摘要：为了二次再热超超临界机组控制策略的制定和实际机组调试运行提供参考数据和预测,以莱芜1000MW二次再热超超临界机组为研究对象,采用工业过程软件apros作为仿真支撑平台开发工程分析模型,对动态特性进行试验分析并验证其主要控制策略。结果显示：二次再热超超临界机组风、煤、给水阶跃扰动,主要参数变化趋势与一次再热超超临界机组基本相同,但二次再热汽温惯性加大致控制难度增加。二次再热超超临界机组控制的关键仍然是控制煤水比和风煤比,过热汽温采取煤水比控制+二级喷水减温方式,一、二次再热汽温采取烟气再循环++烟气挡板+再热器事故喷水减温方式;在2%变负荷率以下均可以控制在合理范围内,从而满足机组安全、稳定、高效运行的需要。
引言
近年来,我国超临界、超超临界参数等级的发电技术得到了高速发展和应用。目前,一次再热超超临界技术较为成熟,二次再热超超临界技术是提高火力发电机组热效率切实可行的有效手段[1-2] 之一。
二次再热超超临界机组锅炉、汽轮机和热力系统的结构更复杂,且末级受热面金属材料的工作环境更加恶劣。汽轮机增加了超高压缸、锅炉增加了一级再热器,相应辅助系统也增加许多设备。这些都使得机组的动态响应特性发生较大变化;而且机、炉之间联系更密切,各个控制回路如风、煤、给水、汽温及负荷控制之间的非线性耦合关系更强。目前国内还缺少二次再热超超临界机组的设计、调试和运行经验,针对二次再热超超临界机组相关技术问题的研究显得至关重要[3-6]。
山东莱芜电厂1000MW二次再热超超临界锅炉由哈尔滨锅炉厂设计制造,锅炉出口参数32.87MPa/605℃/623℃/623℃。锅炉型式为直流本生炉,塔式布置,两次中间再热,正方形炉膛,下炉膛螺旋管圈水冷壁,低NOx浓淡燃烧器配SOFA风、四角切圆燃烧方式。尾部双烟道布置,低温再热器入口 布置烟气调节挡板。烟气再循环抽取位置在引风机出口。尾部烟道设计烟气余热利用系统(高、低压省煤器)、暖风器系统。汽轮机为上海汽轮机厂超超临界、二次中间再热、五缸四排汽、单轴、双背压、凝汽式。简化的二次再热超超临界机组热力系统如图1所示。
图1 二次再热超超临界机组热力系统简图
Fig. 1 Double-reheat ultra-supercritical units thermal system diagram
1 二次再热超超临界机组工程分析模型
采用工业过程软件APROS作为开发平台,APROS是全范围、全过程工业过程动态仿真软件,可以全程模拟汽液两相流体网络、控制和电气系统等,应用范围涵盖可行性研究、过程及自动化系统设计、运行指导、安全分析、人员培训和技术改 造等[7]。
APROS系统提供泵、风机、阀门、管道、换热器、汽轮机级、发电机等基本的图符化计算模块。热力计算是建立在基本的质量守恒、能量守恒、动量守恒方程基础上,通过迭代的方法进行求解[8]。
质量守恒方程：
动量守恒方程：
能量守恒方程：
本文首次以莱芜电厂1000MW二次再热超超临界机组为研究对象,对二次再热超超临界机组的动态特性进行研究。将机、炉、电整体模型按照系统功能和工艺流程划分为若干子系统,划分时注意以下几点：保证整体模型的完整性和连续性,选用温度、压力等参数波动不大的节点作为子模型间的连接点。重点对二次再热超超临界锅炉系统进行详细的描述,同时反映汽轮机装置超高压缸系统动力特性,在此基础上对汽轮机辅助系统、凝汽器、发电机系统等进行适当的简化,建立一种基于全局性的二次再热超超临界机组工程分析模型,实现全过程动态实时仿真。
锅炉模型严格按照锅炉汽水流程及烟气流程,细分为水冷壁、汽水分离器、过热器、高低压再热器、高低压旁路省煤器、燃烧系统、制粉系统、空气预热器等子系统。过热器子系统模型需考虑受热面三级布置、两次左右交差以充分减少烟温偏差等因素,详见图2所示。模型中每个计算模块对应热
图2 过热器及二级再热器一侧模型组态图
Fig. 2 On one side of the superheater and reheater 2 part Model configuration diagram
力系统的一个设备单元或过程,具有明确的物理意义和数学独立性[9-14]。以水冷壁为例,模型需要反映锅炉动、静态过程中水冷壁工质储量、蒸发压力和出口焓的变化规律。以锅炉热力计算书、汽机热平衡图和机组其它设计参数及结构参数(如换热面尺寸、管径、标高、材质,以及泵、风机和调阀特性曲线数据等)作为输入数据,炉膛出口定义在末级过热器出口。
二次再热超超临界机组汽机模型细分为：超高压缸、高压缸、中压缸、低压缸、高压加热器、低压加热器、除氧器、凝汽器、三级旁路等子系统。为充分表现回热系统的特性,高压加热器子系统模型考虑1—4号高加分A、B两侧,其中2、4号高加前设计前置式蒸汽冷却器等因素。
因在实际机组运行前开发二次再热超超临界机组工程分析模型,模型可供参考的数据有限。为使主要负荷工况下各受热面蒸汽进出口温度、压力、流量,烟气进出口温度、压力等机组主要参数与设计参数吻合,通过对模型各受热面计算模块的对流、辐射换热系数及阻力损失系数等参数进行大量试算工作,对模型进行调试和完善,在满足实时性计算前提下使模型精度满足工程分析的需要,模型计算数据与机组设计参数对比见表1—3。
表1 模型计算数据与设计参数(100%THA工况)对比
Tab. 1 Model calculation data and the design parameters (100% THA condition)
由此说明模型计算稳定可靠,各主要参数变化符合物理规律[15]。