超临界机组热控系统设计改进与优化

超临界机组热控系统设计改进与优化

芦建忠

（同煤大唐塔山第二发电有限责任公司山西省大同市037003）

摘要：提高蒸汽参数和增大机组容量是节约单位成本以及降低机组热耗的一个有效方向，超超临界机组可以有效提升热效率，实现节能减排功能。本文从热控方面入手，对比超超临界机组（以典型的1000MW为例）与超临界机组（以典型的600MW为例），力争对超临界机组有一个更加深入的认知，找出更多的研究突破点。

关键词：超超临界机组热控技术

我国作为一次能源大国，煤炭资源占据了主导地位，这也是我国火力发电长期占发电总量首位，遥遥领先的决定性因素。目前运行的超超临界机组多为600MW和1000MW，目前我国超超临界机组无论从数量还是从容量参数方面都处于世界先进水平。但是对于超超临界的认知仍然有一些认知误区，比如从业人员一般认为在热控设计方面与超临界机组相比没有太大的改进，除了工艺参数方面的区别，其他方面的差别均不是很大。这一方面是因为早前我国国内投入运行的超超临界机组的关键设备及技术都是从国外引进导致，另一方面也是由于从业人员对超超临界机组热控设计认知水平不熟悉导致。因此，本文从热控方面入手，对比超超临界机组（以典型的1000MW为例）与超临界机组（以典型的600MW为例），力争对超临界机组有一个更加深入的认知，找出更多的研究突破点。

一、超临界机组的热控特点

超临界机组直流锅炉在工艺过程和锅炉结构上与亚临界锅炉有很大不同，因此在进行超临界锅炉热控系统设计时，应该根据其热力运行特点进行设计，以满足其大容量、高参数方面的特殊要求，保证锅炉的良好运行状态。超临界机组在热力控制方面有以下几个特点。

（1）汽包环节在超临界锅炉中不存在，它一次性完成给水加热、水蒸发和蒸汽过热的过程，锅炉在不同工况时会运行在亚临界和超临界状态下，因此水的蒸发点会在不同加热段内移动，因此，为了使锅炉运行过程中各点的水、汽温度和湿度控制在合理的范围内，就必须高准确度地调节燃水比、燃风比和减温水量等。

（2）超临界锅炉运行时是汽水一次循环，它不具备汽包储能，因而锅炉的蓄能量较小，具有循环速度快、工艺周期短的特点，所以这就要求热控系统须具备实时性强、控制速度周期短的特性，实现锅炉和控制机组之间的协调，保证控制的及时性和准确性。

（3）超临界机组的热控过程复杂。超临界机组的输入量是给水量、燃烧率等，输出量是蒸汽温度、压力和机组负荷等，因此它作为一个多输入和多输出的控制对象，任何一个输入量的扰动都会对各个输出量产生影响，例如单独改变燃料量，就会影响主蒸汽的温度和压力，因此超临界锅炉热控的关键点是比值控制、便参数调节和变定值调节。

（4）超临界锅炉内不同区段，工质的比容、比热会发生很大变化，当锅炉在不同负荷下运行时，工质压力会在超临界和亚临界之间变化，继而带来了工质物性的剧烈变化，因此超临界锅炉具有强烈的非线性性，具体表现为蒸汽和水的比容、比热、温度等非线性变化，传热和流动非线性变化，并且各参数之间是多元的非线性函数关系，这样就会导致锅炉输出参数会在负荷变化时发生大幅度的变化，这就要求热控系统更加及时、准确，以保证锅炉正常运行。

二、超临界锅炉热控系统的设计

锅炉热控系统设计的基础是PID设计，主要包括以下几个方面：

（1）主蒸汽系统、再热蒸汽系统和汽机旁路系统的设计。超临界过的主蒸汽和再热蒸汽疏水应采用调节阀控制，应该通过检测蒸汽管道中的蒸汽的压力和温度来确定阀门的开度，或者阀门开度与蒸汽压力有相对应的函数关系；主蒸汽流量调节时采用煤水比方法使中间点温度保持在一定值，并且用喷水减温来调节过热蒸汽出口的温度，主蒸汽流量由给水量控制；超临界锅炉的汽机旁路控制系统与亚临界锅炉区别不大，旁路装置作为锅炉的安全门和机组启动。

（2）锅炉启动旁路控制系统的设计。超临界锅炉在设计中增加了启动旁路系统，其作用是防止低温蒸汽在汽轮机中凝结而冲击汽轮机，当负荷变化时，汽水分离器会在湿态和干态下运行，湿态运行时应控制分离器水位和最小给水流量，干态运行时应控制蒸汽温度和最小流量，在湿态运行和干态运行之间转化时，应首先增加燃料，带蒸汽焓值上升后再增加给水量，蒸汽温度由燃水比控制。

（3）给水系统热控设计。超临界锅炉和亚临界锅炉的给水系统热控设计基本一致，主要是控制电动流量调节阀和给液力耦合器，在负荷变化时，二者可以进行切换调节，以满足变化的要求。

（5）凝结水系统热控设计。超临界锅炉的除氧器水位偏差信号直接作用于除氧器水位调节阀和凝水器补水调节阀，控制除氧器水位调节阀时，必须同时兼顾凝汽器水泵流量和凝汽器的水位，这样设计的原因是通过对凝水器水位这个源头的干预来调节除氧器水位，缩短调节时间，加快系统响应速度。

（6）抽汽系统热控设计。抽汽系统设计的关键问题是汽轮机防进水标准的选用，国外设计时在在汽轮机DEH中设置装有差压变送器的抽汽逆止门，国内的设计是在抽汽逆止门前的管道上设有温度测量点，以防止水进入汽轮机，但各国的标准存在一些差异，因此国内设计应该在满足国家标准的基础上借鉴国外的经验。

三、炉侧热控特点

锅炉测热控主要考虑旁路系统，因为旁路可以监视蒸汽压力因而占据重要地位，区别于超临界机组，高压旁路安装位置位于锅炉74m层，有快开功能无快关功能，高压容量配置为100%BMCR，低压容量配置为65%BMCR，这种容量配置的旁路系统结合再热器安全阀（为液动全行程可调节安全阀）能够适用各种情况下的机组运行方式。

四、机侧热控特点

热控在汽轮机测体现的更加明显，我们主要从一次调频和跳闸保护系统方面进行分析。

（1）加入补气阀实现机组一次调频能力。系统有功和频率关联，汽轮机组一次调频能力也是一个重要指标，以往机组的一次调频是采用全周进气节流方式，采用这种方式除了有节流损失外，成本也较高，本文讨论的1000MW的机组通过加装补气阀（全行程可调）来实现机组调频能力，具体安装位置位于原高主门后，高调门前。具体工作流程如下：在机组达到额定工况后，补气阀开启，引入额定进气量5%-10%的新蒸汽，在蒸汽温度约降低30度后进入高压第5级动叶后空间，实现调频功能。可以看出补气阀在具体工作时，不用通过主调门的节流就可以实现调频，这样不仅避免了节流的缺点，还有响应速度快的优点，从而可以更好的增加电网的系统稳定性。这属于1000MW机测热控的一个优点。（2）ETS（跳闸保护系统）保护条件较多。本文所论述的超超临界机组共有31项ETS保护，远远超过了一般600MW机组所设计的ETS保护，新增加了如电机励磁机热风温度高、凝汽器水位高等保护项，这些保护一方面加大了对机组监控能力，提升了系统的安全运行能力，另一方面这些保护的设计均是在理论最严格的条件下设计所得，实际运行时，运行人员应该结合实际，在和汽轮机厂家协调后，适当进行退出部分项，避免不必要的误动作，这就必须要求运行人员具有较高的理论知识。此外本机组无ETS在线试验组件，因为本机ETS保护在DEH中进行判断，省去了在线试验步骤，这在一定程度上降低了系统的复杂度。

五、结语

通过上述分析可以看出，与600MW机组相比，1000MW机组在工艺流程方面变化不大，但是在热控方面有众多独特的特点，总体而言自动化程度更高，测量保护精度更高，相应的系统更加复杂。此外，如今超超临界机组是火力发电机组的大趋势，我国虽然进步巨大，但也应该看到不足，相关从业人员应该进一步学习掌握机组的核心技术，在系统软硬件方面均需要深入分析学习国外最先进的设计成果，争取早日实现设计生产完全国产化。

参考文献：

[1]赵琪.国内百万千瓦超超临界机组汽机旁路选型情况介绍[J].热力透平，2016（2）：77-81.