外高桥1000MW超超临界机组闭环控制系统设计

       上海外高桥第三发电厂2×l000MW超超临界机组的锅炉岛采用上海锅炉厂有限公司利用Alstom Power技术生产的直流锅炉，其型式为1000MW超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉、一次再热、单炉膛单切圆燃烧方式、平衡通风、全钢构架、全悬吊结构塔式锅炉；汽轮机岛采用上海汽轮机有限公司利用西门子技术生产的汽轮机，其型式为100MW超超临界参数、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、凝汽式、八级回热抽汽；仪控岛采用西门子公司的分散控制系统（DCS）及其过程控制软件。

      本文将以该厂1000MW超超临界机组闭环控制中的协调、给水和汽温控制系统为例，介绍和分析其设计思想和控制策略。

      一、闭环控制系统的整体设计与分析

      闭环控制系统主要包括协调、燃烧、给水和汽温控制系统。其整体设计原理见图1。

      

      l.1 协调控制系统

      协调控制系统主要包括负荷指令设定、辅机故障减负荷（RB）、频率校正、压力设定、锅炉主控、汽轮机主控和热值校正回路。它包括4种运行模式:协调控制模式（CCS）；锅炉跟随模式（BF）；汽轮机跟随模式（TF）和基本模式（BASE）。

      负荷指令设定回路接受中调自动发电控制（AGC）指令，经速率限制，负荷上、下限限制和负荷指令增、减闭锁等运算后分别送往机、炉主控等回路；频率校正回路把频差信号转换为负荷偏差信号，分别叠加到锅炉主控和汽轮机主控的指令上；压力设定回路提供定/滑压运行2种设定值，2种方式之间可无扰切换，滑压值是负荷的函数f1（x）；热值校正回路在煤种发生变化时对给煤机转速指令进行修正以保证机组功率不变。

      1.1.1 锅炉主控回路

      本协调控制系统为以炉跟随为基础的协调控制系统，即锅炉控制压力、汽轮机控制功率。在CCS模式时，锅炉主控指令由以下4部分叠加而成:

      （1）基本指令:机组负荷指令+频差信号。该指令作为锅炉主控指令的基本值去控制燃料量，使锅炉主控指令对应于负荷及频率的改变有一个变化量；

      （2）机组负荷指令与频差信号的动态补偿信号。主要考虑在负荷与频率变化时对锅炉蓄热量变化的基本补偿；

      （3）压力调节器输出信号。压力的变化代表了机炉能量的不平衡，因此需根据压力变化相应改变燃料量以达到机炉新的平衡，该信号对负荷指令进行细调；

      （4）压力偏差对锅炉蓄热的动态补偿信号。不同负荷下对于同样的压力偏差锅炉需补偿的蓄热量（煤量）不同，因此，应根据负荷指令和压力偏差对锅炉主控指令进行动态修正。

      l.1.2 汽轮机主控回路

      汽轮机主控为CCS和汽轮机数字电液控制系统（DEH）之间的接口，在CCS模式下其被调量为实际功率，给定值由3部分叠加而成:（1）机组负荷指令及其动态前馈。动态前馈是在变负荷时为充分利用机组蓄热，通过汽轮机调门提前动作，允许汽压有一定的波动而释放或吸收部分蓄能，加快机组初期负荷的响应速度而采取的手段。（2）频差信号。（3）压力拉回回路。即经过死区特性和限幅特性的压力偏差信号，其目的是当机前压力偏差较小时，由锅炉控制压力，维持机前压力为定值；当机前压力偏差较大时，有可能超过锅炉主控的调节范围，此时汽轮机主控也参与调压，二者共同作用可迅速使机前压力回到设定值，加快整个响应的动态过程。

      解耦回路的设计:锅炉侧对负荷指令的响应远慢于汽轮机侧，故用多阶惯性环节PTn即1/（l+Ts）n来匹配二者之间的动态特性，PTn代表从机组负荷指令变化到新蒸汽产生的动态过程。

      1.2 基于比值控制的总风量、燃料量和给水流量指令设计

      在直流炉中给水变成过热蒸汽是一次完成的，锅炉的蒸发量不仅决定于燃料量，同时也决定于给水流量。因此，超临界机组的负荷控制是与给水控制和燃料量控制密切相关的；而维持燃水比又是保证过热汽温的基本手段；一定的风煤比是燃烧经济性的要求。因此，总风量、燃料量指令和给水流量指令的产生均与负荷指令密不可分:

      （1）总风量指令＝风煤比函数f4（锅炉主控指令）×氧量校正，氧量校正回路的设定值为负荷的函数f6（x）。

      （2）燃料量指令＝锅炉主控指令+焓值调节的动态解耦，函数f3（x）是锅炉负荷——燃烧效率的函数。

      （3）给水流量指令＝迟延的锅炉主控指令+焓值调节器的输出。

      （4）燃料量控制与给水控制的解耦设计:一方面，锅炉热负荷（燃料量）的变化相对于给水流量的变化是一个慢速过程（PTn）；另一方面，微过热蒸汽焓的变化又是燃水比失调的迅速反映，而负荷与温度的控制又要求保证一定的燃水比，因此，代表锅炉热负荷（燃料量）动态特性的多阶惯性环节PTn和焓值调节的动态解耦被应用于燃料量控制与给水控制的解耦设计。

      二、给水控制系统的设计与分析

      给水控制系统包括蒸发器理论吸热量计算、焓值控制、一级减温器前后温差控制、给水流量设定值计算和燃料量与给水的解耦控制等多个回路，其原理见图2。

      2.1 蒸发器理论吸热量计算

      蒸发器理论吸热量＝理论给水流量×省煤器出口到分离器出口的理论焓增－蒸发器金属蓄热量的变化量

      理论焓增和理论给水流量分别是负荷指令的函数f1（x）和f2（x）。负荷变化时，炉膛热负荷的变化相对于给水量的变化是一个迟延较大的对象，因此负荷指令要经多阶惯性的迟延后才转化为理论给水流量；对于来自燃料量的内扰，给水流量也有相应的变化量。

      当分离器出口蒸汽压力变化时，蒸发器内金属的蓄热也将发生变化，无论是吸热还是放热，这部分热量都将影响到给水的实际吸热量，因此应从蒸发器理论吸热量的计算中排除。

      2.2 焓值控制回路及变参数校正

      根据分离器出口微过热蒸汽的焓能迅速判断燃水比是否失调，因此采用微过热蒸汽焓值调节器的指令去修正给水流量指令以保证燃水比的平衡，从而保证过热汽温为给定值。其中焓值设定值为负荷的函数f4（x）。在负荷变化50%-时，过热汽温被控对象的增益变化达5-6倍，时间常数变化也有2-3倍，因此采用变参数控制，即用代表负荷的锅炉主控指令乘以微过热蒸汽焓值调节器的输出，再去调节给水流量以适应控制特性变化了的控制对象——过热汽温。

      2.3 一级减温器前后温差控制回路

      当负荷变化时，燃料量的变化导致锅炉出口烟温和烟气流速发生变化，势必影响炉膛内辐射传热量和烟道内对流传热量的变化，一、二级过热器分别为屏式和对流式过热器，这2种过热器的温度特性相反，如当负荷增加时，前者出口温度将下降，而后者则上升，此时若减少一级减温器的喷水流量将直接恶化二级喷水减温的调节能力，可能导致二级过热器出口温度超温，因此，温差调节器的任务就是维持一级减温器前后温差为负荷的函数f3（x），并用其输出修正焓值设定值从而改变给水流量指令以保证过热汽温。

      2.4 给水流量设定值计算

      给水流量设定值＝蒸发器理论吸热量÷（省煤器出口到分离器出口的实际焓增+焓值调节器的输出）

      省煤器出口到分离器出口的实际焓增＝焓值设定值-省煤器出口给水实际焓值

      省煤器出口给水实际焓值的作用体现在其导前控制上:当其增加时，表示给水从烟气的吸热量增加，即燃料量增加，因此给水流量也应迅速增加；反之，给水流量也应迅速减少。

      zui后，给水流量设定值与直流炉要求的zui小给水流量取大形成给水流量指令。

      三、过热蒸汽减温水控制系统设计与分析

      减温水控制包括过热器一、二级减温水和再热器事故喷水控制系统，均是基于Smith模型预估控制的单回路控制。现以二级过热器减温水控制系统为例介绍其控制思想（见图3）。

      3.1 焓值变增益校正

      当过热蒸汽焓值变化时，为维持过热汽温所需的减温水流量应有所不同。例如对于同样的温度偏差（+5℃），当过热蒸汽温度、压力不同时其焓值也不同，此时所需要的减温水量也不同，因此焓值校正有助于减少控制系统的振荡，缩短过渡过程时间。

      3.2 Smith预估控制

      Smith预估器的原理是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使被迟延了τ的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作。当减温水阀动作时，二级过热器入口的蒸汽温度变化很快，而出口温度变化很慢（存在纯迟延τ），因此Smith预估器的作用就是要消除纯迟延，使被调量是二级过热器入口的蒸汽温度而不是出口的蒸汽温度。图3为二级过热器减温水控制系统原理示意。      

      图3中，e-τsGT（s）是二级过热器出、入口温度T2（s）和T1（s）之间的传递函数，即，或T2（s）=T1（S）e-τsGT（s）。

      式中：GT（s）一般为一阶惯性环节。则调节器入口的被调量为：

      T1（S）[1-e-τsGT（s）]+T2（s）=T1（s）-T1（s）e-τsGT（s）+T2（s）=T1（s）。

      从式中看到，包含有纯迟延环节τ的e-τs GT（s）被消除了，在动态过程中被调量由T2（s）变成了具有快速特性的对象T1（s），采用常规PID控制即可获得良好的控制品质。而在稳态时，被调量仍然是二级过热器出口温度T2（s）。

      超超临界机组是被控特性复杂多变的对象，随着机组负荷的变化，机组的动态特性参数亦随之大幅度变化，同时具有强烈的非线性耦合特性，再加上蓄热系数远比汽包炉小等因素，因此，在闭环控制系统设计中要多考虑使用比值控制、变参数控制和预估控制等*控制手段以达到更好的控制效果。