摘要：与传统汽包锅炉相比，直流锅炉缺少汽包的缓冲作用，锅炉给水系统直接与主汽温度、压力控制相关，因此超临界机组给水控制可以说是机组自动控制的核心部分，关系到整个电厂的安全稳定运行。本文首先分析了超临界机组直流锅炉特性，总结了超临界机组给水控制的特点和难点，介绍了直流锅炉给水控制的主要任务——严格控制“煤水比”。进一步分析了中间点温度和中间点焓值两种校正信号的优缺点之后，确定了双中间点温度补偿算法校正煤水比的设计思路。最后以某超临界机组为实例，给出了一套可行的给水控制系统设计方案。
关键词：超临界机组；给水控制；煤水比；双中间点
1引言
超临界机组是指锅炉过热器出口主蒸汽压力超过22.12MPa的汽轮发电机组。通过理论知识可知，在参数达到临界点时（22.12MPa、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不再有汽水共存二相区存在，二者参数将趋于相同，也是由于临界参数时汽水密度相同，因而造成在超临界压力下汽水无法维持像汽包锅炉一样的自然循环，所以直流锅炉成为唯一的选择。
直流锅炉的工作原理与汽包炉不同，在结构和运行方面也有其本身特点，直流炉只有在启动和低于30%负荷时具有汽水分离作用，即所谓的湿态运行。在直流炉转干态运行后，进入汽水分离器的工质已是微过热蒸汽，这是汽水分离器相当于一个混合器。由于机组启停时启动系统要经历不同的运行状态（湿态和干态），故须采用不同的控制方式且能进行平稳自动地切换。
超临界机组给水控制的另一个难点是燃水比的稳定控制，研究表明，燃水比变化1％，将使过热汽温变化8.10°C，如果燃水比失调，将会导致过热汽温大幅波动，而这时通过减温水很难将主汽温度调节的正常范围，而只能通过调节给水去调节减温水，而给水对减温水的影响存在相当大的惯性。很容易引起过热汽温摆动，造成过热器爆管。
2超临界机组对象特性
2.1超临界直流炉稳态特性
建立锅炉稳定状态下的一次工质热平衡方程式如下：
2.2中间点温度补偿算法
前文已经说明对于超临界直流炉，改变给水流量或燃料量都会对过热蒸汽温度、压力、蒸汽流量都会有很大影响，由（4）式可以估算出当当燃料量和给水量的比值偏差为10％时，过热汽温的变化可达100℃，可见燃料量和给水量的变化对直流锅炉过热汽温的影响很大。因此，为了保持一定的汽温，必须保证燃料、给水的匹配，即保持燃料量与给水流量之间的匹配关系：
由以上分析可以看出，保证燃料、给水比是维持过热汽温稳定的基础和关键，也是直流锅炉给水调节系统的一个最重要的目标和特征。
以中间点温度（分离器出口蒸汽温度）作为反馈信号，检验水煤比是否失调并加以矫正的方法称为中间点温度矫正自动控制系统。用煤水比控制中间点温度，可以降低主蒸汽温度调节滞后性，及时控制水冷壁工质温度，且温度线性变化，易于操作。但是在大比热区基于中间点温度的给水控制容易造成中间点温度过高，导致蒸汽超温。
以中间点焓值（分离器出口蒸汽焓值）作为反馈信号检验和矫正水煤比控制的方法称为中间点焓值矫正自动控制系统。这种方法控制的水煤比适配反应更快。焓值代表了过热蒸汽的做功能力，随工况改变焓给定值能实现过热汽温（粗）调整。分离器出口焓值与省煤器出口焓值的差值不仅受温度变化影响，还受压力变化影响，因而用焓增来分析各受热面的吸热分布更为合理。但焓值的测量不精确，计算不方便，设定值不易修改，其反映到给水量变化上是非线性的，不便于理解和操作。
基于中间点焓值和基于中间点温度给水控制各有优缺点，要在实际运行中不断优化给水控制策略，确保机组安全、稳定、经济运行。采用中间点焓值作为煤水比的校正信号，设定值只能间接计算，忽略了压损的影响，并且经过大量的修正，运算周期长，其滞后性抵消焓值反映快的优势，最终可能造成主蒸汽温度波动较大；采用中间点温度控制煤水比，能够及时控制水冷壁工质温度，防止传热恶化，且控制方便。基于此，本文提出基于双中间点的控制算法，取中间点焓值和中间点温度控制的优点，对给水进行控制优化。
3.控制策略设计
3.1 超临界机组给水控制过程
图3-1分析了超临界直流锅炉启动过程中各调节量变化引起给水控制方式的转变，锅炉给水控制逐渐由对汽水分离器的水位控制转变为温度控制。
图3-1直流锅炉湿态转干态时个调节量变化
在I阶段以前，按照冷态、温态及热态启动方式，顺序启动锅炉及相关辅机；分离器水位由疏水阀控制
Ⅰ阶段：省煤器入口的给水流量保持在启动给水流量35%BMCR；当燃料量逐渐增加时，随之产生的蒸汽流量也增加，从分离器下降管返回的水量逐渐减少，分离器入口湿蒸汽的焓值增加。
①点：分离器入口蒸汽干度达到1，饱和蒸汽流入分离器，此时没有水可以分离，锅炉给水流量热保持在启动给水流量的35%BMCR。
Ⅱ阶段：给水流量热保持不变，燃烧率持续增加，在分离器中的蒸汽逐渐由饱和温度变为过热。分离器出口实际温度此时仍低于设定值，温度控制还未起作用。此时增加的燃烧率不适用于产生新的蒸汽，而是用来提高直流锅炉运行方式所需的蒸汽蓄热。
②点：分离器出口的蒸汽温度达到设定值，进一步增加燃烧率，是温度超过设定值。
Ⅲ阶段：进一步增加燃烧率，同时给水流量也相应的增加，锅炉开始由定压运行转入滑压运行。企稳信号通过选大器，温度控制系统开始投入运行，分离器出口蒸汽温度由“燃水比”控制。锅炉正式转入干态运行（纯直流运行）。
3.2超临界机组给水控制方案实例
图3-2是直流锅炉的喷水减温示意图，显然我们这里控制的给水流量既包括省煤器入口给水流量W，也包括一、二级减温水流量Wj。锅炉总给水流量等于给水流量加上减温水流量减去分离器疏水量。我们通常通过改变锅炉总给水流量来改变给水流量W进而粗调汽温，改变减温水流量Wj进行过热汽温细调。因此锅炉给水的最小流量由过热器总喷水流量经函数发生器给出。
图3-2 直流锅炉的喷水减温示意图
图3-3为锅炉给水控制流量测量的逻辑图，可以看出用于给水控制的给水流量（80405）包括省煤器入口给水流量，一级减温水流量和二级减温水流量。
4模糊化处理
模糊控制器接收的是由A/D转换来的确切的数字偏差量，控制系统结构、被控对象及其控制系统的工作状态不同，偏差量的变化范围会有很大的不同，因此为了设计通用的模糊控制器，必须先把确切的偏差量的论域转化为确切的等级量论域，然后再把等级量论域转化为模糊量论域，同样，对于控制器的输出也必须进行该处理。
图3-3直流锅炉给水流量测量逻辑图
3.3 中间点温度校正与补偿
给水指令SP=给水基本指令+一级减温器前后温差校正+中间点温度校正（PID1的输出）给水基本指令。图3-4所示为锅炉给水控制流量设定值产生的SAMA图，整个图中分别设计两个PID控制器，分别标注为PID1和PID2。这是一个带有前馈的串级PID控制系统。
（1）给水主指令
锅炉主控指令通过函数发生器，通过“煤水比”计算需要相应的主给水流量目标值，这一流量信号为控制流量设定值的基础部分。
（2）一级减温器前后温差校正
在机组的运行过程中必须保证减温水／给水比例在一定的范围内，当减温水量值较高，可相应减少一定的给水流量，以便维持合理的过热度和主蒸汽温度；相反当增加一定的给水流量来遏制水冷壁的超温，即利用一级减温器前后温差来校正燃水比。
协调控制LDC信号经过函数运算后作为PID1的设定值输入控制器，另一输入信号为一级减温器A，B两侧入口与出口测量温度差的均值，因此PID1的输出为温度信号，这一信号同时可作为反映和控制减温水流量的修正信号。
（3）中间温度点校正
分离器出口饱和蒸汽压力信号经过函数计算可以得出分离器出口主蒸汽饱和温度设定值，进行中间点温度校准，确保适当的煤水比。与PID1的输出信号加成后作为PID2的设定值信号，PID2的另一输入信号为分离器出口温度监测信号，此时的控制方案要保证分离器出口蒸汽处于微过热状态，使一级喷水减温器进行主汽温度快速调节。
5.结束语
在对超（超）临界机组的自动控制中，机组的给水控制是核心部分，关系着整个机组的安全运行。在工业生产过程中，纯延迟时间f与时间常数T的比值大于0．3时，我们认为这样的生产过程是大延迟的生产过程。由于超（超）临界机组采用直流炉蓄热能力小的直流锅炉，锅炉内的工质蒸发一次性完成，尤其纯直流运行时锅炉给水基本全部变为蒸汽，因此直流锅炉的给水控制与燃烧量紧密相关，超临界机组给水控制的核心就在于严格控制“煤水比”。
在常见的煤水比校准控制策略中，分别有中间点温度和中间点焓值两种方案。经过仔细分析和比较之后，本文决定采用双中间点温度补偿。相较于中间点焓值，这种控制策略反应更为迅速，能及时控制水冷壁工质温度，易于操作和理解，实际应用性更强。本文基于某电厂的超临界机组设备模型，给出的设计方案为带有前馈的串级PID控制系统，同时通过减温器前后温差和分离器出口温度两个信号进行补偿，来确保正确的煤水比，取得了最优的控制效果。
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作者简介：
崔秀政（1983-），男，工程师，主研方向：人工智能控制、数字化电厂设计、网络化控制系统。E-mail：cuixiuzheng@snpdri.com
论文作者:崔秀政
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/29
标签：温度论文; 锅炉论文; 流量论文; 蒸汽论文; 机组论文; 分离器论文; 设定值论文; 《电力设备》2018年第29期论文;