MW超臨界機(jī)組控制技術(shù)解析

1、超臨界機(jī)組的自動(dòng)發(fā)電（AGC）控制江蘇省電力試驗(yàn)研究院有限公司頁(yè)：1使用3號(hào)宋體，加黑。對(duì)中。2007 年 7 月 頁(yè)：1使用4號(hào)宋體，加黑。對(duì)中。1. 超臨界機(jī)組的特性1.1 臨界火電機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)超臨界火電機(jī)組的參數(shù)、容量及效率超臨界機(jī)組是指過(guò)熱器出口主蒸汽壓力超過(guò)22.129MPa。目前運(yùn)行的超臨界機(jī)組運(yùn)行壓力均為24MPa25MPa，理論上認(rèn)為，在水的狀態(tài)參數(shù)達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)(壓力22.129MPa、溫度374.)，水的汽化會(huì)在一瞬間完成，即在臨界點(diǎn)時(shí)飽和水和飽和蒸汽之間不再有汽、水共存的二相區(qū)存在,二者的參數(shù)不再有區(qū)別。由于在臨界參數(shù)下汽水密度相等，因此在超臨界壓力下無(wú)法維持自然循環(huán)，即

2、不再能采用汽包鍋爐，直流鍋爐成為唯一型式。提高蒸汽參數(shù)并與發(fā)展大容量機(jī)組相結(jié)合是提高常規(guī)火電廠效率及降低單位容量造價(jià)最有效的途徑。與同容量亞臨界火電機(jī)組的熱效率相比，采用超臨界參數(shù)可在理論上提高效率2%2.5%，采用超超臨界參數(shù)可提高4%5%。目前,世界上先進(jìn)的超臨界機(jī)組效率已達(dá)到47%49%。1.2 超臨界機(jī)組的啟動(dòng)特點(diǎn)超臨界鍋爐與亞臨界自然循環(huán)鍋爐的結(jié)構(gòu)和工作原理不同，啟動(dòng)方法也有較大的差異，超臨界鍋爐與自然循環(huán)鍋爐相比，有以下的啟動(dòng)特點(diǎn)：1.2.1 設(shè)置專(zhuān)門(mén)的啟動(dòng)旁路系統(tǒng)直流鍋爐的啟動(dòng)特點(diǎn)是在鍋爐點(diǎn)火前就必須不間斷的向鍋爐進(jìn)水，建立足夠的啟動(dòng)流量，以保證給水連續(xù)不斷的強(qiáng)制流經(jīng)受熱面，使其

3、得到冷卻。一般高參數(shù)大容量的直流鍋爐都采用單元制系統(tǒng)，在單元制系統(tǒng)啟動(dòng)中，汽輪機(jī)要求暖機(jī)、沖轉(zhuǎn)的蒸汽在相應(yīng)的進(jìn)汽壓力下具有50以上的過(guò)熱度，其目的是防止低溫蒸汽送入汽輪機(jī)后凝結(jié)，造成汽輪機(jī)的水沖擊，因此直流爐需要設(shè)置專(zhuān)門(mén)的啟動(dòng)旁路系統(tǒng)來(lái)排除這些不合格的工質(zhì)。1.2.2 配置汽水分離器和疏水回收系統(tǒng)超臨界機(jī)組運(yùn)行在正常范圍內(nèi)，鍋爐給水靠給水泵壓頭直接流過(guò)省煤器、水冷壁和過(guò)熱器，直流運(yùn)行狀態(tài)的負(fù)荷從鍋爐滿(mǎn)負(fù)荷到直流最小負(fù)荷。直流最小負(fù)荷一般為25%45%。低于該直流最小負(fù)荷，給水流量要保持恒定。例如在20%負(fù)荷時(shí)，最小流量為30%意味著在水冷壁出口有20%的飽和蒸汽和10%的飽和水，這種汽水混合物

4、必須在水冷壁出口處分離，干飽和蒸汽被送入過(guò)熱器，因而在低負(fù)荷時(shí)超臨界鍋爐需要汽水分離器和疏水回收系統(tǒng)，疏水回收系統(tǒng)是超臨界鍋爐在低負(fù)荷工作時(shí)必需的另一個(gè)系統(tǒng)，它的作用是使鍋爐安全可靠的啟動(dòng)并使其熱損失最小。常用的疏水系統(tǒng)有三種類(lèi)型：擴(kuò)容式疏水系統(tǒng)、疏水熱交換器式系統(tǒng)和輔助循環(huán)泵式系統(tǒng)，具有不同的結(jié)構(gòu)和不同的效率。1.2.3 啟動(dòng)前鍋爐要建立啟動(dòng)壓力和啟動(dòng)流量啟動(dòng)壓力是指直流鍋爐在啟動(dòng)過(guò)程中水冷壁中工質(zhì)具有的壓力。啟動(dòng)壓力升高，汽水體積質(zhì)量差減小，鍋爐水動(dòng)力特性穩(wěn)定，工質(zhì)膨脹小，并且易于控制膨脹過(guò)程，但啟動(dòng)壓力越高對(duì)屏式過(guò)熱器和再熱器和過(guò)熱器的保護(hù)越不利。啟動(dòng)流量是指直流鍋爐在啟動(dòng)過(guò)程中鍋爐的給

5、水流量。2. 超臨界機(jī)組的啟動(dòng)系統(tǒng)2.1 超臨界機(jī)組啟動(dòng)系統(tǒng)功能及形式2.1.1 啟動(dòng)系統(tǒng)功能超臨界直流鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)的主要功能是建立冷態(tài)、熱態(tài)循環(huán)清洗、建立啟動(dòng)壓力和啟動(dòng)流量、以確保水冷壁安全運(yùn)行；最大可能地回收啟動(dòng)過(guò)程中的工質(zhì)和熱量、提高機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；對(duì)蒸汽管道系統(tǒng)暖管。 啟動(dòng)系統(tǒng)主要由啟動(dòng)分離器及其汽側(cè)和水側(cè)的連接管道、閥門(mén)等組成，有些啟動(dòng)系統(tǒng)還帶有啟動(dòng)循環(huán)泵、熱交換器和疏水?dāng)U容器。啟動(dòng)系統(tǒng)形式超臨界直流鍋爐的啟動(dòng)系統(tǒng)按形式分為內(nèi)置式和外置式啟動(dòng)分離器2種：外置式啟動(dòng)分離器系統(tǒng)只在機(jī)組啟動(dòng)和停運(yùn)過(guò)程中投入運(yùn)行，而在正常運(yùn)行時(shí)解列于系統(tǒng)之外；內(nèi)置式啟動(dòng)分離器系統(tǒng)在鍋爐啟停及正常運(yùn)行過(guò)程中

6、均投入運(yùn)行。不同的是在鍋爐啟停及低負(fù)荷運(yùn)行期間汽水分離器濕態(tài)運(yùn)行，起汽水分離作用，而在鍋爐正常運(yùn)行期間汽水分離器只作蒸汽通道。2.2 啟動(dòng)系統(tǒng)的控制外置式啟動(dòng)分離器系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：分離器屬于中壓容器（一般壓力為7 MPa），設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單，投資成本低。 缺點(diǎn)是：在啟動(dòng)系統(tǒng)解列或投運(yùn)前后過(guò)熱汽溫波動(dòng)較大，難以控制，對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行不利；切除或投運(yùn)分離器時(shí)操作較復(fù)雜，不適應(yīng)快速啟停的要求；機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，外置式分離器處于冷態(tài)，在停爐進(jìn)行到一定階段要投入分離器時(shí)，對(duì)分離器產(chǎn)生較大的熱沖擊；系統(tǒng)復(fù)雜，閥門(mén)多，維修工作量大。內(nèi)置式分離器啟動(dòng)系統(tǒng)由于系統(tǒng)簡(jiǎn)單及運(yùn)行操作方便，適合于機(jī)組調(diào)峰要求。在直流鍋爐發(fā)展初采用

7、外置式啟動(dòng)分離系統(tǒng)，隨著超臨界技術(shù)發(fā)展，目前大型超臨界鍋爐均采用內(nèi)置式啟動(dòng)分離器系統(tǒng)。內(nèi)置式分離器啟動(dòng)系統(tǒng)由于疏水回收系統(tǒng)不同，基本可分為擴(kuò)容器式、循環(huán)泵式和熱交換器式3種。在這里介紹哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的HG-1950/25.4-YM1 型鍋爐，采用超臨界壓力、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)型布置的前后墻對(duì)沖燃燒方式的本生型直流鍋爐，啟動(dòng)系統(tǒng)采用工質(zhì)和熱量回收效果好的帶再循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動(dòng)分離器系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示：圖2.1 HG-1950/25.4-YM1型鍋爐內(nèi)置式啟動(dòng)分離系統(tǒng)帶再循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動(dòng)分離器系統(tǒng)由下列設(shè)備組成。1) 啟動(dòng)再循環(huán)泵鍋爐啟動(dòng)時(shí)，鍋爐管路

8、沖洗和上水沖洗結(jié)束后，如滿(mǎn)足啟動(dòng)允許條件：循環(huán)泵冷卻水流量正常、循環(huán)泵出口隔離閥關(guān)閉、最小流量隔離閥關(guān)閉、貯水箱水位正常、再循環(huán)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，運(yùn)行人員可以手動(dòng)啟動(dòng)循環(huán)泵。在降負(fù)荷過(guò)程中，如果負(fù)荷<40%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（BMCR）、燃燒器在燃燒、且滿(mǎn)足循環(huán)泵啟動(dòng)允許條件，則循環(huán)泵自動(dòng)啟動(dòng)。 在啟動(dòng)循環(huán)泵一段時(shí)間內(nèi)，如果最小流量隔離閥和啟動(dòng)再循環(huán)隔離閥都未開(kāi)，再循環(huán)泵跳閘。2) 最小流量隔離閥循環(huán)泵啟動(dòng)后5s聯(lián)鎖開(kāi)啟最小流量隔離閥。在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，如果循環(huán)泵在運(yùn)行，再循環(huán)流量大于定值時(shí)，隔離閥自動(dòng)關(guān)閉；當(dāng)再循環(huán)流量超過(guò)低限時(shí)，隔離閥自動(dòng)打開(kāi)。3) 再循環(huán)隔離閥循環(huán)泵啟動(dòng)后5s聯(lián)鎖打開(kāi)再循

9、環(huán)隔離閥，循環(huán)泵停止聯(lián)鎖關(guān)閉再循環(huán)隔離閥。4)過(guò)冷水隔離閥為防止循環(huán)泵入口水飽和汽化，威脅循環(huán)泵安全，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一路從省煤器入口過(guò)來(lái)的過(guò)冷水到循環(huán)泵入口，以增加循環(huán)泵入口水的過(guò)冷度。 當(dāng)循環(huán)泵入口水的過(guò)冷度小于20，過(guò)冷水隔離閥自動(dòng)打開(kāi)過(guò)冷度大于30時(shí)，過(guò)冷水隔離閥自動(dòng)關(guān)閉。5)再循環(huán)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)貯水箱水位在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。6)大、小溢流閥當(dāng)再循環(huán)調(diào)閥無(wú)法調(diào)節(jié)貯水箱在正常水位時(shí)，小溢流閥先打開(kāi)；當(dāng)水位繼續(xù)升高超過(guò)某一高度時(shí)，大溢流閥也打開(kāi)；當(dāng)水位恢復(fù)到正常時(shí)，大、小溢流閥自動(dòng)關(guān)閉。為了安全，當(dāng)鍋爐壓力比較高時(shí)，聯(lián)鎖關(guān)閉溢流閥。7)大、小溢流調(diào)節(jié)閥大、小溢流調(diào)節(jié)閥對(duì)貯水箱水位進(jìn)行開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)，水位在某一個(gè)

10、范圍內(nèi)變化時(shí)，溢流調(diào)節(jié)閥從0%開(kāi)到100%。2.3 啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行2.3.1 啟動(dòng)過(guò)程直流之前：鍋爐給水泵控制分離器水位，負(fù)荷逐漸增加，一直到純直流負(fù)荷方式后切換到中間點(diǎn)焓值自動(dòng)控制方式。啟動(dòng)之前：按照冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)啟動(dòng)方式，順序啟動(dòng)鍋爐相關(guān)的輔機(jī)；貯水箱水位由再循環(huán)調(diào)節(jié)閥和大、小溢流調(diào)節(jié)閥控制。啟動(dòng)階段：省煤器入口的給水流量保持在某個(gè)最小常數(shù)值；當(dāng)燃料量逐漸增加時(shí)，隨之產(chǎn)生的蒸汽量也增加，從分離器下降管返回的水量逐漸減小，分離器入口濕蒸汽的焓值增加。直流點(diǎn)：分離器入口蒸汽干度達(dá)到，飽和蒸汽流入分離器，此時(shí)沒(méi)有水可分離#鍋爐給水流量仍保持在某個(gè)最小常數(shù)值。蒸汽升溫階段：給水流量仍不變，燃燒率繼

11、續(xù)增加，在分離器中的蒸汽慢慢地過(guò)熱，分離器出口實(shí)際焓值仍低于設(shè)定值，溫度控制還未起作用。所以此時(shí)增加的燃燒率不是用來(lái)產(chǎn)生新的蒸汽，而是用來(lái)提高直流鍋爐運(yùn)行方式所需的蒸汽蓄熱，到分離器出口的蒸汽焓值達(dá)到設(shè)定值，進(jìn)一步增加燃燒率，使焓值超過(guò)設(shè)定值。中間點(diǎn)溫度控制階段：進(jìn)一步增加燃燒率#給水量相應(yīng)增加，鍋爐開(kāi)始由定壓運(yùn)行轉(zhuǎn)入滑壓運(yùn)行。焓值控制系統(tǒng)投入運(yùn)行，分離器出口的蒸汽溫度由(煤水比)控制。當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加至35%，鍋爐正式轉(zhuǎn)入干態(tài)運(yùn)行。2.3.2 停機(jī)過(guò)程機(jī)組降負(fù)荷：從純直流鍋爐方式切換到啟動(dòng)運(yùn)行方式，機(jī)組控制方式由溫度控制切換到水位控制的過(guò)程。中間點(diǎn)溫度控制階段：鍋爐負(fù)荷指令同時(shí)減少燃燒率和給水

12、流量，焓值控制系統(tǒng)自動(dòng)。 給水流量逐漸減少，達(dá)到最低直流負(fù)荷流量。蒸汽降溫階段：給水流量仍不變，燃燒率繼續(xù)減小，在分離器中蒸汽過(guò)熱度降低，開(kāi)始有水分離出。直流點(diǎn)：蒸汽過(guò)熱度完全消失，流入分離器的蒸汽呈飽和狀態(tài)。啟動(dòng)階段：進(jìn)一步減小燃燒率，給水流量不變，分離器入口蒸汽濕度增加，貯水箱中開(kāi)始積水，水位控制開(kāi)始動(dòng)作，再循環(huán)調(diào)節(jié)閥和大、小溢流調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)水位。3. 超臨界機(jī)組的協(xié)調(diào)與AGC控制3.1 超臨界機(jī)組CCS及AGC控制中的難點(diǎn) 機(jī)、爐之間耦合嚴(yán)重超臨界機(jī)組控制難點(diǎn)之一在于其非線(xiàn)性耦合，使得常規(guī)的控制系統(tǒng)難以達(dá)到優(yōu)良的控制效果。由于直流鍋爐在汽水流程上的一次性通過(guò)的特性，沒(méi)有汽包這類(lèi)參數(shù)集中

13、的儲(chǔ)能元件，在直流運(yùn)行狀態(tài)汽水之間沒(méi)有一個(gè)明確的分界點(diǎn)，給水從省煤器進(jìn)口開(kāi)始就被連續(xù)加熱、蒸發(fā)與過(guò)熱，根據(jù)工質(zhì)（水、濕蒸汽與過(guò)熱蒸汽）物理性能的差異，可以劃分為加熱段、蒸發(fā)段與過(guò)熱段三大部分，在流程中每一段的長(zhǎng)度都受到燃料、給水、汽機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度的擾動(dòng)而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致了功率、壓力、溫度的變化。直流鍋爐汽水一次性通過(guò)的特性，使超臨界鍋爐動(dòng)態(tài)特性受末端阻力的影響遠(yuǎn)比汽包鍋爐大。當(dāng)汽機(jī)主汽閥開(kāi)度發(fā)生變化，影響了機(jī)組的功率，同時(shí)也直接影響了鍋爐出口末端阻力特性,改變了鍋爐的被控特性。由于沒(méi)有汽包的緩沖，汽機(jī)側(cè)對(duì)直流鍋爐的影響遠(yuǎn)大于對(duì)汽包鍋爐的影響。3.1.2 強(qiáng)烈的非線(xiàn)性超臨界機(jī)組采用超臨界參數(shù)的蒸汽

14、，其機(jī)組的運(yùn)行方式采用滑參數(shù)運(yùn)行，機(jī)組在大范圍的變負(fù)荷運(yùn)行中，壓力運(yùn)行在10MPa25MPa.之間。超臨界機(jī)組實(shí)際運(yùn)行在超臨界和亞臨界兩種工況下，在亞臨界運(yùn)行工況工質(zhì)具有加熱段、蒸發(fā)段與過(guò)熱段三大部分，在超臨界運(yùn)行工況汽水的密度相同，水在瞬間轉(zhuǎn)化為蒸汽，因此在超臨界運(yùn)行方式和亞臨界運(yùn)行方式機(jī)組具有完全不同的控制特性，是特性復(fù)雜多變的被控對(duì)象。因此在設(shè)計(jì)控制方案時(shí)若不考慮自適應(yīng)變參數(shù)控制，將使自動(dòng)控制系統(tǒng)很在機(jī)組整個(gè)協(xié)調(diào)負(fù)荷范圍均達(dá)到滿(mǎn)意的品質(zhì)。3.1.3 機(jī)組蓄熱能力小、鍋爐響應(yīng)慢與AGC運(yùn)行方式下要求快速變負(fù)荷的矛盾 超臨界機(jī)組蒸發(fā)區(qū)的工質(zhì)貯量與金屬質(zhì)量相比同參數(shù)的汽包爐要小得多，因而其變負(fù)

15、荷時(shí)依靠降低壓力所釋放的能量較少，而鍋爐側(cè)多采用直吹式制粉系統(tǒng)，存在較大的延遲特性，使得在快速變負(fù)荷時(shí)機(jī)、爐兩側(cè)能量供求的不平衡現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，易造成主控參數(shù)的大幅波動(dòng)。但對(duì)于電網(wǎng)控制而言，為了用電側(cè)頻繁變化下維持頻率和聯(lián)絡(luò)線(xiàn)交換功率的穩(wěn)定，發(fā)給各機(jī)組的AGC指令也是頻繁波動(dòng)的，并要求機(jī)組實(shí)際負(fù)荷能以較快的響應(yīng)速度跟隨調(diào)度指令。圖1.1是2006年6月8日17:3019:00江蘇電網(wǎng)調(diào)度EMS系統(tǒng)對(duì)華能太倉(cāng)#4機(jī)組（600MW）的AGC指令曲線(xiàn)，從圖中可看出AGC指令每隔23分鐘即會(huì)變化一次，而且經(jīng)常來(lái)回反向動(dòng)作，如果機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得不好，在這種負(fù)荷擾動(dòng)下極易造成運(yùn)行的不穩(wěn)定。圖3.1 6

16、00MW機(jī)組AGC指令變化曲線(xiàn)3.2 國(guó)內(nèi)外目前控制方案介紹目前，國(guó)內(nèi)大型火電機(jī)組的控制系統(tǒng)多為國(guó)外進(jìn)口，協(xié)調(diào)控制方案或按照國(guó)外廠家的設(shè)計(jì)做部分改進(jìn)，或參照國(guó)內(nèi)同類(lèi)機(jī)組控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于直流爐機(jī)組由于應(yīng)用在國(guó)內(nèi)時(shí)間較短，在協(xié)調(diào)控制策略上基本上都沿用了國(guó)外DCS廠家的原設(shè)計(jì)，以下分別分析各家DCS公司的協(xié)調(diào)控制方案技術(shù)特點(diǎn)：1) FOXBORO公司設(shè)計(jì)了基于BF的CCS和基于TF的CCS兩種協(xié)調(diào)控制方式（見(jiàn)圖3.2），其中BF-CCS時(shí)機(jī)側(cè)同時(shí)調(diào)功和調(diào)壓以防止壓力偏差過(guò)大，并將負(fù)荷指令 經(jīng)過(guò)慣性環(huán)節(jié)后才進(jìn)入汽機(jī)功率調(diào)節(jié)器，以在變負(fù)荷初始階段減緩汽機(jī)側(cè)的動(dòng)作速度，防止由于鍋爐的的大慣性而使指控

17、參數(shù)出現(xiàn)大幅波動(dòng)，鍋爐側(cè)調(diào)壓并采用負(fù)荷指令和汽機(jī)調(diào)門(mén)等效開(kāi)度的DEB指令做前饋以加速響應(yīng)。TF-CCS時(shí)鍋爐側(cè)調(diào)功并引入負(fù)荷指令信號(hào)作前饋，汽機(jī)調(diào)壓回路引入功率偏差，利用鍋爐蓄能，減少功率波動(dòng)，可稱(chēng)作綜合型協(xié)調(diào)控制。圖3.2 FOXBORO超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制方案煤水比控制（見(jiàn)圖3.3）上首先根據(jù)燃料量指令計(jì)算對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)給水流量，并根據(jù)分離器出口溫度與設(shè)計(jì)值偏差判斷目前的給水流量計(jì)算值是否合適，并相應(yīng)的增減省煤器入口給水流量指令?？刂苹芈分羞€同時(shí)設(shè)計(jì)了減溫水校正功能，基本思想是：若系統(tǒng)目前的減溫水流量高于設(shè)計(jì)流量，則應(yīng)適當(dāng)下調(diào)分離器出口溫度的設(shè)定值，減少給水流量，以使機(jī)組工作于效率較高的工況下。

18、圖3.3 FOXBORO公司超臨界機(jī)組煤水比控制方案2) 日立公司控制方案日立公司的協(xié)調(diào)控制方案與FOXBORO公司設(shè)計(jì)的基于BF的CCS較類(lèi)似，只不過(guò)在鍋爐指令的前饋處理上未使用DEB信號(hào)，而直接采用負(fù)荷指令UD經(jīng)超前滯后處理后引入燃料量、風(fēng)量、給水回路中補(bǔ)償鍋爐側(cè)的相應(yīng)滯后，汽機(jī)側(cè)功率回路也同樣采用主汽壓力偏差修正負(fù)荷指令的方法防止主汽壓力波動(dòng)過(guò)大。煤水比控制上日立公司采用焓值計(jì)算校正功能（見(jiàn)圖3.4），這樣可避免由于水蒸汽在不同工況下的不同焓溫特性而造成調(diào)節(jié)偏差，首先根據(jù)分離器出口壓力計(jì)算出當(dāng)前工況下的過(guò)熱器入口焓設(shè)定初值，該焓值經(jīng)過(guò)當(dāng)前減溫水與設(shè)計(jì)值的偏差或者分離器溫度與當(dāng)前值的偏差校

19、正后產(chǎn)生過(guò)熱器入口焓設(shè)定終值，該最終設(shè)定值與過(guò)熱器入口實(shí)際焓進(jìn)入焓值校正PID運(yùn)算得出給水流量附加值，該值加上由鍋爐指令經(jīng)煤水比曲線(xiàn)和慣性延遲后產(chǎn)生的給水流量初始指令而得出最終的省煤器入口流量指令。方案中同時(shí)還設(shè)計(jì)了給水溫度校正回路，通過(guò)省煤器出口實(shí)際焓與當(dāng)前工況下的設(shè)計(jì)焓值比較來(lái)修正給水流量的設(shè)定值，從而可提前一步消除由于高壓加熱器故障等因素造成的給水溫度擾動(dòng)。圖3.4日立公司煤水比修正控制方案3) 西門(mén)子公司控制方案西門(mén)子公司在超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制上（見(jiàn)圖3.5）采用汽機(jī)側(cè)純調(diào)功，鍋爐側(cè)調(diào)壓并接受由負(fù)荷指令和主汽壓力指令共同產(chǎn)生的鍋爐加速信號(hào)做前饋，提前動(dòng)作燃料量和給水流量來(lái)改善鍋爐側(cè)的動(dòng)態(tài)

20、相應(yīng)特性。并通過(guò)以下幾種手段來(lái)避免出現(xiàn)主汽壓力的過(guò)大偏差：l 通過(guò)主汽壓力偏差限制變負(fù)荷速率，防止在壓力偏差較大時(shí)由于汽機(jī)調(diào)門(mén)的持續(xù)動(dòng)作而使參數(shù)更加惡化。l 變負(fù)荷時(shí)機(jī)組負(fù)荷指令經(jīng)過(guò)幾階慣性環(huán)節(jié)后再進(jìn)入汽機(jī)功率調(diào)節(jié)器，適當(dāng)延緩汽機(jī)側(cè)的動(dòng)作速度以等待鍋爐側(cè)響應(yīng)。l 負(fù)荷指令經(jīng)滑壓曲線(xiàn)后也經(jīng)過(guò)幾階慣性環(huán)節(jié)后再進(jìn)入鍋爐壓力調(diào)節(jié)器，這樣在變負(fù)荷時(shí)壓力慢上幾拍再變，防止同時(shí)升/降負(fù)荷和壓力時(shí)鍋爐側(cè)負(fù)擔(dān)過(guò)重，從而出現(xiàn)參數(shù)的較大波動(dòng)。圖3.5 西門(mén)子公司超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制方案 煤水比控制上西門(mén)子公司設(shè)計(jì)的方案較為復(fù)雜，其基本思想是首先根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷、壓力等物性參數(shù)計(jì)算出水冷壁的總吸熱率，再通過(guò)屏過(guò)出口溫度與設(shè)

21、計(jì)值偏差（溫差控制器）、分離器出口焓與設(shè)計(jì)值偏差（焓差控制器）的兩級(jí)校正后計(jì)算出過(guò)熱器入口焓的期望值，最終由下式得出省煤器入口流量指令： 省煤器入口流量指令 = 水冷壁的總吸熱率/（過(guò)熱器入口焓期望值-省煤器出口焓）西門(mén)子在解決煤水回路相互耦合的問(wèn)題上引入了焓值解耦的策略，在焓值控制器變動(dòng)的同時(shí)也通過(guò)微分信號(hào)改變?nèi)剂狭?，這相當(dāng)于是“鍋爐指令變動(dòng)時(shí)燃料量通過(guò)慣性環(huán)節(jié)才計(jì)算出給水流量”這一過(guò)程的逆運(yùn)算，目的是為了保持燃料量回路始終比給水流量回路超前一段時(shí)間，從而消除焓值控制器變化時(shí)由于煤、水調(diào)節(jié)回路慣性不同所造成的額外擾動(dòng)。圖3.6 西門(mén)子公司超臨界機(jī)組煤水比控制方案3.3 控制方案的比較分析及優(yōu)

22、化3.3.1 國(guó)外DCS公司設(shè)計(jì)策略的實(shí)際投用效果從上述幾家DCS公司所設(shè)計(jì)的超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制方案在國(guó)內(nèi)電廠的實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，均存在著一定的問(wèn)題。FOXBORO公司對(duì)其設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)方案在直流爐上推薦采用TF-CCS方式，在江蘇鎮(zhèn)江#5、#6機(jī)組（600MW）使用后，機(jī)組運(yùn)行較穩(wěn)定，主汽壓力偏差不大，但未能很好的解決鍋爐側(cè)調(diào)節(jié)功率大滯后的問(wèn)題。變負(fù)荷時(shí)的響應(yīng)很慢，AGC測(cè)試速率僅為1.2%左右，而且消除靜差的能力也較差，負(fù)荷指令與實(shí)發(fā)功率經(jīng)常有10MW左右的靜態(tài)偏差而長(zhǎng)時(shí)間不能消除，同時(shí)由于汽機(jī)側(cè)調(diào)功，在升負(fù)荷初期由于機(jī)組滑壓運(yùn)行壓力定值上升而造成調(diào)門(mén)反而關(guān)閉，功率在升負(fù)荷初期是反向調(diào)節(jié)的，造

23、成其一次調(diào)頻性能也很難滿(mǎn)足要求。 日立公司的控制策略在上海外高橋電廠900MW超臨界機(jī)組應(yīng)用后，實(shí)際運(yùn)行中僅能勉強(qiáng)達(dá)到1.0%的AGC速率，其原因主要在于鍋爐側(cè)僅采用功率指令作為燃料量、給水流量的動(dòng)態(tài)加速信號(hào)，抗內(nèi)擾能力差，不能及時(shí)消除由于工況偏移所造成的額外擾動(dòng)， 且該信號(hào)僅在變負(fù)荷過(guò)程中起作用，靜態(tài)時(shí)調(diào)節(jié)壓力完全靠一個(gè)鍋爐主控的單回路來(lái)完成，對(duì)于大滯后對(duì)象，只有PID參數(shù)整定得很慢才能保證其穩(wěn)定性，但同時(shí)就造成被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差較大，而汽機(jī)側(cè)采用經(jīng)壓力偏差修正的功率指令，一旦壓力出現(xiàn)大偏差則轉(zhuǎn)而校正壓力，從而影響了變負(fù)荷速率。同時(shí)由于汽機(jī)側(cè)在犧牲負(fù)荷的前提下保證壓力又反過(guò)來(lái)造成鍋爐側(cè)不能及時(shí)

24、增加燃料量，相當(dāng)于兩個(gè)耦合回路相互等待，最終的結(jié)果就是實(shí)際變負(fù)荷率與設(shè)定值相差很大。西門(mén)子公司的協(xié)調(diào)方案采用汽機(jī)側(cè)單純調(diào)節(jié)功率，鍋爐側(cè)調(diào)壓并接受由負(fù)荷指令和主汽壓力指令共同產(chǎn)生的鍋爐加速信號(hào)做前饋。在整體設(shè)計(jì)上與日立公司的控制策略類(lèi)似，其應(yīng)用的鍋爐動(dòng)態(tài)加速信號(hào)、通過(guò)主汽壓力偏差限制變負(fù)荷速率和主汽壓力定值增加慣性環(huán)節(jié)僅能在變負(fù)荷時(shí)起到有效作用，鍋爐側(cè)本質(zhì)上還是靠一個(gè)單回路在調(diào)節(jié)壓力，一旦發(fā)生擾動(dòng)時(shí)主汽壓上升，汽機(jī)調(diào)門(mén)將持續(xù)關(guān)閉以保證功率，將更加惡化鍋爐側(cè)的調(diào)節(jié)。該策略在華潤(rùn)常熟600MW機(jī)組上試投用時(shí)，由于機(jī)組制粉系統(tǒng)采用的是雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)，燃料量無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得，內(nèi)擾問(wèn)題嚴(yán)重，結(jié)果造成控制系統(tǒng)在

25、靜態(tài)下即出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。3.3.2 優(yōu)化方案分析 以上幾種控制方案品質(zhì)不佳的根本原因，在于沒(méi)有很好的解決機(jī)、爐間的非線(xiàn)性耦合特性，還是采用常規(guī)汽包爐的控制思路來(lái)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)邏輯。常規(guī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)屬于多變量控制系統(tǒng)，在控制策略設(shè)計(jì)中，必須考慮到單元機(jī)組汽壓和功率兩個(gè)控制回路是互相關(guān)聯(lián)的，它們有共同的特征方程式、穩(wěn)定裕度和衰減率，如果其中一個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定，則另一個(gè)系統(tǒng)也必然不穩(wěn)定，一個(gè)控制回路是否投入自動(dòng)，將影響另一個(gè)回路自動(dòng)的投入。為了使汽壓和功率控制回路相對(duì)自己的給定值為無(wú)差調(diào)節(jié)系統(tǒng)同時(shí)對(duì)非己方的給定值信號(hào)不產(chǎn)生靜態(tài)偏差，要求兩回路的調(diào)節(jié)器都含有積分項(xiàng)，為了使系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定裕度，必須將兩回路的調(diào)節(jié)

26、器的參數(shù)設(shè)置得很遲鈍，而控制品質(zhì)變差，所以單元機(jī)組汽壓和功率控制系統(tǒng)全部投入時(shí)的控制品質(zhì)，必然要比單獨(dú)投入兩者中任一回路時(shí)的控制品質(zhì)要差。直流鍋爐其蓄熱量與汽包鍋爐比較起來(lái)也是較小的，因而其控制系統(tǒng)顯然也是有很大區(qū)別的，在汽包鍋爐中，調(diào)節(jié)給水流量對(duì)鍋爐的蒸發(fā)量與過(guò)熱蒸汽溫度并沒(méi)有什么影響；而在直流鍋爐中，給水流量卻與蒸發(fā)量，過(guò)熱汽溫有密切關(guān)系。這表明，在直流鍋爐中，各被調(diào)量之間的相互干擾是很大的，例如：給水流量的變化直接影響主汽壓力與主汽溫度的變化，而鍋爐燃燒率的變化，同樣也會(huì)使主汽壓力和主汽溫度兩個(gè)方面受到影響。所以，在直流鍋爐中，要調(diào)節(jié)主汽壓力就一定要同時(shí)調(diào)節(jié)燃燒率，燃燒量與空氣量，和給水

27、量，而相比之下汽包爐系統(tǒng)中只要適度調(diào)節(jié)燃燒率就可以穩(wěn)定其他的被調(diào)量。這就表明當(dāng)汽機(jī)調(diào)門(mén)擾動(dòng)時(shí)，對(duì)于汽包爐而言如果沒(méi)有設(shè)計(jì)很好的解耦方案，鍋爐側(cè)沒(méi)有提前快速響應(yīng)，由于系統(tǒng)容量較大，還可以犧牲一些蓄熱來(lái)補(bǔ)償機(jī)、爐間動(dòng)態(tài)特性的差異，機(jī)組工況也還不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的波動(dòng)；但對(duì)于直流而言卻承受不了這樣的犧牲，結(jié)果即會(huì)造成主汽壓力偏差過(guò)大，調(diào)節(jié)不穩(wěn)定。由于目前電網(wǎng)對(duì)各機(jī)組較高的AGC考核要求，整體協(xié)調(diào)方案上還需設(shè)計(jì)為汽機(jī)調(diào)節(jié)功率，鍋爐調(diào)節(jié)壓力的基于BF方式的CCS，此時(shí)如何保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，主控參數(shù)不大幅越限就成為了機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。我院在總結(jié)了多臺(tái)600MW超臨界機(jī)組的熱控調(diào)試及試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)后，從以下

28、幾點(diǎn)出發(fā)對(duì)超臨界機(jī)組的CCS控制進(jìn)行了優(yōu)化：1) 壓力控制是直流鍋爐控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，壓力的變化對(duì)機(jī)組的外特性來(lái)說(shuō)將影響機(jī)組的負(fù)荷，對(duì)內(nèi)特性來(lái)說(shuō)將影響鍋爐的溫度。因此設(shè)計(jì)策略時(shí)應(yīng)以?xún)?yōu)先穩(wěn)定壓力為前提考慮。上述的幾種控制方案中，鍋爐主控指令均要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的慣性延遲（補(bǔ)償煤水動(dòng)態(tài)特性差異）才改變給水流量指令，這樣雖在變負(fù)荷時(shí)對(duì)汽溫影響較小，但卻增加了主汽壓力控制的難度，相當(dāng)于把溫度控制回路中的一部分慣性轉(zhuǎn)嫁到壓力控制回路上來(lái)，同時(shí)由于幾個(gè)方案中均采用改變給水流量來(lái)調(diào)節(jié)中間點(diǎn)焓值，最終使得給水調(diào)溫和調(diào)壓回路的時(shí)間常數(shù)相近，產(chǎn)生強(qiáng)烈的耦合特性，即使是西門(mén)子的方案中采用了焓值解耦策略也不能從根本上解

29、決問(wèn)題。由超臨界機(jī)組運(yùn)行特性可知，燃料量變化對(duì)于主汽壓力的影響是較小的，主要是影響汽溫的變化，而后才由于減溫水的調(diào)節(jié)使得壓力上升，而給水流量的改變對(duì)于汽壓和汽溫均有明顯的影響，因此從采用改變?nèi)剂狭縼?lái)校正汽溫是解除兩者之間耦合的較好辦法，同時(shí)應(yīng)適當(dāng)減小鍋爐主控指令指給水指令之間的慣性環(huán)節(jié)，使給水能較快速動(dòng)作的穩(wěn)定壓力，而在變負(fù)荷時(shí)一方面通過(guò)預(yù)測(cè)控制算法動(dòng)態(tài)超調(diào)一定量的燃料量以補(bǔ)償制粉系統(tǒng)的慣性，另一方面也適當(dāng)?shù)臓奚欢ǖ臏囟葋?lái)保證變負(fù)荷的快速性，通過(guò)這些手段可將煤-水兩回路之間的耦合特性減小的最低程度。2) 協(xié)調(diào)好煤水之間的匹配關(guān)系后，剩下的關(guān)鍵問(wèn)題如何消除機(jī)、爐之間的相互耦合關(guān)系，補(bǔ)償鍋爐的的

30、大慣性特性，在變負(fù)荷及發(fā)生內(nèi)擾時(shí)，鍋爐側(cè)能跟得上汽機(jī)側(cè)調(diào)節(jié)功率而造成的持續(xù)擾動(dòng)。直接能量平衡控制策略（DEB）早期即是為直流鍋爐控制而提出的，其獨(dú)特的地方是在所有情況下都解除發(fā)電控制和鍋爐控制間的耦合和使用根據(jù)汽輪機(jī)能量需求計(jì)算的具有自校正性質(zhì)的機(jī)組指令。DEB策略中采用能量平衡信號(hào)Ps*(P1/Pt)來(lái)表征汽機(jī)向鍋爐要求的能量需求量，式中的P1/Pt代表汽機(jī)第一級(jí)壓力與主蒸汽壓力之比，其物理含義為汽機(jī)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的有效值，這一比率在汽機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)有一定的線(xiàn)形特性，Ps代表主蒸汽壓力定值，在機(jī)組穩(wěn)態(tài)時(shí)Ps=Pt，P1即代表進(jìn)入汽機(jī)的蒸汽流量，在機(jī)組動(dòng)態(tài)時(shí)，能量平衡信號(hào)代表汽機(jī)在適應(yīng)負(fù)荷需求改變時(shí)

31、進(jìn)入汽機(jī)的蒸汽流量。但在變負(fù)荷時(shí)Ps*(P1/Pt)在時(shí)間上仍略慢于機(jī)組的功率指令UD，因此較好的方案是采用UD作靜態(tài)前饋和能量平衡信號(hào)的微分疊加共同產(chǎn)生鍋爐側(cè)的前饋信號(hào)，這樣既可滿(mǎn)足變負(fù)荷時(shí)指令快速動(dòng)作的要求，又能保證穩(wěn)態(tài)下由于系統(tǒng)內(nèi)擾產(chǎn)生的汽機(jī)調(diào)門(mén)動(dòng)作及時(shí)反應(yīng)到鍋爐側(cè)，提前增減燃料量和給水流量以保證壓力的穩(wěn)定。3) 煤水比校正回路的修正功能應(yīng)當(dāng)是針對(duì)全負(fù)荷范圍內(nèi)的工況而不是單一工況點(diǎn)的，比如說(shuō)在某個(gè)負(fù)荷點(diǎn)下由于入爐煤質(zhì)的變化造成過(guò)熱器入口焓值的偏移，此時(shí)應(yīng)通過(guò)校正將程序中原先預(yù)設(shè)的煤水比曲線(xiàn)整體平移一個(gè)數(shù)值，這樣在機(jī)組變負(fù)荷至另一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的過(guò)程中，煤水比校正回路就可不用重新計(jì)算而保持不變。

32、當(dāng)前面介紹的幾家公司的方案中均采用在當(dāng)前給水流量（焓值設(shè)定值）上疊加上焓值（溫度）調(diào)節(jié)器輸出的做法，這樣在變負(fù)荷過(guò)程中焓值（溫度）調(diào)節(jié)器仍需不停計(jì)算以獲得下一個(gè)工況點(diǎn)的參數(shù)，增加了額外的不必要擾動(dòng)。因此煤水比控制回路應(yīng)通過(guò)中間點(diǎn)焓值（溫度）的偏差計(jì)算出一個(gè)校正系數(shù)來(lái)一乘積方式修正到燃料量指令上，從而達(dá)到煤水比校正全工況校正的目的。4) 超臨界機(jī)組在協(xié)調(diào)負(fù)荷（通常在40%100%Pe）范圍內(nèi)其壓力、溫度等機(jī)組運(yùn)行參數(shù)均存在很大跨度的變動(dòng)，機(jī)、爐系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性也隨之發(fā)生很大的改變，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中若采用相同的策略和特性參數(shù)必然造成在某一工況下控制效果很好而在另一工況下就較差，不能滿(mǎn)足全協(xié)調(diào)負(fù)荷下的

33、優(yōu)化控制要求。因此必須根據(jù)在機(jī)組不同負(fù)荷下燃燒系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、水蒸汽物理性質(zhì)等方面的變化通過(guò)自適應(yīng)算法動(dòng)態(tài)修正控制系統(tǒng)中的各調(diào)節(jié)和特性參數(shù)，并在某些特殊情況下（如超溫、超壓、啟停磨）應(yīng)用超馳控制快速消除擾動(dòng)，從而保證機(jī)組在各種負(fù)荷和工況下的控制穩(wěn)定。3.3.3 優(yōu)化控制方案投運(yùn)效果：由我院研發(fā)的超臨界機(jī)組控制策略到目前為止已在十幾臺(tái)600MW超臨界機(jī)組上成功應(yīng)用，所有機(jī)組均在2%Pe/min速率下的AGC方式下穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組變負(fù)荷響應(yīng)迅速，各主要參數(shù)控制情況良好。圖3.7和3.8是國(guó)電常州#2機(jī)組在2006年12月6日進(jìn)行AGC試驗(yàn)的負(fù)荷、煤、水、壓力、汽溫運(yùn)行曲線(xiàn)，可看出在機(jī)組大幅度12MW

34、/min變負(fù)荷情況下控制品質(zhì)優(yōu)良，系統(tǒng)運(yùn)行相當(dāng)穩(wěn)定。主要的參數(shù)變動(dòng)情況見(jiàn)下表：450MW600MW負(fù)荷段AGC試驗(yàn)數(shù)據(jù)項(xiàng)目設(shè)定值實(shí)際值考核值最大正偏差最大負(fù)偏差A(yù)GC速率（%）2.02.22.42.0變負(fù)荷初始純延時(shí)N/A< 40秒< 90秒負(fù)荷動(dòng)態(tài)偏差（%）N/A<1.5%<5.0%負(fù)荷穩(wěn)態(tài)偏差（%）N/A<0.5%<1.5%主汽壓力（MPa）23.6024.20.39-0.61N/A氧量（%）3.34.60.7-0.3±1.5甲側(cè)主汽溫度（）570.45-2±10乙側(cè)主汽溫度（）570.65-3±10圖3.7 國(guó)電常州#2機(jī)組AGC試驗(yàn)450MW600MW負(fù)荷段（BASEO*模式）負(fù)荷、壓力、煤水變化曲線(xiàn)圖3.8 國(guó)電常州#2機(jī)組AGC試驗(yàn)450MW600MW負(fù)荷段（BASEO*模式）主汽溫度、氧量變化曲線(xiàn)圖3.9和3.10是揚(yáng)州第二發(fā)電廠#4機(jī)組在2007年3月13日進(jìn)行AGC試驗(yàn)