摘要：贵州省习水鼎泰能源开发有限责任公司2×660MW超临界机组控制系统为艾默生公司OVATION分散控制系统，该系统包括了FSSS、MCS、SCS、DAS、ECS等系统。直流炉中给水变成过热蒸汽是一次性完成的，因此锅炉的蒸发量D不仅决定于燃料量M，同时也决定于给水流量W。因此，超临界机组的负荷控制是与给水控制和燃料量控制密切相关而不可分的。
关键词：超临界；锅炉；控制
1.1 超临界锅炉定义
超临界机组是指过热器出口主蒸汽压力超过22.129MPa。目前运行的超临界机组运行压力均为24～25MPa。理论上认为，在水的状态参数达到临界点时（压力22.129MPa，温度374℃），水的汽化会在一瞬间完成，即在临界点时饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽水共存的二相区存在，二者的参数不再有区别。
1.2 直流炉的工作原理
直流锅炉依靠给水泵的压头将锅炉给水依次通过预热、蒸发、过热各受热面而变成过热蒸汽。直流炉的汽水流程如图1所示。在直流锅炉蒸发受热面中，由于工质的流动不是依靠汽水密度差来推动，而是通过给水泵压头来实现，工质依次通过各受热面，蒸发量等于给水量，故可认为直流锅炉的循环倍率为1。
图1 直流炉工作原理图
2. 超临界直流锅炉的控制特点
在直流炉中给水变成过热蒸汽是一次性完成的，因此锅炉的蒸发量D不仅决定于燃料量M，同时也决定于给水流量W。因此，超临界机组的负荷控制是与给水控制和燃料量控制密切相关而不可分的。当给水量和燃烧率的比例改变时，直流锅炉的各个受热面的分界就发生变化，从而导致过热汽温发生剧烈的变化。由此可见，主汽压力与过热汽温构成多变量相关被控对象，可按单回路控制系统设计。
①超临界机组是一个多输入、多输出的被控对象，输入量为给水量、燃料量、送风量，输出量为汽温、汽压和蒸汽流量；
②负荷扰动时，主汽压力反应快，可作为被调量；
③超临界机组工作时，其加热区、蒸发区和过热区之间无固定的界限，汽温、燃烧、给水相互关联，尤其是燃水比不相适应时，汽温将会有显著的变化，为使汽温变化较小，要保持燃烧和给水量的适当比例；
④从动态特性来看，微过热汽温能迅速反应过热汽温的变化，因此可以将该信号来判断给水和燃烧率是否失调；
⑤超临界机组的蓄热系数小对压力控制不利，但有利于迅速改变锅炉负荷，适应电网尖峰负荷的能力强。
3. 超临界锅炉静态特性
热力学理论认为，在22.129MPa、温度374℃时，水的汽化会在一瞬间完成，即临界点时饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的两相区存在，两者的参数不再有变化。由于在临界参数下汽水密度相等，因此在临界压力下无法维持自然循环，只有采用直流炉。超临界直流炉的汽水经历了加热、蒸发和过热三个阶段。
3.1 汽压静态特性
超临界机组的主汽压由系统的质量平衡、热量平衡和工质流动压降等决定。
①当燃料量M增加时，若燃水比保持不变，则主汽流量增加从而使汽压上升；若燃水比增加，则过热汽温增加，减温水流量也需增加，相应地增加主汽流量，从而汽压上升。
②当给水流量W增加时，若燃水比保持不变，则主汽流量增加从而使汽压上升；若燃水比减小，从而过热汽温降低，减少减温水流量，汽压基本不变。
4、超临界直流炉的动态特性
在直流锅炉中，需要调节的主要变量有过热汽温T、主蒸汽压力PT和蒸汽流量D（负荷），由于直流锅炉没有汽包，给水经加热、蒸发和变成过热蒸汽是一次性连续完成的，因此改变给水流量W、燃料量M（燃烧率）和汽轮机调节阀门开度µT，可作为调节过热汽温、主蒸汽压力和蒸汽流量的手段。因此，直流锅炉是一个多输入/多输出的被控对象。下面从各个输入量单独阶跃扰动下对输出量的响应曲线来分析直流锅炉动态特性的特点，同时，也分析了直流锅炉各输入量对机组功率PE的影响。
超临界直流炉在运行过程中经常受到各种扰动，如汽机调门开度扰动、燃料量扰动等，各种扰动下的动态特性示意如图4所示。
4.1 汽机调门开度扰动
汽机扰动对锅炉是一种负荷µT扰动，对超临界机组的影响具有典型的耦合特性：如图4（a）所示，汽机调门开度变化不仅影响了锅炉出口的压力，还影响了汽水流程的加热段，导致了温度的变化。
1）主汽流量迅速增加，随着主汽压力的下降而逐渐下降直至等于给水流量。
（a）汽机调门开度扰动；（b）燃料量M扰动；（c）给水流量W的扰动
图4 超临界机组的动态特性
2）主汽压力迅速下降，随着主汽流量和给水流量逐步接近，主汽压力的下降速度逐渐减慢直至稳定在新的较低压力。
3）过热汽温一开始由于主汽流量的增加而下降，但由于过热器金属释放蓄热的补偿作用，汽温下降的并不多，最终主汽流量等于给水流量，且燃水比未发生变化，故过热汽温近似不变。
4）由于蒸汽流量急剧增加，功率也显著上升，这部分多发功率来自锅炉的蓄热，由于燃料量没有发生变化，功率有逐渐恢复的原来的水平。
4.2 燃料量M扰动
如图4（b）燃料量扰动是指燃料量、送风量、引风量同时变化的一种扰动：
1）由于给水流量保持不变，因此主汽流量最终仍保持原来的数值。但由于燃料量的增加而导致加热段和蒸发段缩短，锅炉中贮水量减少，因此主汽流量在燃料量扰动后经过一段时间的延迟会有一个上升的过程。
2）主汽压力在短暂的延迟后逐渐上升，最后稳定在较高的水平。最初的上升是由于主汽流量的增大，随后保持在较高的水平是由于过热汽温的升高，蒸汽容积流量增大，而汽机调速阀开度不变，流动阻力增大所致。
3）过热汽温一开始由于主汽流量的增加而略有下降，然后由于燃料量的增加而稳定在较高的水平。
4.3 给水流量W的扰动
1）随着给水流量的增加，主汽流量也会增大。但由于燃料量不变，加热段和蒸发段都要延长。在最初阶段，主汽流量只是逐步上升，在最终稳定状态，主汽流量必将等于给水流量，稳定在新的平衡点。
2）主汽压力开始随着主汽流量的增加而增加，然后由于过热温的下降而有所回落。
3）过热汽温经过一段较长时间的延迟后单调下降直至稳定在较低的数值。
4）功率最初由于蒸汽流量的增加而增加，随后则由于气温降低而减少。因为燃料量未变，所以最终的功率基本不变，只是由于蒸汽参数的下降而稍低于原有水平。
5 结束语
负荷扰动时，能保持给水流量不变，就能减小对过热汽温的影响。单独改变燃料量或给水流量时，对过热汽温、主蒸汽压力和蒸汽流量都有显著影响，尤其是对汽温的影响更加突出。虽然过热汽温对燃料量或给水流量的动态响应都很慢，但过热汽温对给水流量的动态响应还是快于对燃料量的动态响应。因此，变负荷过程中，应注意保持给水量与燃料量的协调动作。
参考文献：
[1] 刘禾，火电厂热工自动控制技术及应用[M].北京：，中国电力出版社，2009。
[2] 翁维勤，周庆海过程控制及工程[M].北京：化学工业出版社，2002.
论文作者:郑来旭
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/4
标签：流量论文; 燃料论文; 锅炉论文; 蒸汽论文; 超临界论文; 压力论文; 机组论文; 《电力设备》2018年第28期论文;