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特邀《电力设备管理》杂志推文 一、超临界机组控制策略的基础 1、超临界直流炉自动控制的要求 随着机组容量等级的逐步提高，机组的运行工艺日趋复杂，机组的自动控制系统作为实现机组安全经济运行目标的有效手段，不仅担负着运行参数的监视、控制回路的调节、设备的联锁保护、顺控、报警、性能计算、趋势记录和报表输出等功能。而且发展到可以实现机组自动启停（APS）、自动发电控制（AGC/ACE方式运行）。其中，模拟量控制系统（MCS）作为机组整个控制系统的核心，不仅承担着协调汽机和锅炉之间的能量平衡，而且控制着炉侧和机侧各子系统的自动运行。超临界机组的自动控制系统与亚临界参数机组相比，其动态特性更为复杂，需要更加完善的控制策略。主要表现为： a、机组的动态特性随负荷大范围变化（通常的负荷变化范围50％－100％），呈现出很强的非线性和变参数特性。特别是为了适应调峰运行的需要，超临界机组常采用复合变压运行方式，这意味着超临界机组实际上也要在亚临界区域工作，由于水蒸汽特性在亚临界和超临界区域的差异，使得超临界机组在亚临界和超临界区域转换时的动态特性差异显著。 b、由于直流锅炉的工质流和能量流相互耦合，汽机调门开度、燃料量、给水流量都对主汽压力产生影响，从而在各个控制回路，特别是给水、汽温及负荷控制回路之间存在很强的非线性耦合。 c、直流炉的热力系统蓄热较少，通常为相同容量汽包炉的1/3～1/2，因此对外界的扰动响应速度较快，容易发生分离器入口过热度摆动大、超温、超压等情况，不但影响主汽温度的控制，而且容易造成汽水分离部分的金属热疲劳。 d、从控制模型上比较，超临界机组为三输入两输出的控制结构，汽包炉机组仅为两输入两输出的控制结构，控制策略上差别很大。（给水、燃料、调门开度，负荷、压力） 2、超临界直流锅炉自动控制的内容 主要有以下几方面： a、在满足机组负荷指令的前提下，维持主汽压力与设定值的偏差较小，即汽机主控满足电网负荷的需求，锅炉主控维持机炉之间的能量平衡； b、控制给水量与燃料量的配比在一个范围内，保证汽水分离器入口蒸汽过热度、主汽温度为设定值，通常考虑升负荷、降负荷、稳态及RB等各种工况的要求； c、保持不同负荷段减温水量与给水量的配比，确保水冷壁的温度不超温； d、保持最佳的燃烧工况，主汽压力运行平稳，锅炉具有最高的燃烧率；磨煤机的风粉比例控制 e、保证制粉、风烟系统的安全及稳定运行； 就上述超临界直流炉的控制任务而言，其控制系统有本身的特殊性。由于主汽压力控制实际上保证了汽机负荷的需要，也就是机组负荷指令。但需要明确的是锅炉出口的主蒸汽压力并不是在任何时候都运行在超临界参数范围内，大约在机组带70%额定负荷以上的时候，主汽压力才运行在临界压力之上，是一种复合变压方式运行。 注意：机组的运行过程两个状态不能长时间提留，湿态与干态转换、临界点。 3、超临界机组自动控制系统的主要特点 a、水煤比控制 直流锅炉中核心的控制就是水煤比的控制。当直流锅炉运行在湿态方式时，汽水分离器起到汽水分离的作用，控制上基本可以把它看成是一个汽包锅炉。这时给水控制系统的任务就是保持锅炉最小给水流量不变，其给水流量包括给水旁路调节阀来的给水及炉水循环泵出口的再循环流量之和；燃烧控制系统的任务就是控制锅炉的蒸发量，用过热器减温喷水控制锅炉出口的主蒸汽温度，给水流量的扰动不会对主蒸汽温度产生直接影响。在这个阶段给水和燃料的控制各自有独立的控制目标，不存在控制水煤比的问题。 当直流锅炉运行在干态方式时，汽机阀位、燃料量和给水流量的改变都会引起锅炉内部汽水分界面的改变，从而有可能导致锅炉出口主蒸汽温度的大幅度变化。 直流锅炉的主汽温度控制与汽包锅炉类似，通过调整过热器减温喷水调阀的开度来控制锅炉出口的主蒸汽温度，通常采用两到三级导前温度的串级控制，分别控制各级过热器出口联箱的蒸汽温度。注意：当喷水量增加后，主汽流量的增加使实际主汽压力大于设定值，通过锅炉主控的给水量设定会相应地减少，反而在一定范围扩大水煤比的失调程度。所以，直流锅炉中不能把喷水减温方法作为消除水煤比失调而引起的汽温偏差的主要手段。因此，对水煤比控制的修正逻辑，无论是采用煤跟水的控制还是水跟煤的控制都是取微过热蒸汽的焓（或汽温）作为反映水煤比是否合适的标志。因为微过热蒸汽之前各受热面的吸热量约占工质总吸热量60%左右，这些受热面包括对流，辐射等各种受热面，具有一定的代表性，而且惯性较小。当锅炉进入干态运行方式后，机组按照滑压方式（复合变压）运行时，只要将该点的过热度控制在设计值上，就可以将锅炉的汽水分界面控制在设计值上。分离器入口蒸汽的过热度指的是分离器入口温度减去该点的蒸汽压力对应的饱和温度。 汽水分离器入口蒸汽温度测点也叫中间点，它是锅炉汽水系统中能够最早反映出水煤比失调的信号。该点的过热度控制目标值随主汽压力的设定（机组设定负荷）而改变。通常该点处的过热度一般在10～40℃范围之内，不同的锅炉过热度控制范围存在差异，哈锅三菱锅炉偏高一些。从控制系统动态特性上来说，非线性比较严重，所以有的直流锅炉上采用了中间点焓值的控制方案。理论上讲，采用焓值控制的方案有利于解决上述动态特性的非线性问题，但蒸汽温度的物理概念更为明确一些，只要保证过热度的设定为分离器入口压力的函数而不是负荷的函数。在整个控制上选择过热度控制水煤比的策略并无不当之处。 在直流锅炉自动控制策略的发展过程中，在给水和燃料的配比上通常采用三种控制方式，第一种是以锅炉主控的输出（BID指令）通过函数发生器形成燃料量的设定，根据燃料的设定形成给水的设定；第二种是以锅炉主控的输出（BID指令）通过函数发生器形成给水流量的设定，根据给水流量的设定形成燃料量的设定；第三种是以锅炉主控的输出（BID指令）通过两个不同的函数发生器，同时形成给水流量和燃料量的设定。同时对于水煤比控制的输出，为修正给水流量和燃料量的配比，可以修正给水流量的设定或修正燃料量的设定，也可以按照控制的要求依次修正给水量和燃料量的设定。并由此形成锅炉控制系统内部水跟煤和煤跟水的控制策略。 图1水跟煤的控制策略 图2煤跟水的控制策略 说明：随着锅炉负荷的改变，水煤比的设定值需要改变，这个变化就体现在图中函数发生器的参数设置上。图1水跟煤的控制策略中，水煤比例的控制是通过修正给水流量的设定来实现，此外锅炉主控在手动状态下的输出跟随实际燃料量，给水手动状态下的给水设定与实际给水流量的偏差通过中间点温度调节器的跟踪值来给予平衡；图2煤跟水的控制策略中，水煤比例的控制是通过修正燃料量的设定来实现，而锅炉主控在手动状态下的输出跟随实际给水流量，燃料主控手动状态下的燃料量设定与实际燃料量的偏差通过中间点温度调节器的跟踪值来给予平衡。 给水流量对中间点温度的影响要快一些，所以采用水跟煤的控制方案有利于主蒸汽温度的控制，但不利于主蒸汽压力的控制。相反，采用煤跟水的控制，不利于主蒸汽温度的控制。机组优化后，对过热度的控制采用水跟煤为主，但融入燃料对过热度的控制。 从多台不同厂家、不同容量的超临界直流炉机组的调试和控制优化过程可以发现，控制好水煤比的关键是合理的滑压曲线选择及锅炉主控控制主汽压力偏差的调节品质。一旦主汽压力波动较大，水煤比调节根本无法控制好分离器入口温度（实际过热度的计算是以当前分离器入口温度减去分离器压力对应的饱和温度，而主汽压力的波动必然带来分离器压力的波动），同时也就无法获得较好的主汽温度调节品质。其次，分离器入口温度的设定应当使用分离器入口的压力，如果采用负荷来设定分离器入口的温度，必须与设定负荷下的滑压曲线相参照，否则无法获得很好的调节品质。此外，考虑到锅炉配备直吹式制粉系统时，锅炉燃料量的增加需要经过制粉系统这个惯性时间比较长的迟延环节，所以在实际工程中，为了改善中间点温度的控制效果，当燃料量指令改变后，对给水流量指令的变化加了一个迟延环节。如果采用双进双出钢球磨，则正好相反，对燃料的指令变化增加一个惯性环节。 4、协调控制策略 由于直流炉没有汽包，从机炉能量平衡的控制角度出发，理论上其协调控制只能以间接能量平衡的方式来构造（如果采用直接能量平衡，分离器压力变化的微分增益较难确立），因为在直接能量平衡的构造中，锅炉侧的能量需要引入汽包压力的微分，这是直流炉所不具备的。所以直流炉负荷控制的协调最好选择间接能量平衡，其构成方式有三种： ①.锅炉跟随汽机为基础的协调方式，负荷指令作为汽机主控的设定。当汽机负荷改变后，机前压力信号送到锅炉主控，同时，负荷指令作为锅炉主控的前馈。 ②.汽机跟随锅炉为基础的协调方式，负荷指令直接送到锅炉主控，机前压力信号送到汽机负荷调节器。要求增加负荷时，锅炉增加负荷，待汽压升高后才使汽机增加负荷。 ③.协调控制方式（双解耦控制），负荷指令和主汽压力偏差信号同时送往汽机和锅炉的主控制器，要求增加负荷时，锅炉和汽机同时增加负荷。若汽压偏低时，锅炉继续增加燃料，而汽机适当减少负荷，以减少汽压偏差，反之亦然。这样，虽然能够保证能比较迅速地适应负荷要求，又不致使汽压偏差过大。 除上述的机炉协调的三种方式外，在协调控制的构成中还包括：锅炉跟随（BF）；汽机跟随（TF）；手动方式； 5、风煤交叉限制和煤水交叉限制 在直流锅炉中，为了保证锅炉燃烧的安全性和经济性，与汽包锅炉一样，控制系统都设计了燃料量和锅炉总风量、给水量与燃料量之间的交叉限制。具体的设计方案如下： a、风煤交叉限制 根据当前实际的燃料量（经BTU校核后），给出当前燃料对应总风量指令的下限；根据当前实际的总风量，给出燃料量指令的上限，以确保任何工况下都有足够的风量，保证进入炉膛的燃料量充分燃烧。 b、 煤水交叉限制 当锅炉转入干态运行方式时，为了防止水煤比出现严重失调，控制系统采用煤水交叉限制。具体做法是根据当前实际的燃料量（经BTU校核后），给出给水流量指令的最大值和最小值，使得给水流量指令在这个区间变化，一旦出现如磨煤机跳闸、煤质大幅度变化等特殊工况，交叉限制功能就能将给水流量自动控制在范围内。另外还有根据当前实际的给水流量给出燃料量指令的最大值，以防止锅炉受热面超温。 风煤交叉限制功能是考虑燃烧过程“富风”的控制策略，在实际燃料及设定燃料取大值后作为风量的设定，保证在任何工况下的总风量设定都不小于燃料量的需求。但为保证锅炉的热效率，通常对总风量的设定增加氧量校正。对燃料量的设定是考虑总风量对燃料量设定及给水流量对燃料量设定取小值后形成，以确保锅炉的安全运行。 图3锅炉侧煤水交叉限制示意 二、需要明确的几个概念 a、CCS－协调控制：在满足电网负荷要求的前提下，利用前馈、反馈、线性、非线性、自适应等控制手段，实现机炉间的能量平衡； 切记：变负荷过程，锅炉响应滞后这一矛盾，在满足负荷变化速率的情况下，必然会带来燃料量、过热度、主汽温度等的大幅度变化； 从能量平衡的角度对协调控制的划分：直接能量平衡的协调控制（DEB）、间接能量平衡的控制策略（IEB）；因此，对该电厂机组的协调控制可以定义为：间接能量平衡、水跟煤、炉跟机的协调控制； 图6 机组协调控制及主要子系统控制简图 b、机组运行状态判据：锅炉主控指令BID与机组设定负荷MWD 在机组稳态时，必须保证两者的偏差较小，否则机炉的能量平衡状态将在动态过程出现失衡，直接表现为中间点温度（过热度）的大幅度波动。按照控制策略的不同必须对给水设定、给水测量、BTU校正系数等进行精确的标定。才能实现BID与MWD近似相等，中间点温度调节器的输出尽可能控制在-50t/h---50t/h之间。这是表征机组运行状态是否安全、稳定的直接判据。 一般机组要求BID指令最好略大于MWD指令，动态过程给水增加略大于燃料量，防止水冷壁超温。 机组调整的关键是：磨煤机容量风当板的开度与燃料量的换算，前提是建立好合适的料位（400---600之间）。然后在稳态下调整好BTU的修正，并观察中间点温度调节器的输出，最后确定给水设定函数及给水测量的合理性。 c、WFR水煤比（中间点温度调节器的输出）与BTU净热量校正 WFR表征不同负荷下，给水流量与燃料量之间的偏离程度，WFR为正值时，单位负荷下的燃料量大于设计煤种的发热量，需要增加BTU的输出；反之向减小的方向修正。稳态工况下，维持水煤比WFR在-50～50t/h之间，其量纲为对应给水设定的修正量t/h。 BTU的输出范围0.8~1.2，操作接口每按一次对应1％（0.004）,以0.004乘以BTU修正前的煤量总和即为改变的煤量。BTU修正的目的是使煤量的设定回到与MWD对应的设定值。 d、BIR前馈逻辑---全新增加的控制逻辑 当前超临界机组控制策略的发展出现了对负荷变化率及变化幅度相适应的变负荷前馈逻辑－BIR，这个信号便于在不同负荷变化率，不同的变负荷段，不同的变负荷幅度中进行风量、水量、燃料量、减温水阀门开度、烟气挡板开度等相互适应。使机组的变负荷控制过程更加灵活，更有利于保证任何工况下水煤比的合理。 主要是动态过程水煤配比、风煤配比等与稳态过程实现有效的分离。煤量控制---主汽压力、给水前馈--维持过热度、总风量维持氧量等。 e、滑压曲线 滑压曲线的设定是以机前压力的变化为准则，由于炉侧过热器出口压力与机侧压力存在一定的差异，特别是低负荷阶段，炉侧的设计压力低于机侧设计压力。考虑到锅炉的水动力特性，通常在低负荷段保证水冷壁不超温，机组的变负荷过程调门有足够的裕量，汽机的节流损失尽可能小，运行参数尽可能较高。 注意：主汽压力的修改----饱和温度----过热度函数修改。 三、控制逻辑介绍（控制逻辑图） A、协调控制 协调控制为整个机组控制的核心，通常在机组转入干态后即可投入协调方式运行，机组采用间接能量平衡（IEB）、煤跟水、炉跟机的协调方式。 直接能量平衡与间接能量平衡简介；直接能量平衡以汽机的表征负荷（调节级压力）来作为锅炉负荷的设定；间接能量平衡是以机前压力的偏差表征机炉能量的平衡性。 水跟煤是指在燃料主控手动、给水投入自动后，改变燃料量自动改变给水流量，其手动状态下锅炉主控的输出跟踪燃料量转换的负荷值。通过修正给水流量来为持水煤配比。 本机组的水煤配比主要采用给水流量来调节，在过热度偏差超过正负2度时，投入对燃料修正PID的控制；在偏差绝对值小于2度时，调节器的输出缓慢归0；此外，一减开度指令也对给水的设定进行一定的修正（此回路代替减温水给水的比例调节，由于减温水测量不准的原因）。 炉跟机方式指锅炉控制主汽压力维持锅炉与汽机的能量平衡，汽机调节负荷偏差维持与电网负荷需求的平衡；当机炉能量失衡较大时，压力的偏差修正负荷的偏差来使失衡不扩大； B、给水全程控制 机组在启动过程，省煤器入口流量来源于两路，再循环流量和给水旁路流量，再循环流量的设定来自于分离器水位，但容易导致炉水循环泵电流的大幅波动；在分离器液位较高时，WDC阀依次开启来调节液位。旁路阀流量调阀用于维持整个给水流量的设定（在湿态过程）。汽泵采用定速控制，给水旁路阀控制总给水的流量；当给水主阀全开后，汽泵开始给水流量的控制。 C、主汽压力全程控制 主汽压力的控制过程为：旁路控制－TF（旁路退出）－CCS。切记：通常只采用TF（BI）和CCS方式，BF方式尽量不使用，特别是不要从手动直接投入BF。先投入TF（BI）---稳定主汽压力，后投入协调控制------燃料波动小; 切记：两条曲线（主汽压力、过热度），5个比例（水煤比、风煤比、风粉比、减温水/给水、一次风与二次风量值及刚度比） D、需要明确的一点 协调控制的变化重新分配水、煤的配比，在过热度偏高的情况下，为降低过热度，中间点温度调节器的输出增加给水流量的设定，这样会导致主汽压力的上升，此时锅炉主控的输出减少，即：锅炉主控对给水和燃料的设定同时减小，使主汽压力、中间点温度回到设定值，此时的水煤配比略有上升。只有在锅炉主控输出减少，主汽压力下降后，过热度才能得到有效的控制。不是给水的增加直接改变了过热度，而是通过主汽压力的变化，改变锅炉主控的输出，使过热度发生最终的改变。 |
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