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论文技巧案例-超临界机组燃烧控制策略分析
时间:2021-04-29 16:06:48

  近年来,随着更多高性能材料的投入与设备制造技术的快速提升,以提髙主蒸汽参数为目标的超临界火力发电机组在全球范围内得到了越来越广泛的关注。从全球来看,自上世界中业以来,世界发达国家开始了超临界机组的研究与应用。到了二十世纪九十年代,超临界机组技术基本发展成熟,欧美日等发达国家开始着手研究超超临界机组技术。到了2000年前后,其首台超超临界机组基本开始投入运营。在国内,从上世纪八十年代以来,我国从国外购进了数台大容量超临界机组,在生产实践中对超临界技术有了一定的掌握进入二十一世纪以后,通过对国外先进技术的不断借鉴中研究,我国如今正逐步完成从常规300MW、600MW的亚临界机组到600MW、1000MW的超临界。本论文主要研究的目的是超临界火电场机组中的燃烧系统控制。

  当前我国经济正处在快速发展阶段,同时能源的消耗以及对能源的需求也逐渐增大。由于我国存在着少石油、缺天然气和煤量充足的状况,导致我国的能源消费大部分依赖于煤炭资源口。虽然我国的煤炭消耗同之前几年相比有所下降,但是其消耗量仍占总能耗的70%以上。2017年我国煤炭产量34.4亿吨,大约有一半的煤炭用于发电,使得火电厂发电所消耗的煤炭量大约占到全国的能源消耗总量的一半。所以我国仍然是“以煤炭为基础,寻求多元发展”作为能源发展长期的基本政策方略]。在寻求多元发展的同时还需要提升煤粉燃烧效率,降低烟气中污染物的排放,从而保证燃烧过程的经济环保性。所以关闭小型电厂,大力发展建设大型机组,对于提高我国火电厂燃煤效率,以及解决环境污染等问题都有很大的帮助。火电厂煤粉燃烧主要在锅炉中进行,所以电厂锅炉设备的运行情况会直接反应整个电厂的工作状态。我国电厂锅炉的实际工作效率大约在65%左右,相对于国外先进机组的工作效率低了15%到20%,所以必须通过节能改造,才能节省大量的原煤资源。与其它发电机组相比较,超临界机组在安全可靠性,经济性和环保性等方面都有绝对的优势,但同国外的先进超临界机组相比较,我国的火电机组煤炭利用率还相对略低、废气污染还相对较高例。超临界机组火力发电技术的研究,以及先进控制技术在锅炉燃烧控制系统中的优化和应用,将会更一步降低机组燃烧发电的煤耗,这对节能减排和机组安全都有非常重要的工程意义。

  1.2课题的主要研究工作

  掌握超临界机组直吹式燃烧系统特点及控制任务。

  火电厂超临界机组中,锅炉是最重要的部件之一,其工作的效率对整个电厂运行中有着举足轻重的作用,但是由于锅炉的系统结构复杂,因此一直是电厂运行中问题集中、事故率最高、对机组可用率影响最大的一个设备。其中燃烧控制系统又是锅炉的重要运行设备。提高机组锅炉燃烧效率是我国节能和环保所面临的关键问题之一。而机组燃烧效率达不到设计效率值的主要原因是由于机组燃烧过程是一个很庞大和复杂的物理化学过程,很难建立燃烧系统的精确模型,燃烧控制系统的控制效果也往往达不到满意的效果,加之也受到机组实际运行过程中的煤种、负荷变化及漏风等不确定因素的影响。通过研究建立燃烧控制系统完整精确的数学模型及提高燃烧控制系统的控制效果的方法能够最有效地提高锅炉燃烧效率和减少煤炭消耗。

  在研究超临界机组燃烧控制系统建模过程中,在试验研究和运行分析的基础上针对燃烧设备的具体情况,需要对影响锅炉燃烧的各个因素进行分析,使得研究和工作人员能够更深入了解火电厂锅炉燃烧的生产运行流程,深入把握燃烧过程的重要关键参数,并对这些参数进行监测,提高锅炉运行的安全性;

  要求掌握超临界直流锅炉燃烧系统的控制策略,子系统间的相互关联及交叉限制,并且达到对系统控制策略分析研究,并为以后去电厂工作打下基础。

  第二章超临界机组燃烧控制系统的特性

  2.1引言

  火电厂直流锅炉内部中的工质水参数都达到或者超出临界点的机组被称为超临界机组。工质水一般是通过燃烧进入锅炉内的煤粉进行加热,产生的热量通过热传导加热炉膛周围的冷水壁,将管道当中的工质水转化为高温高压的过热蒸汽从而推动汽轮机进一步做功产生电能。其中水的临界压力和温度分别为22.129MPa,374.15°C,当锅炉中水的数据达到此临界点时,则水和水蒸气的密度完全一样。目前国内外超临界机组主汽压力的参数一般为24MPa到25MPa,锅炉内主汽温度的参数一般为540°C到560°C。随着工艺技术的精益求精以及蒸汽参数进一步提升,机组的热效率还有进一步提升的空间。

  火电厂超临界直流锅炉机组不同于亚临界汽包锅炉机组的地方是亚临界机组有汽包环节且工质水的参数并没有达到临界点,而在临界参数下水与水蒸汽的密度相同,汽水管道由加热段、蒸发段、过热段组成,三者并没有固定的界限,临界参数下工质水直接汽化成水蒸汽,因此传统自然循环的汽包锅炉不能被应用到超临界机组当中,从而只能采用直流锅炉[29-3()1。理论和实践表明,由于汽包环节的取消,使得超临界机组自启停时间大大缩短,通常超临界直流锅炉从启动点火到升温升压,并网再到升负荷直到满负荷运行,所需时间仅为亚临界机组的50%,从而可以提高机组的热效率,降低发电所需煤耗。

  2.2超临界机组燃烧控制系统的工艺流程

  大型火电厂超临界机组是由一个非常复杂的系统,系统中有含许多设备,由锅炉设备、汽轮机组、发电机组以及其他一些辅助设备所组成。在这之中锅炉的主要任务是通过燃烧煤炭发生热能,释放的热能通过热量传导将水转为高温高压的蒸气从而使得气轮机进一步工作产生电能。从能量守恒方面分析,它是由化学能转换成热能,该过程需要许多子系统协同工作而完成,其主耍是山磨煤机系统、一次风系统、风烟系统(送风系统和引风系统)以及其他系统所组成,其系统工艺流程如下图22.1所示。

  

  1原煤斗;2给煤机;3磨煤机;4粗粉分离器;5燃烧器;6锅炉;7—次风机;8送风机;9引风机;10空气预热器;11一冷一次风调节阀;12—热一次风调节阀;13—二次风调节阀;14给水泵;15省煤器;16水冷壁;17汽水分离器;18过热器

  首先未处理的原煤块被储在煤斗1中,之后给煤机2通过电动机的转速将未经处理的原煤送进至3内部当中,从而也达到了控制煤量的效果。原煤块在磨煤机器中进行一段时间的研磨之后变成相应细度的煤粉,然后煤粉再进一步通过4进行甄选,经过挑选合格通过的煤粉则会被调节好的冷热一次风由管道吹入至6,最后会被燃烧产热进一步加热水。

  燃烧控制系统中产生的空气主要分为两种,一种为一次风,另一种为二次风。其中空气经过一次风机7之后又分为两路,一路不做任何处理作为冷一次风,另一路通过空气预热器10加热后作为热一次风,它们以一定的比例混合然后再通过管道吹入磨煤机,其主要作用是为了控制磨煤机的出口温度,以防止温度过高而导致煤粉在进入炉膛前就发生消耗或燃烧爆炸。冷一次风调节阀11与热一次调节阀12的主要作用是调节一次风温风速。送风机8的主要作用是产生二次风,然后再经过空气预热器10进行加热,经过加热的二次风直接吹入炉膛作为助燃空气辅助燃烧。燃烧过程中产生的烟气在炉膛内向上流动,热量再传递到省煤器15、水冷壁16、汽水分离器17、过热器18的受热面当中,之后通过热回收区的烟气洱进入空气预热器10,用来加热之前一次风机和送风机所产生的冷一次风和冷二次风,最后再经过脱硫脱硝等环保处理的烟气被引风机9送入烟囪排入大气当中,同时也使得炉膛负压保持了稳定。

  2.3超临界机组燃烧控制系统的主要任务

  超临界火电技术具有高效率、强负荷适应性、节约燃料以及安全稳定等优点,使得其成为火力发电厂的重要机组之一。机组燃烧系统是一个多输入多输出的系统,同时由于系统结构复杂且被控量和控制量较多,使得其系统中被控对象具有非线性、强干扰性、滞后性、强耦合性等特点。其中燃烧控制系统主要承担着维持主蒸汽压力和炉膛负压的稳定,其稳定性会影响到机组设备的安全高效运行。同时还要确保进入炉膛内的燃料能够进行完全燃烧,以提升燃烧的经济性。对燃烧系统进行控制的主要目的和任务可以概括为以下几点:

  ①确保主汽压力的稳定

  首要原则是为了能够适应负荷大范围的改变以及维持主蒸汽压力的稳定。保持主汽压的稳定是通过特定负荷点对燃料量以及风量的配比需求所决定,其稳定性能会直接影响电厂发电运行过程中的安全性和效率性,同时也能反映电厂发电运行过程中的能源供应和需求关系。若机组运作过程中主汽压力发生波动,则表明燃烧加热工质水所产生的蒸汽量与进入汽轮机的蒸汽消耗量没能达到平衡状态,此时应该控制给定的燃料量,燃料量的改变使得锅炉产生的蒸汽量发生相应改变,从而使系统达到稳定。

  ②确保锅炉燃烧过程的经济性

  锅炉运行中的经济性主要体现在进入炉膛内的煤粉是否能够进行完全燃烧。其中送风量与燃料量的最佳比例决定了燃烧的充分性,即需要维持最佳的风煤比。

  ③确保锅炉燃烧过程的安全性

  进入锅炉中的送风量与引风量之间的稳定关系对炉膛压力的稳定起着决定性的作用。为了使锅炉有着良好的密封性,一般情况下电厂中的炉膛负压运作,同时也减小了燃烧熄火的概率。若引风量小于送风量,则炉膛负压会随之减小,可能会造成锅炉内的煤粉和火焰泄露,对锅炉设备以及人员的安全会造成影响。若送风量小于引风量,则炉膛负压会随之增大,使得炉膛热量将过度损耗,不利于燃烧过程的经济性和安全性。

  2.4超临界机组燃烧控制系统被控对象的动态特性

  电厂的燃烧系统是由一个多输入多输出的控制对象构成,同时由于系统结构复杂且被控量和控制量较多,系统之间构成一定的耦合性。根据上述燃烧控制系统的主要任务可知其输入M主耍由燃料量、送风贵、引风量构成,相应的其输出景主要由主蒸汽压力、烟气含氧量、炉膛压力构成。其中控制量与被控量之间的主要关系如下图2.2所示。

  ?

  2.4.1主蒸汽压力被控对象的动态特性

  过热蒸汽的形成主要是由产生的热景通过热传导加热炉膛周围的冷水壁,将管道当中的工贞水转化为尚温尚压的过热蒸汽从丨ilf使得汽轮机进一步做功产生电能。其中当统产生扰动引起锅炉燃烧率发生变化从而会影响主汽压发生变化,则主汽压的动态特性曲线也会随之变化。在锅炉运行吋,当燃料量Wp发生改变时,根据汽轮机的控制方式不同主蒸汽压力的动态特性也会呈现不同的变化:

  (1)第-种当汽轮机功率维持稳定,燃料量Wp阶跃变化。当燃料量阶跃增加时,主蒸汽压力也会逐渐变大,而此吋为了保证汽轮机功率不变,蒸汽流景D也会保持不变,则汽轮机调节阀开度会逐渐减小,所以会导致产生的热能直大于流出的热能,此吋主蒸汽压力Pt会一1*1增火,其动态特性具打无自平衡能力。同时由于煤粉燃烧到机组负荷的增大再到过热蒸汽的形成过程缓慢,所以主蒸汽压力的动态特性具有很火的滞后和惯性,响应曲线如下图2.3(a)所示。

  (2)第二种当汽轮机控制阀开度维持稳定,燃料景Wp阶跃变化。当燃料景阶跃增加时,主蒸汽压力Pt也会逐渐变大,此时蒸汽流量D也会变大。山于流出的热能不断增加,从而抵消了由于燃料量增加而产生的热能,主蒸汽压力经过变化后会达到新的平衡。此吋主汽压的曲线同样具奋很火的滞后和惯性,但是其具有自平衡能力。响应曲线如下图2.3(b)所示。

  

  2.4.2烟气含氧量被控对象的动态特性

  进入锅炉内的煤粉能够完令的燃烧产热则会人人提岛电力生产过程中的经济性,其中燃烧效半主要取决于送风量与燃料量的最佳比例关系。这两个控制量的比例好坏程度主要由过热空气系数反应。在电厂实际运行工作中,过热空气系数只能利相对烟气含氧量〇2的检测再通过公式计算得出

  ,而不能直接测得其结果。其两者的关系式为:

  2.4.3炉膛负压被控对象的动态特性

  维持炉膛内的负压运行则会大大提高电力生产过程中的安全性,其中锅炉压力的稳定主要取决于送风量与引风量的最佳比例关系。当炉膛内压力太大时,会导致其内部气压高于外部大气压力,锅炉内的煤粉和燃烧火焰则会对外喷发造成泄露,当炉膛压力太小时,则会使得炉膛热量将大量损耗,过多的消耗原料则会大大的加大发电成本。

  

  2.5本章小结

  本章主要对机组原理进行了概述,以及对燃烧系统的结构和工艺流程做了简单的分析和介绍。通过对燃烧系统的主要控制任务以及控制目的的进行分析。确定了燃烧控制系统主要由三个子控制系统组成,并且对各个子系统的被控对象特性进行了分析,建立了基本模型。

  第三章超临界机组燃烧控制方案

  3.1对锅炉跟随控制方式

  由于燃料的燃烧、传热和水的吸热等过程都需要一定的时间,因此,机组负荷变化时会使主蒸汽压力产生波动。除此之外,当电厂的自己燃烧率会产生意外扰动时,增加使升高,火电厂蒸汽流量D也会增大,这样会让使输出功率无序增加。电厂汽轮机的一侧为了保持恒定的输出功率,通过汽轮机主的控制器和汽轮T控制系统,关小进汽的调节阀门,即减小使T变得更高,其结果将进一步加剧主蒸汽的压之后的变化,造成非常不寻常的汽压之波动。

  从而以上控制过程就当然可以得知,像这种控制方式的特点就是是汽轮机的侧调负荷,汽轮机锅炉侧调她的汽压。调整负荷的过程中,电厂的锅炉会跟随汽轮机的动作而动作,故称为锅炉跟随的控制方式。这种控制方式的一大优点就是能是充分利用了锅炉的蓄热来迅速反应负荷的无序变化,对机组调峰调的频有利。缺点就是会让主蒸汽压力变化比较大,这样会难以把控,对机组的安全经济的运行也会产生不利。在超临界大型单元机组中,这样的锅炉的蓄热能力会相对减小,对于较小那样的负荷变化,会在主蒸汽压力允许的变化范围内比较充分利用他自己的锅炉的蓄热以迅速适应其负荷是有可能的,这对电网的频率调节也是有点利益的。但是这样的话,在负荷的要求变化比较多时,汽压变化会太大,这样一来会影响这个锅炉的正常运行。尤其对于那些直流锅炉,它的蓄热能力会比汽包锅炉小得很多,而采用锅炉跟随控制方式适应较大的负荷是不可能的。

  当单元机组中锅炉设备及其辅机运行正常的话,机组的输出功率受到汽轮机设备及其辅机的限制时,可以采用这种锅炉跟随汽轮机的控制方式来进行。

  3.2汽机跟随控制方式

  这样的控制方式它的特点就是在锅炉侧边调负荷,使得汽轮机侧调汽压。当然在保证主汽蒸汽压力比较稳定的情况下,这样汽轮机跟随它的锅炉而产生动作,由此称为汽机跟随(TurbineFollow,TF、机跟炉)控制的方式。像这控制方式一大优点就是,在运行中的主蒸汽压力会相对稳定(汽压变化很小),而有利于发电机组有序而安全经济运行。缺点会是由于因为没有充分利用锅炉自己的蓄热,而当只有当锅炉改变自己的燃烧率后造成蒸发量的改变后,这样才能稍微适应性改变机组自己的出力方式,这样可能会使它适应负荷的变化能力变得有点差,这样做会有害于机组带变动负荷参加电网之调频。像这种控制的方式尤其适用于需要承担基本负荷的单元机组而或当机组才刚投入运行且经验还不是很够时,像采用这样系统可使汽压稳定而为锅炉机组的稳定运行创造客观条件。

  当单元机组中锅炉设备及其的辅机运行工况正常时,而机组的输出功率受到汽轮机设备及其辅机的限制时,可以采用这种锅炉跟随汽轮机的控制方式。

  3.3炉协调控制方式

  在负荷调节的动态过程中,机炉协调控制可以使气压在可以而合适的范围内波动,这样可以充分地利用锅炉自己的蓄热,使单元机组较快地适应其负荷要求的变化,而且同时主蒸汽压力pT的变动范围也不是很大,因而机组的运行工况会比较稳定。

  而当单元的机组锅炉侧还有汽轮机侧设备都运行完美时,而且相应的控制系统都投入自动控制时,可以采用机炉协调的控制方式。

  第四章电厂燃烧控制系统策略分析

  4.1送风系统

  当系统的风量不在全自动时,系统总风量与系统校正后风量指令相除作为氧量校正系数输出。系统风量在自动,煤主控也在自动时,燃料指令(煤主控不在自动时,总燃料量)经函数运算与省煤器出口烟气含氧量求差,再乘以变负荷系数输入PID运算器,当总燃料量低于高值限制时,PID运算器输出经函数转换后作为氧量校正系数输出,否则,VALU=50经函数转换后作为氧量校正系数输出。

  当总燃料量信号检测为坏值,或任一侧省煤器出口烟气含氧量故障时,可进行手自动切换。

  燃料指令或总燃料量(煤主控在自动输出燃料指令,不在自动输出总燃料量)经函数运算,与风量前馈求和,再乘以氧量校正系数作为风量指令输出;但当交叉限制投入时,该信号与经函数运算的总燃料量进行大选,值较大者作为风量指令输出。

  当空气通道建立指令为0时,总风量与风量指令求和再乘以校正系数(大小取决于送风机运行及其动叶控制状态)作为PID运算器的输入,其输出与经函数变换的风量指令求和,再经出力平衡回路运算后,作为送风机动叶控制指令输出;否则,由运行人员进行送风机动叶控制信号的输出。

  4.2引风系统

  炉膛压力实测值与其设定值求差,差值经函数转换输入PID运算器,其输出加上送风前馈再经乘以比例系数后作为炉膛压力控制信号输出。

  炉膛压力控制偏差经函数转换后输入PID运算器,其输出加上送风前馈,经出力平衡回路运算,再与炉压快速变化补偿回路输出求和后,作为引风机静叶控制信号输出。

  4.3燃料系统

  当锅炉主控跟踪给水且运行正常时,给水流量经锅炉主控-给水流量的反函数运算作为锅炉主控信号输出;当发生MFT时,锅炉主控输出为0;当锅炉没有发生MFT,但RB发生,将RB目标值作为锅炉主控信号输出。当锅炉主控不跟踪给水且运行正常时,主汽压力偏差经函数转换后输入PID运算器作为主控信号输出,PID参数由负荷指令及变负荷信号经运算得到。

  锅炉主控输出信号经函数运算(具体函数取决于是否投入燃料指令选择及选择哪种启动3-57方式),再与限幅后水煤比求和,当煤主控处于自动时,再加上燃料前馈作为燃料指令输出。

  燃料指令与总燃料量求差输入PID运算器,其输出加上燃料前馈,经出力平衡回路运算后作为燃料主控输出。

  第五章结束语

  这些年来,随着更多髙性能材料的投入与设备制造技术的不断提髙,以提髙主蒸汽参数为目标的超超临界火力发电机组在世界范围内得到了越来越广泛的关注。本论文针对超临界机组直流炉燃烧控制系统的策略进行了研究,全面了解超临界机组燃烧控制系统的设计思路,熟悉了OVATION模块的功能,掌握超临界机组燃烧控制全过程的控制策略,最终能够独自完成对SAMA图的分析。