超臨界機(jī)組控制理念探討

1、超臨界機(jī)組控制理念探討超臨界機(jī)組的控制對象是多變量耦合并具有強(qiáng)烈非線性的控制特性。而且空冷機(jī)組，背壓受季節(jié)、環(huán)境溫度、風(fēng)力、風(fēng)向、濕度等因素的影響變化較大，機(jī)組的熱耗率變化較大，而采用直流爐的超超臨界機(jī)組由于沒有汽包，ccs 無法采用直接能量平衡（ deb ）控制方案，只能采用負(fù)荷指令間接平衡（dib），不能保證機(jī)爐之間的能量平衡，而超臨界機(jī)組的控制是以能量平衡為根本，這對超臨界機(jī)組問題尤為嚴(yán)重。同時(shí)煤質(zhì)的變化一直是火電機(jī)組控制的一大難題，特別是目前電煤市場的變化，問題尤為突出，超臨界機(jī)組的控制目前仍以傳統(tǒng)的燃水比控制為基礎(chǔ)，煤質(zhì)的變化勢必嚴(yán)重影響系統(tǒng)的能量平衡、流量平衡。因此針對超臨界直流鍋

2、爐的特點(diǎn)，及空冷機(jī)組的特殊性，從能量平衡的觀點(diǎn)，提出 ccs 及給水、汽溫控制系統(tǒng)一個(gè)綜合性的完整方案，將大大改善其控制效果。1、基于初壓模式的能量控制超臨界機(jī)組鍋爐蓄熱能力僅為亞臨界汽包爐的1/31/4 ，鍋爐可利用蓄熱非常有限，汽機(jī)負(fù)荷響應(yīng)能力遠(yuǎn)差于亞臨界汽包爐，反而導(dǎo)致壓力的大幅波動引起給水的擾動和燃水比的變化，使蒸汽溫度劇烈變化。所以正如參考文獻(xiàn)1所提到的 ccs 仍采用傳統(tǒng)爐跟隨控制方案是不可取的。實(shí)際上超臨界機(jī)組鍋爐水冷壁金屬耗熱少，工質(zhì)儲量也少，其熱容量及慣性明顯小于亞臨界汽包爐，鍋爐的負(fù)荷響應(yīng)速率也明顯快于亞臨界汽包爐。初壓控制模式是汽機(jī)控制主汽壓力，鍋爐控制負(fù)荷即以機(jī)跟隨為基

3、礎(chǔ)。采用以初壓模式為基礎(chǔ)的ccs 控制方案不僅能夠滿足負(fù)荷響應(yīng)速率的要求，更有利于穩(wěn)定機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)。然而，鍋爐側(cè)大輻擾動（如磨煤機(jī)的啟、停，給水泵啟、停等），引起機(jī)組負(fù)荷和主汽壓力的劇烈波動，通過初壓控制模式的控制作用能夠抑制主汽壓力的波動，但相應(yīng)的會加劇機(jī)組負(fù)荷的波動，不能滿足電網(wǎng)調(diào)度的要求?！捌麢C(jī)能量需求信號”作為汽機(jī)主控的被調(diào)量，由于該信號只反應(yīng)機(jī)組負(fù)荷要求的變化及汽機(jī)側(cè)自身的擾動，間接反應(yīng)汽機(jī)的節(jié)流變化，即主汽壓力的變化，使在鍋爐發(fā)生自發(fā)擾動的情況下，汽機(jī)不參與調(diào)節(jié)。即采用能量控制的理念實(shí)現(xiàn)了單向完全解耦，解決了鍋爐測擾動對汽機(jī)主控的影響，削弱了動態(tài)過程鍋爐的過調(diào)和欠調(diào)，保證了靜態(tài)過

4、程汽機(jī)主控的相對穩(wěn)定性，同時(shí)在動態(tài)過程也能夠起到有效利用鍋爐有限蓄熱的效果。針對鍋爐主控，由于采用直流爐的超臨界機(jī)組由于沒有汽包，ccs 無法采用直接能量平衡（ deb ）控制方案，對空冷機(jī)組而言，背壓受季節(jié)、環(huán)境溫度、風(fēng)力、風(fēng)向、濕度等因素的影響變化較大，機(jī)組的熱耗率變化較大，若采用負(fù)荷指令間接平衡（ dib），又不能保證機(jī)爐之間的能量平衡。結(jié)合deb和 dib 控制方案的特點(diǎn)，并應(yīng)用在鍋爐主控的前饋控制方案中，鍋爐和汽機(jī)之間的能量需求平衡以及控制系統(tǒng)對外界負(fù)荷的響應(yīng)由“汽機(jī)能量需求信號”作為鍋爐主控靜態(tài)前饋、負(fù)荷指令作為動態(tài)前饋來完成；鍋爐主控通過閉環(huán)控制回路調(diào)整機(jī)組負(fù)荷，克服來自鍋爐側(cè)由

5、于燃燒變化等各種擾動因素，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組能量輸入的控制。超臨界空冷機(jī)組ccs 采用基于初壓模式的能量控制理念，借鑒了deb控制方案的特點(diǎn)，將“汽機(jī)能量需求”應(yīng)用在汽機(jī)主控的閉環(huán)控制和鍋爐主控的前饋控制中，有效解決了超臨界空冷機(jī)組鍋爐和汽機(jī)之間的能量需求平衡以及控制系統(tǒng)對外界負(fù)荷的響應(yīng)的問題。而初壓控制模式的穩(wěn)定性是固有的，從鍋爐的閉環(huán)控制觀點(diǎn)分析，由于這種控制模式在負(fù)荷變化過程中，提供的蒸汽量既不超調(diào)，又不欠調(diào)，它不僅穩(wěn)定，而且快速。因此采用基于初壓模式的能量控制理念更有利于機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定。2、主汽壓力汽耗修正通常根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷指令確定滑壓運(yùn)行方式后，機(jī)組在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行具有最好的經(jīng)濟(jì)性，但由

6、于機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的變化，如蒸汽溫度的變化、背壓的變化，特別是目前廣泛投運(yùn)的空冷機(jī)組，背壓受季節(jié)、環(huán)境溫度、風(fēng)力、風(fēng)向、濕度等因素的影響變化較大，機(jī)組的汽耗率增加，使機(jī)組在滑壓運(yùn)行時(shí)，第三閥就處于非全開狀態(tài)，增加了機(jī)組滑壓運(yùn)行時(shí)的節(jié)流損失，不利于機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。通常在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，根據(jù)自動控制原理機(jī)組的滑壓運(yùn)行曲線是根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷指令形成的。而汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)是以其進(jìn)汽量和進(jìn)汽壓力匹配為基礎(chǔ)的。當(dāng)機(jī)組的汽耗率發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)機(jī)組的汽耗率修正機(jī)組的滑壓比例，始終保證汽輪機(jī)組的進(jìn)汽量與機(jī)組的進(jìn)汽壓力相匹配，始終保證高壓調(diào)汽門運(yùn)行在最佳的工作點(diǎn)，保證了機(jī)組運(yùn)行較小的節(jié)流損失。即：（3）式中：p0主汽

7、壓力定值， mpa n0負(fù)荷指令， mw p1調(diào)節(jié)級壓力， mpa ne機(jī)組負(fù)荷， mw ut滑壓運(yùn)行點(diǎn)， % 3、燃水比指令的熱耗修正超臨界機(jī)組給水控制是重點(diǎn)又是難點(diǎn)，而控制鍋爐的燃水比是給水控制的關(guān)鍵，受煤質(zhì)變化，機(jī)組運(yùn)行工況變化等因素的影響，如何選擇反應(yīng)鍋爐燃料燃燒發(fā)熱量的參數(shù)變量，成為給水控制關(guān)鍵中的關(guān)鍵。在傳統(tǒng)的超臨界機(jī)組給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常采用機(jī)組負(fù)荷指令或鍋爐負(fù)荷指令作為鍋爐燃料燃燒發(fā)熱量用以燃水比控制，但當(dāng)燃用煤種發(fā)生變化，特別是超臨界空冷機(jī)組熱耗受季節(jié)、環(huán)境溫度、風(fēng)力、風(fēng)向、濕度等因素的影響變化較大，上述變量無法準(zhǔn)確代替鍋爐的發(fā)熱量，從而導(dǎo)致燃水比失衡。機(jī)組負(fù)荷指令通過熱

8、耗修正作為鍋爐的發(fā)熱量代替燃料量作為給水控制的燃水比指令，解決了由于超臨界空冷機(jī)組熱耗變化大、煤質(zhì)變化等因素而引起燃水比失衡問題。（1）式中：b鍋爐發(fā)熱量 ,mw n0負(fù)荷指令 ,mw qsr實(shí)際熱耗量 ,kj/h qdr(ne)設(shè)計(jì)熱耗量 ,kj/h （2）式中：qsr熱耗量， kj/h dzq主汽流量， kg/h hzq主汽焓值， kj/h dgs給水流量， kg/h hgs給水焓值， kj/h dzr熱再流量， kg/h hzr 熱再焓值， kj/h dlzr 冷再流量， kg/h hlzr 冷再焓值， kj/h dgj過熱器減溫水流量， kg/h hgj 過熱器減溫水焓值， kj/h

9、dzj再熱器減溫水流量， kg/h hzj 再熱器減溫水焓值， kj/h 4、鍋爐實(shí)際熱耗量修正煤質(zhì)變化燃料量測量的準(zhǔn)確性是提高機(jī)組控制水平的關(guān)鍵因素之一，由于煤質(zhì)的變化，燃料量的測量一直是火電機(jī)組控制領(lǐng)域的一大難題。目前超臨界機(jī)組通常沿用傳統(tǒng) ccs控制方案的熱值校正（ btu),采用蒸汽流量作為燃料發(fā)熱量的校正信號。但由于超臨界機(jī)組直流鍋爐的特性，特別是在動態(tài)過程中和蒸汽溫度變（焓值）化較大時(shí)，蒸汽流量難以代表燃料的發(fā)熱量，使btu在超臨界機(jī)組中難以得到有效應(yīng)用，而且影響機(jī)組正常的調(diào)節(jié)作用。通過計(jì)算鍋爐的實(shí)際熱耗量在線計(jì)算燃料的發(fā)熱量修正煤質(zhì)變化，可有效解決超臨界機(jī)組的熱值校正問題。（4）

10、式中：qact實(shí)際燃料熱值 ,kj/kg qsr實(shí)際熱耗量 ,kj/h bact實(shí)際燃料量 ,kg/h （5）式中：br設(shè)計(jì)燃料量 ,kg/h qr設(shè)計(jì)燃料熱值 ,kj/kg 5、過熱度、焓值綜合給水控制采用什么信號作為給水控制系統(tǒng)的被控量來快速、精確地反映燃水比的變化從而提高給水和汽溫調(diào)節(jié)的性能，一直是超臨界直流鍋爐控制中研究的熱點(diǎn)。在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常采用中間點(diǎn)溫度和中間點(diǎn)焓值作為燃水比的反饋信號，而且在實(shí)際應(yīng)用中各有特點(diǎn)。中間點(diǎn)焓在負(fù)荷變化過程中靈敏度和線性度具有明顯優(yōu)勢，對燃水比失調(diào)反應(yīng)迅速，而且焓值物理概念明確，不僅受溫度變化的影響，還受壓力變化的影響，代表了蒸汽的作功能力。因

11、此采用中間點(diǎn)焓值控制更有利于在工況變化時(shí)的負(fù)荷控制和溫度控制。而中間點(diǎn)溫度對燃水比失調(diào)反應(yīng)盡管沒有焓值快，而且在亞臨界壓力下飽和區(qū)附近也不能迅速反映爐膛內(nèi)熱量的變化，但由于它控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可直接反應(yīng)過熱度的變化，在工程中還是得到了廣泛的應(yīng)用。結(jié)合兩種控制方案的優(yōu)點(diǎn)，提出基于過熱度調(diào)整的中間點(diǎn)焓值控制系統(tǒng)，該方案以文獻(xiàn) 4提到的中間點(diǎn)焓值給水控制方案為基礎(chǔ)，通過分離器出口壓力確定其微過熱溫度，并根據(jù)一級減溫器前后溫差或過熱器減溫水量，對微過熱溫度設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整，形成最終分離器出口溫度設(shè)定值，再根據(jù)分離器出口壓力和出口溫度設(shè)定值計(jì)算中間點(diǎn)焓值設(shè)定值用于控制系統(tǒng)。方案如圖6 所示：圖中：nq：熱

12、耗修正后的負(fù)荷指令 h0(p,t)：分離器出口焓值設(shè)定值ps：分離器出口壓力 h(nq) ：省煤器出口焓值設(shè)定值ts：分離器出口溫度 hs(p,t)：分離器出口焓值pw ：省煤器出口壓力 hw(p,t) ：省煤器出口焓值tw ：省煤器出口溫度 t(p) ：分離器出口微過熱溫度t0：一級減溫器溫差設(shè)定值 f(x) ：給水流量目標(biāo)t：一級減溫器溫差 fsp：給水流量設(shè)定值圖 6：過熱度、焓值綜合給水控制6、基于特性補(bǔ)償?shù)倪^熱汽溫焓值控制超臨界直流鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行基于能量的平衡控制，而蒸汽溫度能夠反應(yīng)能量的供求平衡。超臨界直流鍋爐的結(jié)構(gòu)形式對汽溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了新的、更高的要求： 1）超臨界機(jī)組的

13、運(yùn)行參數(shù)與機(jī)組的金屬材料極限參數(shù)值間的余地很小，熱應(yīng)力問題十分突出，維持汽溫的持續(xù)穩(wěn)定，對超臨界機(jī)組的安全運(yùn)行和機(jī)組的壽命尤為重要； 2）超臨界直流鍋爐的加熱段、蒸發(fā)段和過熱段的溫度、濕度、長度都會因燃燒率、給水、汽輪機(jī)調(diào)門開度的擾動而發(fā)生變化。從而使汽溫與其它主要參數(shù)如功率、主汽壓力相互耦合，使汽溫過程復(fù)雜、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大；3）機(jī)組在大范圍內(nèi)調(diào)峰運(yùn)行，保持汽溫的穩(wěn)定重要性高、難度大，同時(shí)保持汽溫在設(shè)計(jì)值運(yùn)行也是發(fā)揮超臨界機(jī)組高效率優(yōu)勢的重要份額。汽包爐機(jī)組中長期采用的汽溫控制手段如噴水減溫等在超臨界機(jī)組中的作用已完全不同。減溫噴水引自進(jìn)入鍋爐的總給水量，它實(shí)質(zhì)上是調(diào)整工質(zhì)流量在水冷壁和過熱器之間的分配比例。減溫噴水量改變了中間區(qū)段的熱量和水量的比值，因而區(qū)段內(nèi)工質(zhì)溫度發(fā)生了相應(yīng)的變化，但最終進(jìn)入鍋爐的總給水量未改變，燃水比未改變，穩(wěn)態(tài)時(shí)鍋爐出口溫度也不會改變。只有進(jìn)入鍋爐的燃水比發(fā)生改變，才能持續(xù)影響穩(wěn)態(tài)時(shí)鍋爐出口溫度。噴水減溫只能提供瞬態(tài)的汽溫調(diào)整，補(bǔ)償局部的熱量和工質(zhì)配比的不平衡。本文提出的基于惰性區(qū)特性補(bǔ)償?shù)倪^熱汽溫焓值控制方案，大大提高了系統(tǒng)在機(jī)組在大范圍內(nèi)調(diào)峰運(yùn)行的適應(yīng)性，有效克服了系統(tǒng)在不同工況參數(shù)運(yùn)行的非線性。常規(guī)的過熱汽溫控制方案無論是串級還是導(dǎo)前微分等，都是基于閉環(huán)的對減溫水量的不定量控制，在工