CN103797302A - 循环废热蒸汽生成器的运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及循环废热蒸汽生成器（1）的运行方法，其中在循环废热蒸汽生成器（1）的压力级中为调节锅筒（8）内的水平面高度根据预先给定的额定值提供给水质量流，则实现了循环废热蒸汽生成器的特别高的效率以及同时特别高的运行灵活性。为此，在确定额定值时使用引入到压力级的蒸发器（12）内的热功率作为输入量。

Description

循环废热蒸汽生成器的运行方法

技术领域

本发明涉及一种用于运行循环废热蒸汽生成器的方法，其中在循环废热蒸汽生成器的压力级中为调节锅筒内的水平面高度根据预先给定的额定值提供给水质量流。

背景技术

废热蒸汽生成器是回收热气体流热量的换热器。废热蒸汽生成器通常可用于用来发电的燃气和蒸汽涡轮机设备（GuD设备）中。在此，现代的GuD设备通常包括一个至四个燃气涡轮机和至少一个蒸汽涡轮机，其中每个涡轮机分别驱动一个发电机（多轴设备）或燃气涡轮机与蒸汽涡轮机在共同的轴上驱动唯一的发电机（单轴设备）。燃气涡轮机的热废气在此在废热蒸汽生成器中用于产生水蒸汽。蒸汽然后被提供到蒸汽涡轮机。通常，电功率的大约三分之二来自燃气涡轮机且三分之一来自蒸汽过程。

类似于蒸汽涡轮机的不同的压力级，废气蒸汽生成器也包括多个带有分别所含有的水-蒸汽混合物的不同的热状态的压力级。在这些压力级的每一个中，流动介质在其流动路径上首先流过节能器，所述节能器利用余热将流动介质预热，且然后流动介质流过不同的蒸发器和过热器加热面的级。在蒸发器中将流动介质蒸发且将所得到的蒸汽在过热器内进一步加热。

在目前的GuD设备中，在大多数情况下循环废热蒸汽生成器使用在所有的压力级中，其中废热蒸汽生成器具有中心锅筒，所述锅筒与蒸汽生成器、蒸发器、节能器的所有三个水侧部分连接。在锅筒内总是保持液体相且连续地通过下降管为蒸发器供给。蒸汽泡上升到水表面，且在上方从锅筒排出。所产生的蒸汽通过随后供给以给水被节能器补充。因此，在锅筒内的水面近似于维持恒定。

在带有通常的锅筒的尺寸的循环蒸汽发生器中，目前通常以所谓的三部件调节器来提供给水流动。根据新鲜蒸汽的质量流量为给水质量流选择额定值。此给水调节的更重要的目的是维持锅筒内的希望的水平面高度。由此原因，实际的锅筒水高度水平面高度被用作修正调节量，所述修正调节量根据与希望值的偏差导致给水质量流的定向的改变。由于造成了修正调节器的缓慢行为的锅筒内的大的水存储器（缓冲体积），考虑到锅筒内的低波动的且可靠的水平面高度也可存在临界瞬态过程，例如在极限值内的快速的载荷改变。

但现代发电厂要求高效率，这随着蒸汽参数的提高已涉及到更高的燃气涡轮机出口温度，且另一方面要求尽可能灵活的运行方式。由于高温和高压，在大型锅炉中锅筒具有很大的壁厚。这又在快速加热或冷却时导致热应力，所述热应力可达直至材料的载荷极限。厚壁的锅筒因此限制了蒸汽生成器的最大允许上行和下行运行梯度。为将壁厚限制在可接受的程度上，锅筒直径应降低。

因此，如果由于在蒸汽参数以及应用灵活性方面的更高的要求而降低锅筒直径，则对于给水调节构思的要求且因此也对于在循环蒸发器中的锅筒的水平面高度调节的要求升高。在大缓冲体积下仍提供合适的结果的迟钝的三部件调节器在此可能不再能合适地使用。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题是给出前述类型的方法，所述方法实现了循环废热蒸汽生成器的特别高的效率同时实现了特别高的运行灵活性。

此技术问题根据本发明通过如下方式解决，即在确定据以引导给水质量流的额定值时，将引入到压力级的蒸发器内的热功率用作输入量。

本发明在此从如下考虑出发，即可通过合适地调节锅筒的水平面高度实现带有由效率决定的特别小的锅筒直径的循环废热蒸汽生成器的运行灵活性的升高。特别地，锅筒水平面高度的波动通过合适的给水调节而被有效补偿得越快且因此可将所述波动最小化得越快，则可实现的灵活性越高。

为达到此目的，应使得给水量不能仅在已确定了锅筒水平面高度的改变时才与锅筒水平面高度相匹配，而是应以预测调节的方式事先就已与水平面高度的期望的改变相匹配。在此，锅筒内的水平面高度基本上取决于流动介质在蒸发器内的实际蒸发得如何且因此通过节能器补充得如何。在蒸发器出口处的流动介质的蒸汽部分和水部分在此取决于向蒸发器内的热输入。因此，向蒸发器内的热输入适合于作为用来调节锅筒内水平面高度的预测修正量。在确定给水质量流的额定值时，因此应使用引入到蒸发器内的热功率作为输入量。

有利地，在确定引入到压力级的蒸发器内的热功率时使用烟气质量流和烟气在压力级的蒸发器的入口和出口处的比焓的差异。引入到蒸发器内的热功率的确定因此通过蒸发器的烟气侧热收支来进行。用于烟气质量流的值可在此例如从单元控制级中获得，因为此值直接取决于典型地接在之前的燃气涡轮机的实际运行状态。

在确定压力级的蒸发器的入口处的烟气值比焓时，有利地将压力级的蒸发器的入口处的烟气的温度用作输入量。只要烟气成分是已知的，从此输入量可通过简单的线性关系确定比焓。温度可在此直接通过蒸发器入口处的测量装置测量。

但在特别有利的构造中，在确定压力级的蒸发器的入口处的烟气的温度时使用蒸发器入口处的烟气温度。通过如此的对于蒸发器入口处的烟气温度的估计，可省去烟气侧的测量装置。这通过循环蒸汽生成器的特定特征实现，使得流动介质一般地处于饱和条件且因此在蒸发器出口处不过热。因此，从属参数的数量降低，因为例如不必考虑流动介质在蒸发器出口处的过热。以此可在热力学设计检查的过程中事先确定参数特征曲线，借助于所述参数特征曲线基于蒸发器入口处的烟气温度与合适的载荷信号（有利地为烟气质量流）相结合，可确定蒸发器入口处的烟气温度的有代表性的特征值。这实现了相对无错误的对于蒸发器入口处的烟气的温度的确定而无附加的测量装置。

有利地，压力级的蒸发器入口处的烟气的比焓以时间延迟被使用。通过在控制技术上以更高的阶次的时间延迟元件（PTn）可实现的此类时间延迟模拟了可觉察到的烟气侧温度改变对于蒸发器内的流动介质的时间延迟。

基本上可以也直接测量蒸发器的出口处的烟气的温度。但在特别有利的方法构造中，在确定蒸发器出口处的烟气的比焓时，使用流动介质的饱和温度作为输入量。以此，也可省去使用相应的昂贵的且成本高的测量装置的分开的测量。作为测量参数的替代，在此根据蒸发器内的流动介质的饱和温度来估计烟气温度且作为所存在的气体成分的函数来换算成所属的烟气焓。在此从如下情况出发，即蒸发器出口处的最低烟气温度大于蒸发器内的流体的饱和温度，且此温度差异随载荷降低也降低。

与在蒸发器入口和出口处的烟气侧温度确定的类型无关，可使用前述方法精确地确定从烟气释放到蒸发器加热面的热功率。除此蒸发器的总吸热外，为确定给水质量流应附加地使用在蒸发器内的流动介质的温升（焓差），即有利地在确定额定值时使用压力级的蒸发器的入口和出口之间的流动介质的焓差作为输入量。这由饱和蒸汽的焓（相对于所测量的锅筒压力）或蒸发器入口处的流动介质侧测量的焓来确定。

后者在此可通过测量值压力和温度的函数换算来确定。如果以此方式确定了蒸发器入口的焓，则因此可在热收支中适当地考虑略微的过冷却，例如通常在循环系统情况中在蒸发器入口处存在的过冷却。如果在蒸发器入口处未提供或不可能进行分开的温度和压力测量，则可简化地也使用饱和水的焓（也相对于所测量的锅筒压力）。如果最后将蒸发器侧的热供给除以所获得的介质侧焓差，则至少对于静态负载运行，对于每个运行状态所需的给水质量流是已知的，所述给水质量流应考虑为水平面高度调节的基础。

前述措施实现了将实际锅炉水平面高度与预先给定的额定值的偏差用作以预测性给水质量流确定所生成的流动的修正调节量。但在此应注意的是此修正调节器的干预由于调节器稳定性的原因而尽管已描述的改进仍总是很缓慢的且应以更低的调节器放大来执行。由于物理机制而导致废热锅炉的高度不稳定运行的与预先给定的额定值的特别强的临时偏差对于此修正调节循环可能仍是不可避免的。为可靠地保护锅筒不受过载和空载的影响，为温度而有利地应采取给水额定值确定的另外的优化措施，其在下文中描述。

如果在不稳定过程中系统压力改变且因此蒸发器内的流体的饱和温度瞬时改变，则蒸发器管的材料温度也改变。作为结果，热能存储到管壁内或从管壁输出。与收支平衡的烟气热量相比，因此对于流动介质的蒸发过程根据压力改变的方向临时提供了更多的热量（压力降低）或更少的热量（压力升高）。在蒸发器内的流动介质的预先给定的温升的情况下（介质完全经过两相区），因此为预先计算所需的给水质量流应将此不明显的影响在调节构思中进行考虑。

为此，有利地在确定额定值时，使用压力级内的流动介质的时间上延迟的饱和温度作为输入量。通过一阶差分元件（DT1元件），此物理效应可在计算技术上被描述。在此，近似地假定在修改系统压力时流动介质的以及管壁的温度随时间的改变是相同的。作为差分元件的输入，因此使用由所测量的锅炉压力所计算出的流动介质的饱和温度。

如果将此差分元件的输出与整个蒸发器管包括蒸发器系统所属的所有管路（例如，下降管和上升管、入口收集器和出口收集器以及锅筒自身）的质量和蒸发器材料的比热容相乘，则存储到管壁内的或从管壁释放的热量被定量化。通过选择此差分元件的合适的时间常数，可精确地模拟所属存储效应的时间特性，使得可直接计算此基于非稳定过程的金属体的热存储和热释放的附加效应。以此方式确定的热流修正值为进一步考虑蒸发器的烟气侧的总吸热而被减去。

在另外的有利的构造中，在确定额定值时将压力级中的流动介质的时间延迟的密度用作输入量。在水/蒸汽循环中的瞬态过程中，例如压力和温度的热力学状态值改变。在废热蒸汽生成器的每个加热面内的流动介质的比体积或密度的强迫改变与此热力学状态值的改变相关联。例如，如果由于载荷改变而导致加热面内的流动介质的比体积降低（即密度升高），则此加热面临时接收质量更多的流体。相反，在密度降低时加热面可接收更少的流体。

此效应特别地是在带有大量的未蒸发的流动介质的加热面的情况下体现，即在废热蒸汽生成器中尤其是在节能器加热面内，为优化锅筒的水平面高度调节应考虑此效应。在此，如在非稳定的运行中所描述出现了流体侧的存储和释放效应，因此由此导致在节能器出口处的直接的质量流量波动，这必然与波动的锅筒水平面高度相关。通过合适的给水引导，可有效地补偿此波动且因此有效地将锅筒水平面高度与预先给定的额定值的偏差减到最小。

通过附加地测量第一节能器加热面的入口处或最后的节能器加热面的出口处的温度和压力，可确定此位置的流体密度。通过合适的换算，可确定代表性的密度均值。此密度均值的改变因此是流体侧存储和释放效应的指示，这可通过另外的一阶（DT1）微分元件记录。如果对于此微分元件选择合适的增益（优选地为节能器加热面的全部体积）和合适的时间常数（优选地为流体介质通过节能器加热面的流过时间的一半（取决于载荷）），则因此而生成的修正信号补偿了节能器中的流体侧的存储器效应。在此，以此方式确定的修正信号与由热收支计算的给水质量流相加地叠加。以此方式可进一步降低锅筒水平面高度的波动。

在节能器上的密度测量的波动的原因是蒸发器内的平均密度自身的波动（例如，由入口过冷却的变化引起）对于锅筒水平面高度无明显的影响。平均密度的波动在循环系统中通过蒸发器系统内的不同的循环数平衡，使得锅筒水平面高度保持不变。因此，对于优化的水平面高度调节不要求特殊地考虑蒸发器内的密度改变。

在有利的构造中，以上述方法运行的循环废热蒸汽生成器使用在燃气和蒸汽涡轮机发电厂中。

以本发明实现的优点特别地在于通过在循环废热蒸汽生成器中的预测的给水额定值确定将锅筒水平面高度与预先给定的额定值的偏差限制到最小值，使得此类系统的最大可能的载荷变化速度明显加大。实际上此类方法实现了设备动态性能的改进，而所述动态性能在根据现有技术的水平面高度调节的情况下随着锅筒直径的降低不可转化。本方法因此是现有水平面高度调节的明显的改进。

附图说明

本发明根据附图详细解释。在此，附图示出了带有根据本发明的调节线路的循环废热蒸汽生成器的压力级的示意性图示。

具体实施方式

对于循环废热蒸汽生成器1，在附图的示意性图示中仅示出了唯一的压力级。在下文中描述的方法可使用在每个压力级中。此外，附图仅示出了各个加热面的流动介质侧的连接关系，而烟气侧的连接关系未示出。

流动介质M典型地从未详细示出的冷凝水预热器流入到循环废热蒸汽生成器1的流动路径2内。流动介质M的质量流量被给水调节阀4控制。该循环的给水泵未详细图示。首先，流动介质M到达布置在烟气侧最冷的区域内的节能器6内。在附图中的图示可在节能器6以及在另外的尚待描述的加热面中也用于多个串联或并联布置的加热面。

在节能器6内预热之后，流动介质M流入到锅筒8内。液体的流动介质M从锅筒8通过下降管10流入到蒸发器12内，在所述蒸发器12处流动介质通过来自烟气的传热被部分地蒸发。在流过蒸发器12之后，流动介质M又被引导到锅筒8内，未蒸发的液体部分保留在所述锅筒8处且再次将流动介质M提供到蒸发器12，而蒸发的部分从锅筒8向上被导出。流动介质M的蒸发的部分被通过节能器6提供的流动介质M所替代，使得在理想情况中在锅筒8内形成恒定的水平面高度。

附图示出了在蒸发器12的循环中无循环泵的自然循环废热锅炉。但在下文中描述的方法也可使用在强制循环废热锅炉中。

来自锅筒8的蒸发的流动介质M进入到过热器14、16内，所述过热器分别后接以喷射设备18、20以用于温度调节。在此处，流动介质M被过热且被置于希望的出口温度，且最后在未详细图示的蒸汽涡轮机中卸压。流动介质M从蒸汽涡轮机被提供到冷凝器，且通过冷凝水预热器再次被提供到流动路径2。

在非稳定载荷过程中，锅筒8内的水平面高度可能波动。因为一方面由于特别高的设备灵活性使得小锅筒壁厚是优选的但另一方面由于高效率使得特别高的蒸汽参数是希望的，所以锅筒8应构造为带有尽可能小的内径。但这要求锅筒8内的水平面高度波动的最小化，这通过下文中阐述的调节来保证。

水平面高度测量装置22测量锅筒8内的水平面高度且将所确定的实际水平面高度作为信号传输到减法器元件24。在此处，从通过水平面高度额定值输入器26调节的值中减去锅筒8内的实际水平面高度，使得减法器元件24的输出是水平面高度与额定值的偏差。减法器元件24的输出与可构造为P调节器或PI调节器的调节器元件28连接，即在水平面高度与额定值的偏差足够大时（在后者情况中与偏差成比例地）输出信号。

此通过与锅筒8的水平面高度的偏差已确定的信号在加法器元件30、32中与另外的修正信号相加，所述修正信号应使对于给水泵4所供给的流动介质M的量的预测调节能够实现，使得锅筒8的水平面高度与额定值的偏差已事先被避免或最小化。

首先，为此由测量装置34测量锅筒8内的压力且将其提供给调节器。在计算元件36中从压力确定饱和温度。为此，在加法器元件38中将在计算元件40中确定的温度差异在描述了饱和的流动介质和烟气侧蒸发器出口处的烟气温度之间的精确的温度差异的所谓的夹点上相加，使得在此在蒸发器12的出口处得到烟气温度。因为在夹点上的温度差异取决于载荷，所以计算元件40从传感器元件42获得烟气质量流作为输入信号。所述烟气质量流可通过测量获得或由单元控制级提供。

在已知烟气成分时，根据加热器元件38的输出上的气体侧的蒸发器出口处的烟气质量流的温度计算出气体侧蒸发器出口处的烟气比焓。在气体侧蒸发器入口处的烟气比焓则在计算元件46中从在pTn延迟元件48上被时间延迟的测量的或估计的气体侧的蒸发器入口50上的烟气温度确定。估计尤其在循环蒸汽生成器上可实现，其中根据参数特性曲线在给定的载荷下从废热循环蒸汽生成器1的入口处的烟气温度确定蒸发器入口处的烟气温度。参数特性曲线事先根据测量确定，但可在替代的实施形式中也通过合适的计算来确定。

从计算元件46或44确定的在蒸发器12的入口和出口处的比焓在减法器元件52中被相互相减。将差值提供到乘法器元件54，在所述乘法器元件54处将所述差值与来自传感器元件42的烟气质量流相乘。因此，在乘法器元件54的输出上给出了从烟气向蒸发器12输出的热功率。

在减法器元件56中从所述热功率再减去不输出到流动介质M而是输出到蒸发器的部件6的热量。这由在计算元件58中计算出的饱和温度确定，其中又使用压力测量装置34作为输入。在减法器元件60中从计算元件58的输出信号减去在pT1延迟元件62中延迟的计算元件58的输出信号。以此，在压力突变时首先在减法器元件60的输出上得到信号，所述信号随时间降低且模拟了蒸发器12的管壁的加热或冷却。输出信号在乘法器元件64中与一个表征蒸发器12的吸热的部件的质量的特征值66相乘，且相减地连接在加法器元件56上。

处在减法器56中的表征向蒸发器12内的流动介质M的传热的信号在除法器元件68中除以蒸发器12内的流动介质M的蒸发焓，所述蒸发焓在减法器元件70中由在计算元件72和74中确定的饱和水的焓和饱和蒸汽的焓的差值形成。分别使用压力测量装置34作为计算元件72和74的输出。在改进的但在图中未示出的实施形式中，直接测量压力和温度用于确定蒸发器入口处的焓，但这要求了附加的测量装置。

因此在除法器元件68中确定的商值是未来在锅筒8中的水平面高度改变的指示且被提供到加法器元件32。对于水平面高度的另外的重要的影响是通过节能器6内的质量流量M的密度改变而导致的流动介质侧的存储和释放效应，这在加法器元件32中被添加。

此存储和释放效应通过在压力测量装置76和78以及温度测量装置80和82中测量节能器6前后的流动介质M的压力和温度来确定。分别根据其输入信号在计算元件84中确定节能器入口处的密度并在计算元件86中确定节能器出口处的密度。计算元件88从其信号形成了节能器6内的流动介质的平均密度。在此，也在减法元件90中从计算元件88的输出信号减去在pT1延迟元件92中延迟的计算元件88的输出信号。因此，在密度突变时首先在减法器元件90的输出上得到信号，所述信号随时间降低且模拟了流动介质在节能器6内的存储和释放效应。输出信号在乘法器元件94中与表征节能器6的加热面的体积的特征值96相乘，且连接在加热器元件32上。

此修正量通过加法器元件30在从调节元件28接出的水平面高度偏差信号上提供到传感器元件98中，其中由此提供用于给水质量流的额定值。所述额定值给出到减法器元件100上，在所述减法器元件100中减去在质量流量测量装置102中的流动介质侧内在给水调节阀4前方测量的流动介质M的质量流量。将偏差信号提供到PI调节元件104，所述PT调节元件104在相应的偏差下修正了给水调节阀4的流过量。

通过所图示的调节器或所图示的调节方法，实现了通过将锅筒8内的水平面高度波动最小化也在带有小型锅筒8且因此带有高的可能蒸汽参数和效率的循环废热蒸汽生成器1中保证高的运行灵活性。

Claims (11)

1.一种用于运行循环废热蒸汽生成器（1）的方法，其中在循环废热蒸汽生成器（1）的压力级中为调节锅筒（8）内的水平面高度根据预先给定的额定值提供给水质量流，其中在确定额定值时使用引入到压力级的蒸发器（12）内的热功率作为输入量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在确定引入到压力级的蒸发器（12）内的热功率时，使用烟气质量流和压力级的蒸发器（12）的入口和出口处的烟气的比焓的差值。

3.根据权利要求2所述的方法，其中在确定压力级的蒸发器（2）的入口处的烟气的比焓时使用压力级的蒸发器（12）的入口处的烟气的温度作为输入量。

4.根据权利要求3所述的方法，其中在确定压力级的蒸发器（2）的入口处的烟气的温度时使用循环废热蒸汽生成器（1）的入口处的烟气温度。

5.根据权利要求2至4中一项所述的方法，其中压力级的蒸发器（2）的入口处的烟气的比焓被时间延迟地使用。

6.根据权利要求2至5中一项所述的方法，其中在确定蒸发器（12）的出口处的烟气的比焓时使用流动介质（M）的饱和温度作为输入量。

7.根据前述权利要求中一项所述的方法，其中在确定额定值时使用压力级的蒸发器（12）的入口和出口之间的流动介质（M）的焓差作为输入量。

8.根据前述权利要求中一项所述的方法，其中在确定额定值时使用压力级中的流动介质（M）的时间延迟的饱和温度作为输入量。

9.根据前述权利要求中一项所述的方法，其中在确定额定值时使用压力级中的流动介质（M）的时间延迟的密度作为输入量。

10.一种循环废热蒸汽生成器（1），所述循环废热蒸汽生成器带有用于执行根据前述权利要求中一项所述的方法的装置。

11.一种燃气和蒸汽涡轮机发电厂，所述燃气和蒸汽涡轮机发电厂带有根据权利要求10所述的循环废热蒸汽生成器（1）。