华能玉环电厂1号机组水煤比控制策略及整定

华能玉环电厂1号机组水煤比控制策略及整定摘要：超超临界机组直流锅炉调节的关键是保证合适的水煤比，控制汽水分离器出口过热度。

华能玉环电厂1号机组是国内首台超超临界、百万机组，调试中发现过热汽温、水冷壁和过热器金属温度都对汽水分离器出口过热度十分敏感，过热度的控制对机组稳定安全运行至关重要。

本文在总结调试经验的基础上，详细介绍该机组如何利用水煤比控制过热度、水煤比的控制策略和调试过程中遇到相关的问题及处理方法。

最后介绍各种工况下，水煤比控制过热度所取得的效果。

关键词：超超临界；直流炉；水煤比；过热度
0 前言
华能玉环电厂1号机组锅炉为哈尔滨锅炉厂（HBC）生产的超超临界参数、变压运行、垂直管圈水冷壁直流燃煤锅炉，日本三菱重工（MHI）为其技术支持方。

锅炉采用单炉膛双火球、反向双切圆燃烧方式。

汽轮机由上海汽轮机有限公司和德国SIEMENS公司联合设计制造，超超临界、一次中间再热、单抽、四缸四排汽、双背压、八级回热抽汽、反动凝汽式汽轮机N1000-26.5/600/600，设计额定主汽压力为26.25MPa、主汽温度600℃、再热蒸汽温度600℃。

超临界直流锅炉下辐射区水冷壁、工质中间点温度是超临界直流锅炉设计和调节控制的核心参数。

它既关系到汽温调节，又直接影响水冷壁的安全工作。

其中最为关键的控制参数是下辐射区水冷壁出口工质温度。

现场调试通过汽水分离器出口过热度的调节来控制水冷壁出口温度、末级过热汽温，同时保证水冷壁、过热器受热面的安全工作。

调试过程中发现，过热汽温、水冷壁管温对汽水分离器出口过热度十分敏感，低负荷状态下尤其明显。

因此超超临界机组直流锅炉调节的关键是控制汽水分离器出口过热度。

过热度的调节通过水煤比（WFR）来实现，水煤比的控制策略对于机组稳定安全运行至关重要。

1 水煤比
给水/燃料比率（WFR，Water Fuel Ratio，简称水煤比）指令是通过下述方法产生的:
当锅炉处于湿态运行方式时，主蒸汽压力由燃料量控制，在这种情况下，是通过调整水煤比指令改变燃料量来控制主蒸汽压力；主燃料煤实际发热值也许改变，锅炉吸热条件取决于燃料的种类和工作燃烧器所在层的高度，当锅炉处于干态运行方式时，调整水煤比指令，以补偿上述变化，由水煤比指令控制汽水分离器出口蒸汽的过热度。

给水指令和燃料量指令基本上是由锅炉主控指令BID决定，是BID通过函数的静态分配。

但是仅有这些还不够，WFR实际上是对燃料量的细调，使燃料量与给水量的比例关系与机组负荷及实际运行工况相对应。

锅炉燃料量指令FFD由3部分叠加而成。

一是由锅炉主控指令BID根据函数关系计算出的f(BI D)；二是燃料量指令为了快速响应机组负荷变化形成的前馈BIRFF；三是水煤比(Water Fuel Ratio)。

水煤比根据汽水分离器出口的过热度、过热器出口温差等改变燃料量指令，通过增加或减少燃料量，维持给水量与燃料量在一定的比例范围，从而保证汽水分离器出口的过热度、过热蒸汽温度在设定范围。

以玉环电厂工程1号机组为例，在直流状态下水煤比控制汽水分离器入口蒸汽过热度偏差，
同时兼顾一级过热器出口、二级过热器出口、三级过热器出口和后烟道后墙入口联箱入口的温度偏差。

即水煤比控制用于保证上述各位置点的蒸汽温度在设定范围，从而保证主蒸汽温度控制在一定范围。

当然水煤比无法实现过热汽温的精确控制，喷水调节阀将用于主蒸汽温度的细调。

2 WFR的控制策略
直流锅炉的运行状态可以分为2种。

一种是湿态，另一种是干态。

机组运行在湿态下，WFR控制汽压；机组运行在干态，WFR控制汽水分离器出口过热度。

2.1 湿态下WFR控制汽压
协调方式下，锅炉燃烧调节既控功也控压，汽机主控接受经过压力修正后的功率指令。

实际上协调方式是以锅炉跟随(BF)为基础的，在协调控制方式下，锅炉燃烧调节以控压为主，汽机主控以控功为主。

在协调干态方式下，锅炉主控指令BID=MWD+MWDEV+∫PTDEV。

机组燃料量指令FFD与BID成比值关系。

锅炉主控通过控制燃料量指令来控制汽压。

但在湿态方式下，∫PTDEV自锁，不再根据压力偏差而变化。

因此在湿态下，锅炉主控不参与调压，锅炉燃烧调节控制压力的因素来源于WFR。

湿态运行并且燃料投自动，WFR投自动后控制主汽压力，根据主汽压力偏差调整WFR的输出。

W FR的输出作为燃料量指令FFD构成环节的一部分，通过调整燃料量来消除主汽压力偏差。

2.2 干态下WFR控制汽温
干态下WFR既控制汽水分离器出口过热度，也控制末级过热器出口温度，但是对于两者的权重不一样，WFR主要用来控制汽水分离器出口过热度。

对于两者的权重，三菱公司最初提供的控制策略中，过热度与末级过热器出口温度偏差的比重为9：1，可以根据实际情况进行修正。

过热度的设定值与机组负荷的关系曲线见图1。

由于过热度的变化相对于机组负荷的变化是一个滞后较大的对象，因此机组负荷经过函数关系后增加滞后环节。

图1 机组负荷LD与过热度设定值曲线
3 WFR的迫降
当炉膛中部集箱入口管金属温度、一级过热器出口温度、后烟道后墙入口联箱入口温度、炉膛烟气温度和后烟道后墙联箱入口过热度超温，为了保护锅炉受热面，必须迫降WFR的输出，减少一定量的燃料量。

1）炉膛中部集箱入口管超温
当锅炉炉膛中部集箱入口金属管壁温度超过汽水分离器出口饱和温度160℃时，WFR就要进行快速减煤，WFR从当前值以1分钟10t/h的速率减少3t/h。

如果3分钟后超温信号仍存在，再以同样的速率减少3t/h，直至超温信号被复位。

实际曲线见图2。

图2 管壁超温时WFR动作减煤曲线
2）后烟道后墙入口过热度超温：当后烟道后墙入口联箱入口蒸汽过热度超温，WFR快速减煤，其减煤曲线与图2相同。

3）炉膛烟气温度超温：虽然在MHI的设计中，有炉膛烟气温度超温迫减WFR，但是实际调试中由于无法准确测量锅炉炉膛烟气温度，因此取消该段控制设计。

4）后烟道后墙入口汽温超温：当后烟道后墙入口联箱入口蒸汽温度超温，WFR快速减煤，其减煤曲线与图2相同。

5）一级过热器出口温度超温：当一级过热器出口温度超温，WFR立即以每分钟3t/h的速率减煤，直到WFR降为最低值WFRLL。

当超温信号失去，WFR恢复为自动调节值。

一级过热器出口温度超温，WFR快速减煤的曲线见图2。

WFRLL是锅炉主控指令BID的函数，两者呈比值关系。

4 调试中遇到的问题及处理方法
1）当一级过热器出口温度高，WFR速降到WFRLL，当一级过热器出口温度高信号失去，WF R立即恢复到正常的调节值，造成给煤量比较大的扰动。

后将切换T块的跟踪打断，将slew 置为O N，并设置切换速率为0.1。

从而避免WFR在受限前后对给煤量的扰动。

2）当水冷壁中间集箱温度高，WFR按照10t/min的速率减少3t煤，如果3分钟后温度仍然高，则继续按照此速率减煤。

但后来发现WFR一直减煤，直到低限。

原来WFR减煤的速率是通过积分回路实现的，一旦温度高，立即将温度高之前的WFR数值保存，然后用该值减去积分回路输出的数值。

由于温度高信号失去后，积分回路虽然快速回积，但由于积分的死区，其输出总是有值的。

尽管该值很小，由于WFR1按照控制器扫描速率不断减去该值，所以使得WFR立即降为低限。

后来，在温度高切换逻辑中增加与门，一旦温度高条件失去，WFR立即切为正常调节值。

3）为防止WFR受限后积分饱和，调试中对WFR控制策略做了以下修改：
①当WFR积分至上限后，对参加积分作用的温差信号、积分作用的前馈环节均增加取小回路，同时将积分作用的过程变量强切为0，直到WFR受限信号失去；
②当WFR积分至下限后，对参加积分作用的温差信号、积分作用的前馈环节均增加取大回路，同时将积分作用的过程变量强切为0，直到WFR受限信号失去；
③三菱提供的WFR控制策略中，M/A站放在最后。

这样如果WFR处于手动状态，一旦超温需要迫降，就无法实现。

为避免这种情况的发生，调试过程中将M/A站上移，确保如果当炉膛中部集箱入口管金属温度、一级过热器出口温度、后烟道后墙入口联箱入口温度、炉膛烟气温度和后烟道后墙联箱入口过热度任一超温，即使WFR处于手动也能实现自动减煤。

5 WFR控制的整定结果
经过调试过程中对WFR控制策略的修改、控制参数的调整，无论是机组稳定运行或机组负荷升降过程中，过热度都控制在设定范围。

具体见图3所示。

1）如图3所示，在机组减负荷过程中，当过热度降低，WFR立即加煤；过热度增大，WFR立即减煤。

负荷指令从950-750MW，期间压力动态偏差最大为0.39Mpa，功率动态偏差最大为14MW，对应的过热度设定值应当是30-26℃，在此过程中过热度最低为24℃，最高为31.4℃，始终控制在可调范围。

2）如图4所示，在机组升负荷过程中，当过热度降低，WFR立即加煤；过热度增大，WFR立即减煤。

负荷指令从650-800MW，期间压力动态偏差最大为0.3Mpa，功率动态偏差最大为6MW，对应的过热度设定值应当是22-30℃，在此过程中过热度最低为20.5℃，最高35℃，始终控制在可调范围。

图3 降负荷时的过热度曲线
图4 升负荷时的过热度曲线
Abstract：The key problem for ultra-supercritical unit control is to keep SEP s uperheat ratio in proper by WFR. #1 unit of Huaneng YuHuan Power Company is the fir st 1000MW、ultra-supercritical unit in China. This paper introduced WFR control str ategic of this unit and the problems met in commission period and solve method rela ted on the basis of commissioning experience.
Key words：ultra-supercritical unit；once-through boiler；water fuel ratio；sup er heat ratio Tuning and optimization to WFR control strategy of unit 1# huaneng y uhuan power plant
参考文献
[1] 金以慧．过程控制[M]．北京：清华大学出版社，1993．
JIN Yi—hui．Process control[M]．Beijing：TsinghHa University Press，1993．[2] Mitsubishi Heavy Industries Ltd．Boiler control logic rev．5[Z]2005．。