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摘要 大型机组旁路系统构成与实践研究 摘要 大型机组是电力工业生产的主要力量，随着世界性能源紧张和环保意识日益提 高，高效低排放的超临界和超超临界机组已经成为世界上主要机型。大型机组代表 着当今世界先进热工理论、材料科学和自动化技术，旁路系统与大型机组协调运行 控制与安全、高效、低排放和经济效益密切相关。 旁路系统是大型机组运行的重要辅助设备，具有协调启动、回收工质、减少损 耗、降低排放功能。旁路系统具有减压、减温等多道工艺过程，采用自动控制方式 在不同模式下运行。 典型大型机组旁路系统由高压旁路和低压旁路组成，分别在机组运行过程中执 行不同的功能。旁路系统需要与机组控制系统协调运行，并带有连锁装置。 增设旁路系统是一项系统工程，通过旁路系统设计、运行控制模式选择、关键 元件选型、系统配套和安装调试，直到与机组相互协调启动，完成相应的功能。 旁路系统在国内大型机组已经得以比较广泛的应用，在机组运行安全、并网负 载协调和经济效益方面都获得一定的效果，同时也暴露出一些问题有待于解决。 深入进行大型机组旁路系统热工理论、热工材料、基础元件和自动控制等方面 研究，在实践过程中摸索经验，不断提高设计水平和配套设备质量，是逐步完善旁 路系统功能、提高运行安全可靠性、获得更高经济效益的必然途径。 关键词：大型火电机组，旁路控制、运行调试 l a r g e u n i tb y p a s ss y s t e mc o n s t r u c t i o na n dp r a c t i c e r e s e a r c ho ft h e r m a lp o w e rp l a n t a b s t r a c t l a r g e u n i ti s t h em a i np o w e ro fe l e c t r i c i t yi n d u s t r y ，a l o n gw i t hg l o b a le n e r g y i n s u f f i c i e n c y a n d p r o g r e s s o fe n v i r o n m e n tc o n s c i o u s n e s s ，n o ws u p e r c r i t i c a la n d u l t r a s u p e r c r i t i c a lu n i t st h a ta r eh i g he f f i c i e n c ya n dl o w e m i s s i o nh a v e b e e no u t s t a n d i n g e q u i p m e n t si nt h ew o r l d l a r g e u n i tr e p r e s e n t st h em o s ta d v a n c e dt h e r m a lp r o c e s s t h e o r y , m a t e r i a ls c i e n c ea n da u t o m a t i ct e c h n o l o g y , c o o p e r a t i n gc o n t r o lb e t w e e nb y p a s ss y s t e m a n dl a r g e u n i t ，w i t hs a f e t y , h i g he f f i c i e n c y , l o we m i s s i o n ，w h i c hh a v ec l o s er e l a t i o n s h i p w i t he c o n o m i cb e n e f i t b y p a s ss y s t e mi si m p o r t a n ta u x i l i a r ye q u i p m e n to fo p e r a t i o no fl a r g e 。u n i t ，a n dh a s m a n yf u n c t i o n s ，s u c h a s c o o p e r a t i n gs t a r t u p ，r e c y c l i n gp r o c e s s f l u i d ，r e d u c i n g c o n s u m p t i o n ，d e c r e a s i n ge m i s s i o n b y p a s ss y s t e mh a ss e v e r a lp r o c e s ss t e p s ，i n c l u d i n g p r e s s u r er e d u c t i o n ，d e s u p e r h e a t i n ge t c ，a n da d o p t sa u t o m a t i c c o n t r o lm e t h o du n d e r d i f f e r e n t o p e r a t i o nm o d e s t y p i c a lb i gu n i tb y p a s ss y s t e mc o m p r i s e s o fh i 曲p r e s s u r eb y p a s sa n dl o wp r e s s u r e b y p a s s ，i n d i v i d u a l l y e x e c u t e sd i f f e r e n tf u n c t i o n si n u n i to p e r a t i o n b y p a s ss y s t e m o d e r a t i o nc o n t r o ls h a l lc o r r e s p o n dw i t hu n i tc o n t r o ls y s t e mo p e r a t i o n ，a n de q m p i n t e r l o c k d e v i c e ， a d d i n g b y p a s ss y s t e mi sas y s t e mp r o j e c t t h r o u g hb y p a s ss y s t e md e s i g n ，o p e 。a t l o n c o n t r 0 1m o d es e l e c t i o n ，k e ye l e m e n tc h o i c e ，s y s t e mm a t c h ，i n s t a l l a t i o na n dc o m m i s s i o n ， e x c e l l e n tc o o p e r a t i v es t a r t u pa m o n gu n i t s ，t oc o m p l e t er e l e v a n tf u n c t i o n s b y p a s ss y s t e mh a sa c h i e v e dw i d e l y d o m e s t i ca p p l i a n c e ，a n da c h i e v e ss o m ee f f e c to n s a f e t yo p e r a t i o n ，c o m b i n e dl o a dc o o p e r a t i o n a n de c o n o m i cb e n e f i t ，w h i l eu n v e i l i n gs o m e p r o b l e m st ob er e s o l v e d f u r t h e rr e s e a r c ho fl a r g e u n i tb y p a s ss y s t e mt h e r m a lp r o c e s st h e o r y t h e r m a lp r o c e s s m a t “a 1 f u n d a m e n t a le l e m e n ta n da u t o m a t i cc o n t r o l ，a n da c c u m u l a t i n g e x p e 。1 e n c e d u r i n gp r a c t i c e ，c o n t i n u o u s l yi m p r o v i n gd e s i g nl e v e la n dm a t c h i n gq u a li t y ，a r en e c e s s a r y r o u t ef o rg r a d u a l l yp e r f e c t i n gb y p a s ss y s t e mf u n c t i o n s ，i m p r o v i n go p e r a t i o ns a f e t ya n d r e l i a b i l i t y , a c h i e v i n gh i g h e re c o n o m i cb e n e f i t k e yw o r d s ：l a r g ep o w e ru n i t ，b y p a s sc o n t r o l ，c o o p e r a t i v er e g u l a t i o n l i 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 ： 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在三一年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 日期：c 2 受2 金2 日期：121 至：立 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超i 临界和超超临界机组的历史和发展 能源是国民经济发展的重要物质基础。以原始状态存在于自然界中，无需 加工或转换即可直接用于供热或提供动力的能源称为一次能源，如煤、石油、天 然气、水能、潮汐能、风能、地热能等天然能源【l 】。 以煤、石油、天然气和水能等统称为常规能源，由一次能源经加工转换成 的电能、热能( 蒸汽、热水) 、焦炭、煤气、各种石油制品、酒精、沼气等统称为 人工能源( 即二次能源) 瞄j 。 电力是唯一的能够大规模利用煤炭、水力、核能的二次能源。用太阳能、 生物能、海洋能、地热能、风能发电等，统称为新能源发电。 随着国民经济的高速增长，社会生产和社会生活的各个方面对电能的需求 量日益增多，电力工业作为国民经济的先导行业，得到迅猛发展。 发电行业必须面对全球性能源紧缺和环境污染问题，虽然水利、风力和核 动力发电已经得以长足发展，但是在世界范围内，火电机组仍然是发电行业的主 要力量，节能降耗、减少排放污染的有效途径就是发展大型高参数火电机组【3 】。 现代大型火电机组的主要特征是高参数，世界上第一台实验性的超临界锅 炉是西门子公司根据捷克人马克本生1 9 1 9 年的专利方案制造的，后来世界各发 达国家竞相研究和生产超超临界机组。超超临界机组蒸汽参数经历了高低高的 过程，并非是按步就班由2 2 2 m p a 5 3 8 。5 3 8o c 向上发展m 】。 原苏联于1 9 4 9 年安装了第一台超超临界直流锅炉试验机组，锅炉出口蒸汽 参数为2 9 4 m p a 6 0 0 ( 1 2 t h ) ，以后作为改造中压机组的前置级，又生产了 2 9 4 m p a 6 5 0 的1 0 0 m w 机组川。 西德于1 9 5 6 年投运了1 台参数为3 4 m p a 6 1 0 、容量为8 8 m w 的机组。 在1 9 9 5 1 9 9 9 年间，欧洲至少投入了9 台蒸汽压力为2 8 5 31 o m p a 、温度 为5 4 5 5 8 7 的超超临界机组，并将蒸汽温度提高到6 0 0 以上。其中丹麦诺加 兰德火电厂3 号机组为超超临界燃煤供热机组，采用超超临界蒸汽参数、二次再 热，参数为2 9 m p a 5 8 0 。c 5 8 0 5 8 0 。c ，锅炉适应多煤种，能带中间负荷，热效率 高达4 7 4 9 6 1 。 上世纪5 0 年代末美国投运2 台具有代表性的超超临界机组，其中菲罗电厂 的6 号机组参数为3 1 m p a 6 2 1 1 2 5 m w ；费城电力公司艾迪斯电站的1 号机组 参数为3 4 3 m p a 6 4 9 3 2 5 m w ，但从1 9 6 0 年运行8 年后因故障停运，原因是蒸 北京化t 人学t 程硕i ? 学位论文 汽参数过高超越了当时的技术水平，主要是材料和技术无法满足要求。由于试制 的高参数超超临界机组频繁发生事故，不得不降低参数运行，美国自1 9 6 8 年起 将参数降低至2 4 1 m p a 5 3 8 5 6 6 ，一直延续了2 0 多年【7 j 。 日本则引进美国技术并结合欧洲适合变压运行的本生式直流炉，成功开发 出自己的超超临界机组。1 9 8 9 1 9 9 1 年间川越电厂投运31 m p a 5 6 6 7 0 0 m w 机 组2 台，运行状况良好，可用率水平很高，这两台机组是世界最先采用超超临界 压力、二次再热系统的超超临界机组，参数为3 1 m p a 5 6 6 5 6 6 5 6 6 ，发电 端热效率达到4 1 9 。1 9 9 8 年日本投运主汽和再热温度均为6 0 0 的1 0 0 0 m w 机 组，实测发电端效率达到4 4 7 t 引。 进入2 1 世纪以来，2 0 0 5 年超超临界机组的蒸汽参数达到了3 3 5 m p a 6 3 0 ， 预期到2 0 1 5 年可达4 0 0 m p a 7 2 0 ，随着参数提高机组效率有所提升，对降低 能耗和环境污染有利。但是随着参数提高，对材料要求更加苛刻，而产品开发技 术难度和机组造价越来越高。 现代大型火电机组的另一个特征是大容量，目前世界上已经投运单机容量 为8 0 0 m w 以上火电机组的国家主要有美国、日本、俄罗斯和德国等。上世纪6 0 年代，大容量机组出现飞速发展，美国首台燃油、亚临界1 0 0 0 m w 机组于1 9 6 5 年在r a v e n sw o o d 电厂投运。进入7 0 年代以后，由于燃料发生变化，影响了机 组的可用率，加上大容量火电机组不适应调峰等因素，其发展趋于停滞，机组设 计趋于保守，主力机组趋向于5 0 0 8 0 0 m w 之间，其中大容量机组主要由a l s t o m p o w e r i n c u s a ( 原美国燃烧工程公司) 设计制造。1 9 7 6 年和1 9 7 8 年，a l s t o m 为美国旺斯利( w a n s l e y ) 电站设计并制造的两台9 5 2 m w 超临界锅炉成功投入 运行。1 9 9 1 2 0 0 1 年问美国a l s t o m 公司共设计制造了2 8 台5 0 0 8 0 0 m w 的超临 界锅炉【9 1 。 原苏联发电机组的发展按国家计划进行，机组容量统一规定为5 0 0 、8 0 0 、 1 2 0 0 m w ，锅炉出口蒸汽压力为2 5m p a ，蒸汽温度最初为5 6 5 5 7 0 。c ，后来因 为材料问题降低至5 4 5 。c 5 4 56 c ，第一台8 0 0 m w 机组于1 9 7 6 年在斯拉维斯克电 厂投运。由于1 2 0 0 m w 机组与8 0 0 m w 机组相比，经济性能没有明显优势，而 且可靠性有待提高，因此就没有建造1 2 0 0 m w 及其以上的大容量机组。 韩国y o n g h u n g 目前在建的超临界电厂是两台8 0 0 m w 机组，采用了滑压、 螺旋水冷壁技术，过热器出口压力为2 5m p a ，过热器出v i 温度为5 6 9 c 。 同本三菱重工株式会社( m h i ) 作为全球著名的发电设备和重型机械制造 公司之一，在开发超临界和超超临界技术方面做了很多投入，目自，j 投入运行容量 大于5 0 0 m w 的超临界和超超临界机组锅炉已达6 0 余台i l 0 。 第一辛绪论 1 2 国内超临界和超超临界机组的发展 我国能源资源丰富，是能源生产大国，也是能源消费大国，我国能源资源 虽较丰富，但分布严重不均，水力资源的9 0 在西部，煤炭资源的8 0 在北部， 而7 0 的能源消费却是集中在东部及沿海新的经济开发地区。水力资源的富矿并 不多，开发难度很大。在能源消费结构中，煤电消耗要占7 5 以上。我国是由资 源特点决定的以煤电为主的世界上少数几个国家之一，而且在今后相当长一段时 间内不会有大变化。 世界电业界普遍认为，若一个国家的人均装机容量达到l k w 人，就认为该 国已进人中等发达的国家。而我国入均装机容量还不到0 2 k w 人，要连续翻四 番才能达到现在的中等发达国家的水平。这种现状既是差距所在，更是电业巨大 发展的前景。 建国5 0 年来，我国电力工业有一了很大的发展，特别是改革开放2 0 年更 有较快的发展，连续跨上两个台阶：1 9 8 7 年发电装机容量跨上l 亿k w 、1 9 9 5 年又突破2 亿k w 。 1 9 8 8 年以来连续l o 年每年投产大中型机组1 0 0 0 万k w 以上。1 9 7 8 年装机 容量5 7 1 2 万k w ，发电量2 5 6 6 亿k w h ，1 9 9 8 年装机容量达2 6 亿k w ，发电 量达11 5 8 0 亿k w h 分别是1 9 7 8 年的4 4 5 倍和4 4 2 倍，翻了两番，装机容量 和发电量于1 9 9 5 年丌始跃居世界第二位。全国2 3 0 0 多个县，已有9 9 0 3 的乡 镇、9 7 6 6 的行政村用上电，分别比1 9 7 8 年提高了1 2 个百分点和3 6 个百分点。 全国持续多年的缺电局面，制约国民经济发展的“瓶颈”现象已基本结束。 到目前为止，我国已能自行设计、制造亚临参数3 0 0 、6 0 0 m w 火电机组的 成套设备，并出口成套2 1 0 m w 火电设备，引进技术设计制造了m s 5 0 0 0 、m s 6 0 0 0 系列的燃气轮机，自行设计制造3 0 0 m w 核电设备并出口。几台国外制造的超临 界压力3 0 0 、5 0 0 、6 0 0 、8 0 0 m w 汽轮机组已在我国投运。全国拥有1 0 0 0 m w 级 电j 4 0 座。现有9 0 0 m w 核电机组2 台、6 0 0 m w 火电机组7 台、3 0 0 - - 3 5 0 m w9 5 台、2 0 0 m w3 1 2 台，总容量达到8 9 2 g w ，占全国装机容量的4 2 2 ，火电厂和 大机组已成为中国电力的主力。华北、东北、华东、华中和南方联营等五大跨省 区电网装机容量都超过2 5 g w ，其中华东电网的容量为3 7 0 2 9 g w ，是全国最大 的电网，为全国联网奠定了基础。 我国年产煤已超过2 0 亿吨，动力用煤约占4 5 ，火电厂用煤消耗量约占全 国煤产量的3 0 。燃煤污染极为严重，2 0 0 6 年全国排放1 6 8 7 万吨，烟尘1 4 1 4 万t ，排放工业固体废物5 6 亿吨，粉煤灰排放占地1 3 0 0 0 h a ，酸雨区污染面积已 达国土总面积的1 3 。仅s 0 2 排放造成的经济损失就占国民生产总值的1 9 8 。 北京化t 人学t 程颁i j 学位论文 大量煤碳和废渣运输，是造成我国交通运输紧张的重要因素之一。 同时我国的能源利用率很低，平均能耗居高不下，产值能耗约为发达国家 的4 5 倍，产品单位能耗比发达国家高4 0 ，能源综合利用率不到3 0 。能源 消费水平很低，不到全世界人均水平的i 2 ，人均用电水平只达到全世界平均水 平的1 3 。 超超临界燃煤发电机组煤耗低、环保性能好、技术含量高，是国际上燃煤 发电机组的重要发展方向。从我国国情出发，发展超超临界机组，有利于降低我 国平均供电煤耗，有利于电网调峰稳定性和经济性，有利于保持生态环境、提高 环保水平，有利于实现技术跨越、创建国际一流的火力发电厂。目自，j 我国从事直 流锅炉制造的厂家主要有上海锅炉厂、哈尔滨锅炉厂和东方电气集团公司。 上海锅炉厂有限公司在发展直流炉技术( 含超超临界) 方面可分为三个阶段： 2 0 世纪6 0 8 0 年代是公司自行研究开发直流锅炉的第一阶段；8 0 9 0 年代是引进 国外先进技术的第二阶段；2 0 0 0 年以后为自行开发设计并对外转让技术阶段。 1 9 8 1 年上海锅炉厂开始引进美国燃烧工程( c e ) 公司配3 0 0 m w 和6 0 0 m w 的 亚临界控制循环锅炉的成套设计和制造技术；1 9 8 7 年，部分引进瑞士s u l z e r 公 司6 0 0 m w 超临界压力锅炉技术；1 9 9 9 年引进德国斯坦缪勒公司的亚临界螺旋管 圈技术等。 2 0 世纪8 0 年代木，上海锅炉厂开始与国际a b b c e 公司合作制造石洞口 二厂2 6 0 0 m w 超临界压力直流锅炉项目；1 9 9 8 年，开始承接与a l s t o m 合 作制造外高桥2 x 9 0 0 m w 超临界锅炉项目。 2 0 0 0 年上海锅炉厂开始与国外公司合作进行超临界锅炉设计并准备转让超 ( 超) 临界锅炉技术。2 0 0 3 年，上海锅炉厂正式引进了美国a l s t o m 公司( 原美国 c e 公司) 6 0 0 1 0 0 0 m w 超( 超) 临界压力锅炉成套设计和制造技术。 引进超( 超) 临界压力锅炉技术的主要内容包括变压运行的螺旋管圈技术及 垂直管圈技术，蒸汽参数为压力2 5 3 6 5 m p a ，温度为( 5 3 8 - 6 5 4 ) ( 5 3 8 - 6 0 0 ) 。c 。该 技术目日，j 居于国际领先地位，世界上只有a l s t o m 和三菱公司在8 0 0 m w 以上 机组采用垂直管圈技术。到目前为止，上海锅炉厂先后承接了2 8 台6 0 0 m w 超 临界压力锅炉的制造。 哈尔滨锅炉厂近年来承担了“十五”国家重点科技攻关计划项目( 国家8 6 3 计划) ，针对“超超临界燃煤发电技术”、“超超临界发电机组技术选型研究”丌 展了超超临界燃煤锅炉选型的研究工作。 国家重点工程华能玉环电厂1 号机组是我国首台1 0 0 0 m w 超超临界机组， 于2 0 0 6 年1 1 月2 8 日己顺利完成1 6 8 h 投运正式进入商业运行。 华电国际邹县发电厂四期工程扩建两台百万千瓦级超超临界机组，是国内 4 笫一章绪论 首批百万千瓦等级火电机组，也是国内单机容量最大、运行参数最高的燃煤发电 机组。它引进并采用国外先进技术，三大主机由东方电气集团公司制造，是国家 引进技术国产化的依托工程。 该工程7 号机组已于2 0 0 6 年1 2 月4 日建成投产，8 号机组于2 0 0 7 年7 月 底建成投产，华电国际邹县发电厂装机容量己达到4 5 4 0 m w ，成为全国最大的火 力发电厂，成为国内综合节能和环保水平最高的燃煤电厂之一。 现在国内已投产多台6 0 0 、8 0 0 、9 0 0 m w 级超临界压力燃煤机组，近期又有 1 8 台1 0 0 0 m w 的机组( 华能玉环电厂4 台、华电国际邹县电厂2 台、外高桥电厂 三期2 台、泰州电厂2 台、宁海电厂2 台、绥中电厂2 台、天津北疆电厂4 台) 陆续投产和在建中。 上海外高桥电厂二期5 号机组，我国第一台9 0 0 m w 超临界燃煤发电机组， 比原计划提前7 l 天顺利通过连续1 6 8 h 满负荷试验。该机组正式投入商业运行标 志着我国电力工业又跃上了一个新台阶。 1 3 超临界和超超j 临界机组的关键技术 超超临界压力锅炉的关键技术是多方面的，如材料的选择、水冷壁系统及 其水动力安全性、受热面布置、二次再热系统汽温调节和运行控制等。 具有热强度性能高、工艺性好、价格低廉的高温受热面材料开发是超超临 界机组发展最关键的问题。早期的超超临界锅炉使用了大量的奥氏体钢。与铁素 体钢相比，奥氏体钢具有更高的热强性，但成本高、热膨胀系数大、导热性小， 抗应力腐蚀能力低、工艺性差，热疲劳和低周疲劳性能也差，这一点在厚壁件表 现的更加明显，因此出现了许多奥氏体钢制部件损伤事故。 随着超临界直流锅炉向着高效、节能方向发展，锅炉部件的过热器和再热 器材料也向高强度、高耐蚀性的新型耐热钢和奥氏体合金钢发展。虽然5 5 0 - 6 2 5 铁素体耐热钢的成功开发降低了超超临界机组造价，但是由于蒸汽参数不断提 高，高温部件的工作环境更为恶劣，必须采用更高级的材料来满足要求。 目前在6 0 0 7 0 0 工作温度下，可选用钢种有h r 3 c 、s u p e r 3 0 4 h 、 s a 2 1 3 t p 3 4 7 h f g 、s a 。3 3 5 p 9 2 、s a 3 7 6 t p 3 4 7 h 等。 水冷壁是超超临界压力锅炉的关键换热系统，目前主要采用螺旋管圈水冷 壁和由内螺纹管组成的垂直管圈式水冷壁。 螺旋管圈水冷壁可以自由地选择管子的尺寸和数量，因而能选择较大的管 径并保证水冷壁安全的质量流速。螺旋管圈中的每根管子均同样地绕过炉膛和各 个壁面，每根管子的吸热量相同，管间的热偏差最小，适用于变压运行，但是螺 北京化丁火学t 程坝i 。学位论文 旋管圈的制造、安装、支承等工艺较为复杂，而且流动阻力大。 内螺纹管组成的垂直管圈水冷壁受炉膛沿周界热负荷偏差的影响较大，除 了需要采取一定的结构措施( 例如加装节流装置) 使管内工质流量的分配与管外 热负荷的分布相适应外，还要求较高的运行操作水平和自动控制水平。 开发超超临界压力机组，有必要在现有的超临界压力水冷壁内沸腾传热研 究的基础上扩展实验研究的压力范围，防止膜态沸腾现象，确保水冷壁系统工作 的安全性。 再热系统是提高机组效率的重要手段，在设计二次再热锅炉时，必须根掘 基本负荷下高效率运行来决定最佳的再热器受热面布置，同时考虑再热蒸汽温度 控制方法。 超超临界压力锅炉若采用二次中间再热系统，蒸汽温度的控制要比一次再 热机组复杂得多。原则上各种调温手段都可以进行再热温度的调节，但必须考虑 机组在部分负荷时，再热蒸汽温度必须具备能够确保设计蒸汽温度值，即负荷变 化时，再热蒸汽温度针对设计变化率必须稳定这一特点，另外，还需考虑保证机 组效率、减少厂用电等问题。 超( 超) 临界机组设备庞大、系统复杂对自动控制有很高的要求，超临界 锅炉与亚临界汽包锅炉在自动控制方面之所以不同，实质是在于直流锅炉与汽包 锅炉之间的差别，直流炉与汽包炉在运行原理及特性上有较大差别。 在汽包锅炉中，给水流量的变化仅仅影响汽包水位，燃料量变化则仅仅改 变蒸汽压力和流量，因此锅炉给水量；燃料量、汽温控制等都是相对独立的，即： 给水水位；燃料产汽量及汽压；喷水汽温。 直流锅炉中没有汽包，蒸发与过热受热面之间没有固定的分界线，给水量 或燃料量变化都会引起蒸发量、汽温和汽压的同步变化，相互有牵制，关系密切， 这给控制系统的设计和调整增加了灵活性，也增添了复杂性。随着超临界机组蒸 汽压力的升高，直流锅炉中间点汽温( 通常取启动分离器出口汽温) 和过热器出1 ：3 汽温控制点的温度变动惯性增加( 亦即比热容增加) ，时问常数和延迟时间相应增 大，在燃料或给水量扰动时，超临界锅炉蒸汽温度变化具有更大惯性。因此，在 超临界机组启动和低负荷( 小于最低直流负荷) 运行期间，必须投入启动系统，增 加了锅炉启动系统对控制的要求。 与亚临界锅炉相比，超临界锅炉运行情况更加复杂，难于控制。在规定的 运行工况下，必须维持某些比例常数；在变工况下，则必须使这些比例按一定规 律变化：在启动和低负荷过程中，要求更大幅度地改变这些比例，以得到宽范围 领域的自动控制。为解决这个问题，自控设计人员必须设计更完善的闭环控制系 统，在启动工况更多地采用变参数变定值技术；所有控制功能应在前馈技术的基 第一章绪论 础上完成，并连续地校正控制系统的增益：在软件设计中，将直流锅炉特点量化 并加以贯彻。 随着超临界压力燃煤机组在国内装机容量中的比重越来越大，如果发生运 行事故，将严重威胁整个电网安全。为确保电力安全生产，根据影响超临界压力 机组可用率的最主要因素，科学合理地选择锅炉形式、设计参数和自动控制技术 已经成为引进吸收国外先进技术成败的关键。 1 4 超临界和超超临界机组运行控制特点 国民经济的不断增长，增加了对能源的需求量，电力工业逐渐发展为大电 网、大机组、高参数、高度自动化。由于高参数、大容量机组发展迅速，装机 数量日益增多，因此对机组自动化的要求也只益提高，以“4 c ( 计算机、控制、 通信、c r t ) 技术为基础的现代火电机组热工自动化技术得到了迅速发展。其中 具有代表性的是8 0 年代微机分散控制系统( d c s ) 的问世和日益完善，并广泛 应用于大机组的自动控制。 在“七五”和“八五”期间，我国电力工业所建主力机组大多还是3 0 0 m w 机组，但也开始建设6 0 0 m w 级机组。现在已建成的6 0 0 m w 机组有：元宝山电 厂l 6 0 0 m w 机组、平圩电厂2 6 0 0 m w 机组、北仑港电厂2 6 0 0 m w 机组、 石洞口二厂2 6 0 0 m w 机组、沙角c 厂3 6 6 0 m w 机组、邹县电厂2 6 m w 机组、哈尔滨第三电厂i # 1 6 0 0 m w 机组。“九五”期间，我国电力建设的机组主 力将逐步转为以6 0 0 m w 机组为主。从表1 1 可以看出仅在1 9 9 5 年国内火电设计 项目中有大量的6 0 0 m w 火电机组工程。 目前运行的大机组所需要的监控点数量多，仅以6 0 0 m w 机组为例，i 0 点 数多达3 0 0 0 - 5 0 0 0 个，而且随着发电机变压器组和厂用电源等电气部分监视纳 入d c s 后，i o 点已超过7 0 0 0 个。 大机组参数变化速度快和控制对象数量大，6 0 0 m w 机组所需要控制对象已 经超过1 3 0 0 个，而各个控制对象之间又相互关联，一旦失误所引起的后果是十 分严重。传统的炉、机、电分别监控方式，已不能适应像6 0 0 m w 这样大型单元 机组监控的要求，如果将大机组的监控制操作任务交给运行人员去完成，不仅体 力和脑力劳动强度大，而且很难做到及时调整和避免人为的操作失误，因此必须 采用由高度计算机化的机组集控系统。 多年运行事实证明，自动化技术对于提高机组的安全经济运行水平是行之 有效的，可以这样认为，大型火电机组离开了高度的自动化，就不可能做到安全 经济运行。 北京化丁人学t 程顾f j 学位论丈 表1 - 11 9 9 5 年6 0 0 m w 火电机组设计项目 l a b e l 一16 0 0 k wu n i td e s i g n e di n19 9 5 电网名称项目名称性质规模( m w ) 设计单仿 蓟县二期扩建2 x 6 0 0 华北院 陡河二二厂 新建 2 x 6 0 0 华北院 京津唐 沙岭子二期扩建2 6 0 0华i l l 皖 大二厂二期扩建2 x 6 0 0 华北院 平谷新建2 x 6 0 0华北院 河北邯峰新建2 x 6 0 0 河北院 双鸭山三期 扩建 2 6 6 0 东北院 黑龙江 哈二二期扩建2 x 6 0 0 东北院 伊敏一期新建2 x5 0 0 东北院 内蒙 伊敏二期扩建 2 x 5 0 0 东北院 元宝山三期扩建2 x 6 0 0东北院 岱海 新建 2 x 6 0 0 华北院 内蒙 托克托a 厂新建 2 x 6 0 0 华北院 山撕干曲新建2 x 6 0 0山两院 人迕庄河 新建 2 x 6 0 0 众北院 辽r 绥中一厂新建 2 x 8 0 0 东北院 铁岭二期扩建2 x 6 0 0东北院 四川i黄桷庄二期扩建2 x 6 0 0两南院 陕西韩城二厂新建2 x 6 0 0硇北院 外高桥二期扩建2 x 9 0 0华尔院 上海 吴泾八期扩建 2 x 6 0 0 华尔院 北仑二期扩建 2 x 6 0 0 华东院 浙江嘉兴二期扩建2 x 6 0 0华东院 鹰龙山一期新建 2 x 6 0 0 招标 扬州二厂新建2 x 6 0 0华东院 江苏华能金陵新建2 x 6 0 0华尔院 常熟二期扩建 2 x 6 0 0 两北院 安徽平圩二j | j扩建 2 x 6 0 0 华乃：院 湖北黄岗新建2 x 6 0 0中南院 德州三期扩建 2 x 6 0 0山尔院 聊城新建 2 x 6 0 0 山为i 院 山东潍坊二二期扩建 2 x 6 0 0 山尔院 莱城新建 2 x6 0 0 两北院 邹县三期扩建 2 6 0 0 西北院 河南沁北新建2 x 6 0 0西北院 广西钦州i 一期新建 2 x 6 0 0中南院 珠海 新建 4 x 6 0 0j 东院 ，“东，台山新建 4 x 6 0 0 j 东院 汕尾 新建 4 x 6 0 0j “东院 8 第一帝绪论 在机组正常运行过程中，自动化系统能根据机组运行要求，自动将运行参 数维持在期望值，以期取得较高的效率( 如热效率) 和较低的消耗( 如煤耗、厂 用电率等) 。对望亭发电厂1 4 4 机组( 3 0 0 m w ) 使用美国西屋公司的w d p f 微机 分散控制系统的运行经济效果的初步分析表明，采用w d p f 分散控制系统的自 动控制和在线效率监控后，就分别降低机组供电煤耗3 6 9 ( k w h ) 和o 。8 5 ( k w h ) ，综合降低的机组供电煤耗可达4 4 5 9 ( k w h ) 。以该机组年发电 量1 8 亿k w h 计算，每年可节约标准煤8 0 1 0 t ，经济效益十分显著。 当机组运行工况出现异常，如参数越限、辅机跳闸时，自动化设备既能及 时报警，还能迅速、及时地按预定程序进行处理，在确保机组设备自身安全的前 提下，还能使机组尽快恢复正常运行，减少停运次数。例如，r u n b a c k ( 自动 快速减负荷) 、r u n u p ( 强增负荷) ，r u n d o w n ( 强减负荷) 、f a s t c u t b a c k ( f c b ，负荷快速切回或称快速甩负荷) 等功能。 一旦机组从运行异常发展到可能危及设备安全或人身安全时，自动化设备 能适时采取果断措施进行处理，以保证设备及人身的安全。如锅炉主燃料跳闸 ( m a s t e rf u e lt r i p ，m f t ) 、汽轮机监测系统( t s i ) 和汽轮机紧急跳闸系统( e t s ) 等。 在机组启停过程中，自动化设备又能根据机组启动时的热状态进行相应的 控制，以避免机组产生过载荷的热应力而影响机组的运行寿命，即延长机组的服 役期限，比如采用汽轮机的计算机应力估算和寿命管理系统，汽轮机自启停系统 ( t u r b i n e a u t o m a t i c s y s t e m ，t a s ) 。 随着电网的发展，对自动发电控带l j ( a u t o m a t i c g e n e r a t i o n c o n t r o l ，a g c ) 的要求 日趋严格。a g c 是现代电网控制中心的一项基本和重要的功能，是电网现代化 管理的需求，也是电网商业化运营的需要。而要实现a g c ，单元机组必须有较 高的自动化水平，单元机组协调控制系统要具有并网稳定运行功能。 伴随机组容量的日益增大、参数的提高，对于机组安全经济运行的要求不 断提高，火电厂的自动化水平也不断得到提高，从传统的机、炉、电分别人工监 控发展到今天的单元机组集控，自动化系统的功能也已从单台辅机和局部热力系 统发展到整个单元机组的检测与控制。而随着整个单元机组自动化的不断完善以 及电网发展的需要，火电机组自动化集中控制的功能必然会和调度自动化系统 ( a u t o m a t i c d i s p a t c h s y s t e m ，a d s ) 相协调而实现电网的自动发电控带t j ( a g c ) 。 但是自动化系统毕竟只能按照人们预先制定的规律进行工作，而机组运行 过程中的情况却是复杂而随机的。虽然自动化集中控制系统在一般情况下虽不需 要人工干预，但在特定情况下却要求人工给以提示或协调。 在世界上已经尝试过无人值守火电厂或火电机组运行，但迄今尚未获得比 较成功的经验，也就是说高度自动化的火电机组并非不需要人的干预，而是需要 9 北京化t 人学t 程硕 j 学位论义 人更高层次的干预，所以高度自动化水平的火电机组，对运行人员技术水平也提 出更高的要求。 大型火电机组由于具有大容量、高参数的特点，因此要有相应的新的自动 化功能与之相适应，这些新的自动化功能大致有以下几种： ( 1 ) 单元机组协调控制系统( c o o r d i n a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，c c s ) ； ( 2 ) 锅炉炉膛安全监控系统( f u r n a c es a f e g u a r ds u p e r i o r l ys y s t e m ，f s s s ) 或称燃 烧器管理系统( b u r n e rm a n a g e m e n ts y s t e m ，b m s ) ； ( 3 ) 顺序控制系统( s e q u e n c ec o n t r o ls y s t e m ，s c s ) ； ( 4 ) 数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) ； ( 5 ) 汽轮机数字电液控制系统( d i g i t a le l e c t r i ch y d r a u l i cs y s t e m ，d e h ) $ 1 给水泵 汽轮机电液控制系统( m a c h i n ee l e c t r i ch y d r a u l i cs y s t e m ，m e h ) ； ( 6 ) 旁路控制系统( b yp a s sc o n t r o ls y s t e m ，b p s ) ； ( 7 ) 汽轮机自启动系统( t a s ) ； ( 8 ) r u n b a c k ，r u n u p ，r u n e d w n ，f c b ； ( 9 ) 汽轮机监视仪表( t s i ) 矛i 汽轮机紧急跳闸系统( e t s ) ； ( 1 0 ) 辅助系统的计算机程控系统。 上述大型火电机组的十项自动化功能集中反映了机组自动化水平，其中旁 路控制系统更是以其特殊功能，在大型机组运行中起到十分重要的作用。所以开 展旁路控制系统的有关研究，对确保机组安全高效运行、提升运行控制水平都具 有重要的基础理论意义和实际应用价值。 1 5 本章小结 随着国民经济高速发展，对电力供应需求日益增加，但是世界性的能源紧 张和环境污染对发电行业提出了更高的要求，所以超临界和超超临界火电机组以 其高效率和低排放受到世界各国的重视。 超临界和超超临界机组具有高参数、大容量的特点，对设计、制造和运行 控制技术都提出很高的要求，其中自动化控制技术已经成为反映大型火电机组运 行水平的主要标志。 在大型火电机组运行各项自动化控制技术中，旁路控制系统( b p s ) 具有其 特殊功能，在大型机组运行过程中起到重要作用。 1 0 第- 二章大型机组旁路系统功能- j t z j 成研究 第二章大型机组旁路系统功能与构成研究 2 1 大型机组旁路系统功能与组成 为了提高大型火电机组的效率，一般都采用中间再热式热力系统，按一机一 炉的单元配置。由于汽轮机和锅炉特性不同会带来机、炉不匹配的问题，例如当 汽轮机空负荷运行时，蒸汽流量仅为额定流量的5 8 ，而锅炉最低稳定负荷 为额定负荷的1 5 - - 5 0 ，般在3 0 左右，如果负荷继续降低锅炉就不能长时 间稳定运行。 在大型机组启动过程中回收锅炉多余蒸汽，以求尽量减少对空排汽造成工质 损失。有机组再热器位置在锅炉较高温度的烟温区，需要保持一定流量的蒸汽冷 却管道，最小冷却流量为额定值的1 4 左右。所以机组启动过程时和机组空载 运行时，要解决再热器的保护问题。 在中间再热机组上设置旁路控制系统，就可以解决单元机组机、炉不匹配的 问题。除了回收汽水和保护再热器外，它还可适应机组的各种启动方式( 冷态、 热态、定压、滑压) 、带厂用电、低负荷运行以及甩负荷等工况的要求。 汽轮机旁路控制系统是指与汽轮机并联的蒸汽减温、减压系统，它由阀门、 管道及调节机构等组成，其作用是在机组启动阶段或事故状态下将锅炉产生的蒸 汽不经过汽轮机而引入下一级管道或凝汽器【2 引。 根据各机组的具体情况不同，汽轮机旁路控制系统配置有不同的型号和不同 的容量。国内多数设计采用旁路容量是在3 0 4 0 m c r ( 锅炉最大连续蒸发量) 之间，少数引进机组旁路容量高达1 0 0 m c r 。 根据需要旁路控制系统可采用不同形式，从在汽机上连接位置来区分，可以 分为高压旁路、低压旁路及大旁路等型式。 ( 1 ) 高压旁路( i 级旁路) ：它可使主蒸汽绕过汽轮机高压缸，蒸汽的压力和 温度经减压降温装置降至再热器入口处的相应参数后直接进入再热器。 ( 2 ) 低压旁路( i i 级旁路) ：它可使再热器出来的蒸汽绕过汽轮机中、低压缸， 通过减压降温装置将再热器出口蒸汽参数降至凝汽器的相应参数后直接引入凝 汽器。 (