600MW超临界循环流化床锅炉控制系统探究

莫凡

摘 要：超临界循环流化床锅炉具有燃烧效率高、污染排放低等一系列的优点，但是目前锅炉控制系统的技术相对不完善，对超临界循环流化床锅炉控制系统的协调控制、煤量控制、风量控制以及给水控制等环节进行了研究与设计，以期为超临界循环流化床锅炉在发电系统中的推广和应用提供一定的借鉴。

关键词：600MW超临界 循环流化床 锅炉控制系统设计 实验

1、引言

近些年来循环流化床技术在很多锅炉控制系统中得到了广泛的应用，具有大容量与高参数的超临界循环流化床是有效降低能源消耗节约能源的方式之一。目前超临界技术以及循环流化床技术已经相对较为成熟，使用过程中所产生的风险不大，超临界技术与循环流化床的结合有助于节约成本控制污染且能够实现高效供电，在燃料的成本以及制造成本等诸多方面相对于传统的燃煤发电技术都具有很大的优势，但是当前超临界流化床锅炉的研究还未成熟且超临界锅炉的控制系统的研究也处于摸索的阶段。如果要商业运行还必须达到负载稳定变化的要求，超临界技术与流化床技术在锅炉上的集中应用尚属首次，当前没有针对这种锅炉的较为成熟的控制系统。通过对锅炉控制系统长期的测试和研究，投入运行的机组控制系统能够长期安全稳定的运行，但是在机组负荷变化期间会出现不稳定的现象，如果在机组负荷变化的过程中保持主要参数的稳定，是保障机组运行品质的关键。由于大型的循环流化床CFB锅炉具有燃烧效率高、污染排放低以及能够实现高效供电等一系列的优点，但是制约其应用的一直是锅炉控制系统的应用和推广，所以本文以600MW超临界循环流化床锅炉控制系统为例进行了研究。

2、超临界循环流化床锅炉控制系统

2.1 协调控制系统

协调控制系统主要是对锅炉的慢过程以及汽轮机的快过程中之间的矛盾进行协调，最大限度的保障汽机过程的稳定，并且能够积极的响应电网的负荷指令。超临界锅炉的煤粉直流锅炉机组协调控制系统具有三个输入以及三个输出主要的输入量包括给煤量、给水量以及汽机阀门的开度，输出量包括机组的功率，蒸汽温度以及蒸汽压力，系统的结构如下图所示：

Figure 1协调控制系统的结构

为了能够在负荷变化的过程中保障负荷的速率满足入网的基本要求，本文提出了基于炉膛内的燃碳的能量平衡理论，以机组的负荷变化的适应性为基础，利用燃碳的储蓄热来位置负荷的变化在整个动态过程中的能量的平衡，因而通过对上述协调控制系统进行改进可以得到如下图所示的四个输入三个输出的协调控制系统的模型：

Figure 2改进的协调控制系统

2.2 煤量控制系统

煤量控制系统传统的方式是在一定的负荷下将负荷指令转化为相应的给煤量，从控制系统的角度来讲是将碳的燃烧热量作为超前校正量对燃煤使用量进行校正，实现燃烧的前馈控制，能够在一定程度上避免CFB锅炉由于自身原因所存在的惯性以及延迟等，能够有效的提高机组负荷的响应的速度，给煤控制系统的结构如下图所示：

Figure 3给煤控制系统结构图

给煤控制系统最终的控制过程和思路为，在一定的负荷之下将当前的负荷的指令转化为所需的热量并将其转化为燃煤量，再改基础上外加目标负荷所需的发热了与当前燃碳燃烧所发出热量的差值的微分对给煤量进行补偿，能够在很大程度上实现给煤控制的快速的响应，能够快速的跟踪负荷的变化并实现快速的给煤变化。

2.3 风量控制系统

风量扰动实验风量的变化能够对机组的参数产生十分显著的影响，本控制系统实现对风量控制的思路如下，当负载升高的时候增加风量，通过提升燃烧的速率来降低炉膛内存储的碳量，碳转化为热量。与此同时增加燃煤量，碳损耗得到补充。通过对风量与煤量的合理的控制能够有效的保障燃煤的稳定性，提高系统负荷变化过程中的响应的速度以及精度的控制。可以在碳的动态热量平衡模型中加入风量输入，通过风量实现超前校正可以明显改善锅炉的流化效果，通过流化床的热量扩散的作用使得主蒸汽压力的数值能够随着主蒸汽压力的给定值进行变化，控制风和煤的比例维持在较为合理的程度进而保证炉膛内碳的稳定，进而有效的控制炉膛内燃烧的稳定，在负荷动态变化的过程中可以利用负荷变化所需的热量与燃碳发热量之间差值的微分来对风量进行修正，风量系统结构如下图所示：

Figure 4风量控制系统的结构

2.4 给水控制系统

超临界流化床锅炉所采用的积水控制系统为三点法，在头部采用碳构造的燃烧发热模型进行校正，在中间部分采用分离器出口焓值进行校正，在尾部采用主蒸汽流量调节进行校正。给水控制系统的模型如下图所示：

Figure 5超临界流化床锅炉给水控制系统结构

通过实践本文对给水控制系统对输出功率负荷的变化进行了实际测试，给水控制系统运行了六个小時，其中运行的工况为600MW到800MW之间，通过观测数据发现在机组的动态以及静态工况期间给水是不稳定的其波动的范围在100到150t之间，在对控制系统进行优化之后运行六小时机组的当机组的负荷从300MW上升到600MW期间，给水量相对较为稳定其波动的范围为5-10t，发电功率能够紧随给定值进行快速的响应，系统的动态以及静态的工况均较好。

3、控制系统运行实践

在系统优化之前负荷在动态变化过程中所出现的最大的偏差为30MW，而静态过程中的功率的偏差为1.5MW。主蒸汽压力的动态偏差的最大值为0.8MPa，而稳定之后主蒸汽压力的偏差稳定在0.6MPa以内，主蒸汽的温度控制在正负5°以内，其中流化床的温度在860°到890°之间。在控制系统优化之后，通过运行一段时间在负荷上升之前的功率为420MW，目标的负荷功率为540MW，在负荷上升的过程中机组的参数变化始终保持平稳，均为出现超调的现象。负荷在动态变化的过程中的最大的偏差为8MW，静态功率的最大偏差为1.3MW。主蒸汽压力在负荷动态变化过程中的最大值为0.5MPa，而稳定之后的主蒸汽压力值控制在0.3MPa以内，主蒸汽温度的偏差控制在正负2度以内，流化床的温度与改善之前一致，从上述参数的变化来看超临界流化床锅炉控制系统在优化之后有效的控制了负荷变化过程中机组参数的稳定，基本达到了预期的效果。

结语

通过对超临界流化床锅炉控制系统的研究，有针对性的对超临界流化床锅炉的协调控制系统、风量控制系统、煤量控制系统以及给水控制系统进行了优化设计，最后进行了集成测试，测试的结果表明相对于传统的控制系统优化之后的锅炉控制系统在负荷发生变化的过程中能够有效的控制输出功率、蒸汽压力以及温度的偏差，达到了预期的效果。

参考文献

[1]吕俊复，张缦，杨海瑞，等.简约型660MW超超临界循环流化床锅炉设计开发[J].中国电机工程学报，2014，34（5）：741-747.

[2]吕俊复，于龙，张彦军，等.600MW超临界循环流化床锅炉[J].动力工程，2007，27（4）：497-501.