超临界控制

由于储量丰富且价格低廉，煤炭仍然是全球电力生产商的主要能源来源。然而，随着碳意识变得更加突出，提高效率和减少燃煤电厂排放的技术变得更加关键。随着锅炉技术变得越来越复杂，它们的控制策略必须跟上步伐，以利用不断增加的能力。

世界煤炭研究所(world coal Institute)的数据显示，全球40%的电力来自燃煤发电。在可预见的未来，随着企业采用更清洁、更高效的燃煤电厂运营技术，预计煤炭将成为首选燃料。同样值得注意的是，美国的煤炭储量占全球储量的29%。超临界和超超临界一次性锅炉技术是新材料和新设计中重新出现的技术之一，有助于提高效率水平和操作便利性。

对于超临界机组，DCS(集散控制系统)的精度和分辨率比亚临界机组更为重要。一个设计良好的控制系统，提供严格的监管和达到并保持设定值的能力，可以帮助公用事业公司利用这些装置提供的经济和环境潜力。要理解为什么会这样，需要研究亚临界和超临界电厂在设计和运行方面的关键差异。

“超临界”一词用于设计工作压力高于正常沸点的电站。相反，水只是简单地从液体转变为蒸汽，而没有传统的核沸腾。对于水，超临界点发生在压力超过3,207 psi时。

超临界发电机组的特点是一次性直通锅炉，设计工作压力为3,500至4,000 psi，而亚临界锅炉的压力为1,800至2,500 psi。更高的燃烧温度和压力意味着更高的效率，即每英热单位消耗的煤炭产生更多的电力。这对电力生产商很有吸引力，因为这些提高的效率转化为降低燃料成本和排放。

早期尝试的教训

超临界技术可以追溯到20世纪50年代，但第一代超临界机组不可靠，难以控制，在高温高压下运行时存在维护问题和材料故障。由于这些早期设计无法在超临界和亚临界运行模式之间轻松切换，因此有必要在超临界范围内连续运行。这导致整个循环效率低下。例如，即使在低负荷情况下，锅炉给水泵也需要保持在4,000 psi的压力范围内。由于这些设备使用的是工厂中第二大的涡轮机，这意味着大量的能源消耗和设备磨损。

蒸汽鼓使亚临界机组更容易控制，但牺牲了效率。

由于这些问题，该行业在20世纪70年代主要转向鼓式锅炉。在这种设计中，当水通过水壁循环时，水在滚筒中变成蒸汽。这可能导致启动速度变慢，以及对负载变化的响应速度变慢。

现在，由于锅炉设计的改进，最著名的是Benson一次性锅炉，以及冶金技术的进步，使锅炉管道更加坚固，新一代超临界机组在过去十年左右的时间里越来越受欢迎。Benson设计提供了许多优点，包括简化启动和能够在滑动压力模式下操作。

如今，超临界机组的热效率可以达到45%以上，而典型的亚临界电厂的热效率为30-38%。因为它们在高压下运行时效率最高(机组在70%负荷时达到超临界)，超临界电厂通常是并且将继续是更大的基本负荷机组。

全球范围内的应用程序

随着公用事业公司增加基本负荷发电能力，其中一些先进的机组正在美国建造。例如，我们能源公司的榆树路发电站和Xcel能源公司的科曼奇3号机组，以及其他使用超临界锅炉。

然而，这些新的超临界机组大多在亚洲建造，尤其是正在快速建设电厂的中国。这些新电厂将提供基础设施，以支持蓬勃发展的经济，并为以前未接入电网的地区带来电力。为了满足中国日益增长的电力需求，中国计划在未来两年新增装机容量90吉瓦。

中国有两个值得关注的快速通道项目:华能电力有限公司(Huaneng Power inc .);中国华电集团有限公司邹县7号和8号机组。两者都使用艾默生的Ovation专家控制系统。

4台机组4000兆瓦的华能玉环电厂的前2台机组提前8个月并网发电:1号机组于2006年11月28日成功完成了168小时的性能测试，这是新电厂上线的一个重要里程碑，使其成为中国首台商业运行的1000兆瓦超超临界机组。2号机组于2006年12月15日并网，并于2006年12月30日完成168小时的性能测试。据估计，这两个超超临界机组每年将产生约110亿千瓦时的电力。二期工程3号及4号机组预计于2008年启动。

邹县电厂的7号和8号机组是中国首批额定功率为1000兆瓦的超超临界机组。邹县核电站7号机组于2006年12月4日成功完成了168小时的性能测试，比原计划提前了大约9个月。邹县电厂也是基金会现场总线技术在中国发电设施中的首次应用。四期建成后，邹县电厂预计将成为中国最大的燃煤电厂，拥有8台机组，总发电量为4540兆瓦。

一个设计良好、先进的控制系统，由供应商提供的专业知识和对控制转鼓与一次性超临界锅炉的细微差别的理解，可以有助于新机组的顺利启动和调试。经过验证的自动化技术和专业知识的结合也非常有利于保持这些装置以最高效率运行。

对于超临界机组，控制系统的精度和分辨率至关重要，因为更好的控制使发电机组能够充分利用超临界机组设计的热捕获能力。与汽包式锅炉不同，超临界锅炉没有一个大的汽包来储存能量。由于没有能量储备，控制系统必须精确和连续地将给水流量和锅炉燃烧速率(燃料和空气)与涡轮机的蒸汽能量需求相匹配，以提供所需的发电机功率。控制系统能够更严格地控制操作，并达到和保持设定值，从而实现稳定，稳态运行，无振荡。这是至关重要的，因为稳态、基本负荷运行是实现超临界机组效率的关键。

现实生活中的应用

由于控制系统能够严格控制电厂的运行，而无需频繁的操作员干预，发电机组可以通过应用其他互补的先进自动化和控制技术来提高电厂的效率。这是永鸿热电厂1号和2号机组的经验，其结果包括，但不限于，通过减少CO和LOI(着火损失)来改善热率。

该电站位于韩国首尔西南35英里处的仁川，发电能力为1600兆瓦。永鸿1号和2号机组于2004年投产;3号和4号机组目前正在建设中，每台发电能力为870兆瓦，预计分别于2008年6月和2009年3月投入运行。每个超临界机组都有一个5,325,000 lb/hr的一次性再热锅炉和一个串联复合、四流、一次性再热、再生和冷凝涡轮机。

永鸿热电厂的核心是一个综合控制和监测系统(ICMS)，该系统基于艾默生的PlantWeb数字架构和Ovation控制系统。它管理所有工厂系统，包括协调锅炉和涡轮机控制、燃烧器管理、数据采集、电机控制和工厂平衡过程。Ovation系统完全集成了机组的流程，并与FGD(烟气脱硫)，ESP(静电除尘器)和辅助系统无缝连接。

ICMS集成了高保真模拟器，使用Ovation硬件和软件与建模软件相结合来模拟创业，验证操作程序和测试新的应用软件。模拟器的设计提供了一个现实的机会来培训和准备工厂的工作人员来处理任何情况，这为更容易的调试和调整铺平了道路，以及提前大约三个月完成工厂。

ICMS使用AMS套件:智能设备管理器，监控工厂的智能压力、温度、液位变送器和控制阀。有了它，工厂人员可以预测并先发制人地纠正永鸿设备的潜在问题，降低维护成本，提高工厂的可靠性。

超临界一次性锅炉没有蒸汽鼓来缓冲需求的变化。这提高了效率，但DCS必须精确地调节燃料和锅炉给水以跟随涡轮机负荷。

ICMS的另一个重要组成部分是艾默生的SmartProcess优化软件。由于每个发电厂都是不同的，有效的运行受到一组不同的变量，内部和外部的影响。针对工厂特定需求量身定制的优化软件可以提高实现预期结果的机会。

例如，SmartProcess软件使用先进的控制技术、模糊逻辑、先进的多区域模型网络和基于模型的预测控制来优化过程控制和监控，以确保在运营和监管限制内实现工厂效率的提高和运营成本的降低。

提高效率

SmartProcess软件在Yonghung 1号和2号机组投入运行大约三个月后实施。这使得操作人员能够首先在“设计条件”下测量工厂的性能，理论上，当工厂应该最有效时，然后将此基线与优化软件启动并运行后的工厂性能进行比较。通过比较这些数据，可以清楚地看到与优化软件直接相关的效率。

在Yonghung 1号和2号机组，SmartProcess软件优化了影响工厂性能的两个过程:蒸汽温度和燃烧。最大限度地减少蒸汽温度变化，通过减少锅炉管泄漏和涡轮叶片疲劳来提高效率，从而显着降低维护成本和停机要求，同时提高斜坡率，从而增加收入。

优化燃烧控制可以提高热率(锅炉效率)，从而降低成本，减少排放并控制不透明度。艾默生被要求专注于减少CO和LOI，同时将NOx控制在限值以下，以满足永鸿工厂提高工厂效率和保持良好控制响应的目标。

在永鸿1号和2号机组，SmartProcess优化软件每秒从ICMS接收数据更新，并在动态基础上运行。该软件对工厂的动态特性进行建模，在持续的基础上进行优化，而不考虑当前的单元活动，如负荷倾斜、磨机摆动和吹灰。建模和优化软件动态生成最佳工艺设定值和偏差，与ICMS过程控制器实时集成。该软件结合了安全功能和操作限制，因此推荐的设定值和偏差提供安全操作。

SmartProcess软件可以自动调整许多变量，包括辅助空气阻尼器的打开，过燃空气和二次过燃空气(SOFA)阻尼器的关闭，偏置强制通风和诱导通风风扇，定位SOFA倾斜，偏置煤粉机出口温度设定值，O2设定值偏差，定位燃烧器倾斜，偏置水燃比，偏置主过热器，尾过热器和再热喷雾需求。值得注意的是，尽管优化软件操纵了许多变量，但操作符始终保持“在循环中”。他们能够在一个屏幕上查看所有受影响的控制回路的诊断，以及优化激活的允许条件。

优化蒸汽温度考虑两个因素。首先是燃烧过程中烟气和蒸汽之间热交换率的动态特性，如燃料输送系统或燃烧器配置的变化，或单位传热特性的变化。第二个是在这些扰动最初被引入和最终对蒸汽温度产生影响之间所经历的时间延迟。两种优化技术被用于有效地建模、预测和优化这些过程动态，以最小化蒸汽温度变化:

• 模型预测控制器对过程进行建模，并为温度水喷雾生成监督水平设定值和偏差;而且,

• 利用能量交换的模糊前馈模型改进蒸汽温度控制。

燃烧优化降低了锅炉NOx、CO排放和不透明度，并通过提高对负荷变化、工厂变化和不可预见事件的响应能力，增加了兆瓦收入。建模和优化软件解决非线性或线性过程动力学，以最大限度地快速有效地响应干扰和静态过程特性，并准确预测稳态响应。

作为ICMS的一部分，SmartProcess优化软件的使用使Yonghung工厂实现了提高热速率、减少CO形成和LOI的目标。该项目说明了如何在一个高效的新工厂中实现性能改进，即使是在一个调试良好的现代锅炉上。

优化软件使锅炉效率在某些工况下提高了0.44%。虽然这听起来可能不是一个巨大的差异，但对于870兆瓦的锅炉来说，半个百分点的改进会产生重大的成本影响。此外，CO从350- 500ppm降低到50- 60ppm，提高了90%，而未燃烧的碳和LOI降低了10% - 30%。此外，烟气温度降低了1至3°C，这是锅炉效率提高的一个明显迹象。

这些改进也使工厂人员受益，因为软件会自动优化锅炉控制，减少操作员移动O2偏压以避免CO形成的需要。因此，自动化系统不仅比手动调整更准确，而且还可以转化为更好，更高效的人员部署。

由于它们带来的效率和环境效益，超临界技术应该继续在美国和世界各地新建的基本负荷电厂中占据突出地位。选择此选项的发电机组必须仔细考虑这些机组的控制策略。正如最近的项目所证明的那样，利用这种先进的自动化和控制策略可以使发电机组进入超临界轨道，实现平稳、高效的机组启动，以及最高水平的机组可靠性和可用性。

作者信息

Charlie Menten是艾默生过程管理公司的发电顾问。打电话给他。charles.menten@emersonprocess.com．

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