超临界机组控制理念探讨

超临界机组控制理念探讨超临界机组的控制对象是多变量耦合并具有强烈非线性的控制特性。而且空冷机组，背压受季节、环境温度、风力、风向、湿度等因素的影响变 化较大，机组的热耗率变化较大，而采用直流炉的超超临界机组由于没有汽包， CCS无法采用直接能量平衡（DEB）控制方案，只能采用负荷指令间接平衡（DIB），不能保证机炉之间的能量平衡，而超临界机组的控制是以能量平衡为根 本，这对超临界机组问题尤为严重。同时煤质的变化一直是火电机组控制的一大难题，特别是目前电煤市场的变 化，问题尤为突出，超临界机组的控制目前仍以传统的燃水比控制为基础，煤质的 变化势必严重影响系统的能量平衡、流量平衡。因此针对超临界直流锅炉的特点，及空冷机组的特殊性，从能量平衡的观 点，提出CCS及给水、汽温控制系统一个综合性的完整方案，将大大改善其控制效 果。1、基于初压模式的能量控制超临界机组锅炉蓄热能力仅为亚临界汽包炉的1/31/4，锅炉可利用蓄热非 常有限，汽机负荷响应能力远差于亚临界汽包炉，反而导致压力的大幅波动引起给 水的扰动和燃水比的变化，使蒸汽温度剧烈变化。所以正如参考文献1所提到 的CCS仍采用传统炉跟随控制方案是不可取的。实际上超临界机组锅炉水冷壁金属 耗热少，工质储量也少，其热容量及惯性明显小于亚临界汽包炉，锅炉的负荷响应 速率也明显快于亚临界汽包炉。初压控制模式是汽机控制主汽压力，锅炉控制负荷 即以机跟随为基础。采用以初压模式为基础的CCS控制方案不仅能够满足负荷响应 速率的要求，更有利于稳定机组的运行参数。然而，锅炉侧大辐扰动（如磨煤机的启、停，给水泵启、停等），引起机组 负荷和主汽压力的剧烈波动，通过初压控制模式的控制作用能够抑制主汽压力的波 动，但相应的会加剧机组负荷的波动，不能满足电网调度的要求。“汽机能量需求信号”自=叫竺f Pt作为汽机主控的被调量，由于该信号只反应机组负荷要求的变化及汽机侧自身的扰 动，间接反应汽机的节流变化，即主汽压力的变化，使在锅炉发生自发扰动的情况 下，汽机不参与调节。即采用能量控制的理念实现了单向完全解耦，解决了锅炉测 扰动对汽机主控的影响，削弱了动态过程锅炉的过调和欠调，保证了静态过程汽机 主控的相对稳定性，同时在动态过程也能够起到有效利用锅炉有限蓄热的效果。针对锅炉主控，由于采用直流炉的超临界机组由于没有汽包，CCS无法采用 直接能量平衡（DEB）控制方案，对空冷机组而言，背压受季节、环境温度、风 力、风向、湿度等因素的影响变化较大，机组的热耗率变化较大，若采用负荷指令 间接平衡（DIB），又不能保证机炉之间的能量平衡。结合DEB和DIB控制方案的 特点，并应用在锅炉主控的前馈控制方案中，锅炉和汽机之间的能量需求平衡以及 控制系统对外界负荷的响应由“汽机能量需求信号”作为锅炉主控静态前馈、负荷指令作为动态前馈来完成；锅炉主控通过闭环控制回 路调整机组负荷，克服来自锅炉侧由于燃烧变化等各种扰动因素，实现对机组能量 输入的控制。超临界空冷机组CCS采用基于初压模式的能量控制理念，借鉴了 DEB控制方 案的特点，将“汽机能量需求”应用在汽机主控的闭环控制和锅炉主控的前馈控制 中，有效解决了超临界空冷机组锅炉和汽机之间的能量需求平衡以及控制系统对外 界负荷的响应的问题。而初压控制模式的稳定性是固有的，从锅炉的闭环控制观点 分析，由于这种控制模式在负荷变化过程中，提供的蒸汽量既不超调，又不欠调， 它不仅稳定，而且快速。因此采用基于初压模式的能量控制理念更有利于机组运行 参数的稳定。2、主汽压力汽耗修正通常根据机组的负荷指令确定滑压运行方式后，机组在设计工况下运行具有 最好的经济性，但由于机组运行参数的变化，如蒸汽温度的变化、背压的变化，特 别是目前广泛投运的空冷机组，背压受季节、环境温度、风力、风向、湿度等因素 的影响变化较大，机组的汽耗率增加，使机组在滑压运行时，第三阀就处于非全开 状态，增加了机组滑压运行时的节流损失，不利于机组的经济运行。通常在协调控制系统中，根据自动控制原理机组的滑压运行曲线是根据机组 的负荷指令形成的。而汽轮机的经济性指标是以其进汽量和进汽压力匹配为基础 的。当机组的汽耗率发生变化时，根据机组的汽耗率修正机组的滑压比例，始终保 证汽轮机组的进汽量与机组的进汽压力相匹配，始终保证高压调汽门运行在最佳的 工作点，保证了机组运行较小的节流损失。即：1 1彳力1前(i+TzS)（3）式中：P0主汽压力定值，MPaN0一负荷指令，MWP1调节级压力，MPaNe机组负荷，MWUt一滑压运行点，%3、燃水比指令的热耗修正超临界机组给水控制是重点又是难点，而控制锅炉的燃水比是给水控制的关 键，受煤质变化，机组运行工况变化等因素的影响，如何选择反应锅炉燃料燃烧发 热量的参数变量，成为给水控制关键中的关键。在传统的超临界机组给水控制系统 设计中，通常采用机组负荷指令或锅炉负荷指令作为锅炉燃料燃烧发热量用以燃水 比控制，但当燃用煤种发生变化，特别是超临界空冷机组热耗受季节、环境温度、 风力、风向、湿度等因素的影响变化较大，上述变量无法准确代替锅炉的发热量， 从而导致燃水比失衡。机组负荷指令通过热耗修正作为锅炉的发热量代替燃料量作为给水控制的燃 水比指令，解决了由于超临界空冷机组热耗变化大、煤质变化等因素而引起燃水比 失衡问题。（1）式中:B锅炉发热量,MWN0一负荷指令,MWQsr实际热耗量,kJ/hQdr（Ne）设计热耗量,kJ/h& =-* 怅 +乩 *、-瓦 *妃DkI 乂婚-以,x 知（2）式中:Qsr热耗量，kJ/hDzq一主汽流量，kg/hhzq主汽焓值，kJ/hDgs给水流量，kg/hHgs给水焓值，kJ/hDzr一热再流量，kg/hhzr热再焓值，kJ/hDlzr一冷再流量，kg/hhlzr冷再焓值，kJ/hDgj过热器减温水流量，kg/hhgj过热器减温水焓值，kJ/hDzj再热器减温水流量，kg/hhzj再热器减温水焓值，kJ/h4、锅炉实际热耗量修正煤质变化燃料量测量的准确性是提高机组控制水平的关键因素之一，由于煤质的变 化，燃料量的测量一直是火电机组控制领域的一大难题。目前超临界机组通常沿用 传统CCS控制方案的热值校正（BTU）,采用蒸汽流量作为燃料发热量的校正信号。 但由于超临界机组直流锅炉的特性，特别是在动态过程中和蒸汽温度变（焓值）化 较大时，蒸汽流量难以代表燃料的发热量，使BTU在超临界机组中难以得到有效应 用，而且影响机组正常的调节作用。通过计算锅炉的实际热耗量在线计算燃料的发热量修正煤质变化，可有效解 决超临界机组的热值校正问题。弟二7IB 心（1 + 罕）（1+7；5）（4）式中：Qact实际燃料热值,kJ/kgQsr实际热耗量,kJ/hBact实际燃料量,kg/h（5）式中：Br设计燃料量,kg/hQr设计燃料热值,kJ/kg5、过热度、焓值综合给水控制采用什么信号作为给水控制系统的被控量来快速、精确地反映燃水比的变化 从而提高给水和汽温调节的性能，一直是超临界直流锅炉控制中研究的热点。在传 统的控制系统设计中通常采用中间点温度和中间点焓值作为燃水比的反馈信号，而 且在实际应用中各有特点。中间点焓在负荷变化过程中灵敏度和线性度具有明显优势，对燃水比失调反 应迅速，而且焓值物理概念明确，不仅受温度变化的影响，还受压力变化的影响， 代表了蒸汽的作功能力。因此采用中间点焓值控制更有利于在工况变化时的负荷控 制和温度控制。而中间点温度对燃水比失调反应尽管没有焓值快，而且在亚临界压力下饱和 区附近也不能迅速反映炉膛内热量的变化，但由于它控制系统结构简单，可直接反 应过热度的变化，在工程中还是得到了广泛的应用。结合两种控制方案的优点，提出基于过热度调整的中间点焓值控制系统，该 方案以文献】4提到的中间点焓值给水控制方案为基础，通过分离器出口压力确 定其微过热温度，并根据一级减温器前后温差或过热器减温水量，对微过热温度设 定值进行调整，形成最终分离器出口温度设定值，再根据分离器出口压力和出口温度设定值计算中间点焓值设定值用于控制系统。方案如图6所示:FnH(Nq)：省煤器Hs(p,t):分离图中:Nq：热耗修正后的负荷指令 焓值设定值Ps：分离器出口压力 出口焓值设定值Ts：分离器出口温度 器出口焓值Pw：省煤器出口压力器出口焓值Tw：省煤器出口温度出口微过热温度 T0： 一级减温器温差设定值标T： 一级减温器温差量设定值图6：过热度、焓值综合给水控制6、基于特性补偿的过热汽温焓值控制Hw(p,t):省煤T(p):分离器F(x):给水流量目Fsp：给水流超临界直流锅炉的稳定运行基于能量的平衡控制，而蒸汽温度能够反应能量 的供求平衡。超临界直流锅炉的结构形式对汽温控制系统的设计提出了新的、更高 的要求：1)超临界机组的运行参数与机组的金属材料极限参数值间的余地很小， 热应力问题十分突出，维持汽温的持续稳定，对超临界机组的安全运行和机组的寿 命尤为重要；2)超临界直流锅炉的加热段、蒸发段和过热段的温度、湿度、长度 都会因燃烧率、给水、汽轮机调门开度的扰动而发生变化。从而使汽温与其它主要 参数如功率、主汽压力相互耦合，使汽温过程复杂、控制系统设计难度大；3)机 组在大范围内调峰运行，保持汽温的稳定重要性高、难度大，同时保持汽温在设计 值运行也是发挥超临界机组高效率优势的重要份额。汽包炉机组中长期采用的汽温控制手段如喷水减温等在超临界机组中的作用 已完全不同。减温喷水引自进入锅炉的总给水量，它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。减温喷水量改变了中间区段的热量和水量的比值，因而区段 内工质温度发生了相应的变化，但最终进入锅炉的总给水量未改变，燃水比未改 变，稳态时锅炉出口温度也不会改变。只有进入锅炉的燃水比发生改变，才能持续 影响稳态时锅炉出口温度。喷水减温只能提供瞬态的汽温调整，补偿局部的热量和 工质配比的不平衡。本文提出的基于惰性区特性补偿的过热汽温焓值控制方案，大大提高了系统 在机组在大范围内调峰运行的适应性，有效克服了系统在不同工况参数运行的非线 性。常规的过热汽温控制方案无论是串级还是导前微分等，都是基于闭环的对减温 水量的不定量控制，在工质的出参数发生变化后存在严重的非线性。而焓值控制方 案是以能量计算为基础对减温水量实现较为精确的定量控制。首先根据基于惰性区特性补偿方法计算过热汽温的被控量Tt，用于过热器实 际焓增的计算。可以认为过热器在喷水减温前后的吸热量不变，那么：喷水减温前的吸热量为：0L小乩）-0喷水减温后的吸热量为：也=0 卜珥当：则：DH0成,L） MH衅出二加恒（，7；）-如乩7。式中:D：主汽流量W：减温水流量Q0：过热器入口热量Ht(Pt,Tt)：过热器出口实际焓值H0(Pt,T0)：过热器出口设计焓值Hw：减温水焓值