备之一，与亚临界采用汽包炉不同的是，超临界机组采用直流锅炉。给水控制系统作为直流锅炉控制系统中的一个重要子系统，关系着整个机组的安全、稳定运行。同时对提高机组效率与降低设备损耗有着重要的作用，研究直流锅炉给水控制系统有着重要的作用。本文笔者探讨了电厂超临界锅炉的给水控制系统。

关键词：超临界锅炉；给水控制；直流锅炉

引言

超临界机组是指过热器出口主蒸汽压力超过22.125MPa。目前运行的超临界机组运行压力均为24-25MPa。理论上认为，在水的状态参数达到临界点时，水的汽化会在一瞬间完成，即在临界点时饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽水共存的二相区存在，二者的参数不再有区别。由于在临界参数下汽水密度相等，因此在赶临界压力下无法维持自然循环，即不能再采用汽包锅炉，直流锅炉成为唯一型式。超临界机组不仅提高煤炭利用率，而且是降低环境污染有效而经济的途径之一。

一、超临界直流锅炉的控制特点

直流锅炉机组控制难点在于非线性耦合，常规的控制系统难以达到优良的控制效果。

（1）超超临界直流锅炉机组是一个多输入多输出的被控对象，相互间存在藕合，单一变量发生改变将影响其他参数的输出质量；（2）相对于汽包炉来说，直流锅炉汽水转变一次性完成，锅炉的蒸发量不仅取决于燃料量，同时也取决于给水量；（3）汽温调节的主要方式是调节水煤比，辅助手段是喷水减温或烟气侧调节。直流锅炉中由于没有固定的汽水分界面，随着给水流量和燃料量的变化，受热面的省煤段、蒸发段、过热段长度发生变化，汽温随着发生变化，为了避免主汽温调节的滞后，以分离器工质温度（中间点温度）作为超前信号，由水煤比作为主要调节手段，以喷水减温作为细调，达到精确控制主蒸汽温度。

二、直流锅炉给水控制系统工艺流程

直流锅炉给水工艺流程可近似划分为五个系统：给水泵系统，分离器系统，循环输水系统，蒸汽过热系统和旁路系统。超临界直流锅炉给水工作主要有4个阶段：

（1）锅炉上水、冲洗阶段，采用定值的给水流量控制，完成锅炉上水、冷态冲、洗以及点火后的热态冲洗过程。（2）工质参数提升（升温升压）阶段，第一阶段完成后，进入升温升压阶段，给水进入流体循环阶段。此时分离器处于湿态运行，水位由分离器至扩容器以及至除氧器回路控制阀调节。给水泵供给固定流量，在旁路系统的帮助下，完成工质参数的提升。（3）炉水循环阶段，在机组启动、运行初期，直流锅炉处于湿态运行阶段，为了保证水冷壁的安全，必须保持最小工质流量。其中一部分由给水泵系统提供，保证储水箱的水位稳定，另外一部分由锅炉强制循环泵提供。（4）直流锅炉直流运行阶段，分离器处于干态运行，成为（过热）蒸汽通道。此时循环泵调节阀逐渐减低至关闭，给水流量逐渐加大。当分离器中的工质全部转变为微过热蒸汽时，给水量等于蒸发量，实现分离器有水位控制转化到锅炉直流工作方式下的给水控制。

三、超临界机组给水系统控制方案

1、给水控制系统的指令

在机组燃烧率低于35%BMCR，锅炉处于非直流运行方式，给水控制保持35%BMCR流量指令，通过大小溢流阀及锅炉再循环阀控制分离器水位；当锅炉进入直流运行阶段，分离器处于干态运行，成为蒸汽通道，此时给水控制任务不仅是应负荷需求调整省煤器入口流量，还要调整微过热汽温达到期望的设定值，实现过热主汽温的粗调。给水流量指令的形成：

（1）基本指令：锅炉的燃烧率指令通过相应的函数F（x），经过三阶惯性环节计算出理想的主蒸汽流量和减温喷水流量，两者相减作为给水流量的基本指令，一方面使燃水比保持一致以保证过热汽温基本不变，另一方面是快速响应负荷变化。三阶惯性环节的作用是使快速的给水流量变化与慢速的燃烧过程相适应，保证负荷动态响应过程的匹配。

（2）分离器中间点温度修正燃水比：微过热汽温能迅速反映燃水比的改变，采用微过热汽温调节器的指令乘以给水流量定值形成最终的给水流量指令，送至3台给水泵流量控制子回路。同样，微过热温度设定值加以一阶惯性环节的动态修正，使其与实际的物理过程相匹配。调节器采用变参数控制，以保证不同负荷工况点的调节品质。

（3）减温喷水量与给水量的协调：直流炉在干态运行时，水汽转换一次完成，稳定流动时给水量（包含减温水流量）等于蒸发量。通过一减前后温差（代表减温喷水量）调节器的输出修正分离器出口温度的设定值，间接修正燃水比。温差调节器的目的是使减温水量在不同的负荷点时上作在适当的位置，提高燃烧经济性，但校正作用相对缓慢。

2、给水系统控制方案

（1）锅炉湿态运行时给水控制方案

调节给水流量是为了满足产汽量和蒸汽温度控制的要求。在启动和低于本生负荷（30%BMCR）运行时，省煤器和水冷壁必须维持30%BMCR的最小通流量，以保证水冷壁在任何时候都能得到足够的冷却。这样就需要锅炉再循环泵从贮水箱将分离器分离出的给水泵入省煤器入口，再经过水冷壁、折焰角回路、分离器、返回贮水箱。在开始蒸发时，通过增加给水量和减少循环流量来维持水冷壁30%BMCR的流量。

在稳定状态下，循环流量是由贮水箱水位确定的，给水泵流量是本生流量与循环流量之间的差值。当蒸发开始后，水冷壁中的汽水混合物在分离器中分离，饱和蒸汽进入过热器，饱和水返回到贮水箱。由于产生蒸汽，贮水箱水位下降，循环流量减少，增加给水流量去维持进入水冷壁的本生流量。当负荷增加到本生负荷时，贮水箱水位降到最低，循环泵控制阀关闭，当循环流量降低到约20%泵的设计流量时，最小流量截止阀开启，泵在最小流量下运行。随后锅炉完全在纯直流状态下运行，给水流量与蒸汽流量相匹配。循环泵在45%BMCR负荷下自动停运或在贮水箱低水位下跳闸，贮水箱水位由水位控制切换到限制流量模式下运行。循环泵在约35%BMCR负荷下自动启动，将汽水分离器分离出来的水泵回省煤器入口。

（2）锅炉干态运行时给水控制方案

在超临界机组中要保证主蒸汽温度的稳定，必须要控制汽水流程，控制蒸发点。一般通过控制燃水比来粗调主蒸汽温度，通过过热减温水来细调主蒸汽温度。理论和实践证明要保证直流锅炉的过热汽温的稳定，维持一定的燃水比并且通过控制汽水流程中某一点（通常取分离器出口处）的焓值为负荷的函数是切实有效的手段。由于该点位于整个汽水流程的前部，因此该点焓值（温度）对燃水比失调的反应快，惯性和迟延时间均较小。当给水量或燃烧率扰动时，汽水流程中各点土质温度的动态特性相似；在锅炉的燃水比保持不变时（稳定工况），汽水流程中某点上质的焓值就保持不变。对于定压运行锅炉，由于压力一定，微过热点的温度就可以代表该点的焓值。对于滑压运行机组，由于压力变化范围很大（上述机组50%-90%负荷间对应的压力变化为15.3-24.2MPa），应采用微过热点焓值作为燃水比校正信号。

采用微过热点焓值（或温度）作为超临界直流炉燃水比失调的校正信号，还由于该点工质的焓增占锅炉一次蒸汽总焓增的75%左右，当负荷或运行工况变化较大时，虽然微过热点前受热而吸热比例有所变化，但是其吸热量占所有受热而的总吸热量的比例变化较小。因此过热点的焓值（或温度）具有一定的代表性，保持它不变，锅炉出口汽温一般也不会有太大的变化。

结束语

综上所述，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。超临界直流锅炉具有发电效率高、负荷适应性强等特点，是未来大型锅炉的发展趋势，深入研究并掌握其动态特性是十分重要的。

参考文献

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[2]李红词超临界锅炉的给水控制系统[J].电气自动化，2008，30（4）