660 MW超超临界机组过热汽温控制策略分析

古 郁

(中电国际芜湖发电厂，安徽 芜湖 241009)

0 引言

汽温和汽压是超超临界机组控制的难点，尤其是汽温控制。过热器出口汽温的控制主要是由给水控制系统通过调节给水量，制粉系统协调给煤量以一定的煤水之比来达到汽机进口的流量及温度要求，而减温喷水可以补偿局部的热量和工质分配的不平衡，改变瞬态过热汽温。对过热汽温调节方法的基本要求是:调节惯性小、可调范围大，对循环热效率影响小［1］。

中电国际芜湖发电厂五期工程1#、2#锅炉(以下简称中电芜湖)是北京 B＆W公司设计的国内首台660 MW超超临界锅炉，按美国B＆W公司SWUP锅炉技术标准设计。

本文以该工程过热汽温控制策略为出发点，介绍实际工程中的控制方法，解决汽温控制上的大惯性、大迟延问题，并在实际应用中对控制策略进行优化改进。

1 中间点控制

1.1 煤水比

在亚临界至超(超)临界压力转变过程中，临界压力工况点附近存在着最大比热容区，直流锅炉工质定压比热容变得很大，工质温度随焓值的变化很不敏感，动态特性差异非常显著［2］。因此，过热汽温控制需要将提供快速动态响应的减温喷水与提供稳态汽温调整的煤水比协调起来，利用各自在汽温调整上的优势，获得整体汽温调整和响应性能的最优。煤水比调整是保持汽温的最终手段，但存在迟延大的缺点。

煤水比控制方式主要有两种:稳燃调水和稳水调燃。前者改变过热汽温快，但将会引起负荷波动;后者改变过热汽温慢，但负荷控制精确。

在稳定工况下，当锅炉给水量从G0变化到G1，对应的燃料量B0变化到B1时，过热器出口焓值的变化量可写为［2］:

由式(1)可计算出煤水比变化对汽温的影响。当直流锅炉的燃料量与给水量不相适应时，出口汽温将发生剧烈变化。实际运行中，为维持额定汽温，必须严格控制煤水比。

1.2 焓值控制策略

中电芜湖锅炉煤水比控制是基于中间点焓值。目前国内超(超)临界机组的实际使用中，采用焓值控制的不多。焓值控制具有对煤水比失配反应快、系统校正迅速的优点。焓物理概念明确，焓值代表了过热蒸汽的做功能力，随工况改变焓给定值不但有利于负荷控制，而且也能实现过热汽温(粗)调整［3－5］。焓值控制策略的关键点就是对过热器入口焓的设定。

1.2.1 过热器入口焓的设定

过热器入口焓设定值与分离器(储水箱)出口压力密切相关。分离器出口压力代表负荷，也代表过热器入口过热度的要求成分，最终的焓控设定值必须保证在最大和最小焓值之间。

①分离器出口(储水箱)压力分别经过3个F(X)函数发生器，得出最大(Hmax)、最小(Hmin)和基准焓值(Hnorm)。分离器出口压力与分离器出口压力经一阶惯性环节后的值进行大选，分别经过2个F(X)函数发生器，得出高1、高2这2个值。焓值生成回路如图1所示。

图1 焓值生成回路Fig.1 Enthalpy value generating loop

②分离器出口温度高1值减去分离器出口温度，经系数修正后，与“锅炉指令反馈算出的总的减温水流量与实际的减温水流量的差值”进行小选，而后送到焓值修正的PI调节器。该调节器的输出值即为焓控设定值的修正值。基准焓值和“焓设定值的修正值”相叠加后，可得到正常工况时的焓设定值。焓修正值生成回路如图2所示。

图2 焓修正值生成回路Fig.2 Enthalpy correction loop

当发生分离器出口温度高高或机组在非直流方式下运行10 min以及开始降负荷等异常工况时，焓控的设定值切到最小的焓值，从而迅速增加给水，强制抑制水冷壁管温度上升，随后通过动态环节，逐渐将焓设定值恢复至正常。异常工况焓值系统框图如图3所示。

图3 异常工况焓值系统框图Fig.3 Enthalpy value system under abnormal condition

焓控的设定值与过热器入口焓相减后，得到偏差信号，送到焓控PI调节器，得到焓值控制器输出。正常时焓控的设定值减去给水的焓，可得出省煤器到分离器处的实际焓增。省煤器到分离器处的实际焓增是对给水指令中的静态前馈部分的修正，静态前馈部分确定了锅炉负荷指令与给水流量之间的比值。该比值还应根据实际情况作必要的修正。如当加热器未投用时，水冷壁入口的给水焓值显然会偏低。为确保主汽温度，应适当减小稳态的给水流量，故设计了根据给水入口焓对静态给水前馈指令的修正回路。

1.2.2 焓控制器和温度控制器界限

蒸汽温度控制要求建立正确的燃料与给水比例，焓修整控制器通过对分离器出口目标焓值进行修正，使一级减温器的温降达到目标值。如果主蒸汽温度偏离整定值，则实测的分离器出口焓值会偏离目标值;如果在运行中实测焓值超过初始设定焓值(目标焓值)±450 kJ/kg时，则首先调整初始设定焓值(目标焓值)，使其处于实测值的±450 kJ/kg之内，即目标焓值达到“目标焓值控制界限”内时，再进行焓修正控制。焓控制器和温度控制器界限如图4所示。

图4 焓控制器和温度控制器界限Fig.4 Limits of enthalpy controller and temperature controller

为了防止大的波动，焓的修正每次以100 kJ/kg为一个单位进行，如当实测分离器出口焓值比目标焓值大440 kJ/kg时，第一步先将分离器出口焓值减去100 kJ/kg(这时实测焓值只比目标焓值高340 kJ/kg)，待煤水比稳定后再将分离器出口焓值减去100 kJ/kg(这时实测焓值只比目标焓值高240 kJ/kg)。依此类推，最后焓差不足100 kJ/kg时，就直接修正至目标值，通过煤水比的调节使第一级减温器的温降恢复至其目标值。

同理，当实测分离器出口焓值低于目标焓值时，则分离器出口焓值进行正(加)的修正，通过煤水比的调节使第一级减温器的温降恢复至其目标值。值得注意的是，为了保证分离器出口具有一定的过热度，当进入炉膛的流量大于炉膛最小给水流量+682 t/h时，才允许对分离器出口焓值进行负(减)的修正。

2 喷水减温控制

采用喷水减温能改变瞬态过热汽温，是对过热汽温的一种细调整手段［6］。末级过热器出口汽温控制分两个运行区间:一个是湿态运行区，一个是直流运行区。湿态运行发生在机组启动期间，此时通过炉膛的水流量大于通过过热器的蒸汽流量，多余的水被收集在贮水箱中。当通过炉膛的工质全部进入过热器时，锅炉进入直流运行区，此时，除了要控制末级过热器的出口汽温外，还要防止每个过热器管组入口进入饱和状态。

在超超临界燃煤锅炉中，通常使用三级喷水控制来提高可控性，可防备汽水分离器、水冷壁和过热器上较大的温度变化以及煤种引起的过热器特性变化。

第一级喷水减温只能作为主汽温度的粗调节装置，但能有效地控制分隔屏式过热器进口温度参数，保证屏式过热器管壁的温度不超过允许值。主蒸汽温度偏差信号主要用于第三级减温器，这是因为第三级减温器对主汽温度的控制最灵敏［7－9］。

若锅炉超出力运行，必须注意锅炉各段受热面的温度水平，并适当调节减温水量，防止管壁过热。中电芜湖锅炉过热器设置了三级减温(共6点)。三级减温器控制框图如图5所示。

图5 三级减温器控制框图Fig.5 Block diagram of the 3-stage de-super-heater control

过热汽温减温控制一般设计为二阶超前/滞后PID串级控制系统［10］。中电芜湖锅炉减温控制不是由传统的串联控制器组成的，而是由2个并联的子回路组成以改进控制(基于前馈+单回路控制)。第一个子回路提供本级减温器出口汽温控制，其整定值是经与机组负荷有关的本级过热器管组时间相应函数延迟后得到的本级减温器出口汽温。第二个子回路控制实测本级过热器出口汽温与其整定值的比较，其偏差再加上一个与负荷有关的本级过热器出口汽温变化率的修正。本级过热器进口汽温需求值要经过锅炉负荷变化时过烧量或欠烧量的瞬态修正，以考虑温度的瞬态变化。将本级过热器出口汽温偏差乘以本级过热器出口蒸汽比热与进口蒸汽比热的比值，并换算成本级过热器进口汽温偏差。该比值即为末级过热器出口蒸汽压力的函数。

系统在滑压运行时，比例加积分控制器的增益需作为机组负荷的函数而变化。如果一级过热器出口的温度值超过了该负荷对应的一级过热器出口的最大温度限值，则温度控制器将优先降低分离器出口的温度整定值，而不是像正常情况下那样去维持一级减温器的温降。

3 优化控制策略

中电芜湖锅炉试运期间，根据机组实际运行工况，对汽温控制策略作出相应调整。

①增设前馈信号作为PI调节器的设定值。该前馈信号为前级喷水调节阀开度指令或前级减温喷水量对本级喷水影响权重。

②为控制过热汽温，在水控制回路中设计了ΔT控制器。ΔT控制器将一级减温器前温度设计值与测量值进行比较，得到分离器出口蒸汽焓设定的修正值，进入焓值调节器与实际的蒸汽焓进行偏差运算，输出作为省煤器出口到分离器出口单位工质焓增的修正值。修正的分离器出口蒸汽焓设定值减去省煤器出口实际焓值，即得到省煤器出口到分离器出口单位工质焓增的基本值，基本值与修正值之和作为单位工质在此段内的最终焓增。在画面增加ΔT控制器显示，更有利于运行人员操作。

4 过热汽温控制效果

经过机组调试和正常运行过程中对过热汽温控制策略的修改和控制参数的调整，汽温、中间点焓值都控制在设定范围之内。经过对运行参数的分析，在大负荷范围和高负荷变化速率的工况下，过热汽温都能及时调整，克服了大惯性和大延迟缺点，满足机组安全运行的需要。期间焓值最大动态偏差为72 kJ/kg，一级减温前汽温最大动态偏差为4 K，末级过热汽温始终控制在可调范围内。

5 结束语

中电芜湖锅炉采用基于中间点焓值校正给水自动控制系统，确保分离器出口(过热器进口)的焓值等于给定值，减温喷水没有采用常规的串级调节系统，而采用基于与锅炉响应特性匹配的前馈控制，克服了过热汽温大惯性和大迟延的问题。过热汽温控制要协调好煤水比控制和减温喷水之间的相互作用，使得燃料量、给水量和蒸发量等呈比例的调节，确保机组安全运行。

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