660 MW單列輔機超超臨界機組給水控制策略優化

劉長良，周 丹

(華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

直流鍋爐的控制系統在整個機組控制中的主要任務是:保證鍋爐蒸汽的蒸發量隨時滿足負荷要求[1]。穩定工況下，蒸發量等于給水流量[2]，可見給水控制是控制系統的核心部分。設計適宜的給水控制策略對超超臨界直流機組的穩定、經濟運行具有十分重要的意義[3]。

燃水比控制是直流爐給水控制的基礎。機組變負荷工況下，燃水比不是恒定不變的，它隨著負荷的變化而變化[4]，需要對燃水比進行動態校正才能達到控制的目的。動態修正信號經歷了從中間點溫度、中間點焓值到水冷壁焓增的優化過程。中間點焓值在靈敏度和線性度方面比中間點溫度具有明顯的優勢;而焓值代表了過熱蒸汽的做功能力，用“焓增”來分析各受熱面的吸熱分布更為科學[5]。綜上，對于直流鍋爐給水控制而言，利用焓值變化量即焓增比中間點溫度或焓值能更準確、更靈敏地反映燃水比的變化。

布連電廠是我國600 MW等級機組輔機單列配置試點工程，給水系統采用1×100%汽動給水泵組。本文在研究其直流模式下自動給水控制過程的基礎上，提出了控制優化改進方案。

1 單列汽動給水泵組

布連電廠一期工程2×660 MW超超臨界燃煤(空冷)發電機組，其整體設計思想優化、領先，為國內首創660 MW空冷機組單列輔機布置方案。機組的主要輔機設備，如汽動給水泵、一次風機、送風機、引風機、空氣預熱器，均采用單列配置。

給水系統設置一臺100%容量的汽動給水泵組，汽動給水泵及其前置泵采用同軸驅動，給水泵汽輪機各項參數屬于國產設備最高。汽動給水泵抽頭壓力增至9～16 MPa，FCB工況時揚程達到34.132 MPa、轉速5 370 r/min。對于整套汽動給水泵組，100%容量汽動給水泵較50%容量效率高3%左右。兩臺機組運行年節約標煤1 900 t左右，減排CO2約5 000 t[6]。可見，單列配置節能減排優勢明顯。在可靠性方面，當給水泵發生故障時，由于采用單臺100%容量的給水泵方案，所以系統必須停機[6]。因此，為了保證單列給水泵配置給水系統的可靠性，首先應保證給水泵及附屬設備的可靠性;其次好的控制策略也顯得更為重要。

2 給水控制策略優化

超超臨界直流爐沒有汽包，給水從加熱到蒸發及過熱是一次性連續完成的。由于受熱區段之間無固定界限，當機組轉入干態運行時，給水量和燃料量的變化都會引起汽水分界面的改變，若燃水比失調嚴重，則導致鍋爐出口主汽溫大幅度變化，直接影響機組安全運行。所以，燃水比的控制是超超臨界機組的關鍵所在。

純直流階段給水系統控制的不再是分離器水位，而是通過燃水比和燃料一起控制的過熱汽溫。但是在變負荷工況下，僅靠燃水比不能達到控制的目的，需要引入中間點焓值及其變化值對燃水比進行動態校正。為此，本文提出了以燃水比為基礎，省煤器到分離器出口段的焓增作為燃水比反饋信號的控制策略。超超臨界直流爐的中間點選在汽水分離器出口是因為分離器出口焓值變化慣性小且具有一定代表性。

2.1 給水流量的設定

超超臨界機組的直流給水流量控制原理如圖1所示。

圖1 給水流量控制原理Fig.1 Principle of feedwater control

負荷指令對應的主蒸汽流量設計值減去減溫水量設計值得到給水流量目標值。理論給水流量乘以省煤器出口到中間點設計焓增目標值得到的爐膛吸熱量經過鍋爐金屬貯能變化的瞬態修正，再除以來自焓控制器的焓增需求值，就得出了實際給水流量需求值。以上計算均考慮蓄熱遲延時間。爐膛吸熱量目標值金屬儲能變化的瞬態修正是利用分離器出口壓力對應的飽和溫度變化率乘以受熱面金屬的熱容量得到。該策略考慮到了高壓加熱器故障退出影響給水溫度時，給水流量的調整。如果高壓加熱器故障，則給水溫度大幅度降低，相應地省煤器出口工質的實際焓值降低。因此水冷壁區域的焓增需求值變大，通過除法器運算后將給出一個降低了的給水流量。優化后的給水控制邏輯中加入了基于BTU校正輸出的前饋信號、燃料指令的前饋信號和偏置信號。

(1)基于BTU(British Thermal Unit，指用英熱量作單位表示的能量，可實現入爐燃料的動態補償和熱值校正)校正輸出的前饋信號。當煤質發生變化，燃水比的輸出必然會改變，因此，需要設計補償回路使動態過程的給水流量和煤量配比合理，燃水比變化較小。通過比較鍋爐蒸汽流量的熱輸出和給煤量的熱輸入，將它們的差值經過熱量積分器進行熱量的補償:如煤的發熱值高，則積分器就減少給煤需求量 (相對于主蒸汽壓力對省煤器出口焓進行修正)，反之亦然。

(2)燃料指令的前饋信號。燃料系統中制粉和燃燒過程存在較大延遲，因此在各負荷階段中，即使設定了給水量、燃料量等，負荷變化時的主汽溫或主汽壓變化也只能是過渡性地跟進。所以增加該信號是為了盡量減少給水控制總是跟不上燃料變化的影響，從而提高給水的調節響應。

(3)偏置信號。為滿足汽動給水泵手動/自動切換過程中的無擾切換，對主蒸汽流量設計值增加偏置接口。在手動時，偏置跟蹤實際值與設定值有偏差;自動狀態下，運行人員通過修改偏置值來對主蒸汽流量設定值進行修正。

2.2 爐膛焓增需求

根據負荷指令計算出的分離器出口設計焓值不一定和實際焓值相符，鍋爐在變工況運行時，這種差異就會顯現，所以在控制邏輯中需要對這些計算出的焓值進行修正。因此，爐膛焓增需求值為基本值與修正值兩部分之和。

(1)省煤器出口焓差對爐膛焓增修正

中間點焓值設計值減去省煤器出口實際焓值得到膛焓增需求值的基本值。為了能更好地應對高加發生故障時引起給水溫度變化的情況，加入省煤器出口設計焓值與實際焓值差值作為中間點設計焓值修正量能在水溫發生變化時迅速改變爐膛焓增需求值，進而影響給水流量，保證機組安全穩定。高加正常運行時，省煤器出口焓值和設計焓值基本相等，此時給水溫度對給水調節回路基本沒有影響。如果高加因故障退出，則給水溫度將大幅降低，省煤器出口工質焓值偏差比中間點焓值能更快反映出這一變化。另外，在修正回路設置一個死區，使省煤器出口焓值在小范圍變化時不參與調節，提高了前饋信號的準確性。控制邏輯如圖2所示。

(2)溫度控制器對中間點焓設定值的修正

中間點設計焓值進入焓值調節器與實際值進行偏差運算，輸出作為爐膛焓增需求值的修正值。根據一級過熱器出口溫度的實際值和設定值 (由對應負荷指令折算)之間的偏差，通過溫差控制器輸出對中間點設定焓值修正。修正后的分離器出口焓值設計值進入焓值調節器與實際值進行偏差運算，輸出作為爐膛焓增需求值的修正值。焓值控制在鍋爐進入直流狀態才起調節作用。分離器出口焓控制器指令的形成邏輯如圖3所示。

2.3 給水泵控制回路

布連電廠給水系統配置一臺100%容量的汽動給水泵組，除此之外兩臺機組共用一臺30%容量的電動給水泵保證啟動最小流量。機組直流運行情況下，主要依靠單列汽動給水泵來維持機組的給水量。給水流量指令值與實測的爐膛給水量值之差，通過比例積分的控制方式向鍋爐給水泵發出給水流量需求信號。為了適應機組變負荷工況，采用變參數PID控制:比例和積分時間都是鍋爐主控經函數折算的值。同時控制過程也增加了偏置接口滿足汽動給水泵手動/自動切換過程中的無擾切換。給水泵控制回路如圖4所示。

圖2 優化后的給水指令生成邏輯Fig.2 Optimized generation logic of feedwater command

3 仿真結果

基于激勵式仿真機平臺，對優化后直流運行狀態下的給水控制系統進行仿真。在機組400 MW穩定工況下，投入CCS協調控制，并以500 MW為目標值進行升負荷，此時的燃料控制和給水控制全部投自動。仿真曲線如圖5所示。可以看出，優化后給水量控制兼顧快速性和穩定性，主蒸汽溫度控制也在可調范圍內，同時燃水比也很穩定，保持在7.3左右;當機組負荷穩定在500 MW時，主汽溫、燃料量和給水量也基本穩定。仿真結果表明:運用該優化后的控制策略，在機組的升負荷階段，給水量和主蒸汽溫度得到了很好的控制，說明該策略在單列輔機機組是可行的。

圖5 仿真曲線Fig.5 The simulation curve

4 結論

燃水比控制是直流鍋爐自動控制的一大特點。本文采用“水跟煤”控制策略來修正燃水比，即通過修正給水流量設定值來實現燃水比例控制，該方案有利于主蒸汽溫度控制，從而保證機組的安全性。在控制策略的優化中，采用了前饋、變參數、變增益以及變結構控制等技術方法，獲得了良好的控制品質。控制策略中加入了凈熱量校正 (BTU)調節回路的前饋信號，使機組負荷指令與爐主控指令近似相等，使動態過程的給水流量和煤量配比合理，燃水比的輸出變化較小。在分離器出口焓控制器指令的形成邏輯中，通過控制焓值調節器輸出焓值的修正值動態地校正給水量，防止過熱蒸汽溫度過高。從仿真結果可知，機組在直流運行工況下，燃水比和主汽溫都得到了很好的控制，優化后給水控制系統策略應用于單列汽動給水泵機組完全能實現雙輔機的作用和控制效果。