超临界机组控制技术浅析和汽温调节

　　超临界直流锅炉与亚临界汽包锅炉的结构和工艺过程有着显著的不同，在进行超临界机组协调控制和汽温控制等诸系统设计时，必须准确把握超临界机组的特点，才能使对运行参数稳定性要求高、过程复杂的超临界机组处于良好的受控运行状态。
　　
　　一、超临界机组的特点
　　
　　（1）超临界直流炉没有汽包环节，给水经加热、蒸发和变成过热蒸汽是一次性连续完成的，随着运行工况的不同，锅炉将运行在亚临界或超临界压力下，蒸发点会自发地在一个或多个加热区段内移动。因此，为了保持锅炉汽水行程中各点的温度、湿度及水汽各区段的位置为一规定的范围，要求燃水比、风燃比及减温水等的调节品质相当高。
　　
　　（2）在超临界直流炉中，由于没有汽包，汽水容积小，所用金属也少，锅炉蓄能显著减小且呈分布特性。蓄能以两种形式存在——工质储量和热量储量。工质储量是整个锅炉管道长度中工质总质量，它随着压力而变化，压力越高，工质的比容越小，必需泵入锅炉更多的给水量。在工质和金属中存在一定数量的蓄热量，它随着负荷非线性增加。由于锅炉的蓄质量和蓄热量整体较小，负荷调节的灵敏性好，可实现快速启停和调节负荷。另一方面，也因为锅炉蓄热量小，汽压对被动负荷变动反映敏感，这种情况下机组变负荷性能差，保持汽压比较困难。
　　
　　（3）在超临界锅炉中，各区段工质的比热、比容变化剧烈，工质的传热与流动规律复杂。变压运行时，随着负荷的变化，工质压力将在超临界到亚临界的广泛压力范围内变化，随之工质物性变化巨大，这些都使得超临界机组表现出严重的非线性。具体体现为，汽水的比热、比容、热焓与它的温度、压力的关系是非线性的，传热特性、流量特性是非线性的。各参数间存在非相关的多元函数关系，使得受控对象的增益和时间常数等动态特性参数在负荷变化时大幅度变化。
　　
　　（4）超临界机组采用直流锅炉，因而不象汽包炉那样由于汽包的存在解除了蒸汽管路与水管路及给水泵间的耦合。直流炉机组从给水泵到汽机，汽水直接关联，使得锅炉各参数间和汽机与锅炉间具有强烈的耦合特性，整个受控对象是一个多输入多输出的多变量系统。
　　
　　二、超临界直流炉机组控制系统的特点
　　
　　超临界机组的发电负荷在电网中的比重正在稳步上升，电网要求超临界机组能调峰运行，其控制策略应保证机组良好的负荷适应性和关键运行参数的稳定。超临界机组与汽包炉机组的控制任务相同，即在能够承受的限度内，机组的发电负荷对指令的响应速度zui快，同时协调锅炉与汽轮发电机间的运行，使锅炉的热量输入与电能输出相平衡，保持锅炉各输入如燃料、风和水之间的匹配关系。
　　
　　为完成上述机组控制任务，机炉协调控制系统应做到:zui大限度利用蓄能;具有快速响应的发电负荷控制;发电负荷控制与锅炉控制解耦；在所有工况下，锅炉指令都基于汽机的能量需求，保证锅炉与汽机相协调。直接能量平衡（DEB）控制策略在汽包锅炉机组应用中表现出良好性能。实际上，DEB控制策略zui初是用于直流炉机组控制的，但直流炉机组DEB控制策略还需就以下问题作进一步的研究和完善。
　　
　　（1）热量度量。基于准确热量度量的锅炉输入热量和汽机需求信号的直接平衡是DEB良好控制性能的基础。准确的热量信号只反映锅炉的能量输入，对汽机调门开度变化是解耦的。而直流炉由于蓄热呈分布特性，无类似汽包的相对集中蓄热，简便的热量度量难以求取。直流炉这一重要信号的缺失，给解除机炉间的耦合、协调锅炉与汽机间的控制作用、发热量校正和燃水比校正都带来了困难。
　　
　　（2）蓄热量小，不能满足应快速响应的发电负荷控制的需要。控制系统应zui大限度地利用直流炉能快速改变锅炉蒸汽负荷的能力，以补偿其相对较低的蓄热量，这在很大程度上取决于锅炉前馈信号的选择和形式。另一方面，应有完善的实时监视锅炉跟踪负荷的能力，以锅炉实际能力为限改变机组负荷。
　　
　　（3）严重非线性耦合的解除。应在深入分析超临界机组过程机理的基础上，找出各参量间相互影响关系，减弱或消除不利的耦合。
　　
　　汽包炉机组和超临界直流炉机组控制系统的比较列于表1。　　
　　三、超临界机组汽温控制系统
　　
　　为更好地理解直流锅炉的工艺过程，将直流锅炉简化为如图1所示的单管结构。　　
　　受控的给水流量在一端进入，热量由受控的燃料量产生，沿管道长度施加到工质上，在管道的另一端，产生的超临界状态蒸汽输送到汽机。减温喷水引自进入锅炉的总给水量，它的变化改变了减温喷水阀前后受热段工质流量的分配。燃烧率产生的热量分配到水冷壁、过热器和再热器等受热面上，各受热面热量分配比例由摆动燃烧器或烟气挡板实现调整。
　　
　　减温喷水阀实质上是调整工质流量在水冷壁和过热器之间的分配比例，通常可以有额定负荷下给水量的10%用于动态分配。图2所示为不同的工质流量分配比例对各区段工质温度的影响。减温喷水量的变化改变了进入省煤器和水冷壁的给水量，这一区段的热量/水量比值随之改变，因而区段内工质温度发生了相应变化。但无论减温喷水量有多大变化，zui终进入锅炉的总给水量未改变，燃水比未改变，稳态时锅炉出口过热汽温也不会改变，但减温喷水会改变瞬态过热汽温。　　
　　燃烧器摆角或烟气挡板变化只影响锅炉内的热量在各受热面区段的分配，锅炉内吸收的总热量并未改变。摆角的改变对过热汽温和再热汽温有较为快速的效应，与此同时摆角对水冷壁出口温度的改变接着很快就抵消了对过热汽温和再热汽温的这种影响。热量分配的改变对工质温度的影响如图3所示。　　
　　进入锅炉的燃烧率和给水量之间形成燃水比，它影响着稳态汽温的走向，因而是zui终能保持汽温稳定在设定值的手段，如图4所示。　　
　　通常，锅炉有两级左右两侧减温喷水，这些减温喷水可以补偿局部的热量和工质分配的不平衡，可以用于改善汽温调整的动态响应。整体的汽温调整手段应是将提供快速动态响应的减温喷水与提供稳态汽温调整的燃水比协调起来，利用各自在汽温调整上的优势，获得整体汽温调整和响应性能的*。
　　
　　燃水比在超临界机组汽温调节中起着至关重要的作用。由于燃水比变化时过热汽温的响应延时很大，因此几乎不能直接使用过热汽温作为燃水比的反馈信号。采用什么信号来更为快速和地反映燃水比的变化，从而提高汽温调节的性能，一直是直流炉控制中研究zui为活跃的方向。处于水冷壁出口的微过热汽温或微过热蒸汽焓值，因其对燃水比扰动的响应曲线斜率是单调的，响应较为快速并近似一阶惯性环节，所以在直流
　　
　　炉控制中得到广泛应用。
　　
　　燃水比、微过热汽温或微过热蒸汽焓值、喷水减温等是构成超临界机组汽温控制系统的重要参量和手段，它们的特性对超临界机组汽温控制系统的设计具有重要意义。具体分析如下。
　　
　　1.燃水比
　　
　　燃料量和给水量之间比例（燃水比）不是恒定不变的，它必须随着负荷的改变而改变，下式可说明这一点:
　　
　　式中:
　　
　　ist——主蒸汽焓值（kJ/kg）
　　
　　ifw——给水焓值（kJ/kg）
　　
　　F——燃料量（t/h）
　　
　　W——给水量（t/h）
　　
　　Qnet——燃料低位发热量（kJ/kg）
　　
　　η——锅炉效率
　　
　　因为锅炉给水温度是随负荷的增加而升高的，故ifw也随之升高。机组定压运行时，主蒸汽温度和压力为定值，即ist为一定值，Qnet和η可视为常数，因此燃水比F/W是随着负荷的升高而减小的。
　　
　　另一方面，燃料量和给水量在负荷改变时按燃水比F/W并行进行调整，但二者对汽温的动态影响是不同的。为减小负荷动态调整过程中的汽温波动，还必须对负荷调整产生的燃料量指令和给水量指令分别设置动态校正环节。
　　
　　2.微过热汽温和微过热蒸汽焓值
　　
　　微过热汽温在一定的过剩空气系数下，也与锅炉负荷密切相关。工质在炉膛中吸收的热量分为两大部分，分别是在锅炉本体中以辐射吸收为主的部分和在对流过热器中以对流吸收为主的部分。当锅炉负荷较低时，锅炉本体中工质的焓增较大，微过热汽温较高，过热度也较大，灵敏度也较高。当锅炉负荷较高时，送风量随之增加，锅炉对流部分的吸热率增加，因此工质在对流传热中获得的焓增增加，当主蒸汽温度和压力保持不变时，微过热汽温则相应下降。因此，随着负荷升高，微过热汽温降低，微过热蒸汽焓值也降低;负荷降低时，微过热汽温升高，微过热蒸汽焓值也升高。
　　
　　微过热蒸汽焓值和微过热汽温作为燃水比的反馈信号，二者相比，微过热蒸汽焓值在灵敏度和线性度方面具有明显的优势。当负荷变化时，工质压力将在超临界到亚临界的广泛压力范围内变化。由水和蒸汽的热力性质可知，热焓-压力-温度间存在这样的关系，即蒸汽的过热度越低，热焓-压力-温度间关系的非线性度越强，特别是在亚临界压力下饱和区附近，这种非线性度更强，如图5所示。在过热度低的区域，当增加或减少同等量给水量时，焓值变化的正负向数值大体相等，但微过热汽温的正负向变化量则明显不等。如果微过热汽温低到接近饱和区，给水量扰动可引起明显的焓值变化，但温度变化却很小。因此，应优先选用微过热蒸汽焓值，以保证燃水比的调节精度和更好的调节性能。
　　当通过燃烧器摆角或其它手段改变锅炉内各吸热段热量分配比例时，微过热汽温必然会发生改变，但由于燃水比未改变，过热汽温保持不变，因此控制系统中对此引起的微过热汽温的变动应加以补偿。运行方式的变化，如高加切除，会使给水温度有大幅度的下降，燃水比需作调整，锅炉内各吸热段热量分配比例也将改变，随即将影响到微过热汽温，如为经常性扰动，则应有相应的补偿环节。
　　
　　微过热汽温和微过热蒸汽焓值随负荷变化而变化。当采用此反馈信号通过调整给水量来调整燃水比时，则给水调节系统外回路（给水主调）的任务就是调整微过热汽温或微过热蒸汽焓值到期望的设定值，负荷变化时该设定值作相应变动。不仅如此，该设定值还需串接惯性环节进行动态校正，这是因为:
　　
　　（1）在加减负荷时，由于炉膛蓄热的需要，加负荷时首先应增加燃料量，提高燃烧率，以先满足炉膛蓄热量提高的需要，然后再按校正信号增加给水量;当减负荷时，应先减燃料量，降低燃烧率，因zui初炉膛蓄热量还要释放出部分热量，然后再按校正信号减少相应给水量。因此，应使微过热汽温或微过热蒸汽焓值校正给水量的作用适当滞后。
　　
　　（2）负荷变化时给水温度也相应改变。在发电量给定值变化后，给水温度要等到汽机抽汽温度变化再经过高压加热器的传导后才发生变化。因此，微过热汽温或微过热蒸汽焓值的设定值信号也应与此变化过程相适应，即通过惯性环节的动态校正，使设定值变化与实际微过热汽温或微过热蒸汽焓值物理变化过程相匹配。
　　
　　3.燃水比调整与减温喷水的协调
　　
　　燃水比调整是保持汽温的zui终手段，但对过热汽温影响的迟延大;减温喷水能较快地改变过热汽温，但zui终不能维持汽温恒定。将二者协调起来，才能完善汽温控制性能。通过将一级喷水减温器前后温差（△Tpds）与代表适量喷水的温差设定值相比较，形成一级温差偏差（△Tpdserror）。用该一级温差偏差去修正燃水比（F/W），据此调整后的燃水比（F/W）将使一级温差偏差（△Tpdserror）稳定在预设的温差设定值。保持一级减温喷水阀和减温水量工作在适中位置，可及时响应对汽温上下波动进行调整的需要。因通过给水量调整燃水比对汽温的影响滞后较大，且燃水比着重于保持汽温的长期稳定，一级温差偏差对燃水比的校正作用相对缓慢。
　　
　　4.微过热汽温或微过热蒸汽焓值调整对燃料（燃烧率）调整的解耦设计
　　
　　微过热汽温或微过热蒸汽焓值调节器直接影响给水量。泵入直流锅炉给水量的增加将导致锅炉中原来蒸汽占据空间的减少，相应的蒸汽被驱赶到锅炉出口，从而使机前压力和功率都在瞬间有所增加。如果燃烧率不变，功率将逐渐回落原先的水平，机前压力则因给水流量增加要求的给水压力增加而逐渐回落到较原先机前压力稍高的水平。这一调节作用引起的机前压力和功率的短时间改变，将通过调节回路改变燃烧率，并再对微过热蒸汽焓值形成扰动，有可能导致不稳定状况的发生。解耦设计是将焓值调节器的输出通过实际微分环节加入到对燃烧率的调节回路，使燃烧率不变或少改变，因此将给水量和燃烧率的相互作用减到zui小，增加了焓值调整和整个机组调整的稳定性。
　　
　　采用上述分析结果形成的燃水比部分调整的控制策略简图如图6所示，该控制策略己在利港电厂2×600MW机组控制系统设计中采用。　　
　　5.汽温的减温喷水调节系统
　　
　　控制系统的设计通常情况下考虑得较多的是被控对象的数学特征，即其数学模型。由于这些数学特征和模型的抽象性，控制策略大都是基于数学方法的。这样的控制策略在相当多的应用场合取得了成效。但也有一些场合采用基于被控对象和过程物理机理的控制策略，可以不需要复杂的计算和补偿环节，更为简单和有效。例如，DEB控制策略就是利用物理机理的成功范例。它采用热量信号实现了汽机侧扰动对锅炉的解耦;利用汽机能量需求信号计算出了锅炉侧应有的热量输入。与其它机炉协调控制系统策略相比，DEB控制策略结构简单，无复杂计算和补偿，用单级的燃料量控制回路取代带主汽压控制的串级控制回路，控制性能得到很大改善。下面介绍的汽温控制策略也是很大程度上基于物理机理，系统结构简单，取消串级控制器，可以改善汽温这样的大惯性对象的控制性能。
　　
　　该汽温控制系统基于如下的物理机理:
　　
　　（1）过热器出口汽温的改变量是通过过热器进口汽温（喷水减温器出口汽温）的改变量实现的，在不同的负荷或压力下，同样出口汽温的改变量需要不同的进口汽温的改变量。这两处汽温改变量之间存在定量关系，可以通过过热器进口蒸汽比热与出口蒸汽的比热予以确定。例如:
　　
　　某一负荷下，过热器进口蒸汽的参数为18.5MPa/470℃，其比热为3.456，过热器出口蒸汽的参数为18MPa/540℃，其比热为2.907。因此，进口蒸汽焓值增加3.456kJ/kg将提高进口汽温l℃，出口汽温提高l℃则需出口蒸汽焓值增加2.907kJ/kg。在出口蒸汽焓值同样增加3.456kJ/kg的情况下，出口蒸汽温度将增加3.456/2.907=1.19℃。反之，如果要求出口汽温改变1℃，则进口汽温需要改变2.907/3.456=0.84℃。这一出口蒸汽比热与进口蒸汽比热的比值，为出口汽温对进口汽温要求的调整因子。
　　
　　在某一低负荷、滑压状态下，进口蒸汽的参数为12MPa/470℃，其比热为2.813，出口蒸汽参数为11.8MPa/540℃，其比热为2.591，调整因子为2.591/2.813=0.92。
　　
　　从上述例子看出，对出口汽温的调整要求可以转换为通过调整因子预估对进口汽温的调整幅值。随着压力的增加，同样的出口汽温的改变量要求较大的进口汽温的变化，调整因子随压力而变化。由于比热与压力密切相关，一些中间段的压力没有测点，则需通过附近的压力测点、以设计计算书为依据实时推算相应点的压力。
　　
　　（2）过热器进口汽温（喷水减温器出口汽温）的变化以过热器的动态特性影响过热器出口汽温的动态变化。
　　
　　基于上述物理机理的汽温控制系统原理简图如图7所示。出口汽温与其设定值的偏差（Tsp-Tout）与调整因子相乘，转换为对进口汽温的调整要求。出口汽温偏差发生后，PID控制器即按转换后对进口汽温的调整要求进行调节，改变减温喷水阀，改变进口汽温Tin。进口汽温Tin改变后，将通过实际过热器改变出口汽温Tout。同时从原理简图可知，进口汽温通过模拟的过热器特性PTn（多容环节）形成的PTn·Tin，在PID调节器的设定值回路与经调整因子相乘的实际出口汽温Tout相互抵消。PID调节器的入口偏差为（K（Tsp-Tout）+PTn·Tin}-Tin，K为调整因子f（x）在某一压力下的值。如果模拟的过热器特性PTn与实际过热器特性充分接近，则在整个动态调整过程中设定值回路（K（Tsp-Tout）+PTn·Tin）基本维持恒定，系统调节性能十分稳定，整个汽温调节系统转换为以过热器进口汽温（喷水减温器出口汽温）为对象的单回路系统。该系统从以下三个方面改善了汽温调节的性能:　　
　　●调节对象为快速响应对象，而不再是大惯性对象;
　　
　　●变常规的汽温串级调节为单回路调节，消除了主、副调节器之间出现相互干扰、导致汽温调节品质不佳的诱因;
　　
　　●汽温对负荷的变动特性不再影响闭环回路，调节器无需自整定或自适应。
　　
　　过热器的特性PTn随着负荷的变动会发生改变，可以通过负荷与多容环节时间常数的关系曲线实现不同负荷下过热器的特性。其它主要扰动使得Tin对应于不同的△Tout，也可以通过类似的模拟消除其影响。过热器特性PTn和调整因子并不总是很准确的，但由于PTn·Tinzui终能稳定到Tin，因此Tout总能稳定到其设定点。PTn和调整因子的准确性会影响汽温调节的动态特性，可作为喷水减温调节系统参数整定的补充手段。
　　
　　四、结束语
　　
　　超临界机组与亚临界汽包炉机组相比，运行参数显著提高，工艺特性和动态特性差异大，机组的监测项目和控制策略有许多*的要求。本文的分析说明了这一点。但是，超临界机组监测和控制技术的研发远未令人满意，应进行更深入的研究，以设计出性能*、适应机组不同运行方式的控制策略，保证机组的安全、经济运行。