CN104266164A - 超临界cfb锅炉再热汽温调整系统和调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界CFB锅炉再热汽温调整系统和调整方法。该超临界CFB锅炉再热汽温调整系统包括多组再热汽温调整装置，每一组再热汽温调整装置包括旋风分离器、回料器和外置床，该外置床中具有高温再热器，旋风分离器分离出的物料进入回料器，回料器中的物料被分为两部分，其中一部分经过该外置床以加热再热蒸汽。高温再热器的入口处还布置有减温器。可通过控制经过外置床的物料的数量和减温器来调整再热汽温。本发明在执行上述控制时，不仅综合考虑了各种影响再热汽温调整的因素，而且通过加入前馈的方式及时地反映了实时工况的需求。本发明还将小幅振荡信号叠加在回料器的阀门的控制信号上，来防止阀门卡涩。

Description

超临界CFB锅炉再热汽温调整系统和调整方法

技术领域

本发明涉及超临界CFB锅炉领域，具体地，涉及一种超临界CFB锅炉再热汽温调整系统和调整方法。

背景技术

超临界机组是指过热器出口主蒸汽压力超过22.129MPa。理论上认为，在水的状态参数达到临界点(压力22.129MPa，温度374℃)时，水的完全汽化会在一瞬间完成。超临界直流锅炉没有汽包，启停速度快。与同容量亚临界火电机组的热效率相比，理论上采用超临界参数可将效率提高2％-2.5％。

循环流化床(CFB)是近年来在国际上发展起来的新一代高效低污染清洁燃烧技术，其主要特点在于燃料及脱硫剂经多次循环、反复地进行低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈，不但能达到低NOx排放、实现高达90％的脱硫效率和与煤粉炉相近的燃烧效率，而且具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点，因此在国际上得到迅速的商业推广。

超临界循环硫化床锅炉(超临界CFB锅炉)结合了两者的优点，既能输出高温高压的过热蒸汽，还具有优良的环境排放特性。但由于超临界CFB锅炉的燃烧过程是一个具有强干扰、非线性、时变、多变量相关联的过程，其燃烧控制远比常规煤粉炉复杂。其中再热汽温的调整，是整个超临界CFB锅炉控制的难点之一。

再热汽温的变化会影响发电机组的循环热经济型和安全性，降低设备的使用寿命和热效率，甚至可能引发严重的安全事故。目前的床温控制和再热汽温调整常耦合在一起，不利于稳定地将再热汽温控制在目标范围内。同时，由于需要综合考虑多个影响再热汽温的因素，使得决策时间较长，调控与实际工况间有一定延时，这也是目前再热汽温调整中的一个难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种超临界CFB锅炉再热汽温调整系统，该系统能够独立地调整再热汽温，使其不与床温控制耦合，并能使再热汽温调整快速响应于实际工况需求。本发明还提供了一种超临界CFB锅炉再热汽温调整方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种超临界CFB锅炉再热汽温调整系统，该超临界CFB锅炉再热汽温调整系统包括多组再热汽温调整装置，每一组所述再热汽温调整装置包括被布置在炉膛两侧的钢架副跨内的旋风分离器、被布置在所述旋风分离器下的回料器和外置床，所述外置床中具有高温再热器，所述旋风分离器分离出的物料进入所述回料器，所述回料器中的物料被分为两部分，一部分直接返回所述超临界CFB锅炉的炉膛，另一部分通过所述外置床后返回所述炉膛。

优选地，系统包括2组再热汽温调整装置，分别位于炉膛前部的左右两侧，左侧的再热汽温调整装置调整炉膛左部的再热汽温，右侧的再热汽温调整装置调整炉膛右部的再热汽温。

优选地，回料器具有第一阀门，第一阀门的开度能被调节，以调节回料器中直接返回炉膛的物料和通过外置床后返回炉膛的物料的比例。

优选地，第一阀门的控制端的输入信号中包括振荡信号。

优选地，再热汽温调整装置还包括被布置在高温再热器的入口处的减温器，减温器具有第二阀门。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种超临界CFB锅炉再热汽温调整方法，该方法包括：回料器将从旋风分离器接收到的物料分为两部分，其中一部分直接返回炉膛，另一部分通过外置床后返回炉膛，外置床中具有高温再热器；以及其中，通过调节回料器的第一阀门的开度来调节进入外置床的物料的数量，以调整超临界CFB锅炉的再热汽温。

优选地，调节回料器的第一阀门的开度包括：根据第一负荷对应的理想再热汽温值、附加调整值和第一高温再热器出口温度确定第一开度；根据第二负荷确定作为前馈的第二开度；以及根据第一开度和第二开度确定第三开度。

优选地，确定第一开度包括：得到与第一负荷对应的理想再热汽温值；根据理想再热汽温值和附加调整值，确定再热汽温设定值；以及根据再热汽温设定值和第一高温再热器出口温度确定第一开度。

优选地，该方法还包括对第三开度进行上下限幅。

优选地，该方法还包括：将振荡信号叠加至第三开度。

优选地，该方法还包括：在高温再热器的入口处设置具有第二阀门的减温器，以通过调节第二阀门调整再热汽温。

优选地，调节第二阀门包括：根据附加调整值和第二高温再热器出口温度确定第四开度；根据主汽流量确定第五开度；以及比较第四开度和第五开度，选择其中较小的开度作为第二阀门的控制信号。

优选地，炉膛左部和炉膛右部的再热汽温被分别调整，彼此不耦合。

通过上述技术方案，本发明通过调节从回料器进入外置床的物料的量来控制通过外置床中的高温再热器的再热蒸汽的温度，以控制再热汽温。还通过在高温再热器的入口处设置减温器(即事故喷水装置)，以进一步调整再热汽温。在控制回料器的阀门开度和减温器的阀门开度时，不仅综合考虑了各种影响再热汽温调整的因素，而且通过加入前馈的方式及时地反映了实时工况的需求。本发明还将小幅振荡信号叠加在回料器的阀门的控制信号上，来防止阀门卡涩。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明的一种优选实施方式的超临界CFB锅炉再热汽温调整系统中的一组再热汽温调整装置的示意图；

图2是根据本发明的一种优选实施方式的超临界CFB锅炉再热汽温调整方法中调节第一阀门开度的流程图；

图3是根据本发明的一种优选实施方式的超临界CFB锅炉再热汽温调整方法中调节第二阀门开度的流程图；以及

图4是根据图2和图3所示的实施方式中的左部再热汽温调整回路的示例方框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，炉膛尾部指炉膛靠近烟道的位置，炉膛前部指远离烟道的位置。术语“相加点”、“PID”、“小选”为自动控制领域的专业术语。

在一种采用本发明提供的超临界CFB锅炉再热汽温调整系统的锅炉中，一次汽在加热过程中可依次经过低温过热器、一级喷水装置、中温过热器I、二级喷水装置、中温过热器II、三级喷水装置和高温过热器。二次汽在加热过程中可依次通过低温再热器、事故喷水装置、高温再热器。各个喷水装置是否启动视具体情况而定。在理想状况下，低温过热器的入口和出口温度分别为430℃和471℃；中温过热器I的入口和出口温度分别为461℃和496℃；中温过热器II的入口和出口温度分别为483℃和520℃；高温过热器的入口和出口温度分别为510℃和570℃；低温再热器的入口和出口温度分别为317℃和484℃；高温再热器的入口和出口温度分别为484℃和569℃。

本发明提供了一种超临界CFB锅炉再热汽温调整系统，该超临界CFB锅炉再热汽温调整系统包括多组再热汽温调整装置，每一组再热汽温调整装置包括被布置在炉膛两侧的钢架副跨内的旋风分离器、被布置在旋风分离器下的回料器和外置床，外置床中具有高温再热器，旋风分离器分离出的物料进入回料器，回料器中的物料被分为两部分，一部分直接返回超临界CFB锅炉的炉膛，另一部分通过外置床后返回炉膛。

图1是根据本发明的一种优选实施方式的超临界CFB锅炉再热汽温调整系统中的一组再热汽温调整装置的示意图。本实施方式中的再热汽温调整系统包括2组再热汽温调整装置，每组再热汽温调整装置包括一台旋风分离器12、一台回料器13和一台外置床14，其中旋风分离器12被布置在炉膛11两侧的钢架副跨内，回料器13和外置床14被布置在旋风分离器12下，高温再热器被布置在外置床14中。2组再热汽温调整装置分别位于炉膛11前部的左右两侧。并且在本实施方式中，左侧再热汽温由位于炉膛左侧的一组再热汽温调整装置控制，右侧再热汽温由位于炉膛右侧的一组再热汽温调整装置控制，左侧和右侧再热汽温调整不耦合，以尽可能避免炉膛偏烧和出现热负荷不均匀。为了使示图简要此处仅示出了其中的一组，另一组结构相似，仅安装位置不同。

如图1所示，煤和石灰石等在炉膛11内完成燃烧和脱硫反应，产生的烟气被排出至旋风分离器12。旋风分离器12与尾部烟道(未示出)和对应的回料器13相连。旋风分离器12对进入的烟气进行气固两相分离，经过净化后的烟气被排至尾部烟道(未示出)，分离出的高温物料则进入回料器13。回料器13中的物料被分为两部分，其中一部分直接返回炉膛，另一部分先进入外置床14，与外置床14中的高温再热器的受热面发生热交换以加热再热蒸汽，然后再返回炉膛11。回料器13可具有阀门15(可称为第一阀门)。阀门15可以是锥形阀。可通过调节阀门15来调节送入外置床14的物料的数量，从而调节生成的高温再热蒸汽的温度。

运行中，如果燃烧状况和负荷状况长时间保持稳定，可能导致阀门15由于长时间未动作而被卡涩。因此，根据本优选实施方式，可通过振荡器生成小幅振荡信号，并将该小幅振荡信号叠加至阀门15的控制信号，使得最终输入阀门15的控制端的输入信号中含振荡信号分量，以定期或不定期地驱动阀门15发生小幅动作以避免被卡涩。例如，设阀门15全开的幅度为100％，可将一个振幅为2％、动作间隔为300秒的往复振荡信号叠加至阀门15的控制信号。此时，假设根据机组负荷和燃烧情况等在很长一段时间内阀门15可保持50％的开度不变，由于控制端的输入信号中具有振荡信号分量，因此隔300秒后阀门可被微调至开度52％，再隔300秒被调回50％，下一个300秒后被微调至48％，再隔300秒后调回50％，循环往复。同样，该振荡信号也可以是非周期信号。振荡信号的振幅可根据实际情况设置。

优选地，可在高温再热器的入口布置具有减温器16(即事故喷水装置)，例如，可以在每一个高温再热器入口两侧各布置一个减温器16，以进一步调整再热汽温。当再热汽温过高并且仅调节送入外置床14的物料数量在短期内难以奏效时，可通过控制减温器16喷水以使进入高温再热器的蒸汽温度迅速降低。减温器16可具有阀门17(可被称为第二阀门)。

本发明还提供了一种超临界CFB锅炉再热汽温调整方法，该方法包括：回料器将从旋风分离器接收到的物料分为两部分，其中一部分直接返回炉膛，另一部分通过外置床后返回炉膛，外置床中具有高温再热器；以及其中，通过调节回料器的第一阀门的开度来调节进入外置床的物料的数量，以调整超临界CFB锅炉的再热汽温。

图2是根据本发明的一种优选实施方式的超临界CFB锅炉再热汽温调整方法的流程图。

在S1中，可根据第一负荷对应的理想再热汽温值、附加调整值和第一高温再热器出口温度确定第一开度。第一负荷和第一高温再热器出口温度指时刻t1的锅炉负荷和高温再热器出口温度。可通过查表或函数曲线映射等方法获取对应于第一负荷的理想再热汽温值。同时，操作员可根据需要给出一个附加调整值。理想再热汽温值和附加调整值可作为相加点的输入，相加点的输出可作为再热汽温设定值。在某些情况下，如果希望再热汽温设定值完全由操作员给定，可以将第一负荷对应的理想再热汽温值设定为0℃。例如，对于某600MW(兆瓦)超临界CFB锅炉，设锅炉负荷为383.32MW，如果希望第一负荷不对第一开度产生影响，可将任意第一负荷所对应的理想再热汽温值都设置为0℃，此时操作员可根据情况给出附加调整值为558.00℃，则相加点输出的再热汽温设定值为558.00℃。设此时测得的高温再热器出口温度为558.62℃，可将再热汽温设定值558.00℃和高温再热器出口温度558.62℃输入PID调节器。本实施方式中，还可根据需要设置PID调节死区。PID调节器可根据输入的两个温度值得到对应的阀门(例如，锥形阀)开度，该阀门开度可被称为第一开度。例如，由于此时的高温再热器出口温度高于再热汽温设定值，因此得到的第一开度为负值，例如可以为-15.02％(设第一阀门全开时的开度为100％)。相加点和PID调节器可以是硬件电路也可以是软件程序。附加调整值也可以是正值、零或者负值。

在S2中，可根据第二负荷确定作为前馈的第二开度。完成S1中的一系列处理(特别是PID调节)需要一定时间，如果将S1中得到的第一开度直接作为第一阀门的控制信号，会使得控制信号滞后于实时工况。因此可根据在时刻t2的实时负荷(即第二负荷)通过查表或者函数曲线映射等方法得到第一阀门(例如锥形阀)第二开度作为前馈。例如，从t1至t2，锅炉负荷从383.32MW变为383.18MW，可经过估计(例如，通过查表或者简单计算等方法)得到第二负荷383.18MW所对应的第二开度为32.65％。第二开度是一个较为粗略的估计值，但具有计算时间短的优点，能及时反映锅炉最新负荷状况。

在S3中，根据第一开度和第二开度确定第三开度。例如，可将已获得的第一开度和第二开度作为相加点的输入，其输出作为第三开度。该第三开度可用于控制第三开度。例如，继续参照以上的示例，第一开度为-15.02％，第二开度为32.65％，可得到第三开度为17.63％。第三开度的获取过程中既考虑了可能影响再热汽温调整的多个因素(例如，理想再热汽温值、附加调整值和高温再热器出口温度)，又考虑了锅炉的实时负荷，并且专注于再热汽温调整，因此具有准确、稳定和快速的特点。

优选地，在S4中，可对第三开度进行上下限幅。例如，可将第二开度上浮30％和下浮30％后的值作为限幅的上下限。上例中，第二开度为32.65％％，则上下限幅的范围可以是[62.65％％，2.65％％]。上述示例中，第三开度为17.63％，该值在范围[62.65％％，2.65％％]内，因此限幅后的输出值仍为17.63％。

优选地，在S5中，可给限幅后的信号叠加一个小幅振荡信号。例如，可将限幅后的信号和振荡器产生的小幅振荡信号送至相加点，其输出可被送至第一阀门的输入端。该振荡信号可驱动第一阀门定期或者不定期的发生小幅动作，以防止由于长时间不动作而可能导致的第一阀门卡涩。例如，该振荡信号的振幅可以是第一阀门全开的幅度的2％左右。

在S6中，用S5输出的信号调节第一阀门的开度，以控制送入外置床的物料的数量，从而调整超临界CFB锅炉的再热汽温。例如，如果再热汽温偏高，则可较少输入外置床的物料的数量；反之亦然。

图3是根据本发明的一种优选实施方式的超临界CFB锅炉再热汽温调整方法中调节第二阀门开度的流程图。

在S7中，可根据附加调整值和第二高温再热器出口温度确定第四开度。设此时的附加调整值仍为558.00℃，高温再热器出口温度仍为558.62℃，可将一个略高于(例如，高5℃)附加调整值563.00℃的温度值和高温再热器出口温度送入PID调节器，该PID调节器的输出可为第四开度。选择略高于附加调整值的温度值是为了确保减温器在必要时才启动喷水。因为减温器喷水会导致进入高温再热器的二次汽的汽温迅速降低，如果该汽温偏低可能使得最终输出的高温再热汽体中含有液态水，对汽轮机的扇叶等造成损害。所以通常选择较为保守的减温器控制策略。例如，输入该PID调节器的温度值为563.00℃和558.62℃，则此时得到的第四开度为0％。

在S8中，可根据主汽流量确定第五开度。可通过查表或者函数映射等方法得到主汽流量对应的第五开度。

在S9中，可比较第四开度和第五开度，选择其中较小的开度作为第二阀门的控制信号。该控制信号所表示的开度越大，则减温器的喷水量越大，对再热汽温的降温作用越显著；反之，该控制信号所表示的开度越小甚至为零，则喷水量越小或者不喷水，对再热汽温的影响越小。同样，在实际控制中，由于如果再热汽温偏低则可能导致再热蒸汽中含液态水，对汽轮机造成损害，因此在S9中执行小选原则，以避免由于温度值的瞬态毛刺等导致减温器喷水量偏大或者在不必要喷水的时候喷水而使再热汽温偏低。

在S10中，通过调节第二阀门是否打开或者其打开开度，来控制减温器是否喷水或者喷水水量，从而在再热汽温过高并且其他调节手段在短期内难以奏效时迅速调整超临界CFB锅炉的再热汽温。上例中，由于第四开度为0％，因此无论第五开度为何值，减温器均保持不喷水状态。

优选地，可对超临界CFB锅炉的左部再热汽温和右部再热汽温进行独立控制，以避免由于燃烧情况不同导致炉膛偏烧。此时，当调整炉膛左侧再热汽温时，上述方法中所有涉及到的高温再热器出口温度均为在对应时刻测得的炉膛左侧的高温再热器的出口蒸汽温度，并且最终输出的信号用于调节超临界CFB锅炉再热汽温调整系统中位于炉膛左侧的再热汽温调整装置中的第一阀门和第二阀门；反之亦然。左侧和右侧再热汽温调整彼此不耦合。

图4是根据本发明的一种优选实施方式的左侧再热汽温调整回路的示例方框图。锅炉负荷指令被送至负荷-温度映射块31，负荷-温度映射块31输出对应于该负荷(即第一负荷)的理想再热汽温值。操作员给出的附加调整值和负荷-温度映射块31输出的理想再热汽温值被输入至相加点32，相加点32的输出可被看作再热汽温设定值。该再热汽温设定值和测得的左侧高温再热器出口温度被输入PID调节器33，以得到阀门的第一开度。此时，还可从开度预估块34得到作为前馈的第二开度。阀度预估块34的输入是实时锅炉负荷指令(即对应于第二负荷的指令)。然后第一开度和第二开度都被送至相加点35，其输出可作为第三开度。本实施方式中，优选地，还可通过限幅块36对第三开度进行限幅。然后在相加点37中给限幅后的信号叠加一个振幅为第一阀门全开时的幅度的2％的振荡信号。该振荡信号可由振荡器38产生。相加点37输出的信号可作为输入信号被输入至回料器的阀门39的输入端，以调节第一阀门的开度，从而调节从回料器进入被布置有高温再热器的外置床的物料的数量。另一方面，附加调整值在温度调整块40中被增加5℃后输入至PID调节器41，高温再热器出口温度也被输入至PID调节器41，PID调节器41的输出为第四开度。主汽流量经过汽流量-开度映射块42后得到对应的第五开度。在小选块43中从第四和第五开度中选择较小的开度，作为控制信号来控制减温器的第二阀门44。本实施方式中，位于炉膛左侧的高温再热器的入口处的左右两侧各布置有一个减温器，这两个减温器各自的阀门44由同一信号控制。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，例如改变限幅范围、设置不同的振荡信号的振幅和周期等，或者如果希望仅依据附加调整值和高温再热器出口温度来控制减温器，可将任意主汽流量对应的第五开度均设置为100％。这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (13)

1.一种超临界CFB锅炉再热汽温调整系统，该超临界CFB锅炉再热汽温调整系统包括多组再热汽温调整装置，每一组所述再热汽温调整装置包括被布置在炉膛两侧的钢架副跨内的旋风分离器、被布置在所述旋风分离器下的回料器和外置床，所述外置床中具有高温再热器，所述旋风分离器分离出的物料进入所述回料器，所述回料器中的物料被分为两部分，一部分直接返回所述超临界CFB锅炉的炉膛，另一部分通过所述外置床后返回所述炉膛。

2.根据权利要求1所述的超临界CFB锅炉再热汽温调整系统，其中所述系统包括2组所述再热汽温调整装置，分别位于所述炉膛前部的左右两侧，左侧的所述再热汽温调整装置调整所述炉膛左部的再热汽温，右侧的所述再热汽温调整装置调整所述炉膛右部的再热汽温。

3.根据权利要求1所述的超临界CFB锅炉再热汽温调整系统，其中所述回料器具有第一阀门，所述第一阀门的开度能被调节，以调节所述回料器中直接返回所述炉膛的物料和通过所述外置床后返回所述炉膛的物料的比例。

4.根据权利要求3所述的超临界CFB锅炉再热汽温调整系统，其中所述第一阀门的控制端的输入信号中包括振荡信号。

5.根据权利要求1所述的超临界CFB锅炉再热汽温调整系统，其中所述再热汽温调整装置还包括被布置在所述高温再热器的入口处的减温器，所述减温器具有第二阀门。

6.一种超临界CFB锅炉再热汽温调整方法，该方法包括：

回料器将从旋风分离器接收到的物料分为两部分，其中一部分直接返回炉膛，另一部分通过外置床后返回所述炉膛，所述外置床中具有高温再热器；以及

其中，通过调节所述回料器的第一阀门的开度来调节进入所述外置床的物料的数量，以调整所述超临界CFB锅炉的再热汽温。

7.根据权利要求6所述的超临界CFB锅炉再热汽温调整方法，其中调节所述回料器的第一阀门的开度包括：

根据第一负荷对应的理想再热汽温值、附加调整值和第一高温再热器出口温度确定第一开度；

根据第二负荷确定作为前馈的第二开度；以及

根据所述第一开度和所述第二开度确定第三开度。

8.根据权利要求7所述的超临界CFB锅炉再热汽温调整方法，其中确定第一开度包括：

得到与所述第一负荷对应的所述理想再热汽温值；

根据所述理想再热汽温值和所述附加调整值，确定再热汽温设定值；以及

根据所述再热汽温设定值和所述第一高温再热器出口温度确定所述第一开度。

9.根据权利要求7所述的超临界CFB锅炉再热汽温调整方法，其中所述方法还包括对所述第三开度进行上下限幅。

10.根据权利要求7所述的超临界CFB锅炉再热汽温调整方法，其中所述方法还包括：将振荡信号叠加至所述第三开度。

11.根据权利要求6所述的超临界CFB锅炉再热汽温调整方法，该方法还包括：在所述高温再热器的入口处设置具有第二阀门的减温器，以通过调节所述第二阀门调整再热汽温。

12.根据权利要求11所述的超临界CFB锅炉再热汽温调整方法，其中调节所述第二阀门包括：

根据附加调整值和第二高温再热器出口温度确定第四开度；

根据主汽流量确定第五开度；以及

比较所述第四开度和所述第五开度，选择其中较小的开度作为所述第二阀门的控制信号。

13.根据权利要求6-12中任一权利要求所述的超临界CFB锅炉再热汽温调整方法，其中所述炉膛左部和所述炉膛右部的再热汽温被分别调整，彼此不耦合。