超臨界機組協調控制系統方案分析及調整方法

朱邦那

（中國大唐集團科學技術研究總院有限公司華北電力試驗研究院，北京 100043）

1 超臨界機組運行特點

1.1 超臨界機組鍋爐的結構特點

與亞臨界機組相比，超臨界機組的汽輪機及其他輔機在運行方式和結構上無明顯區別，其主要區別在于鍋爐運行方式上，亞臨界機組的鍋爐設計為有汽包環節的汽包爐，超臨界參數的機組的鍋爐設計為直流爐，直流爐雖無汽包設計但設計了汽水分離器，超臨界機組在運行初期與汽包爐類似，汽水分離器的功能與汽包相同，隨著負荷的升高，汽水分離器的水逐漸蒸發，最終保持干態運行，鍋爐在干態運行期間，鍋爐里的水和蒸汽沒有明顯的界限，給水量和燃料量的比例變化決定其分界線的前移或者后退，相較于亞臨界機組，因無汽包環節的緩沖作用，其對汽溫的影響更大，給汽溫的調節帶來了更大的困難，超臨界機組在負荷調節過程中與亞臨界機組相比也存在明顯的區別，亞臨界機組因為有汽包的存在，能夠存儲一部分能量，在負荷變化過程中，可以利用這部分蓄熱，維持機組動態過程中主汽壓力的穩定，超臨界機組的蓄熱能力只有亞臨界的1/3 左右。雖然超臨界機組具有較高的發電效率和負荷調節的靈敏性，但在負荷擾動下的汽壓調節相對困難。同時為了保證較高的負荷變動速率，需通過汽輪機調門的過開，來滿足快速響應負荷變化的要求，這種方式會導致機組的參數出現一定的波動，調節過渡的過程會變長。

1.2 運行方式的特點

直流爐可以看作是一個三輸入兩輸出的控制模型，其輸入為給水流量、鍋爐燃料量、汽輪機調門開度，輸出對象為機組負荷、主汽壓力。直流爐在轉入干態運行后，各輸入對象存在很強的耦合作用，導致輸出難以穩定，而直流爐本身蓄熱較少，對外界的擾動響應速度快，參數不易控制，容易發生鍋爐金屬壁溫超溫、主汽溫度大幅度波動、主汽壓力超過額定壓力等現象。同時機組運行期間磨煤機的啟停操作、入爐煤質的發熱量的變化，定期吹灰等不確定性干擾都會使調節過程變得更加復雜和困難。直流爐中因沒有汽包的緩沖，其汽水分界面會根據燃料量和給水量的比例變化而發生不確定性的前后移動，所以無論機組是在動態過程還是在靜態過程中，維持合適的燃水比是控制機組穩定的關鍵因素[1]。

1.3 給水量擾動下的調節過程

在無其他外界條件擾動的情況下，只增加給水流量，同時燃料量保持不變，鍋爐保持當前熱負荷，鍋爐的汽水分離界面向前移動，延長了蒸發段，縮短了過熱段，增加的給水流量推出一部分蒸汽，使進入汽輪機的主汽流量增加，由于蒸汽流量的增大，主汽壓力也會隨之升高，機組負荷也會增加，由于鍋爐熱負荷未變化，分離器出口溫度將逐漸降低，同時主汽溫度也隨之下降。過渡過程結束后，由于鍋爐的熱負荷未發生變化，最終導致汽溫降低，汽壓和輸出功率有所下降。

1.4 鍋爐總燃料量擾動下的調節過程

保持其他條件不變，只增加鍋爐的燃料量，鍋爐的熱負荷也立即增加，這使得過熱段和蒸發段變短，蒸發段將產生大量的飽和蒸汽，在這個過程中蒸汽流量在經過一個短暫的延時后，將出現先上升，后下降的現象，當蒸汽流量與給水流量達到一個新的平衡時，蒸汽量將保持不變，其數值與給水流量保持相同。汽溫會隨著燃料量的增加經過一定的延時逐漸升高，初期蒸發量的增大和后期汽溫的升高都會使主汽壓力維持在較高的水平，由于主汽壓力和主汽溫度的升高使機組負荷也會穩定在較高的數值。

1.5 調門開度（負荷）擾動下的調節過程

在其他條件不變的情況下，由于調門開度的增加，進入汽輪機的蒸汽流量瞬時增大，由于蒸汽流量的增加，機組的功率會有一個瞬時增長，由于燃料量和給水量無任何變化，即鍋爐側出力無任何改變，這導致了主汽壓力逐漸降低，相應的機組的功率也會隨之即逐漸降低，直至恢復到調門擾動前的功率值。當主汽壓力降低時，介質的飽和溫度降低，即相同溫度下，產生了更多的蒸汽量，最終達到穩定狀態后，蒸汽流量與給水流量保持平衡，所以主汽壓力是一個緩慢降低的過程。在這個過程中鍋爐的燃料量和給水流量無任何變化，所以汽溫無明顯的變化。

2 協調控制系統方案

2.1 協調控制系統的控制思路

協調控制系統是為了解決鍋爐對負荷請求響應慢而汽輪發電機對負荷請求響應快這一矛盾問題，為了解決這一矛盾，通過將鍋爐和汽輪發電機組作為一個整體制定控制方案的方法，使其既能滿足電網快速變負荷的要求同時又能保證機組安全運行。為便于協調控制，將協調控制系統分為若干子控制系統，通過協調各個系統的子系統使機組在負荷變化過程中保證機組運行參數運行在安全的工作范圍內[2]。

電網要求機組應具備快速變負荷的能力，目前火電機組主要采用的協調控制方式為爐跟隨的協調控制方式，該方式下通過調節汽輪機調門來控制機組負荷，調節鍋爐燃料來實現對主汽壓力的調節，由于汽輪機調門對機組負荷響應較快，所以能保證負荷快速變化，如果燃料量和給水量調節的不及時就會導致主汽壓力及主汽溫度出現較大波動。

2.2 子控制系統的設計分析

在以爐跟隨為基礎的協調控制方式下，負荷中心將負荷指令送到汽機主控，汽機主控根據實際的負荷偏差調整汽輪機調門的開度，調門的開度的變化必然會導致主汽壓力的變化，主汽壓力偏差信號送到鍋爐主控，鍋爐主控下達燃料量指令，通過燃料量的變化來維持主蒸汽壓力的穩定，總燃料量指令送往燃料主控通過調節給煤機來保證燃料量的穩定，同時總燃料量指令送往給水控制和送風控制，用來保證水煤比和風煤比，維持汽溫及燃燒的穩定。

3 實例分析

以某電廠超臨界機組為例，分析協調控制系統是如何實現機組的自動控制功能。某熱電聯產機組為350MW 超臨界機組鍋爐為超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，鍋爐制造商為上海電氣集團上海鍋爐廠有限公司。

汽輪機型號為C350/295-24.2/0.4/566/566，型式為超臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽、單軸、抽汽凝汽式。汽輪機制造商為東方電氣集團東方汽輪機有限公司。

發電機型號為QFSN-350-2-20，發電機冷卻方式為“水-氫-氫”方式發電機制造商為東方電氣集團東方電機股份有限公司。

3.1 汽機主控

在以爐跟隨為基礎的協調控制系統中，汽機主控負責調節機組的功率，通過開關調門來快速響應變負荷的要求，負荷指令經過速率限制后送到汽機主控PID中，汽機主控PID 根據負荷指令和實際負荷的偏差進行運算從而控制調門的開度，升負荷時開調門，降負荷時關調門，但只依靠PID 調節，變負荷的速率難以滿足電網的要求，通過增加前饋控制方案能夠有效提高機組的變負荷速率，將負荷指令對應調門開度的函數作為控制系統前饋能夠達到快速變負荷的目的。

3.2 鍋爐主控

鍋爐主控的調節目的是以調節燃料量為手段來維持主蒸汽壓力的穩定，壓力的穩定才能保證以機爐之間的能量平衡，定壓方式運行和滑壓方式運行，是機組調壓的兩種方式，定壓方式由運行人員手動輸入合理的壓力設定值，滑壓方式是根據機組負荷設定值通過滑壓函數形成壓力設定值，滑壓方式能有效的提高機組運行的效率，所以成為一種被廣泛采納的調節壓力的運行方式，無論哪種方式，鍋爐主控PID 都是通過壓力設定值和實際值的偏差進行增減煤量，同時設計了三路前饋作用，分別是為了保證負荷變化時壓力能快速跟隨負荷的變化而設計的負荷指令與煤量函數的前饋作用；為了能夠抑制壓力變化過快而設計的壓力變化率的微分作用；為了能夠保證壓力設定值和實際壓力偏出不會過大而設計的壓力指令和反饋偏差的微分，通過以上功能，鍋爐主控能很好的控制主汽壓力，使其能維持在穩定的范圍內。

3.3 中間點溫度控制

由于汽溫具有較大的遲滯性，單純依靠觀察汽溫的變化來對汽溫進行調節會產生調節滯后的后果，所以需要一個中間參考點，它既能反應主汽溫度的變化趨勢，也同時具有較小的遲滯性，分離器出口溫度具有以上兩個特點，所以被用作中間點溫度，只要將中間點溫度控制在一定范圍內，那么主汽溫度也比較易于控制。中間點溫度的設定值一般設計為分離器出口壓力的函數或者為負荷的函數，在保證較高參數運行的基礎上，還要保證汽溫具有一定的過熱度，防止機組從干態再次轉入濕態運行，影響機組運行安全。

3.4 鍋爐超前加速控制（Boiler Input Rating, BIR）

要想快速的改變機組負荷，在變負荷時還要超前改變燃料量和給水量，當負荷變化結束后，超前作用的燃料量和給水流量恢復到零，該BIR 功能的實現方式是，首先通過負荷指令設定值是否在變化來判斷機組是否在負荷變化過程中，如果在負荷變化中，BIR 功能生效，通過負荷指令的微分，超前動作煤量和水量，動作量的大小取決于負荷指令的變化速率，當速率越大超前動作的煤量和水量也越大，當變負荷過程消失后，超調的煤量和水量再按照合適的速率回歸到初始零值，這樣就能夠很好的彌補變負荷初期只通過爐主控和給水主控中前饋和反饋調節滯后性的缺點。

3.5 給水控制

直流爐的給水控制要擔負多項任務，首先要保證給水系統的穩定，同時要維持機組的燃水的平衡，在一定程度上也能夠調節主汽溫度，當主汽壓力控制偏差過大時也可通過修正給水的方法，調節主汽壓力，使主汽壓力維持在一定偏差范圍內，所以給水控制系統在直流爐的控制中起著至關重要的作用，“水跟煤”和“煤跟水”作為兩種給水控制有方案，因“水跟煤”的控制方案具有能夠減少鍋爐的熱應力的優點，同時能夠較容易的控制汽溫，所以該方案被廣泛的采用，“水跟煤”的實現方法是將燃料指令通過煤水比的函數關系生成給水流量指令，同時以變負荷微分前饋、主汽壓力偏差函數、中間點溫度控制等對給水流量指令進行修正。

4 常見問題的調整方法

4.1 負荷控制偏差

對機組負荷控制過程可分為前期、中期、后期三個階段分析，針對不同階段影響的因素也不同，如果主汽壓力無較大波動，變負荷前期如果負荷跟蹤存在滯后或超前現象主要是機主控前饋量不合適，此時應調整負荷指令對應的閥門流量指令的函數的斜率，負荷跟蹤滯后應增加函數的斜率，利用鍋爐的蓄熱達到較快的變負荷速率，負荷跟蹤超前時應減小斜率，以免透支鍋爐的蓄熱，避免主汽壓力大幅度波動。負荷變化中期時，如果出現負荷控制偏差較大時，一般同時伴隨主汽壓力的跟蹤不及時，可以適當調節BIR 中超調的煤量，來彌補中期燃料量的不足，負荷變化后期調節時，一般是出現情況是負荷難以穩定，這時可以適當的調節PID的參數，以達到穩定負荷的目的。

4.2 壓力偏差

無論是直流爐還是汽包爐，機爐之間能量的平衡關系主要表現在主汽壓力上，維持主汽壓力的穩定，是保證協調控制系統的穩定的基礎。影響主汽壓力穩定的因素很多，除了負責調節機組負荷的汽機主控中調門開度的影響，運行人員增減的給水量，中間點溫度調節等因素都會影響鍋爐主控對壓力的調節品質。負荷變化過程中，當出現主汽壓調節偏差過大時，首先分析導致偏差的原因，首先考慮的是鍋爐主控的前饋量是否合適，如果實際壓力全程都是超前給定壓力那應該減少鍋爐主控前饋的量，如果初期實際壓力變化緩慢，可以增加BIR 中超調的煤量，當變負荷結束后，主汽壓力很長時間也不能穩定，并且伴隨著燃料量的大幅度波動，此時應調節鍋爐主控的PID 參數，改善調節品質。

4.3 汽溫偏差

調節汽溫的手段主要有兩種方式：①依靠減溫水調節；②改變給水流量進行調節，減溫水只能精細的小范圍調節汽溫，調節范圍有限。所以合適的煤水比是保證汽溫穩定的基礎，改變煤水比主要有，修改煤水比曲線、中間點溫度調節、修改給水偏置三種方法，變負荷動態過程中還增加了BIR 給水前饋作用。在燃料量合適的情況下，如果負荷變化過程中超溫現象頻繁出現，那么一定是煤水比失去平衡，即給水量偏少，可以適當增加BIR 控制中超調的給水量，負荷穩定后汽溫仍有超溫現象，先要查看中間點溫度調節是否已到調節已到上限，如果未到上限，適當增加中間溫度調節的PID參數，保證足夠的給水量的修正。如果中間點溫度已到上限，還需運行人員修改給水偏置量才能穩定住汽溫，此時應該考慮修改煤水比關系曲線，增加給水流量。