浅谈发电厂集控的汽水系统与锅炉控制

浅谈发电厂集控的汽水系统与锅炉控制

随着我国经济的发展，对能源的需求量也日益增加，发电厂的容量不断提高，这也给发电厂的集控系统提出了更高的要求，本文结合作者自身工作实践，介绍了发电厂的汽水循环系统，详细分析和研究了锅炉的三种控制方式，希望能为广大同行提高有益经验。

标签：发电厂；集控；汽水系统；锅炉控制

引言

随着我国国民经济的进步和电力工业的飞速发展，现代发电厂正向着规模化和集中控制的方向发展。大容量和特大容量的发电厂不断增多。近年来，我国建设的火电厂中，至少为300MW的发电机组，目前还有一批600MW和1000MW 的超临界和超超临界机组将投运。

火电厂的工作原理即为利用燃料燃烧所产生的热量来加热锅炉中的水，使其受热后成为蒸汽和过热蒸汽，这些具有很大热量的蒸汽推动汽轮机转动，产生的动能带动发电机发电。火电厂的集控运行是指利用计算机、控制、通信、图形显示技术，对火电厂的生产和运行过程进行集中控制，将机、炉、电的控制集合为一体的方法，包括正常情况下的运行状态和参数的监视、紧急情况下的事故处理和启停机控制等。

对于现代火电厂来说，锅炉、汽轮机和发电机是其三大核心设备。下文中，将就发电厂集控运行中的汽水系统和锅炉控制展开研究。

1 发电厂集控的汽水系统

发电厂主要有三大主系统：燃烧系统、汽水系统和电气系统。其中，发电厂的汽水系统主要由锅炉、汽轮机、凝汽器、加热器、除氧器等组成，包括给水系统、水冷系统和补水系统三个方面。汽水系统的循环图如下图1所示：

由省煤器、汽包、下降管、水冷壁、过热器等设备组成，汽水系统主要任务是使锅炉中的水汽经过吸收-蒸发-过热处理等环节后，成为过热蒸汽。

如上图1所示，汽水系统主要由汽包、水冷壁、过热器和再热器、省煤器等构成。锅炉给水后，汽包接收省煤器的来水，锅炉内燃料燃烧产生的高温烟气加热汽包中的水，产生的高温蒸汽经过过热器加热，汽包中出来的饱和蒸汽变为过热蒸汽，推动汽轮机旋转，带动发电机做功，在汽轮机高压缸中，经过膨胀做功的蒸汽再引入再热器，再次升温后送入汽轮机再次做功，达到能量的最大化使用。汽轮机中的凝汽器则将汽轮机排气口排出的气体经过冷却后凝结为水，经过低压加热器加热，并经过除氧器除去水中妨碍传热和腐蚀金属的游离氧，再经高压加热器加热后送回锅炉，补充水系统用来在锅炉和汽轮机之间补充工质损失。经过

如图中所示过程后，发电厂就完成了一次完整的汽水循环。

2 发电厂集控的锅炉控制

锅炉是火力发电厂的三大核心设备之一，在发电厂的运行中，燃料首先在锅炉的炉膛中燃烧，成为很高温度的烟气，当烟气从锅炉的水管中流通时，加热了锅炉内的水，使之成为饱和蒸汽，再经过过热流程，成为过热蒸汽，最后通过管道去推动汽轮机做功。

锅炉根据容量、燃烧方式、循环方式等的区别，又可以分为各种不同类型。我单位所使用的为哈尔滨锅炉厂生产的2330MW锅炉，使用亚临界参数、一次中间再热、单炉膛、自然循环汽包炉，固态干式排渣。

锅炉的汽包水位是锅炉运行的一个重要参数，反映出锅炉的蒸汽量与给水量的关系。汽包的水位太高或太低，都会对锅炉的正常运行带来不利影响。当汽包水位过高时，内部的蒸汽空间变小，产生蒸汽饱和水量大，影响蒸汽质量。当汽包水位过低时，因补水不及时，蒸汽产生量会急剧加快，造成缺水，干锅，甚至发生爆炸事故。所以，锅炉的给水自动控制系统是锅炉的控制中的核心环节。

在锅炉的给水控制中，需要注意的是当锅炉中的蒸汽增加时，由于锅炉的汽泡量也随之增加，产生的“虚假水位”现象，“虚假水位”现象可能引起控制系统减少给水量，进而加剧蒸汽和给水量之间的不平衡，带来水位偏差。

现代锅炉的控制主要有以下三种方式：

（1）单冲量给水控制系统：

单冲量给水控制系统是指变送器将实测的汽包水位信号PID送到调节器，与给定的定值比较偏差，再根据偏差来决定调节信号，并经运算放大器输出信号。也即单冲量给水控制系统只根据汽包水位PID的变化来控制给水阀门开度，决定水位的给定值。

单冲量给水控制系统控制简单，运行可靠，但是其不能反映出“虚假水位”的现象，控制器可能反向误动作。另外，它对蒸汽量和给水量的扰动也不够灵敏，所以，其仅适用于蒸汽量比较稳定的较小容量锅炉。

（2）双冲量给水控制系统

双冲量给水控制系统使用锅炉水位变化量H和蒸汽量信号D这两个变量来协同控制调节器，决定锅炉的进水量。双冲量给水控制系统弥补了单冲量给水控制系统的不足，当蒸汽量发生变化时，虽然锅炉水位变化量H已经很难测量准确，但蒸汽量信号D将使给水调节阀动作，进而给出控制信号，增加给水量来抵消“虚假水位”影响。

双冲量给水控制系统适用于蒸汽量经常变化的锅炉。虽然可以抵消“虚假水位”影响，但同单冲量给水控制系统相同，它仍然不能及时反映和补偿给水扰动。

随着现代锅炉向着大容量的方向发展，参数也随之复杂。一般情况下，锅炉的容量越大，汽包的容量和容许波动的量都越小，当给水量不足引起缺水现象时，更容易发生事故，另外，如果几台较大容量的锅炉并列运行，还可能发生水位控制互相干扰的情况。这种情况下，双冲量给水控制系统由于不能反映给水量的自发变化和扰动，已经不再适用，在此背景下，产生了三冲量给水控制系统。

（3）三冲量给水控制系统

三冲量给水控制系统又分为单级和串级两种方式。

（a）单级三冲量给水控制系统：

单级三冲量给水控制系统使用汽包水位H为主要控制信号，将蒸汽流量D 作为前馈信号，给水量W作为辅助反馈信号，即为三冲量给水控制系统。

三个控制量之间互相反馈，来协调控制。蒸汽量D发生变化时，调节器随之动作，调节给水量W。给水量W发生变化时，调节器也随之动作，控制给水量W在合适位置。

（b）串级三冲量给水控制系统：

串级三冲量给水控制系统分为主副两个调节器。汽包水位H为主调节器的控制信号，用来控制副调节器进行水位校正。而副调节器除了接收控制信号H 以外，还接收给水量W和蒸汽量D这两个控制信号。

这样，当蒸汽量D发生扰动时，副调节器随之动作，控制给水流量W。当给水量W发生扰动时，副调节器随之动作，使给水量W维持恒定。

三冲量给水控制系统的结构较之前两种复杂，但是它有效的弥补了单冲量和双冲量系统的不足，是目前控制大型容量锅炉最有效的方式，也是目前发电厂最常用的控制方式。

上述各种控制系统中，测量汽包水位的变送器均为三重化，最终的水位信号从中选出一路，当汽包发生故障时，也可由控制人员来决定切换至另一路信号，确保安全稳定运行。

3 结束语

发电厂的汽水系统和锅炉控制是一个极其复杂的系统，实际的电厂集控运行中，包括锅炉的水位控制、温度控制、节能控制等多个方面，随着计算机、自动控制等4C技术的发展，我国火电厂的集控控制正向着更加智能化的方向发展。