深度调峰机组锅炉干湿态转换优化控制策略研究

深度调峰机组锅炉干湿态转换优化控制策略研究

顾慧卉卢伟

山东电力工程咨询院有限公司  济南  250013

摘要：随着国家“3060”计划的提出，提升火力发电机组的灵活性已经成为大多数大型火力发电厂的当务之急。其中，如何在深度调峰过程中，提升锅炉的干湿态转换效率，是提升火力发电机组变负荷速率的关键因素。本文针对锅炉的干湿态转换过程，进行了相关优化控制策略的研究。

1 前言

直流锅炉在深度调峰中遵循传统规程，以湿态运行方式为主，但在实际运行中，因锅炉炉水循环泵频繁启停而出现泵故障受损、汽轮机水冲击、发电煤耗增加等诸多问题。因此，探索在深度调峰模式下，更利于直流炉运行的干湿态转换控制策略，有很重要的意义。

2直流炉运行特点

直流锅炉是强制循环，直流锅炉中给水在给水泵推动下进入锅炉，经过省煤器、辐射段、对流段，再到过热器中，成为过热蒸汽，送入汽机侧做功。

锅炉运行在本身负荷以上时，水冷壁的水吸热、汽化、过热一次完成。三个阶段在受热面中没有清晰地界面，界面的位置与当前值负荷有关。

根据稳定工况下的热平衡分析，控制主汽温首先需要保证水煤比的控制。从锅炉入口给煤、给水的变化发生到过热器出口工质温度发生对应的变化，存在大约400s的迟延，这显然非常不利于温度控制，所以主汽温控制还需要前馈信号提前反映出水煤比的变化。

直流锅炉一般采用中间点的工质温度作为温控的前馈。在水煤比控制稳定时过热器减温水流量对主汽温度、主汽流量的影响与汽包锅炉一致，而且当直流锅炉湿态运行时减温水流量仍然是温度控制的主要控制量。锅炉干态运行时减温水流量的变化较小，可认为减温水对主蒸汽压力、主蒸汽流量和中间点温度没有影响。

3直流炉变负荷运行模式

超超临界机组运行在在35％BMCR以上时，主汽温到达额定值，50%~100%中再热汽温到达额定值，机组效率受到蒸汽压力影响，与温度关系很小。全工况下，直流锅炉采用定压-滑压-定压方式切换：负荷小于30%BMCR时定压，30%~90%BMCR滑压，90%BMCR以上需要保证在额定压力运行。

（1）定压运行

机组通过改变汽轮机调汽阀门的大小实现变负荷，同时锅炉侧调整给煤以保证蒸汽参数不变。具体过程是：如果汽机侧收到降负荷的指令，调速汽门开度减小，主汽压力升高，锅炉侧为了维持压力不变而减少给煤，从而完成机组降负荷过程；如果汽机侧收到升负荷的指令，调速汽门开度增大，主汽压力减小，锅炉侧为了维持压力不变增加给煤，完成机组升负荷过程。

（2）滑压运行

滑压模式时，锅炉响应负荷指令，汽轮机负贵平衡能量关系。汽轮机调门开度一般开至８０％~９０％，快速增负荷时阀门全开。锅炉侧通过调节给煤和给水改变蒸汽参数，响应负荷的变动。具体过程是：机组收到降负荷指令后，先关小一点调汽阀门，可以在负荷减过量时有调节阀门的裕量；然后压力逐渐升高，给煤减少，压力受到热量影响又变小，调汽阀开大，并渐渐保持阀门的位置不变，完成降低负荷过程。机组增加负荷过程则与此相反。

综上所述，直流锅炉直流模式下，机组处于定压控制，机组负荷以锅炉跟随的方式实现：汽机侧通过调汽门响应负荷指令的增减，锅炉侧通过调节给水量、给煤量维持与汽轮机之间的能量平衡。锅炉完成湿态转干态以后机组采用滑压，机组以汽轮机跟随的方式改变负荷：锅炉侧通过给煤、给水响应负荷的增减要求，汽轮机侧维持调门位置基本不动作。从湿态到干态，机组的锅炉主控、汽机主控的控制系统发生了变化，被控量和控制量发生了变化。

4 直流炉干湿态模式及转换原理

锅炉启动分外置式分离和内置式分离两种方式的系统，内置式分离器常出现在超超临界机组。内置式分离器启动系统按疏水有没有炉水循环泵，存在两种情况：有炉水循环泵的循环系统和没有炉水循环泵的循环系统。

没有炉水循环泵的锅炉启动系统中，从汽水分离器下降的的热水会送至汽机侧的凝汽器或者直接排出系统，当机组在本生负荷附近运行时会损失大量的热量和工质，经济性不高。所以更常见的启动方式是利用循环泵启动。

4.1 湿态运行模式

锅炉湿态模式时，负荷低于30%BMCR，中间点工质的过热度小于０，属于湿蒸汽范围。分离器将工质中的饱和水和饱和蒸汽分开。蒸汽则继续吸收热量成为过热蒸汽；水则进入储水箱，在炉水循环泵的推动作用下回到省煤器入口，重新开始吸热汽化。因此，湿态运行的直流锅炉除了对负荷的控制，还需要控制分离器再循环回路满足当前负荷稳定运行，主要包括水位控制和循环流量控制。

（1）循环流量控制

循环流量控制时，由水位－流量的函数曲线计算目标值。当水位处于或者超过一定的大小，同时炉水循环泵在运转中，比例积分控制系统发挥控制流量的作用，以使循环水流量和水位满足稳定关系。随着蒸发量增加，储水箱水面降低，循环泵阀门开度减少。最终阀门关闭，循环泵不再运转，没有循环流量。

（2）储水箱水位调节阀控制

水位控制还和两个疏水溢流阀门有关，每个阀门有单独的控制程序，使得水箱水位处于不同的范围。湿态模式时，当循环泵的流量控制手段失灵的时候，溢流阀开度增加，作为水位不会超限的保障措施；干态模式时，如果暖管排放阀门出故障不能及时排出热水，则溢流阀也可以发挥作用。

4.2 干态运行模式

锅炉干态运行时，锅炉进入强制循环模式，工质在受热面中完成一次蒸发、过热的过程，没有内循环回路，锅炉的蓄能较小，存在严重非线性。干态模式中加热区、蒸发区和过热区的工质物理特性变化剧烈，热量的传动规律复杂。压力滑动方式下，负荷波动会引起压力敏感反应，波动过大时压力会大范围上下波动。因为蒸汽和水的比容、比压，汽水的压力和温度都存在非线性关系，同时管道传热和管道流量也不是线性的，流量、焓值、温度、压力之间存在非线性多耦合的关系，所以热工过程的惯性时间、增益等参数也是多变不可测的。压力的大范围变动会加剧这种不确定性。

另一方面，直流模式下炉侧和汽机侧的工质直接关联，锅炉主要参数与汽机侧主要参数存在严重耦合关系，机组功率、压力、温度与主汽门开度、给煤量和给水流量都有关系，整个系统是三输入输出的耦合多变量对象。

（1）给水主控

锅炉负荷指令变化的时候蒸发器流量需要及时调节。蒸发器流量通常在省煤器或者水冷壁入口取测点。由负荷指令分配得计算给水流量设定值，同时给水流量的大小受到当前煤量的限制，避免给水过量破坏水煤平衡。另外，如果省煤器入口工质的温度过高可能会发生汽化，破坏设备和管道，所以需要根据省煤器温度对给水流量设定值进行修正，在温度过高时可以及时增加给水。

（2）中间点温度控制

干态运行下分离器出口工质是微过热蒸汽，它的温度可作为主汽温度的超前调节信号，并作为受热面的中间段参数控制合适的微过热汽温可以用于检测水冷壁中的沸腾情况和水冷壁金属管道温度是否超限。分离器出口工质温度由水煤比控制，而中间点焓值可以同时代表流量和热量的大小，根据蒸汽的焓值压力坐标下的等温曲线图选取有利于过热段的温度、压力控制的焓值。

（3）主汽温控制

直流模式下过热汽温的控制是以水煤比为主调，控制目标是维持中间点温度（或焓值）在合适范围内，同时过热减温水为细调手段，在需要微调时通过减温水流量改变主汽温度。

4.3干湿态转换

直流锅炉升负荷和降负荷过程中，干湿态转换是不可能避免的。由前面的分析可知，干湿态切换过程就是，储水箱水位控制与最小流量控制和主汽温度控制与给水控制之间的切换。

具备转干态的条件后，锅炉开始增加给煤量为升负荷补充热量，同时维持给水流量和循环流量的总和在水冷壁最小流量附近。工质蒸发增加，分离器出口的蒸汽流量增加，从分离器回到省煤器入口的循环水流量减少，同时锅炉给水流量增加，补充总给水流量，保证最小流量状态。

第一阶段，中间点过热度随着给煤的增加而上升，分离器入口工质全部蒸发为饱和蒸汽，循环流量为０，锅炉给水流量等于水冷壁流量。控制器切换阶段，省煤器入口依然保持最小流量，给煤量继续增加，中间点温度增高，但过热器入口温度还未达到目标值，温度控制暂时不需要启动。

随着给煤的增加达到设定值并超过设定值，锅炉进入第二阶段。给煤量和给水量配合增加，锅炉进入干压运行方式，温度控制器开始工作，维持中间点温度在设定值。

机组降负荷时，锅炉需要从温度控制切换到水位控制。首先，机组负荷指令降低使得给煤量和给水泵出口的给水流量都减少，汽温受控制器调整仵接近设定值处，直到主蒸汽流量减少至30%BMCR，锅炉开始切换。在给水泵给水流量等于蒸发器最小流量，但是循环水还没有生成。

然后进入切换阶段，给水维持最小流量不变，而接着减少给煤，中间点温度和焓值会降低。到分离器出口工质的过热度等于0，工质正好是饱和蒸汽。锅炉进入第II阶段，给煤继续减少，而给水依然不发生调节，中间点过热度继续低，分离器出现没有汽化的水，储水箱中水位一点点增加。当水位达到循环泵启动需求时，电动调节阀打开，循环泵开始运转。当水位一直上升至疏水阀控制点时，疏水阀开启，实现溢流作用，让水位维持在高限值以下，锅炉运行在湿态。

4.4 深度调峰模式下直流炉干湿态转换优化控制过程

根据目前的相关研究成果，深度调峰模式下，直流炉不转湿态、不启炉水循环泵的干态运行方式更有利于机组实现深度调峰。要实现深度调峰，需要找到机组的干湿态转换点，降负荷时，从湿态运行转为干态运行，升负荷时则相反。

传统转换控制中，核心操作是通过增加给煤、给水增加负荷，转干态自然发生，或者减少给煤、给水降低负荷，湿态自然形成，过程需要保持水冷壁给水流量等于最小流量。还有一种方案是转换过程以给煤量控制为主，给水流量只需要在转换前调整至设定值。

将炉膛、省煤器、蒸发器、分离器看作一个系统，降系统的输入是锅炉给水流量，系统的输出是从分离器出来的蒸汽和分离器出来的下降水。当机组处于25%负荷的湿态稳定运行时，即负荷没有波动，水箱水位固定在正常值，疏水阀关闭，上述系统的输入量等于输出量。

D---分离器出口蒸汽流量（t/h）；

Wi---从分离器到储水箱的下降水（t/h）；

Wx---循环水流量（t/h）；

h---储水箱水位（m）；

Ch---储水箱容量系数。

可知，当给水等于蒸汽流量，循环水等于下降水的时候，水位不变此时通过增加循环泵出口调门开度，增加循环水流量，上边等式的左边大于右边，下降水减少，水位下降；如果此时循环泵出口调节门已经处于全开，还可以通过增加给煤，提高炉膛的热量，水汽化增多，蒸汽流量变多，给水泵给水不变，循环流量暂且不变下降水变少水位降低，并且蒸汽流量越来越多，水位降低，循环流量也会降低，从分离器分离出来的下降水渐渐为零，所有工质在水冷壁里面完成蒸发，机组进入干态运行方式。

综上，在湿态转干态的切换点上，调节给水流量等于当前蒸汽流量后，保持给水不变，缓慢增加给煤，即可实现水箱水位降低，蒸汽流量增加，所有工质在水冷壁中完成一次蒸发，热度大于10℃，锅炉进入干态模式。

5 结语

本文针对深度调峰机组，总结了当前主流的锅炉干湿态转换优化控制策略，可以为大型火力发电机组提供参考，提升锅炉的干湿态转换效率，挖掘机组的深度调峰能力，进一步提升机组灵活性。