超临界机组协调控制系统方案分析及调整方法

朱邦那

（中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华北电力试验研究院，北京 100043）

1 超临界机组运行特点

1.1 超临界机组锅炉的结构特点

与亚临界机组相比，超临界机组的汽轮机及其他辅机在运行方式和结构上无明显区别，其主要区别在于锅炉运行方式上，亚临界机组的锅炉设计为有汽包环节的汽包炉，超临界参数的机组的锅炉设计为直流炉，直流炉虽无汽包设计但设计了汽水分离器，超临界机组在运行初期与汽包炉类似，汽水分离器的功能与汽包相同，随着负荷的升高，汽水分离器的水逐渐蒸发，最终保持干态运行，锅炉在干态运行期间，锅炉里的水和蒸汽没有明显的界限，给水量和燃料量的比例变化决定其分界线的前移或者后退，相较于亚临界机组，因无汽包环节的缓冲作用，其对汽温的影响更大，给汽温的调节带来了更大的困难，超临界机组在负荷调节过程中与亚临界机组相比也存在明显的区别，亚临界机组因为有汽包的存在，能够存储一部分能量，在负荷变化过程中，可以利用这部分蓄热，维持机组动态过程中主汽压力的稳定，超临界机组的蓄热能力只有亚临界的1/3 左右。虽然超临界机组具有较高的发电效率和负荷调节的灵敏性，但在负荷扰动下的汽压调节相对困难。同时为了保证较高的负荷变动速率，需通过汽轮机调门的过开，来满足快速响应负荷变化的要求，这种方式会导致机组的参数出现一定的波动，调节过渡的过程会变长。

1.2 运行方式的特点

直流炉可以看作是一个三输入两输出的控制模型，其输入为给水流量、锅炉燃料量、汽轮机调门开度，输出对象为机组负荷、主汽压力。直流炉在转入干态运行后，各输入对象存在很强的耦合作用，导致输出难以稳定，而直流炉本身蓄热较少，对外界的扰动响应速度快，参数不易控制，容易发生锅炉金属壁温超温、主汽温度大幅度波动、主汽压力超过额定压力等现象。同时机组运行期间磨煤机的启停操作、入炉煤质的发热量的变化，定期吹灰等不确定性干扰都会使调节过程变得更加复杂和困难。直流炉中因没有汽包的缓冲，其汽水分界面会根据燃料量和给水量的比例变化而发生不确定性的前后移动，所以无论机组是在动态过程还是在静态过程中，维持合适的燃水比是控制机组稳定的关键因素[1]。

1.3 给水量扰动下的调节过程

在无其他外界条件扰动的情况下，只增加给水流量，同时燃料量保持不变，锅炉保持当前热负荷，锅炉的汽水分离界面向前移动，延长了蒸发段，缩短了过热段，增加的给水流量推出一部分蒸汽，使进入汽轮机的主汽流量增加，由于蒸汽流量的增大，主汽压力也会随之升高，机组负荷也会增加，由于锅炉热负荷未变化，分离器出口温度将逐渐降低，同时主汽温度也随之下降。过渡过程结束后，由于锅炉的热负荷未发生变化，最终导致汽温降低，汽压和输出功率有所下降。

1.4 锅炉总燃料量扰动下的调节过程

保持其他条件不变，只增加锅炉的燃料量，锅炉的热负荷也立即增加，这使得过热段和蒸发段变短，蒸发段将产生大量的饱和蒸汽，在这个过程中蒸汽流量在经过一个短暂的延时后，将出现先上升，后下降的现象，当蒸汽流量与给水流量达到一个新的平衡时，蒸汽量将保持不变，其数值与给水流量保持相同。汽温会随着燃料量的增加经过一定的延时逐渐升高，初期蒸发量的增大和后期汽温的升高都会使主汽压力维持在较高的水平，由于主汽压力和主汽温度的升高使机组负荷也会稳定在较高的数值。

1.5 调门开度（负荷）扰动下的调节过程

在其他条件不变的情况下，由于调门开度的增加，进入汽轮机的蒸汽流量瞬时增大，由于蒸汽流量的增加，机组的功率会有一个瞬时增长，由于燃料量和给水量无任何变化，即锅炉侧出力无任何改变，这导致了主汽压力逐渐降低，相应的机组的功率也会随之即逐渐降低，直至恢复到调门扰动前的功率值。当主汽压力降低时，介质的饱和温度降低，即相同温度下，产生了更多的蒸汽量，最终达到稳定状态后，蒸汽流量与给水流量保持平衡，所以主汽压力是一个缓慢降低的过程。在这个过程中锅炉的燃料量和给水流量无任何变化，所以汽温无明显的变化。

2 协调控制系统方案

2.1 协调控制系统的控制思路

协调控制系统是为了解决锅炉对负荷请求响应慢而汽轮发电机对负荷请求响应快这一矛盾问题，为了解决这一矛盾，通过将锅炉和汽轮发电机组作为一个整体制定控制方案的方法，使其既能满足电网快速变负荷的要求同时又能保证机组安全运行。为便于协调控制，将协调控制系统分为若干子控制系统，通过协调各个系统的子系统使机组在负荷变化过程中保证机组运行参数运行在安全的工作范围内[2]。

电网要求机组应具备快速变负荷的能力，目前火电机组主要采用的协调控制方式为炉跟随的协调控制方式，该方式下通过调节汽轮机调门来控制机组负荷，调节锅炉燃料来实现对主汽压力的调节，由于汽轮机调门对机组负荷响应较快，所以能保证负荷快速变化，如果燃料量和给水量调节的不及时就会导致主汽压力及主汽温度出现较大波动。

2.2 子控制系统的设计分析

在以炉跟随为基础的协调控制方式下，负荷中心将负荷指令送到汽机主控，汽机主控根据实际的负荷偏差调整汽轮机调门的开度，调门的开度的变化必然会导致主汽压力的变化，主汽压力偏差信号送到锅炉主控，锅炉主控下达燃料量指令，通过燃料量的变化来维持主蒸汽压力的稳定，总燃料量指令送往燃料主控通过调节给煤机来保证燃料量的稳定，同时总燃料量指令送往给水控制和送风控制，用来保证水煤比和风煤比，维持汽温及燃烧的稳定。

3 实例分析

以某电厂超临界机组为例，分析协调控制系统是如何实现机组的自动控制功能。某热电联产机组为350MW 超临界机组锅炉为超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，锅炉制造商为上海电气集团上海锅炉厂有限公司。

汽轮机型号为C350/295-24.2/0.4/566/566，型式为超临界、一次中间再热、两缸两排汽、单轴、抽汽凝汽式。汽轮机制造商为东方电气集团东方汽轮机有限公司。

发电机型号为QFSN-350-2-20，发电机冷却方式为“水-氢-氢”方式发电机制造商为东方电气集团东方电机股份有限公司。

3.1 汽机主控

在以炉跟随为基础的协调控制系统中，汽机主控负责调节机组的功率，通过开关调门来快速响应变负荷的要求，负荷指令经过速率限制后送到汽机主控PID中，汽机主控PID 根据负荷指令和实际负荷的偏差进行运算从而控制调门的开度，升负荷时开调门，降负荷时关调门，但只依靠PID 调节，变负荷的速率难以满足电网的要求，通过增加前馈控制方案能够有效提高机组的变负荷速率，将负荷指令对应调门开度的函数作为控制系统前馈能够达到快速变负荷的目的。

3.2 锅炉主控

锅炉主控的调节目的是以调节燃料量为手段来维持主蒸汽压力的稳定，压力的稳定才能保证以机炉之间的能量平衡，定压方式运行和滑压方式运行，是机组调压的两种方式，定压方式由运行人员手动输入合理的压力设定值，滑压方式是根据机组负荷设定值通过滑压函数形成压力设定值，滑压方式能有效的提高机组运行的效率，所以成为一种被广泛采纳的调节压力的运行方式，无论哪种方式，锅炉主控PID 都是通过压力设定值和实际值的偏差进行增减煤量，同时设计了三路前馈作用，分别是为了保证负荷变化时压力能快速跟随负荷的变化而设计的负荷指令与煤量函数的前馈作用；为了能够抑制压力变化过快而设计的压力变化率的微分作用；为了能够保证压力设定值和实际压力偏出不会过大而设计的压力指令和反馈偏差的微分，通过以上功能，锅炉主控能很好的控制主汽压力，使其能维持在稳定的范围内。

3.3 中间点温度控制

由于汽温具有较大的迟滞性，单纯依靠观察汽温的变化来对汽温进行调节会产生调节滞后的后果，所以需要一个中间参考点，它既能反应主汽温度的变化趋势，也同时具有较小的迟滞性，分离器出口温度具有以上两个特点，所以被用作中间点温度，只要将中间点温度控制在一定范围内，那么主汽温度也比较易于控制。中间点温度的设定值一般设计为分离器出口压力的函数或者为负荷的函数，在保证较高参数运行的基础上，还要保证汽温具有一定的过热度，防止机组从干态再次转入湿态运行，影响机组运行安全。

3.4 锅炉超前加速控制（Boiler Input Rating, BIR）

要想快速的改变机组负荷，在变负荷时还要超前改变燃料量和给水量，当负荷变化结束后，超前作用的燃料量和给水流量恢复到零，该BIR 功能的实现方式是，首先通过负荷指令设定值是否在变化来判断机组是否在负荷变化过程中，如果在负荷变化中，BIR 功能生效，通过负荷指令的微分，超前动作煤量和水量，动作量的大小取决于负荷指令的变化速率，当速率越大超前动作的煤量和水量也越大，当变负荷过程消失后，超调的煤量和水量再按照合适的速率回归到初始零值，这样就能够很好的弥补变负荷初期只通过炉主控和给水主控中前馈和反馈调节滞后性的缺点。

3.5 给水控制

直流炉的给水控制要担负多项任务，首先要保证给水系统的稳定，同时要维持机组的燃水的平衡，在一定程度上也能够调节主汽温度，当主汽压力控制偏差过大时也可通过修正给水的方法，调节主汽压力，使主汽压力维持在一定偏差范围内，所以给水控制系统在直流炉的控制中起着至关重要的作用，“水跟煤”和“煤跟水”作为两种给水控制有方案，因“水跟煤”的控制方案具有能够减少锅炉的热应力的优点，同时能够较容易的控制汽温，所以该方案被广泛的采用，“水跟煤”的实现方法是将燃料指令通过煤水比的函数关系生成给水流量指令，同时以变负荷微分前馈、主汽压力偏差函数、中间点温度控制等对给水流量指令进行修正。

4 常见问题的调整方法

4.1 负荷控制偏差

对机组负荷控制过程可分为前期、中期、后期三个阶段分析，针对不同阶段影响的因素也不同，如果主汽压力无较大波动，变负荷前期如果负荷跟踪存在滞后或超前现象主要是机主控前馈量不合适，此时应调整负荷指令对应的阀门流量指令的函数的斜率，负荷跟踪滞后应增加函数的斜率，利用锅炉的蓄热达到较快的变负荷速率，负荷跟踪超前时应减小斜率，以免透支锅炉的蓄热，避免主汽压力大幅度波动。负荷变化中期时，如果出现负荷控制偏差较大时，一般同时伴随主汽压力的跟踪不及时，可以适当调节BIR 中超调的煤量，来弥补中期燃料量的不足，负荷变化后期调节时，一般是出现情况是负荷难以稳定，这时可以适当的调节PID的参数，以达到稳定负荷的目的。

4.2 压力偏差

无论是直流炉还是汽包炉，机炉之间能量的平衡关系主要表现在主汽压力上，维持主汽压力的稳定，是保证协调控制系统的稳定的基础。影响主汽压力稳定的因素很多，除了负责调节机组负荷的汽机主控中调门开度的影响，运行人员增减的给水量，中间点温度调节等因素都会影响锅炉主控对压力的调节品质。负荷变化过程中，当出现主汽压调节偏差过大时，首先分析导致偏差的原因，首先考虑的是锅炉主控的前馈量是否合适，如果实际压力全程都是超前给定压力那应该减少锅炉主控前馈的量，如果初期实际压力变化缓慢，可以增加BIR 中超调的煤量，当变负荷结束后，主汽压力很长时间也不能稳定，并且伴随着燃料量的大幅度波动，此时应调节锅炉主控的PID 参数，改善调节品质。

4.3 汽温偏差

调节汽温的手段主要有两种方式：①依靠减温水调节；②改变给水流量进行调节，减温水只能精细的小范围调节汽温，调节范围有限。所以合适的煤水比是保证汽温稳定的基础，改变煤水比主要有，修改煤水比曲线、中间点温度调节、修改给水偏置三种方法，变负荷动态过程中还增加了BIR 给水前馈作用。在燃料量合适的情况下，如果负荷变化过程中超温现象频繁出现，那么一定是煤水比失去平衡，即给水量偏少，可以适当增加BIR 控制中超调的给水量，负荷稳定后汽温仍有超温现象，先要查看中间点温度调节是否已到调节已到上限，如果未到上限，适当增加中间温度调节的PID参数，保证足够的给水量的修正。如果中间点温度已到上限，还需运行人员修改给水偏置量才能稳定住汽温，此时应该考虑修改煤水比关系曲线，增加给水流量。