1. 對超臨界機組控制系統(tǒng)的討論
隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，600MW超臨界機組已經(jīng)成為我國電力行業(yè)的主力機組，但由于超臨界機組的直流運行特性、變參數(shù)的運行方式、多變量的控制特點，與亞臨界汽包爐比較在控制上具有很大的特殊性，因此對超臨界機組的運行方式和控制策略應(yīng)進(jìn)行必要的討論。
超臨界機組的運行特性
1.1. 超臨界火電機組的技術(shù)特點
1.1.1. 超臨界火電機組的參數(shù)、容量及效率
超臨界機組是指過熱器出口主蒸汽壓力超過22.129Mpa。目前運行的超臨界機組運行壓力均為24Mpa~25Mpa, 理論上認(rèn)為,在水的狀態(tài)參數(shù)達(dá)到臨界點時(壓力22.129、溫度374.℃),水完全汽化會在一瞬間完成,即在臨界點時飽和水和飽和蒸汽之間不再有汽、水共存的二相區(qū)存在,二者的參數(shù)不再有區(qū)別。由于在臨界參數(shù)下汽水密度相等，因此在超臨界壓力下無法維持自然循環(huán)即不能采用汽包鍋爐，直流鍋爐成為唯一型式。
提高蒸汽參數(shù)并與發(fā)展大容量機組相結(jié)合是提高常規(guī)火電廠效率及降低單位容量造價最有效的途徑。與同容量亞臨界火電機組的熱效率相比,在理論上采用超臨界參數(shù)可提高效率2%～2.5%,采用超超臨界參數(shù)可提高4%～5%。目前,世界上先進(jìn)的超臨界機組效率已達(dá)到47%～49%。
1.1.2. 超臨界機組的啟動特點
超臨界鍋爐與亞臨界自然循環(huán)鍋爐的結(jié)構(gòu)和工作原理不同，啟動方法也有較大的差異，超臨界鍋爐與自然循環(huán)鍋爐相比，有以下的啟動特點：
 設(shè)置專門的啟動旁路系統(tǒng)
直流鍋爐的啟動特點是在鍋爐點火前就必須不間斷的向鍋爐進(jìn)水，建立足夠的啟動流量，以保證給水連續(xù)不斷的強制流經(jīng)受熱面，使其得到冷卻。
一般高參數(shù)大容量的直流鍋爐都采用單元制系統(tǒng)，在單元制系統(tǒng)啟動中，汽輪機要求暖機、沖轉(zhuǎn)的蒸汽在相應(yīng)的進(jìn)汽壓力下具有50℃以上的熱度，其目的是防止低溫蒸汽送入汽輪機后凝結(jié)，造成汽輪機的水沖擊，因此直流爐需要設(shè)置專門的啟動旁路系統(tǒng)來排除這些不合格的工質(zhì)。
 配置汽水分離器和疏水回收系統(tǒng)
超臨界機組運行在正常范圍內(nèi)，鍋爐給水靠給水泵壓頭直接流過省煤器、水冷壁和過熱器，直流運行狀態(tài)的負(fù)荷從鍋爐滿負(fù)荷到直流最小負(fù)荷，直流最小負(fù)荷一般為25%~45%。
低于該直流最小負(fù)荷，給水流量要保持恒定。例如在20%負(fù)荷時，最小流量為30%意味著在水冷壁出口有20%的飽和蒸汽和10%的飽和水，這種汽水混合物必須在水冷壁出口處分離，干飽和蒸汽被送入過熱器，因而在低負(fù)荷時超臨界鍋爐需要汽水分離器和疏水回收系統(tǒng)，疏水回收系統(tǒng)是超臨界鍋爐在低負(fù)荷工作時必需的另一個系統(tǒng)，它的作用是使鍋爐安全可靠的啟動及其熱損失最小。
 啟動前鍋爐要建立啟動壓力和啟動流量
啟動壓力是指直流鍋爐在啟動過程中水冷壁中工質(zhì)具有的壓力，啟動壓力升高。汽水體積質(zhì)量差減小，鍋爐水動力特性穩(wěn)定，工質(zhì)膨脹小，并且易于控制膨脹過程，但啟動壓力越高對屏式過熱器和再熱過熱器的保護(hù)越不利。啟動流量是指直流鍋爐在啟動過程鍋爐的給水流量。
1.1.3. 置式汽水分離器的控制方式
超臨界機組具有外置式啟動分離器和內(nèi)置式啟動分離器。本文僅就內(nèi)置式啟動分離器進(jìn)行討論。
內(nèi)置式啟動分離器在濕態(tài)和干態(tài)的控制是不相同的，而且隨著壓力的升高，濕干態(tài)的轉(zhuǎn)換是內(nèi)置式汽水分離器的一個顯著特點。
 內(nèi)置式汽水分離器的濕態(tài)運行
如前所述，鍋爐負(fù)荷小于35%時，超臨界鍋爐運行在最小水冷壁流量，所產(chǎn)生的蒸汽要小于最小水冷壁流量，汽水分離器濕態(tài)運行，汽水分離器中多余的飽和水通過汽水分離器液位控制系統(tǒng)控制排出。
 內(nèi)置式汽水分離器的干態(tài)運行
當(dāng)鍋爐負(fù)荷大于35%以上時，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽大于最小水冷壁流量，過熱蒸汽通過汽水分離器，此時汽水分離器為干式運行方式，汽水分離器出口溫度由煤水比控制，即由汽水分離器濕態(tài)時的液位控制轉(zhuǎn)為溫度控制。

 汽水分離器濕干態(tài)運行轉(zhuǎn)換

在濕態(tài)運行過程中鍋爐的控制參數(shù)是分離器的水位和維持啟動給水流量，在干態(tài)運行過程中鍋爐的控制參數(shù)是溫度控制和煤水比控制，在濕干態(tài)轉(zhuǎn)換中可能會發(fā)生蒸汽溫度的變化，故在此轉(zhuǎn)換過程中必須要保證蒸汽溫度的穩(wěn)定。
1.2. 超臨界機組控制系統(tǒng)概述
作為實現(xiàn)機組安全經(jīng)濟運行目標(biāo)的有效手段,自動控制系統(tǒng)在機組安全運行所起的作用日益重要,其功能也日益復(fù)雜,擔(dān)負(fù)著機組主、輔機的參數(shù)控制、回路調(diào)節(jié)、聯(lián)鎖保護(hù)、順序控制、參數(shù)顯示、異常報警、性能計算、趨勢記錄和報表輸出的功能,已從輔助運行人員監(jiān)控機組運行發(fā)展到實現(xiàn)不同程度的設(shè)備啟停功能、程控和聯(lián)鎖保護(hù)的綜合體系,成為大型火電機組運行必不可少的組成部分。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,目前超臨界發(fā)電技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,其控制系統(tǒng)從總體上來說與常規(guī)亞臨界發(fā)電機組相比并沒有本質(zhì)的區(qū)別。但就超臨界機組本身來說，其直流爐的運行方式、大范圍的變壓控制，使超臨界機組具有特殊的控制特點和難點。
1.2.1. 超臨界機組控制中存在的問題
1.1 機、爐之間耦合嚴(yán)重,常規(guī)的控制系統(tǒng)難以達(dá)到高的控制效果，超臨界機組難點之一在于非線性耦合。
由于直流鍋爐在汽水流程上的一次性循環(huán)特性，沒有汽包這類參數(shù)集中的儲能元件，在直流運行狀態(tài)汽水之間沒有一個明確的分界點，給水從省煤器進(jìn)口就被連續(xù)加熱、蒸發(fā)與過熱，根據(jù)水、濕蒸汽與過熱蒸汽物理性能的差異，可以劃分為加熱段、蒸發(fā)段與過熱段三大部分，在流程中每一段的長度都受到燃料、給水、汽機調(diào)門開度的擾動而變化，從而導(dǎo)致了功率、壓力、溫度的變化。
1.2.2. 汽機擾動對鍋爐的耦合特性
直流鍋爐汽水一次性循環(huán)特性，使超臨界鍋爐動態(tài)特性受末端阻力的影響遠(yuǎn)比鍋筒式鍋爐大。當(dāng)汽機主汽閥開度發(fā)生變化，影響了機組的功率,同時也直接影響了鍋爐出口末端阻力特性,改變了鍋爐的被控特性,由于沒有汽包的緩沖，汽機側(cè)對直流鍋爐的影響遠(yuǎn)大于對汽包鍋爐的影響。其特性不但影響了鍋爐的出口壓力，而且由于壓力的變化引起了給水流量的變化，延長了鍋爐側(cè)汽水流程的加熱段，導(dǎo)致了溫度的變化。
1.2.2.1. 鍋爐燃料擾動對壓力、溫度、功率的影響
燃料發(fā)生變化時，由于加熱段和蒸發(fā)段縮短，鍋爐儲水量減少，在燃燒率擾動后經(jīng)過一個較短的延遲蒸汽量會向增加的方向變化，當(dāng)燃燒率增加時，一開始由于加熱段蒸發(fā)段的縮短而使蒸發(fā)量增加，也使壓力、功率、溫度增加。
1.2.2.2. 給水?dāng)_動對壓力、溫度、功率的影響
當(dāng)給水流量擾動時，由于加熱段、蒸發(fā)段延長而推出一部分蒸汽，因此開始壓力和功率是增加的，但由于過熱段縮短使汽溫下降，最后雖然蒸汽流量增加但壓力和功率還是下降，汽溫經(jīng)過一段時間的延遲后單調(diào)下降，最后穩(wěn)定在一個較低的溫度上
1.2.2.3. 被控參數(shù)之間的耦合關(guān)聯(lián)
在直流鍋爐中，壓力控制是最重要的被控對象，因為壓力的變化不僅影響機組負(fù)荷的變化，還會影響給水流量的變化，從而導(dǎo)致對溫度的影響。
從上面的分析可以看出，直流鍋爐的一次循環(huán)特性，使機組的主要控制參數(shù)功率、壓力、溫度均受到了汽機調(diào)門開度、燃料量、給水量的影響。從而也說明直流鍋爐是一個三輸入/三輸出相互耦合關(guān)聯(lián)及強的被控特性。
1.2.2.4. 強烈的非線性是超臨界機組又一主要特征
超臨界機組采用超臨界參數(shù)的蒸汽,其機組的運行方式采用滑參數(shù)運行，機組在大范圍的變負(fù)荷運行中，壓力運行在10MPa~25MPa.之間。超臨界機組實際運行在超臨界和亞臨界兩種工況下，在亞臨界運行工況給水具有加熱段、蒸發(fā)段與過熱段三大部分，在超臨界運行工況汽水的密度相同，水在瞬間轉(zhuǎn)化為蒸汽，因此在超臨界運行方式和亞臨界運行方式機組具有完全不同的控制特性，是復(fù)雜多變的被控對象。
1.3. 超臨界機組的控制策略
從上面的分析中已經(jīng)看到，超臨界機組是以汽水一次循環(huán)為特征的直流鍋爐，是具有三輸入/三輸出的強耦合、非線性、多參數(shù)的被控對象。接下來討論采用怎樣的控制策略實現(xiàn)對超臨界機組的控制。
對于具有內(nèi)置式啟動分離器的超臨界機組，具有干式和濕式兩種運行方式。在啟動過程鍋爐建立最小工作流量，蒸汽流量小于最小給水流量，鍋爐運行在濕式方式，此時機組控制給水流量，利用疏水控制啟動分離器水位，啟動分離器出口溫度處于飽和溫度，此時直流鍋爐的運行方式與汽包鍋爐基本相同?？刂撇呗曰臼侨紵到y(tǒng)定燃料控制、給水系統(tǒng)定流量控制、啟動分離器控制水位、溫度采用噴水控制。
當(dāng)鍋爐蒸汽流量大于最小流量，啟動分離器內(nèi)飽和水全部轉(zhuǎn)為飽和蒸汽，直流鍋爐運行在干式方式，即直流控制方式。此時鍋爐以煤水比控制溫度、燃燒控制壓力。我們討論的超臨界直流鍋爐的控制策略主要討論鍋爐處于直流方式的控制方案。
假如直流鍋爐處在定壓力控制方式，那末對于直流鍋爐機組負(fù)荷、壓力、溫度三個過程變量中就具有兩個穩(wěn)定點，一個是壓力，另一個是溫度。因為壓力一定分離器出口的微過熱溫度也就確定了。在機組負(fù)荷變化過程中對壓力和溫度的控制應(yīng)該是定值控制。
在鍋爐變壓力運行時，機組負(fù)荷、壓力、溫度是三個變化的控制量，在負(fù)荷發(fā)生變化時，壓力的控制根據(jù)負(fù)荷按照預(yù)定的滑壓曲線控制，分離器出口溫度按照分離器出口壓力的飽和溫度加上微過熱度控制。
協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)建立方案時應(yīng)該以變負(fù)荷、變壓力、變溫度的控制特征考慮控制策略。
1.3.1. 系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)考慮的問題：
1.3.1.1. 在前面的分析中已經(jīng)提出，壓力控制是直流鍋爐控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，壓力的變化對機組的外特性來說將影響機組的負(fù)荷，對內(nèi)特性來說將影響鍋爐的溫度。因此無論協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用機跟爐為基礎(chǔ)還是采用爐跟機為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)方式，均應(yīng)考慮汽機調(diào)門變化和鍋爐燃燒變化對壓力的動態(tài)響應(yīng)，協(xié)調(diào)鍋爐與汽機的控制。
1.3.1.2. 在直流鍋爐中采用煤水比控制溫度，在超臨界機組中仍應(yīng)采用煤水比的控制方案，一般來說煤水比控制的溫度的選擇應(yīng)以控制特性快為主要考慮依據(jù)。目前對內(nèi)置式啟動分離器的超臨界直流鍋爐一般取分離器出口溫度。在超臨界狀態(tài)下由于汽水轉(zhuǎn)換可以在瞬間完成，蒸汽的熱容量很大，此時的溫度控制性能很好，溫度控制穩(wěn)定。但在濕干態(tài)轉(zhuǎn)換過程中溫度變化很大，系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮濕干態(tài)轉(zhuǎn)換過程中溫度的控制。
1.3.1.3. 對于直吹式制粉系統(tǒng)來說，燃燒過程對壓力、溫度影響較慢，系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮煤水的時間協(xié)調(diào)。
1.3.1.4. 超臨界直流鍋爐機組是強耦合、多參數(shù)、非線性的控制對象，在系統(tǒng)控制中，應(yīng)盡可能的保證機組的穩(wěn)定性。在目前鍋爐的運行中多數(shù)不能達(dá)到設(shè)計煤種的運行要求，并且煤種的變化多樣，因此在眾多的系統(tǒng)設(shè)計中考慮了BTU修正。
在汽包爐中，通常用熱量信號修正燃料的熱值，這種方法主要考慮了鍋爐熱量信號的整定使熱量信號僅代表燃料的變化，不反映汽機調(diào)門外擾的變化，這種修正較好的利用了直吹式給煤機燃料可以直接測量的優(yōu)勢，燃燒控制系統(tǒng)可以較快的克服燃料側(cè)的擾動，同時熱量信號又可以在線對燃料的熱值進(jìn)行修正。
直流鍋爐蓄能較小無法得到類似于汽包鍋爐的熱量信號，因此在直流爐中BTU修正中最多的是采用蒸汽流量對熱值的修正，考慮的基本點是根據(jù)設(shè)計煤種的熱值，所燃燒的煤量應(yīng)該產(chǎn)生的熱量與實際煤種產(chǎn)生的熱量的偏差對燃料進(jìn)行補償。這種BTU修正的方法在實際應(yīng)用中往往造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。燃料回路作為控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)應(yīng)盡快克服燃料的擾動，其控制目的是在穩(wěn)定的負(fù)荷工況下保證壓力或負(fù)荷的穩(wěn)定，任何汽機側(cè)的外擾不應(yīng)該構(gòu)成對燃料的擾動。如果以蒸汽流量修正燃料量，當(dāng)汽機調(diào)門發(fā)生擾動（如一次調(diào)頻）使蒸汽流量發(fā)生變化，必然導(dǎo)致燃料的變化，使燃料控制系統(tǒng)不能穩(wěn)定的運行。因此在系統(tǒng)中可以考慮用設(shè)計煤種的熱值與實際煤種的熱值對燃料進(jìn)行修正，電廠應(yīng)每天對燃料取樣熱值通知運行，運行人員根據(jù)燃燒的產(chǎn)地煤輸入燃料熱值 ，保證燃燒控制的穩(wěn)定。

1.3.1.5. 超臨界機組是高參數(shù)、大容量的被控對象，機組的變負(fù)荷率應(yīng)滿足鍋爐的運行要求。目前制造廠對超臨界直流鍋爐的變負(fù)荷率限制在1%/分。在滿足機組負(fù)荷變化率的要求下，為穩(wěn)定機組壓力，對超臨界機組來說以機跟爐為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)不失是一個好的控制方案。
1.3.1.6. 對于DCS系統(tǒng)控制的大型機組來說，控制系統(tǒng)必須要完成機組的穩(wěn)定負(fù)荷控制、變負(fù)荷控制、主要輔機故障工況下的快速減負(fù)荷控制。因此機組指令控制系統(tǒng)必須適時監(jiān)視風(fēng)、水、煤系統(tǒng)的運行狀況，一旦檢測到機組主要輔機出現(xiàn)跳閘，控制系統(tǒng)必須要以特定的控制方式，特定的機組負(fù)荷變化率，特定的機組目標(biāo)負(fù)荷發(fā)出快速減負(fù)荷指令，適時的控制機組的負(fù)荷、壓力、溫度，完成RUNBACK功能。
在直流鍋爐中，事故處理情況下必須要考慮分離器出口溫度，這就必須考慮在事故工況下有合適的煤水比。系統(tǒng)設(shè)計必須要以適當(dāng)?shù)目刂品桨副ＷC煤水比的控制。在超臨界直流鍋爐中，最典型的設(shè)計是實測的燃料量信號實現(xiàn)煤水比的控制。比起用鍋爐指令實現(xiàn)煤水比控制來說，這種設(shè)計的主特點是在任何燃料的擾動都反映到煤水比的控制。