抑制超临界锅炉垂直管圈水冷壁传热恶化的控制方法与流程

本发明涉及火力发电机组的自动控制领域，尤其是涉及一种抑制超临界锅炉垂直管圈水冷壁传热恶化的控制方法。

背景技术：

大型电站锅炉的水冷壁布置形式一般有两种，即螺旋管圈和垂直管圈。螺旋管圈水冷壁绕炉膛四周布置，可以有效补偿热偏差，水动力特性相对稳定，但制造成本高结构复杂，安装难度大，且水冷壁系统阻力大，给水泵功耗较高。垂直管圈水冷壁能够克服螺旋管圈水冷壁的上述缺点，减小系统阻力，降低给水泵功耗，但需要通过加装节流圈的方式来调整水冷壁流量分布，以控制热偏差。

对于垂直管圈水冷壁的电站锅炉而言，即使采用节流孔圈来调节水冷壁流量，还是会因炉膛燃烧热偏差使得部分水冷壁管热负荷大，管内出现膜态沸腾导致传热恶化，从而使得水冷壁超温，当传热恶化消失后管壁温度又急剧下降，金属温度来回剧烈变化，诱发疲劳裂纹，最终导致水冷壁爆管，锅炉非正常停运。在当前火电机组灵活性运行要求下，火电机组已成为调峰调频的主力军，机组负荷变动频繁，加大了锅炉燃烧率扰动，由于热偏差而导致膜态沸腾爆管的问题更加突出。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种抑制超临界锅炉垂直管圈水冷壁传热恶化的控制方法，该方法用于抑制或消除锅炉垂直管圈水冷壁传热恶化现象，提高电站锅炉设备运行可靠性，适应当前火电机组调峰调频的需求。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种抑制超临界锅炉垂直管圈水冷壁传热恶化的控制方法，该方法从锅炉燃烧率和煤水比控制的角度进行优化控制，其中优化控制包括燃料热值分层修正、虚拟启停煤量计算、动态煤水比控制、以及变负荷智能超调。

优选地，所述的燃料热值分层修正为：着眼于燃料量的精确调节，通过燃煤热值分层自动修正。

优选地，所述的燃料热值分层修正具体为：根据不同煤层的实际入炉煤质对应设置热值得到平均热值修正系数，再进行煤质热值自动校正，根据进入炉膛的热量偏差不断修正总煤量。

优选地，所述的热值修正可自动或手动，最终的热值修正系数k＝k1×k2，式中k2代表原先的热值修正系数，k1代表设置的平均热值修正系数。

优选地，所述的k1计算为：

k1＝m/m0，其中m代表分层设置后的平均热值，m0代表机组设计热值。

优选地，所述的虚拟启停煤量计算为：对磨组启停过程中的煤量进行虚拟计算，模拟燃烧产生热量的过程，以尽可能使计算总煤量贴合实际入炉煤量。

优选地，对磨组启停过程中的煤量进行虚拟计算具体为：

根据磨组启停对机组运行参数的影响设置对应磨组启、停期间的煤量延迟时间τ启、τ停及变化速率r启、r停，经过对磨组原瞬时煤量信号的修正得到最终的虚拟煤量。

优选地，所述的动态煤水比控制为抑制水冷壁传热恶化的煤水控制策略，具体为：

一方面调整机组稳态工况下的煤水配比，通过优化设置静态煤水比函数增大给水量；

另一方面改进机组动态工况下的煤水比控制，在加负荷时多增加一些给水，对于热负荷高的区域，在膜态沸腾产生前将工质推入水冷壁中间集箱，通过工质混合消除热偏差；同时在减负荷时，判断水冷壁温度变化情况，如存在超温，则放慢减水速度，同时再降低煤量。

优选地，所述的变负荷智能超调为采用智能处理方法，综合考虑变负荷速率和幅度、当前负荷、主汽压力偏差因素对机组变负荷特性的影响。

优选地，所述的变负荷智能超调具体为：

根据机组负荷、变负荷速率、变负荷幅度及主汽压力偏差的输入信号的变化趋势，动态调整变负荷超调量大小；

同时考虑主汽压力偏差及变负荷幅度两者的影响，经过智能计算后得到合适的变负荷超调，既保证主汽压力及时恢复又减少小幅度变负荷时机组参数的波动幅度；该超调将根据不同负荷段的煤水比特性同步送至给煤、给水控制回路中去，保证动态过程中煤水的合理配比。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)基于本发明的控制技术在机组dcs控制系统中通过软件实现，不需要增加额外的设备改造投入；

2)能大幅度改善甚至彻底消除水冷壁传热恶化，与现有技术相比，本发明抑制效果显著提升；

3)本发明技术适用性强，尤其适用于当前火电机组燃煤大幅度掺烧、频繁调峰调频等复杂工况。

附图说明

图1为本发明抑制水冷壁传热恶化的控制方法示意图

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

对于采用垂直管圈水冷壁的电站锅炉而言，炉膛热偏差容易导致部分水冷壁管热负荷过大，在中间集箱以下部位出现膜态沸腾，水冷壁管壁被一层过热蒸汽覆盖，导致管壁对工质放热系数急剧下降，壁温急剧上升。之后，新的工质进入该区域，在工况扰动下，工质流速和热负荷都会发生变化，膜态沸腾消失了，管壁温度开始下降，管壁温度的大幅度上下波动对该区域水冷壁造成了热应力寿命损耗，多次疲劳积累后，导致出现横向裂纹，引发锅炉爆管。

应对此类问题的常规方法是调整水冷壁节流孔圈，使得水冷壁中的工质分布匹配炉膛燃烧热负荷。而实际上由于炉膛燃烧工况复杂，再加上负荷频繁变化带来的工况扰动，节流孔圈的使用效果不佳，还是会经常发生水冷壁超温和热疲劳导致横向裂纹而爆管。

本发明从锅炉燃烧率和煤水比控制的角度，通过燃料热值分层修正、虚拟启停煤量、动态煤水比控制、变负荷智能超调等一系列针对性优化控制技术，解决因炉膛热负荷偏差、局部热负荷过大而导致部分水冷壁过热的问题，从而抑制或消除膜态沸腾。

通常锅炉燃煤热值变化较大，且常常采用掺烧方式。本发明首先着眼于燃料量的精确调节，通过燃煤热值分层自动修正，根据不同煤层的实际入炉煤质对应设置热值，再进行煤质热值自动校正，根据进入炉膛的热量偏差不断修正总煤量，从而抑制煤热值变化对机组参数的影响，提高机组对煤种变化的适应性，为煤水比精确控制创造有利条件。

考虑到制粉系统的磨组启停时存在虚假煤量现象，即启动时煤量信号增加，但实际煤粉尚未进入炉膛，计算总煤量虚高；停止时煤量信号消失，但实际还有存量煤粉进入炉膛。机组燃料控制系统为保持总的煤量不变，导致磨组启动时实际入炉煤量偏少，相应的磨组停运时实际入炉煤量偏多，给煤水比控制带来较大扰动。为避免启停磨组对机组参数的影响，对磨组启停过程中的煤量进行了虚拟计算，模拟燃烧产生热量的过程，以尽可能使计算总煤量贴合实际入炉煤量，避免在磨组启停过程中煤水比失调。

由于锅炉燃烧工况的复杂多变，炉侧热偏差很难避免。在燃料量的精确调节的基础上，针对锅炉运行过程中水冷壁膜态沸腾产生的原因，即水冷壁冷却水量与热负荷不相匹配的问题，设计抑制水冷壁膜态沸腾的煤水控制策略，其主要思路为通过煤量及给水量的增减消除热量不匹配，达到破坏膜态沸腾区域的目的。本发明一方面调整机组稳态工况下的煤水配比，通过优化设置静态煤水比函数适度增大给水量，使传热恶化工况临界点尽可能后移；另一方面改进机组动态工况下的煤水比控制，在加负荷时适当多增加一些给水，对于热负荷偏高的区域，尽可能在膜态沸腾产生前将工质推入水冷壁中间集箱，通过工质混合消除热偏差。在减负荷时，同时判断水冷壁温度变化情况，如存在超温，则适当放慢减水速度，同时再降低煤量。

进一步的，设计合理的锅炉变负荷智能超调，保证机组变负荷期间各主要参数的稳定，强化膜态沸腾的抑制效果。通常汽机、锅炉协调变负荷时，汽机调门对负荷响应较快，而锅炉热惯性大，需要燃烧率超调来补充机组蓄热。优化后的锅炉超调采用了智能处理的方法，综合考虑了变负荷速率和幅度、当前负荷、压力偏差等因素，压力偏差越大，锅炉欠能越多，超调量则越大。此外，变负荷时的超调持续时间根据机组热力参数的变化进行智能判断，充分考虑了机组能量平衡关系，保证了变负荷期间各主要参数的稳定，从而也降低了水冷壁温度的变化幅度，利于膜态沸腾的抑制。

采用上述控制技术和方法，可以有效抑制水冷壁传热恶化的发生，解决锅炉水冷壁频繁爆管的问题，提高锅炉设备运行可靠性。

具体实施例

本发明着眼于电站锅炉燃烧率和煤水比控制的角度，提出一种抑制水冷壁传热恶化的控制方法，可以抑制或消除锅炉垂直管圈水冷壁膜态沸腾现象，解决因炉膛热负荷偏差、局部热负荷过大而导致部分水冷壁过热的问题，提高电站锅炉设备运行可靠性，适应当前火电机组调峰调频的需求。

以某台超超临界燃煤锅炉为例，本发明的控制方法包括燃料热值分层修正、虚拟启停煤量、动态煤水比控制、变负荷智能超调等部分。图1为抑制水冷壁传热恶化控制方法的示意图，在机组协调控制策略的基础上，本发明对煤量及给水控制进行进一步调整。图中列出了各部分所需要的输入信号，主要包括负荷指令、实际负荷、主汽压力定值、主汽压力实际值、中间点焓值、变负荷速率、水冷壁壁温、机组运行状态信号(agc方式、协调方式、变负荷信号等)、标准煤种热值、各磨组对应的启停状态、瞬时煤量及热值等。

(1)燃料热值分层修正

燃料热值分层修正着眼于燃料量的精确调节，通过燃煤热值分层自动修正，根据不同煤层的实际入炉煤质对应设置热值得到平均热值修正系数，再进行煤质热值自动校正，根据进入炉膛的热量偏差不断修正总煤量。分层热值计算如下：

式中，ma代表a层热值(mj/kg)，xa代表a层煤量(kg)，其它煤层以此类推，m代表分层设置后的平均热值。

平均热值修正系数：k1＝m/m0

式中，k1代表设置的平均热值修正系数，m代表分层设置后的平均热值，m0代表机组设计热值。

新设置的分层热值与原先的热值设定不冲突，热值修正可以自动或手动，最终的热值修正系数k＝k1×k2，式中k2代表原先的热值修正系数。

(2)虚拟启停煤量

虚拟启停煤量模拟燃烧产生热量的过程，以尽可能使计算总煤量贴合实际入炉煤量，避免在磨组启停过程中煤水比失调。其根据磨组启停对机组运行参数的影响设置对应磨组启、停期间的煤量延迟时间τ启，τ停及变化速率r启，r停，经过对磨组原瞬时煤量信号的修正得到最终的虚拟煤量，并进入煤量控制回路参与调节。实际过程中，每台磨组启动与停运特性有所区别，需要针对每台磨组分别设置和调整对应的延迟时间及变化速率。

(3)抑制水冷壁传热恶化的煤水控制策略

该煤水控制策略在燃料量精确调节的基础上，通过给煤及给水量的增减消除水冷壁冷却水量与热负荷不匹配。选取机组负荷、主汽压力、中间点焓值、水冷壁壁温及机组运行状态等作为控制策略的输入信号，在机组投入agc、协调控制模式及其他必须条件下，根据机组的中间点焓值、壁温、负荷的变化，判断水冷壁热负荷情况并调整煤量及给水量，其调整方向、幅度及变化速率决定于中间点焓值、负荷的变化幅度及趋势。如在加负荷时若中间点焓值偏高，则说明热负荷较高，本策略将依此按照一定的变化速率适当减少煤量并增加给水量，达到抑制膜态沸腾并尽可能在膜态沸腾产生前将工质推入水冷壁中间集箱，通过工质混合消除热偏差的目的；在减负荷时，同时判断水冷壁温度变化情况，如存在超温，则适当放慢减水速率，同时再降低煤量，从而保证机组动态过程中煤水比始终处于合理范围内。

(4)锅炉变负荷智能超调

本发明中，锅炉变负荷超调采用智能处理的方法，不以单一因素决定锅炉变负荷超调量大小，而是综合考虑变负荷速率和幅度、当前负荷、主汽压力偏差等因素对机组变负荷特性的影响。根据机组负荷、变负荷速率、变负荷幅度及主汽压力偏差等输入信号的变化趋势，动态调整变负荷超调量大小。以变负荷幅度及主汽压力偏差为例，变负荷过程中机组主汽压力偏差较大，说明锅炉需补充较多能量，变负荷超调量需相应增加，但若此为较小幅度的变负荷过程，则过大的超调将引起后续主汽压力的大幅波动，不利于机组参数的稳定，因此本发明同时考虑主汽压力偏差及变负荷幅度两者的影响，经过智能计算后得到合适的变负荷超调，既保证主汽压力及时恢复又减少小幅度变负荷时机组参数的波动幅度。该超调将根据不同负荷段的煤水比特性同步送至给煤、给水控制回路中去，保证动态过程中煤水的合理配比。

此外，变负荷超调的持续时间根据机组热力参数的变化进行智能判断，充分考虑了机组能量平衡关系，保证了变负荷期间各主要参数的稳定，从而也降低了水冷壁温度的变化幅度，利于膜态沸腾的抑制。

综上，本发明从电站锅炉燃烧率和煤水比控制的角度出发，一方面调整机组稳态工况下的煤水配比，通过优化设置静态煤水比函数适度增大给水量，使传热恶化工况临界点尽可能后移；另一方面改进机组动态工况下的煤水比控制，抑制或消除水冷壁膜态沸腾，减少机组参数波动，提高电站锅炉设备运行可靠性，适应当前火电机组调峰调频的需求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

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