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1、F1831C3-k01-06 华能沁北电厂一期工程初步设计阶段超临界机组主要控制特点分析专题报告国家电力公司西北电力设计院 2002 年 6 月西安总工程师: 设 计 总 工 程 师: 主任工程 师: 科长: 主要设计 人: 孟 晓 伟校核: 王 芙 蓉编写: 田宏孟晓伟1 目录前言1直流锅炉启动旁路1.1直流锅炉启动旁路系统1.2直流锅炉启动旁路系统的分类1.3控制策略1.4仪表测量1.5本工程锅炉启动旁路的特点2超临界机组的协调控制要素2.1控制量和被控制量关系的选择2.2协调控制系统的设计3 结束语2 随着我国电力工业的发展及电力结构的调整，600MW 级火电机组已经成为我国火电的发展方
2、向并即将成为电网的主力机组，尤其是超临界参数机组， 由于其更低的运行成本和高效益， 使得此类型的机组在现在的电力市场中更具有竞争性。华能沁北电厂一期工程作为国家引进600MW 超临界机组制造技术的依托项目以及 2000 年燃煤示范电站， 承担着引进先进技术、 降低工程造价的双重任务，这就给工程的设计提出了较高的要求，它是工程达到预期目标的基础条件。亚临界汽包炉机组在我国运行投产的已数不胜数，其设计、安装、调试、运行都已经完全成熟，趋于规范化。而超临界直流炉机组 在我国安装投产的并不多，只有石洞口二厂、盘山电厂、伊敏电厂、神头二电厂等，在设计、设备选型、安装、调试及运行管理等方面还有许多问题有待
3、于总结、研究、改进、以形成我们自己的成熟技术。在超临界压力下 ,水到蒸汽的变化只经历加热阶段和过热阶段,而无饱和蒸汽区，这是和亚临界锅炉的本质区别,也因此决定了超临界压力锅炉只能是直流锅炉。现代大容量超临界锅炉一般都采用变压运行或复合变压运行。在启动和低负荷阶段，机组处于亚临界状态， 高负荷时才进入超临界状态。从仪表和控制专业的角度来看， 与亚临界汽包炉相比， 超临界机组的控制特点主要体现在以下两个方面：（1）启动旁路系统（2）超临界机组的的协调控制系统1. 直流锅炉启动旁路系统直流锅炉的启动旁路系统是单元机组启动旁路系统的一个重要组成部分，它是针对直流锅炉启动的特点而设置的。本工程锅炉为东方
4、锅炉厂与BHK公司及东方- 日立合作设计制造的超临界参数变压直流锅炉, 锅炉启动旁路为 内置式启动系统 。由于工程尚处于初始阶段， 制造厂无详细的启动旁路资料，为便于今后施工图阶段能够准确、 全面地掌握启动旁路系统的运行、控制特点， 下面对一些典型的锅炉启动旁路系统进行分析和讨论。3 11 直流锅炉启动旁路系统直流锅炉在启动初期就需在水冷壁中建立起一定的启动流量, 以保证水冷壁受到足够的冷却； 另外，在锅炉点火前和启动过程中，直流锅炉的汽水受热面必须在一定流量下进行 清洗，以保证合格的汽水品质。 此时从水冷壁流出的只是热水或汽水混合物 , 不允许进入汽轮机 , 为此必须配置启动旁路系统, 它由
5、汽水分离器及相关的管道阀门组成。 锅炉进水后， 汽水分离器由水位控制阀保持一定水位。点火以后，进入水冷壁的水受到加热，开始产汽, 此时汽水分离器的作用相当于汽包， 处于湿态。 汽水分离器分离出来的蒸汽进入过热器进一步加热，水则回收或排放。随着燃烧率的增加，产汽量越来越多，分离器内水越来越少，大约到 35% 负荷左右，产汽量与省煤器的给水量相等，汽水分离器已无水位，由湿态转变为干态 。在启动过程中， 汽水分离器的水位是 自动控制 的，当干湿态转换完成后，给水位控制阀均处于 关闭位置。由上所述， 直流锅炉启动旁路系统的主要功能为：（1） 启动过程中 , 在水冷壁管内建立起足够高的质量流速 , 以保
6、证水冷壁不超温及水动力工况稳定。（2） 回收启动过程中排出的工质和热量。（3） 适应汽机启动过程需要的蒸汽参数。12 直流锅炉启动旁路系统的分类：汽水分离器是直流锅炉启动时用于扩容和蒸汽分离的部件，按运行方式可分为正常运行切除与不切除两种， 相应的启动旁路系统可分为外置式 分离器启动系统 ESSS （EXTERNAL SEPARATOR START-UP SYSTEM）和内置式 分离器启动系统ISSS（INTERNAL SEPARATOR START-UP SYSTEM）两大类型。外置式分离器由于分离器切除非常复杂，已逐渐被淘汰， 目前的直流锅炉均采用内置汽水分离器。本文重点讨论内置式分离器启
7、动系统（ISSS） 。内置式分离器与水冷壁、过热器之间的连接无任何阀门。在锅炉启、停和低负荷（约 35% 负荷以下）运行时，同汽包炉的汽包一样，起到汽水分离作用。当转入纯直流运行后，分离器只起到一个蒸汽联箱的作用。ISSS 分离器要承受锅炉全压，对分离器强度设计， 以及热应力控制非常严格。 下面结合三种较多采用的 ISSS系统，分析其特点。4 A、扩容型 ISSS系统，如下图所示：该系统主要由内置式启动分离器、疏水控制阀（ AA 、AN 、ANB阀）、大气式扩容器、疏水箱、疏水泵和凝汽器等组成。分离器布置在炉膛水冷壁出口；在启动或低负荷运行过程中，当负荷低于37%MCR 时，分离器的作用就相当
8、于汽包炉的汽包，起汽水分离作用，但分离出的水通过AA 、AN和 ANB三个阀门分别送入疏水扩容器和除氧器，进行工质和热量回收。当负荷高于37%MCR 时，汽水分离器中全部是蒸汽， 呈干态运行； 此时内置式分离器相当于一个蒸汽联箱，必须承受锅炉全压，这是与外置式分离器的最大不同点。在锅炉启动过程中炉本体的冷态或热态清洗阶段 中，进入汽水分离器的给水通过 AA 、AN阀进入大气式扩容器排放至地沟，待给水品质合格后 ，疏水泵投入运行，疏水泵由疏水箱的水位开关实现自启停 ，以回收工质。 此时汽水分离器的水位可切换由 ANB阀控制，疏水至除氧器，实现工质和热量回收功能。锅炉在湿态运行时， 汽水分离器内的
9、水位由ANB 阀自动维持， 当汽水分离器的水位高于 ANB阀的调节范围时（如锅炉汽水膨胀）再由AN阀、AA阀相继参与调节，以维持分离器的正常水位；当水位下降时，AA阀先行关闭，然后 AN阀关闭，然后再 ANB阀调节和维持分离器正常水位。 随着锅炉启动过程中燃料量的增加，锅炉产生的蒸汽量不断增加直至当燃料量大于35% 锅炉最大负荷时，汽水分离器由湿态运行逐渐转变成干态运行。此时分离器内没有水位，AA 、AN 、ANB阀均呈关闭状态，且其各自的隔离阀也联锁关闭，启动旁路系统退出系统。5 B、辅助循环泵和给水泵串联的ISSS系统，如下图所示：汽水分离器设置在水冷壁出口， 汽水分离后，蒸汽进入过热器系
10、统进行升温。水经分离器下部出口的再循环截止阀（RIV）、止回阀（ RCV ）到混合器，与高压给水混合后进入循环泵， 由循环泵再进入省煤器、 水冷壁，以实现启动和低负荷运行阶段的再循环。在锅炉负荷小于 35% 时，分离器处于“湿态”运行工况，水冷壁处于控制循环工况；负荷为 35%50%时，分离器处于“干态”运行工况，此时循环泵尚未解列，水冷壁处于直流运行状态， 循环泵只起升压作用。 在 50% 负荷以上 直到 MCR ，分离器为“干态”运行方式，循环泵切除。在分离器“湿态”运行阶段，分离器水位由RIV 阀和 WD 阀控制，此时产生的蒸汽量小于水冷壁内工质流量，循环系统的介质温度为饱和温度。该系统
11、在循环泵（ BCP ）不能投用时，锅炉也可以启动。锅炉最小水冷壁流量可由给水泵提供，给水通过主调节阀MFWV 阀进入水冷壁，分离器分离的水可由 WD 阀进入扩容器， 疏水箱到冷凝器。 对于这种启动方式， 其启动时间要长些，热损失有所增加。系统中 BCP 泵与主给水管路并联，在启动和低负荷期间，BCP泵运行，主给水管路用止回阀（ RSCV ）防止倒流， BCP泵解列后，绝大部分给水经MFWV 阀进6 入省煤器，少量流过 BCP泵使其处于热状态。 这种 BCP 泵与主给水管并联的布置方式，既不增加给水管路系统的压力损失，也不增加给水泵消耗的厂用电。C 、辅助循环泵和给水泵并联的ISSS系统，如下图
12、所示：锅炉启动循环系统由汽水分离器、循环泵、循环流量调节阀、水位调节阀组成。送至省煤器的水经水冷壁加热后，送到汽水分离器， 流体在汽水分离器内分离成饱和蒸汽。 水经过循环泵和循环流量调节阀进入混合器。这一阶段为循环运行，水冷壁流量 =给水泵出口流量 +再循环流量。 当分离器水位过高时， 水位调节阀动作，进入凝汽器。13 控制策略：对自动化专业来说，锅炉启动系统与汽机启动旁路作为整体由DCS统一控制，阀门、泵的逻辑切换由DCS的顺序控制（ SCS ）实现。 分离器水位控制、循环流量控制、给水量控制由 DCS的模拟量控制系统（ MCS ）实现。下面针对前面分析的三种内置式分离器的控制策略加以探讨。
13、（1）对于第一种启动旁路系统，由于分离器分离的水分别疏往除氧器或凝汽器，因此，给水系统的控制比较简单。启动流量（35% ）由给水泵保证，三个阀门的切换要求严格，主要保证除氧器的安全运行。AA 、AN 、ANB阀对汽水分离器的调节作用是根据分离器的水位高低按顺序参加调节的，以同类型锅炉( 石洞口二厂 的锅炉 ) 启动系统为实例，其阀位与汽水分离器水位的关系归纳如下：循环泵 泵。 。 。 。 。 。7 为了确保除氧器的安全运行，AA 、AN 、ANB隔离阀的开、关按一定的逻辑条件进行：ANB阀：在除氧器压力低于1.1MPa ，且分离器压力低于 21MPa时，ANB隔离阀开启的许可条件成立，而当有下
14、列情况时，ANB隔离阀自动联锁关闭：1）当除氧器压力大于1.45MPa时；2）汽水分离器压力大于22MPa时；3）锅炉主蒸汽流量大于40% 时。AN阀：在汽水分离器压力低于12MPa时，AN隔离阀开启的许可条件成立，但在下列情况下其隔离阀将自动联锁关闭：1） 在启动功能组 ON状态， 即在自启动方式，且当汽水分离器压力大于7MPa时，自动关闭；2） 在锅炉负荷大于40% ， 且分离器出口温度 ( 过热度 10) 高于其对应压力下的饱和温度 10时，联锁关闭。3） 当汽水分离器压力大于22MPa 时。在启动时 ANB和 AN隔离阀接受机组级启动指令，通过功能组自动开启。当汽水分离器压力大于7MP
15、a时，ANB 、AN隔离阀自动关闭。在停机时，当汽水分离器压力低于 12MPa时接受机组级停机指令， 通过功能组将 ANB 、AN隔离阀自动开启。AA阀：AA 隔离阀的启闭直接接受机组级指令，在启动时，当汽水分离器压力大于7MPa 时自动关闭；在停机时当分离器压力低于2MPa 时接受机组级指令才能开启。同样在锅炉负荷大于40% ， 且分离器出口温度高于其对应压力下的饱和温度10时，联锁关闭。（2） 对于第二种锅炉启动系统， 循环泵与给水阀MFWV 并联，与给水泵串联。因此，当锅炉进入纯直流运行时存在切除再循环泵的过程，这是本系统的一个特点。从启动到 35% 负荷之间时，再循环系统投入运行。水冷
16、壁的流量为再循环流量与给水泵出口流量之和。 这种控制方式在下面一种启动旁路形式详细讨论。在8 35% 至 50% 负荷之间，循环泵仍可维持运行，但只起升压泵作用，此时，主给水管、调节阀 MFWV 开启，由其控制给水量，保持燃水比。RIV 关闭，启动分离器进入“干态”运行。（3）对于辅助循环泵和给水泵并联的系统，循环流量调节阀和水位调节阀启动时的动作见图。1）循环流量调节循环流量调节的目的：一是参与启动阶段的水冷壁循环；二是保持启动阶段汽水分离器正常的水位； 三是保护循环泵。 这样，通过以分离器水位算出的循环流量作为给定，与实际循环水泵出口流量比较，进行PI 调节。设置高限的目的，主要是防止泵启动时，分离器水位下降过快。另外，当省煤器入口给水流量扰动时，通过水位微分信号，防止循环流量调节阀大范围开启而造成水位波动。2）水位调节阀水位调节阀的目的是在汽水分离器水位超过上限值时动作，为一单回路调节系统。9 3）启动初期给水流量的控制直流炉在全负荷范围内水冷壁工质质量流速是靠给水流量来实现。在启动初期，为了使水冷壁充分得到冷却，规定了最低留量限制， 在给水控制回路中应设置最低
