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超超临界二次再热蒸汽温度控制策略的分析研究

  • 来源: 大发彩票华中电力试验研究所
  • 作者: 袁世通,崔猛,魏庆海,杨亚飞
  • 发布时间: 2017-05-16

0 引言

火电机组的效率主要取决于蒸汽的循环效率,参数越高机组效率越高。自2006年华能玉环1000MW机组投运,百万千瓦超超临界机组在国内快速发展,中国已经成为世界上超超临界机组发展最快、数量最多、容量最大和性能最先进的国家。在此基础上进一步将主汽温度提升到 700℃的研发计划受到高温材料发展的制约,短期内不能得到应用。当前技术背景下,二次再热机组是当前提高火电机组热效率的最有效途径[1]。

采用二次再热的系统,蒸汽在超高压缸、高压缸做功后分别返回锅炉的一次再热器、二次再热器中再次加热,相比一次再热系统,二次再热系统锅炉增加了一级再热。一、二次再热汽温影响因素多,尤其是二次再热机组流程加长导致二次再热汽温响应时间较长,惯性更大,控制更难。

本文以超超临界二次再热机组为对象,研究分析了二次再热蒸汽温度的控制策略,为后续机组的设计和优化提供了参考依据。


1 二次再热汽温控制方式

1.1二次再热温度控制难点

二次再热锅炉与常规的一次再热锅炉相比,增加了一级再热器,对再热汽温的控制增加了难度。世界上运行的二次再热机组,一次、二次再热蒸汽温度达不到设计要求的现象普遍存在。常规一次再热锅炉再热器调温方式通常分烟气侧和蒸汽侧两个方面,烟气侧调温主要采用烟气挡板,蒸汽侧调温主要采用的是喷水减温,然而传统的喷水减温调节方式将大大降低系统效率,不符合二次再热锅炉设计的初衷。于是,亟需二次再热汽温控制方式的分析研究。二次再热蒸汽温度的控制难点主要有[2]:

(1)由于在锅炉结构布置中,主蒸汽、一次再热蒸汽和二次再热蒸汽的受热面交错布置,主蒸汽及一、二次再热汽温的调节方式,相互影响;

(2)在机组运行过程中,负荷波动、蒸汽压力变化、中间点温度、炉内温度场均匀程度、给水温度、磨煤机启停、吹灰器投切等因素都会对再热汽温的控制造成影响,而且这些因素之间还存在耦合关系。

(3)汽温对象具有大惯性、大迟延、非线性的特性,尤其是在变负荷过程中,蒸汽流程增大,整个系统的惯性延迟时间更长,将二次再热蒸汽温度稳定的控制在合理范围内的难度相当大。

(4)由于再热蒸汽温度比热容小,对两侧受热面的汽温偏差比较敏感,相同焓值变化的情况下,再热汽温变化幅度要比主汽温大。

1.2二次再热汽温控制方式

目前,国际上在运行的二次再热机组主要是上世纪投产的美国俄亥俄州电厂#6机组、哈德逊电厂#2机组、大赛迪#2机组、日本川越电厂#1和#2机组、姬路电厂#6机组、丹麦诺加兰德电厂#3机组等等,由于在高温耐热材料、加工工艺、水处理技术、自动控制方面的限制,造成了机组运行经济性较差,出现受热面高温腐蚀、高压缸蠕变等问题[3-5]。

近几年,随着材料工艺的提升,国内二次再热机组得到了快速发展,华能安源电厂和莱芜电厂二次再热机组分别于2015年6月和12月通过168小时试运行,国电泰州电厂二次再热机组于2015年9月通过168小时试运行。此外,在建超超临界二次再热机组达到十余台。

在运行机组中,对主汽温的调节方式依旧采用传统的煤水比结合两级喷水减温进行温度的调节控制。对再热蒸汽烟气侧采用的控制凡是主要有烟气调节挡板、烟气再循环挡板和燃烧器摆角;在蒸汽侧的调节方式有事故喷水、微量喷水和表面式减温器。

在上述几种温度控制方式中,喷水减温方法简单可靠,但会降低整个系统的热效率,正常情况下不宜采用,一般再热器中每喷入1%MCR的减温水,机组热效率降低0.1%~0.2%[4]。事故情况下的喷水减温可以快速降低再热器的温度,从而保护再热器管壁不超温。

再热器大多布置在对流烟道中,且再热汽温比热容较小,所以再热汽温受烟气流量和流速的影响较大,再热汽温的调节主要采用烟气侧的调温方式。


2 烟气分配挡板调温方式分析

烟道分配挡板将尾部烟道竖井分隔为并联的两部分,分别布置一次、二次低温再热器和低温过热器,在挡板后布置省煤器,通过调节挡板开度改变流经两级再热器与过热器的烟气量分配,实现对再热汽温的调节。

图1(a)为安源电厂烟气分配挡板控制系统图,烟气挡板安装在省煤器出口处,该控制系统通过调节烟气挡板分配一次、二次再热器之间的烟气流量来控制一次、二次再热蒸汽温度。在控制逻辑中,PID调节器的设定值为一次再热蒸汽温度设定值与实际温度的偏差,反馈值为二次再热蒸汽温度设定值与实际温度的偏差。通过挡板开度控制进入前后分隔烟道中的烟气份额,改变一二次再热器间的吸热分配比例来达到调节一二次再热器出口温度平衡的目的,防止再热器温度偏低或超温。由于再热器换热过程的惯性时间比较大,在不同工况下的动静态特性差异大,非线性现象严重,因此烟气挡板的PID调节器根据负荷点采用变参数调节。

图1(b)为泰州电厂二次再热机组的烟气分配挡板控制系统图,烟气挡板的安装位置和控制逻辑的设计思想与安源电厂基本相同。

此方法结构简单,操作方便,但是调温时滞性较大,且挡板开度与汽温变化呈非线性关系。

 

3 再循环风挡板调温方式分析

烟气再循环法采用再循环风机从尾部低温烟道(一般为省煤器后)中抽出一部分低温烟气(一般为250~350℃),由锅炉底部送回炉膛,当再循环烟气进入炉膛后,炉膛温度降低,辐射传热减少,而烟气流量增大,对流受热面吸热量上升,改变炉内辐射和对流受热面的吸热量分配,达到调节汽温的目的。

图2为安源电厂再循环风机挡板调整控制主体逻辑,再热蒸汽温度控制系统通过调节烟气再循环量控制一、二次再热蒸汽设定平均值,将一、二次再热实际温度的平均值作为反馈值。为改进控制品质,在控制逻辑中加入了控制前馈量,包括基于机组负荷设定的微分前馈(适应动态过程再热蒸汽温度的整体变化)、燃料量前馈(适应炉膛燃烧负荷的变化,调整稳态下燃料量波动对再热蒸汽温度的影响)和烟气流量及热量的变化量(抑制对流换热的影响,其中水平烟道烟气温度的改变直接影响再热蒸汽温度)。此外,变参数控制的应用能够避免在锅炉不同热负荷下因烟气密度的不同而造成的再循环风机出力改变。

此方案调温幅度大,迟滞小,还可以抑制NOx的生成,减少大气污染。但是也会对主汽温和主汽压产生扰动,而且带有粉尘的高温烟气会对风机叶片造成磨损和腐蚀[2,6]。

 

4. 燃烧器摆角调温方式分析

为了有效解决低负荷时再热蒸汽的调温效果,设计的燃烧器能够上下摆动,通过燃烧器的摆动调节火焰中心的位置,调整炉膛出口的烟气温度,从而改变辐射吸热量与对流吸热量比例,影响高温再热器的吸热量,达到调节再热蒸汽出口温度的目的。由于一二次高再都设置了一部分吸收辐射热的受热面,火焰中心的变化对再热汽温的影响显著,可保证一二次再热器在较大负荷范围内达到额定汽温。此方法调节灵敏,时滞小,但燃烧器倾角不宜过大。

图3为泰州电厂燃烧器摆角调整控制主体逻辑,调节器的设定值为一次、二次再热器出口温度设定值的最大值,反馈值为一次、二次再热器出口测定的最大值和温度修正值之和,防止再热器管道超温。为加快控制作用,改善控制效果,引入负荷指令前馈和磨煤机启停前馈。同时, PID调节器根据负荷指令采用变参数调节方式。

由于一、二次再热汽的蒸汽进出口温度是比较接近的,一、二次再热器受热面面积的比例与一、二次再热吸热量比例也是基本一致的。故一、二次再热器受热面并列布置的形式可保证两次再热器吸热量随负荷变化的趋势是基本相同的。通过摆动燃烧器对火焰中心的调整,可保证一、二次再热器出口汽温都基本达到额定值,两者间本来就不大的吸热量差异再通过尾部烟气挡板的调整达到平衡[8]。

 

5 表面式减温器调温方式分析

日本姬路电厂#6机组的二次再热机组的二次再热汽温调节方式使用的是表面式减温器,该装置布置于二次再热受热面的水平段和垂直段之间[9]。

在表面式减温器内,进入的热流体为二次再热低温段出口蒸汽,冷流体为省煤器进口的给水,通过控制冷流体进入减温器的流量实现二次再热汽温的调节。表面式热交换器中高压给水在小直径管内通过,压力低的二次再热蒸汽在冷却管外侧流过。 

此外,在热交换器进口给水管的调节阀前,设有热交换器旁路管及旁路调节阀,可使给水旁通到紧接在热交换器后的给水管中。当减温器发生泄漏或检修期间,可以关闭热交换器给水系统进、出口的手动截止阀,利用再热器喷水调节二次再热汽温。

表面式热交换器控制二次再热温度的速度快,准确性高,对机组的热效率影响较小,但是该方案会增加设计的复杂性,并增大汽水阻力。


6 结论

本文对目前运行的二次再热超超临界机组的再热汽温调节方式进行了总结,并分析了烟气分配挡板、再循环风挡板、燃烧器摆角和表面式减温器的控制策略。通过分析,各种调温方式各有优缺点,在实际运行中均能达到基本调温要求,但是仍存在较大的优化提升空间。在二次再热机组设计过程中可以根据炉型、煤种、安全等因素选择不同的组合方式,并在控制逻辑组态时采用比较先进的智能控制策略。


参考文献:

[1]李海新.超超临界二次再热锅炉受热面布置及热力计算分析[D].华北电力大学, 2013.

LI Haixin. The Heating Surface Layout and Thermal Analysis of the Double-reheat Ultra-supercritical Boiler[D]. North China Electric Power University, 2013.

[2]赵志丹,郝德锋,王海涛,等. 二次再热超超临界机组再热蒸汽温度控制策略[J].热力发电,2015,44(12):113-118.

ZHAO Zhidan, HAO Defeng, WANG Haitao, et al. Double Reheat Ultra-supercritical Unit Reheat Steam Temperature Control[J]. Thermal Power Generation, 2015, 44(12) :113-118.

[3]赵永明.1350MW二次再热超超临界双轴机组热力系统设计研究[D].华北电力大学, 2013.

ZHAO Yongming. Design Research of the Thermal System of an 1350MW Double Reheat Ultra Supercritical Cross-compound Unit[D]. North China Electric Power University, 2013.

[4]李兵.超临界压力锅炉过热蒸汽再热蒸汽汽温变工况特性研究[D].山东大学, 2008.

Li Bing. Supercritical Pressure Boiler Superheated Steam Reheat Steam Temperature Variable Condition Features [D]. Shandong University, 2013.

[5]刘杨,郭锋.1000MW二次再热机组优化配置[J].能源研究与管理, 2014(1):84-86.

LIU Yang, DENG Feng. 1000MW Double-reheat Unit Optimal Planning[J]. Energy Research and Management, 2014(1):84-86.

[6]林志元,陈荣.二次再热蒸汽温度控制方法的分析[J].自动化与仪器仪表.2015(8):139-140.

LIN Zhiyuan, CHEN Rong. Analysis of Double Reheat Steam Temperature Control Method[J]. Automation and Instrumentation, 2015(8):139-140.

[7]夏良伟.二次再热锅炉参数特点及汽温控制[J].锅炉制造, 2015(1):5-11.

XIA Liangwei. Parameter and Steam Temperature Adjustment for the Boiler with Double Reheat[J]. Boiler Manufacturing, 2015(1):5-11.

[8]刘长良,张永波.二次再热机组汽温联合控制策略仿真[J].自动化与仪表, 2013(11):25-29.

LIU Changliang, ZhangYongbo. Simulation of Conbined Control Strategy of Steam Temperature of Double Reheat Unit[J]. Automation & Instrumentation.2013(11):25-29.

[9]张永波.超超临界二次再热机组汽温控制策略研究[D].华北电力大学, 2013.

ZHANG Yongbo. Study on Steam Temperature Control Strategy of Ultra-supercritical Double Reheat Units[D]. North China Electric Power University, 2013.



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