（神华国能山西河曲发电有限公司 山西河曲 036500）
摘要：以国能山西河曲电厂二期600MW超临界直流炉机组为例，，设计了实用的控制策略，采用以机组负荷前馈为核心多种前馈并行加压力反馈修正的控制策略，有效的防止过热度和主蒸汽压力失调，后期对协调控制系统多次进行了整定和优化，协调控制策略优化后进行负荷变动实验，取得了良好的控制效果。
关键词：超临界机组；协调控制；水煤比
近年来我国新建机组中大容量超临界单元机组日益增多，600MW超临界机组已经成为电力系统的主力机组。超临界锅炉是指过热器出口主蒸汽压力超过22.12 MPa、主蒸汽温度超过374.15℃的锅炉。理论上认为，在水的状态达到临界点时，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，二者的各项参数不再有区别。由于在临界参数下汽水密度相等，在超临界压力下无法维持自然循环，因此超临界锅炉必须是直流锅炉。由于超临界机组没有汽包、蒸发区容积小导致蓄热能力差，因此较亚临界机组相比对于外界的扰动更为敏感；超临界机组工作时加热区、蒸发区、过热区之间的界限并非固定不变，较长的汽水管线造成了机组的迟延时间和惯性较大；超临界机组主要输出量为主汽温度、主汽压力、机组负荷，主要输入量为给水量、给煤量、汽机阀位指令。超临界机组的直流运行特性、多输入多输出、对参数扰动敏感、大惯性的控制特点对机组的协调控制提出了更高的要求。
一、机组及系统
山西河曲电厂采用的锅炉为哈尔滨锅炉厂生产的超临界参数变压直流炉、螺旋管水冷壁、一次中间再热、墙式切圆燃烧、平衡通风、紧身封闭、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。汽轮机为东方汽轮机厂生产的600MW超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽直接空冷、凝汽式汽轮机。发电机为东方电机股份有限公司制造。机组的监视与控制系统由南京西门子电站自动化有限公司提供的分散控制系统SPPA-T3000系统来实现。单元机组配备直吹式双进双出钢球磨煤机六台、通过调节磨煤机容量风门开度来达到调节进入炉膛的煤量；配置 2台 50%容量汽动给水泵，每台泵均配有同容量的前置泵。协调通过控制给水泵汽轮机转速来来达到控制给水量的目的。
二、协调控制策略
协调控制系统的设计原则是将汽轮机和锅炉作为整体来控制，通过前馈、反馈等控制机理的结合，调整机组的主要参数，保证机组具有快速负荷相应能力，维持机组的安全稳定运行。协调系统能根据电网的负荷要求和机组运行状态决定送风量、给水量、给煤量等。机组负荷主控能接收AGC发出的指令，通过功率设定、速率设定生成机组的主指令送至锅炉主控、汽机主控、压力设定、风量设定。而锅炉主控和汽机主控都可以进行主汽压力和负荷的调节。当两者都在自动方式下为协调模式，其中锅炉主控在自动方式下调节主汽压力、汽机主控在手动方式下调节机组负荷为锅炉跟随模式；山西河曲电厂采用以锅炉跟随为基础的协调控制方式，锅炉主控在自动方式下调节压力、汽机主控在自动方式下调节负荷。
在超临界机组控制策略中给水控制是难点，其中水煤比控制是整改控制的核心。亚临界汽包炉把汽包水位作为给水控制的核心，有个明确的参考量，超临界机组的蒸发点不固定，但是分离器出口温度既可以迅速反映燃水比和煤质的变化，又能及时反映出汽温的变化，所以用分离器出口作为温度监视点，又称为中间点温度。保证该点温度有合适的过热度是超临界机组协调控制的重要任务。山西河曲电厂采用以负荷指令为核心的并行前馈控制策略。
1、主蒸汽压力设定回路
图1中产生定压运行和滑压运行两种方式下主汽压力的设定值，回路中有压力设定偏置，可以小幅度手动增减压力设定值。河曲电厂二期超临界机组在30%~90%负荷范围内滑压，在较低和较高的负荷下定压运行。
在滑压运行方式，总的负荷指令的变化导致了压力设定的变化。由于蒸汽量的产生需要一个过程，因此实际压力的变化也需要一个过程，为了实现压力设定值的变化过程应该和实际蒸汽量产生的过程相匹配，逻辑中经负荷函数的输出加若干个惯性环节产生压力设定值，其中惯性时间为蒸汽量产生时间和从汽压产生到产生负荷的延迟时间。河曲电厂二期超临界机组在低负荷定压运行的最小压力是8.73MPa，高负荷定压运行时的最高值为24.2MPa。在中间负荷范围内，滑压函数的输出与负荷呈比例关系。
2、锅炉主控回路
锅炉主控的输出=机组负荷静态前馈+机组负荷及压力的动态前馈+主汽压力PID调节器的修正，即机组负荷指令作为核心，当负荷发生变化时，根据负荷函数使进入炉膛的物料迅速到达基准值，压力PID调节器是根据压力偏差判断出进入炉膛的物料的偏差从而得出的对于机组负荷指令的一个修正。压力调节器的积分时间、比例系数均为可根据负荷的变化而变化。由机组负荷指令、压力偏差、压力设定值的微分组成一个综合的动态补偿信号叠加在锅炉主控前馈上，在变负荷时根据锅炉的蓄放热过程进行动态补偿，从而提高机组动态响应负荷变化的能力。以机组负荷前馈为核心多种前馈并行加压力反馈修正的控制策略可以有效的保持机组协调系统的稳定。
3、汽机主控回路
机组实际负荷和机组负荷主控指令送至汽机主控，汽机主控的按照负荷偏差控制汽机调门的开度，保证机组生成负荷的准确。当汽机负荷变化时，机前主汽压力也会发生变化，若机前压力偏差较小，则主汽压力的偏差不参与调节，只有当主汽压力的偏差大于一定值时，主汽压力偏差才参与调节，使机组生成负荷不会产生较大的偏差。汽机主控输出指令到DEH控制汽机调门开度。
4、燃料主控回路
燃料主控=锅炉主控静态前馈+总燃料量的PID调节器修正+负荷压力动态前馈。
锅炉主控指令反映机组对燃料量的实际需求，其中静态前馈表示锅炉主控对燃料的基本需求，总燃料量为进入炉膛的实际煤量，负荷压力动态前馈可以在负荷变化时及时调节煤量。但是由于河曲电厂二期超临界机组配置的双进双出钢球磨煤机无法精确称重进入炉膛的煤量，因此通过测量每台磨煤机的容量风量来模拟进入炉膛的煤量。中速磨可以通过称重式给煤机精确称出进入炉膛的煤量，而双进双出钢球磨煤机罐体能够储存大量的煤粉，容量风携带研磨好的煤粉进入炉膛，由于容量风的直管道较短容易无法满足风量测点安装，因此如何精确测量容量风成为该类型磨煤机的难点，另外一次风作为煤粉的载体，一次风压的大小成为容量风携带煤粉能力的决定因素。因此一次风压的调节和容量风的测量成为燃料调节的重点。
5、给水指令生成回路
给水指令有以下部分组成：锅炉主控指令经函数和惯性延迟作为静态前馈保证机组需要的基本的给水量；水煤比主控输出作为中间点温度的修正参与给水指令，保证主蒸汽有一定的过热度；负荷压力动态前馈保证机组负荷或者压力变化时给水及时相应；给水设定偏置和过热度偏置保证非正常工况下能够人工干预。其中水煤比主控设定函数由汽水分离器出口压力生成。该函数可以保证中间点温度与饱和蒸汽温度相比有一定的过热度。四个分离器出口温度的最大值作为中间点温度。这种以燃料为主的水跟煤控制策略不利于主蒸汽压力的控制，但有利于主蒸汽温度的控制。
6、总风量调节回路
负荷指令经函数和总燃料量信号经大值选择后作为总风量指令，由氧量校正回路生成的信号修正后形成指令，两个函数的设定可以保证任何工况下风量一定大于给煤量，实际总风量由送风量和一次风量组成。
在协调模式下锅炉主控、水煤比主控和汽机主控中的积分时间随负荷的变化而变化，提高系统对负荷的相应速度。由于超临界锅炉没有汽包，蓄热小，因此需要减少PID的作用，负荷指令静态前馈要占到85%的比重，而PID调节输出尽量控制在15%以内。超临界机组的特性比较适用于大幅度升降负荷的工况，对于小范围频繁波动的负荷例如机组投ACE模式时接收的调度指令，亚临界的汽包炉很适合，因为在短时间的波动充分利用锅炉蓄热即可满足。
三、应用效果
河曲电厂协调逻辑优化完成后做了多次不同负荷段的实验，3号机组的实验结果表明系统的调节品质良好，能满足机组的变负荷要求。该实验在60%～100% MCR正常工况下进行，负荷变动范围为10%Pe。
如下图所示，当负荷变化率为9MW/min，机组负荷及运行参数稳定后，负荷由532MW降到406MW。观察负荷响应情况并记录机组负荷各参数变化曲线。
四、结束语
水和煤的配比是超临界直流机组的难点，关系到整个协调控制的调节品质，由于超临界直流炉机组的控制对象具有多变量、强耦合、大迟延的特性，只有在协调控制系统设计中全局考虑、反复优化、合理使用动态前馈、静态前馈、惯性迟延和变参数，速响应负荷需求和保证机组稳定运行，以上方案已在河曲电厂二期超临界机组上成功应用，并取得良好的控制效果。
论文作者:王巍,张聪聪
论文发表刊物:《电力设备》2015年4期供稿
论文发表时间:2015/12/4
标签：机组论文; 负荷论文; 压力论文; 锅炉论文; 汽机论文; 超临界论文; 指令论文; 《电力设备》2015年4期供稿论文;