600MW超临界机组控制技术.docx
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1、超临界机组的自动发电AGC把握江苏省电力试验争论院2023 年 7 月1. 超临界机组的特性1.1 临界火电机组的技术特点超临界火电机组的参数、容量及效率超临界机组是指过热器出口主蒸汽压力超过 22.129MPa。目前运行的超临界机组运行压力均为 24MPa25MPa,理论上认为,在水的状态参数到达临界点时 (压力22.129MPa、温度 374.),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分。由于在临界参数下汽水密度相等,因此在超临界压力下无法维持自然循环,即不再能承受汽包锅炉,直流锅炉成为唯一型式。提高蒸汽参数并与进展大容量机
2、组相结合是提高常规火电厂效率及降低单位容量造价最有效的途径。与同容量亚临界火电机组的热效率相比,承受超临界参数可在理论上提高效率 2%2.5%,承受超超临界参数可提高 4%5%。目前,世界上先进的超临界机组效率已到达 47%49%。1.2 超临界机组的启动特点超临界锅炉与亚临界自然循环锅炉的构造和工作原理不同,启动方法也有较大的差异,超临界锅炉与自然循环锅炉相比,有以下的启动特点:1.2.1 设置特地的启动旁路系统直流锅炉的启动特点是在锅炉点火前就必需不连续的向锅炉进水,建立足够的启动流量,以保证给水连续不断的强制流经受热面,使其得到冷却。一般高参数大容量的直流锅炉都承受单元制系统,在单元制系
3、统启动中,汽轮机要求暖机、冲转的蒸汽在相应的进汽压力下具有 50以上的过热度,其目的是防止低温蒸汽送入汽轮机后分散,造成汽轮机的水冲击,因此直流炉需要设置特地的启动旁路系统来排解这些不合格的工质。1.2.2 配置汽水分别器和疏水回收系统超临界机组运行在正常范围内,锅炉给水靠给水泵压头直接流过省煤器、水冷壁和过热器,直流运行状态的负荷从锅炉满负荷到直流最小负荷。直流最小负荷一般为25%45%。低于该直流最小负荷,给水流量要保持恒定。例如在 20%负荷时,最小流量为 30%意味着在水冷壁出口有 20%的饱和蒸汽和 10%的饱和水,这种汽水混合物必需在水冷壁出口处分别,干饱和蒸汽被送入过热器,因而在
4、低负荷时超临界锅炉需要汽水分别器和疏水回收系统,疏水回收系统是超临界锅炉在低负荷工作时必需的另一个系统,它的作用是使锅炉安全牢靠的启动并使其热损失最小。常用的疏水系统有三种类型:扩容式疏水系统、疏水热交换器式系统和关心循环泵式系统,具有不同的构造和不同的效率。1.2.3 启动前锅炉要建立启动压力和启动流量启动压力是指直流锅炉在启动过程中水冷壁中工质具有的压力。启动压力上升,汽水体积质量差减小,锅炉水动力特性稳定,工质膨胀小,并且易于把握膨胀过程,但启动压力越高对屏式过热器和再热器和过热器的保护越不利。启动流量是指直流锅炉在启动过程中锅炉的给水流量。2. 超临界机组的启动系统2.1 超临界机组启
5、动系统功能及形式2.1.1 启动系统功能超临界直流锅炉启动系统的主要功能是建立冷态、热态循环清洗、建立启动压力和启动流量、以确保水冷壁安全运行;最大可能地回收启动过程中的工质和热量、提高机组的运行经济性;对蒸汽管道系统暖管。 启动系统主要由启动分别器及其汽侧和水侧的连接收道、阀门等组成,有些启动系统还带有启动循环泵、热交换器和疏水扩容器。2.1.2 启动系统形式超临界直流锅炉的启动系统按形式分为内置式和外置式启动分别器 2 种:外置式启动分别器系统只在机组启动和停运过程中投入运行,而在正常运行时解列于系统之外; 内置式启动分别器系统在锅炉启停及正常运行过程中均投入运行。不同的是在锅炉启停及低负
6、荷运行期间汽水分别器湿态运行,起汽水分别作用,而在锅炉正常运行期间汽水分别器只作蒸汽通道。2.2 启动系统的把握外置式启动分别器系统的优点是:分别器属于中压容器一般压力为 7 MPa,设计制造简洁,投资本钱低。 缺点是:在启动系统解列或投运前后过热汽温波动较大, 难以把握,对汽轮机运行不利;切除或投运分别器时操作较简洁,不适应快速启停的要求;机组正常运行时,外置式分别器处于冷态,在停炉进展到确定阶段要投入分别器时, 对分别器产生较大的热冲击;系统简洁,阀门多,修理工作量大。内置式分别器启动系统由于系统简洁及运行操作便利,适合于机组调峰要求。在直流锅炉进展初承受外置式启动分别系统,随着超临界技术
7、进展,目前大型超临界锅炉均承受内置式启动分别器系统。内置式分别器启动系统由于疏水回收系统不同,根本可分为扩容器式、循环泵式和热交换器式 3 种。在这里介绍哈尔滨锅炉厂生产的HG-1950/25.4-YM1 型锅炉,承受超临界压力、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、全悬吊构造型布置的前后墙对冲燃烧方式的本生型直流锅炉,启动系统承受工质和热量回收效果好的带再循环泵的内置式启动分别器系统,其构造如图 2.1 所示:图 2.1 HG-1950/25.4-YM1 型锅炉内置式启动分别系统带再循环泵的内置式启动分别器系统由以下设备组成。1) 启动再循环泵锅炉启动时,锅炉管路冲洗和上水冲洗完毕后,
8、如满足启动允许条件:循环泵冷却水流量正常、循环泵出口隔离阀关闭、最小流量隔离阀关闭、贮水箱水位正常、再循环调整阀关闭,运行人员可以手动启动循环泵。在降负荷过程中,假设负荷40%锅炉最大连续蒸发量BMCR、燃烧器在燃烧、且满足循环泵启动允许条件,则循环泵自动启动。 在启动循环泵一段时间内,假设最小流量隔离阀和启动再循环隔离阀都未开, 再循环泵跳闸。2) 最小流量隔离阀循环泵启动后 5s 联锁开启最小流量隔离阀。在锅炉运行过程中, 假设循环泵在运行,再循环流量大于定值时,隔离阀自动关闭;当再循环流量超过低限时,隔离阀自动翻开。3) 再循环隔离阀循环泵启动后 5s 联锁翻开再循环隔离阀,循环泵停顿联
9、锁关闭再循环隔离阀。4) 过冷水隔离阀为防止循环泵入口水饱和汽化,威逼循环泵安全,系统设计了一路从省煤器入口过来的过冷水到循环泵入口,以增加循环泵入口水的过冷度。 当循环泵入口水的过冷度小于 20,过冷水隔离阀自动翻开过冷度大于 30时,过冷水隔离阀自动关闭。5) 再循环调整阀调整贮水箱水位在设计范围内。6) 大、小溢流阀当再循环调阀无法调整贮水箱在正常水位时,小溢流阀先翻开;当水位连续上升超过某一高度时,大溢流阀也翻开;当水位恢复到正常时,大、小溢流阀自动关闭。为了安全,当锅炉压力比较高时,联锁关闭溢流阀。7) 大、小溢流调整阀大、小溢流调整阀对贮水箱水位进开放环调整,水位在某一个范围内变化
10、时,溢流调整阀从 0%开到 100%。2.3 启动系统运行2.3.1 启动过程直流之前:锅炉给水泵把握分别器水位,负荷渐渐增加,始终到纯直流负荷方式后切换到中间点焓值自动把握方式。启动之前:依据冷态、温态、热态启动方式,挨次启动锅炉相关的辅机;贮水箱水位由再循环调整阀和大、小溢流调整阀把握。启动阶段:省煤器入口的给水流量保持在某个最小常数值;当燃料量渐渐增加时, 随之产生的蒸汽量也增加,从分别器下降管返回的水量渐渐减小,分别器入口湿蒸汽的焓值增加。直流点:分别器入口蒸汽干度到达,饱和蒸汽流入分别器,此时没有水可分别#锅炉给水流量仍保持在某个最小常数值。蒸汽升温阶段:给水流量仍不变,燃烧率连续增
11、加,在分别器中的蒸汽渐渐地过热, 分别器出口实际焓值仍低于设定值,温度把握还未起作用。所以此时增加的燃烧率不是用来产生的蒸汽,而是用来提高直流锅炉运行方式所需的蒸汽蓄热,到分别器出口的蒸汽焓值到达设定值,进一步增加燃烧率,使焓值超过设定值。中间点温度把握阶段:进一步增加燃烧率#给水量相应增加,锅炉开头由定压运行转入滑压运行。焓值把握系统投入运行,分别器出口的蒸汽温度由(煤水比)把握。当锅炉负荷增加至 35%,锅炉正式转入干态运行。2.3.2 停机过程机组降负荷:从纯直流锅炉方式切换到启动运行方式,机组把握方式由温度把握切换到水位把握的过程。中间点温度把握阶段:锅炉负荷指令同时削减燃烧率和给水流
12、量,焓值把握系统自动。 给水流量渐渐削减,到达最低直流负荷流量。蒸汽降温阶段:给水流量仍不变,燃烧率连续减小,在分别器中蒸汽过热度降低, 开头有水分别出。直流点:蒸汽过热度完全消逝,流入分别器的蒸汽呈饱和状态。启动阶段:进一步减小燃烧率,给水流量不变,分别器入口蒸汽湿度增加,贮水箱中开头积水,水位把握开头动作,再循环调整阀和大、小溢流调整阀自动调整水位。3. 超临界机组的协调与 AGC 把握3.1 超临界机组 CCS 及 AGC 把握中的难点3.1.1 机、炉之间耦合严峻超临界机组把握难点之一在于其非线性耦合,使得常规的把握系统难以到达优良的把握效果。由于直流锅炉在汽水流程上的一次性通过的特性
13、,没有汽包这类参数集中的储能元件,在直流运行状态汽水之间没有一个明确的分界点,给水从省煤器进口开头就被连续加热、蒸发与过热,依据工质水、湿蒸汽与过热蒸汽物理性能的差异,可以划分为加热段、蒸发段与过热段三大局部,在流程中每一段的长度都受到燃料、给水、汽机调门开度的扰动而发生变化,从而导致了功率、压力、温度的变化。直流锅炉汽水一次性通过的特性,使超临界锅炉动态特性受末端阻力的影响远比汽包锅炉大。当汽机主汽阀开度发生变化,影响了机组的功率,同时也直接影响了锅炉出口末端阻力特性 , 转变了锅炉的被控特性。由于没有汽包的缓冲,汽机侧对直流锅炉的影响远大于对汽包锅炉的影响。3.1.2 猛烈的非线性超临界机
14、组承受超临界参数的蒸汽,其机组的运行方式承受滑参数运行,机组在大范围的变负荷运行中,压力运行在 10MPa25MPa.之间。超临界机组实际运行在超临界和亚临界两种工况下,在亚临界运行工况工质具有加热段、蒸发段与过热段三大局部, 在超临界运行工况汽水的密度一样,水在瞬间转化为蒸汽,因此在超临界运行方式和亚临界运行方式机组具有完全不同的把握特性,是特性简洁多变的被控对象。因此在设计把握方案时假设不考虑自适应变参数把握,将使自动把握系统很在机组整个协调负荷范围均到达满足的品质。3.1.3 机组蓄热力气小、锅炉响应慢与AGC运行方式下要求快速变负荷的冲突超临界机组蒸发区的工质贮量与金属质量相比同参数的
15、汽包炉要小得多,因而其变负荷时依靠降低压力所释放的能量较少,而锅炉侧多承受直吹式制粉系统,存在较大的延迟特性,使得在快速变负荷时机、炉两侧能量供求的不平衡现象尤为严峻,易造成主控参数的大幅波动。但对于电网把握而言,为了用电侧频繁变化下维持频率和联络线交换功率的稳定, 发给各机组的AGC指令也是频繁波动的,并要求机组实际负荷能以较快的响应速度跟随调度指令。图1.1是2023年6月8日17:3019:00江苏电网调度EMS系统对华能太仓#4机 组600MW的AGC指令曲线,从图中可看出AGC指令每隔23分钟即会变化一次, 而且常常来回反向动作,假设机组协调把握系统设计得不好,在这种负荷扰动下极易造
16、成运行的不稳定。图 3.1600MW 机组AGC 指令变化曲线3.2 国内外目前把握方案介绍目前,国内大型火电机组的把握系统多为国外进口,协调把握方案或依据国外厂家的设计做局部改进,或参照国内同类机组把握方案进展设计,对于直流炉机组由于应用在国内时间较短,在协调把握策略上根本上都沿用了国外 DCS 厂家的原设计,以下分别分析各家 DCS 公司的协调把握方案技术特点:1) FOXBORO 公司设计了基于 BF 的 CCS 和基于 TF 的 CCS 两种协调把握方式见图 3.2,其中 BF-CCS 时机侧同时调功和调压以防止压力偏差过大,并将负荷指令经过惯性环节后才进入汽机功率调整器,以在变负荷初
17、始阶段减缓汽机侧的动作速度,防止由于锅炉的的大惯性而使指控参数消灭大幅波动,锅炉侧调压并承受负荷指令和汽机调门等效开度的 DEB 指令做前馈以加速响应。TF-CCS 时锅炉侧调功并引入负荷指令信号作前馈,汽机调压回路引入功率偏差,利用锅炉蓄能,削减功率波动,可称作综合型协调把握。图 3.2 FOXBORO 超临界机组协调把握方案煤水比把握见图 3.3上首先依据燃料量指令计算对应的设计给水流量,并依据分别器出口温度与设计值偏差推断目前的给水流量计算值是否适宜,并相应的增减省煤器入口给水流量指令。把握回路中还同时设计了减温水校正功能,根本思想是:假设系统目前的减温水流量高于设计流量,则应适当下调分
18、别器出口温度的设定值,削减给水流量,以使机组工作于效率较高的工况下。图 3.3 FOXBORO 公司超临界机组煤水比把握方案2) 日立公司把握方案日立公司的协调把握方案与 FOXBORO 公司设计的基于 BF 的 CCS 较类似,只不过在锅炉指令的前馈处理上未使用 DEB 信号,而直接承受负荷指令 UD 经超前滞后处理后引入燃料量、风量、给水回路中补偿锅炉侧的相应滞后,汽机侧功率回路也同样承受主汽压力偏差修正负荷指令的方法防止主汽压力波动过大。煤水比把握上日立公司承受焓值计算校正功能见图 3.4,这样可避开由于水蒸汽在不同工况下的不同焓温特性而造成调整偏差,首先依据分别器出口压力计算出当前工况
19、下的过热器入口焓设定初值,该焓值经过当前减温水与设计值的偏差或者分别器温度与当前值的偏差校正后产生过热器入口焓设定终值,该最终设定值与过热器入口实际焓进入焓值校正 PID 运算得出给水流量附加值,该值加上由锅炉指令经煤水比曲线和惯性延迟后产生的给水流量初始指令而得出最终的省煤器入口流量指令。方案中同时还设计了给水温度校正回路,通过省煤器出口实际焓与当前工况下的设计焓值比较来修正给水流量的设定值,从而可提前一步消退由于高压加热器故障等因素造成的给水温度扰动。图 3.4 日立公司煤水比修正把握方案3) 西门子公司把握方案西门子公司在超临界机组协调把握上见图 3.5承受汽机侧纯调功,锅炉侧调压并承受
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