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超超临界二次再热机组再热汽温控制

  • 来源: 大发彩票华东电力试验研究院
  • 作者: 宋涛
  • 发布时间: 2018-05-16

采用二次再热技术的超超临界机组,在相同参数下可提高机组整体效率的同时相应降低了二氧化碳、氮氧化物等的排放量,是我国火电机组未来重要发展方向。它与同容量的一次再热机组相比,在工艺结构方面有较大差异,如锅炉侧增加了一级再热系统,汽水流程增加;受热面布置更加复杂及采用烟气再循环来减少炉膛吸热量,增加对流受热面吸热量等,使机组的动、静态特性有较大变化。机组正常运行时金属材料的极限参数与设计参数间的裕度较小,对汽温控制精度要求更高,再热蒸汽温度控制系统更加复杂。

一、国内外发展现状

国外二次再热机组的再热汽温调节方式多种多样。丹麦Nordjylland电厂采用烟气再循环与减温水;德国GKM采用汽-汽换热(即采用过热蒸汽加热再热蒸汽)与减温水调节再热汽温;日本姬路第二电厂采用表面式热交换器、烟气挡板、烟气再循环与二次燃烧调节再热汽温。国内各锅炉厂商也分别设计了自己的二次再热蒸汽温度的调节方式,上海锅炉厂生产的二次再热机组主要采用燃烧器摆动、双烟道烟气挡板与喷水减温调节再热汽温;东方锅炉厂二次再热机组采用三烟道烟气挡板、烟气再循环与喷水减温调节再热汽温;哈尔滨锅炉厂则主要采用双烟道烟气挡板、烟气再循环与喷水减温调节再热汽温。

二、再热蒸汽控制难点

二次再热机组相对一次再热机组在系统结构与蒸汽参数上都发生了巨大的变化,由此给二次再热机组汽温系统的控制带来了以下难点:

(1)二次再热系统增加了一套再热系统(包括一路中压旁路系统),使系统更加复杂,子系统之间的耦合性更强,在增加了热力系统的设计和布置难度的同时也改变了锅炉设备内部具有的蓄热能力和热惯性,增加了整个汽温系统控制的难度,加剧了机组协调控制的复杂性。

(2)二次再热机组的一次再热与二次再热汽温达到或超过了620℃,虽然材料性能有所增加,但是不可避免地减小了蒸汽温度控制的裕度,所以对蒸汽温度的控制要求更高。

(3)需要对一次再热蒸汽温度及二次再热蒸汽温度进行分别调节,并且相互之间互不影响,且再热蒸汽温度的调节也不能降低机组运行的热经济性。

三、再热蒸汽控制控制方式静态分析

1、烟气再循环静态响应特性分析

烟气再循环技术是将锅炉尾部低温烟气通过再循环风机重新送回炉膛参与换热。烟气再循环系统的引入降低了炉膛的火焰温度、增加了烟气的体积流量,从而削弱了炉膛内的辐射换热量,强化了尾部受热面的对流换热量,实现主、再热蒸汽吸热量的调整。

烟气再循环率单因素影响特性是在主蒸汽流量保持不变的工况下,调整烟气再循环率偏离设计参数,可以得出如下结果:烟气再循环率增加/减少时,主蒸汽和一、二次再热蒸汽温度均受其影响发生变化,且变化趋势相反。即烟气再循环率增加时,中间点温度逐渐降低、末级过热器进、出口蒸汽温度均呈现降低的趋势;高温一、二次再热器进、出口蒸汽温度均呈现逐渐增加的趋势;烟气再循环率降低时,对主、再热蒸汽温度影响情况正好相反。

2、燃烧器摆角静态响应特性分析

摆动燃烧器技术是通过摆动燃料和空气喷嘴,使炉膛中火焰位置抬高或降低,从而改变热量在主、再热蒸汽之间的分配。燃烧器摆角静态响应特性分析是在其他参数不变情况下,通过改变燃烧器摆角偏离设计参数,可以得出如下结果:燃烧器向上/下摆动时,主蒸汽和一、二次再热蒸汽温度均受其影响发生变化,且变化趋势相反,即燃烧器向上摆动时,中间点温度逐渐降低、末级过热器进、出口蒸汽温度逐渐降低。高温一、二次再热器进、出口蒸汽温度逐渐升高,且出口蒸汽温度比进口蒸汽温度上升幅度大,这表明燃烧器上摆对一、二次高温再热器吸热量的影响比低温再热器要高。燃烧器向下摆动时,对主、再热蒸汽温度影响情况正好相反。

3、烟气挡板静态响应特性分析

哈锅超超临界二次再热锅炉中,尾部双烟道内分别布置低温一次再热器(前烟道)和低温二次再热器(后烟道),烟气挡板通过调整烟气量在一、二次低温再热器之间的分配,而实现一、二次再热汽温的调节。当烟道内烟气份额增加时,低温一次再热器吸热量增加,一次再热蒸汽温度增加,同时,低温二次再热器吸热量减少,二次再热蒸汽温度降低。

四、再热蒸汽控制系统设计

1、烟气再循环控制系统

                                        

图1烟气再循环控制系统

图1是烟气再循环控制系统,其控制目标是通过调节烟气再循环量来消除一、二次再热器出口汽温与设定值的偏差,两级再热蒸汽出口温度的设定值与机组负荷相对应。水平烟道烟气温度、再热器喷水后蒸汽温度及负荷指令作为前馈信号,当其发生变化时,提前施加不同的控制作用以提高控制系统响应速度。当锅炉MFT(主燃料跳闸)时,烟气再循环变频风机保持与汽水分离器压力对应的固定值。由于烟气再循环量大小对过热汽温有较大影响,在过热蒸汽温度过高/过低时,闭锁再循环量进一步减少/增加。机组在整个负荷段内特性变化较大,因此主控制器的参数,随负荷不同而改变。

2、烟气挡板控制

图2烟气挡板控制系统

图2是烟气挡板控制系统,其控制目标是使一次再热蒸汽温度与设定值之间的偏差与二次再热蒸汽温度与设定值之间的偏差相同。机组负荷指令作为前馈信号,通过函数发生器F(x)叠加于调节器输出,F(x)需根据机组实际运行状况进行整定。一次再热器与二次再热器喷水后蒸汽温度偏差变化较快时,提前改变烟气挡板的开度以提高控制系统响应速度。当锅炉发生MFT时,烟气挡板强制开至50%,保证前、后烟道烟气均匀分配。

3、燃烧器摆角控制

燃烧器摆角的控制是开环控制系统,如图3所示。从静态特性分析可以看出,燃烧器摆角的变化,对过热汽温和再热汽温都有影响,且过热汽温与再热汽温变化方向相反,它仅作为再热汽温调节的补充手段。其摆动角度是机组负荷的函数,这种函数关系需要通过燃烧调整试验或者长期的运行经验摸索得到。当过热汽温过高/过低时,将禁止摆角进一步向下/上变化。当锅炉MFT时,燃烧器强制处于水平位置。

图3燃烧器摆角控制系统

4、再热器事故喷水控制

图4再热器事故喷水控制系统

图4是再热器事故喷水控制系统,一次再热和二次再热喷水减温控制方法相同。由于事故喷水要求尽快将汽温降至合理范围,防止超温,因此采用导前微分+PID的控制方式。当锅炉MFT或机组RB工况时,喷水减温阀将被强制关闭。

五、结论

本文对超超临界二次再热机组再热汽温控制方式进行介绍,着重是对汽温控制当中的烟气挡板、燃烧器摆角、烟气再循环、再热器事故喷水这几个控制手段静态特性以及控制系统设计进行介绍。现有的二次再热机组运行经验表明,采用传统的PID及前馈控制方式来调节一、二次再热蒸汽温度是可行的,能满足机组运行要求。随着控制系统的设计和投运经验的不断积累,以及自适应控制、预测控制等现代控制技术的应用,还将进一步提高再热汽温控制系统的品质。


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