【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 門開(kāi)度擾動(dòng)（圖 23a）汽機(jī)擾動(dòng)對(duì)鍋爐是一種負(fù)荷擾動(dòng)，對(duì)超臨界機(jī)組的影響具有典型的耦合特性：汽機(jī)調(diào)門開(kāi)度變化不僅影響了鍋爐出口的壓力，還影響了汽水流程的加熱段，導(dǎo)致了溫度的變化。1) 主汽流量迅速增加，隨著主汽壓力的下降而逐漸下降直至等于給水流量。2) 主汽壓力迅速下降，隨著主汽流量和給水流量逐步接近，主汽壓力的下降速度逐漸減直至穩(wěn)定在新的較低壓力。3) 過(guò)熱汽溫一開(kāi)始由于主汽流量的增加而下降，但由于過(guò)熱器金屬釋放蓄熱的補(bǔ)償作用，汽溫下降的并不多，最終主汽流量等于給水流量，且燃水比未發(fā)生變化，故過(guò)熱汽溫近似不變。4) 由于蒸汽流量急劇增加，功率也顯著上升，這部分多發(fā)功率來(lái)自鍋爐的蓄熱，由于燃料量沒(méi)有發(fā)生變化，功率有逐漸恢復(fù)到原來(lái)的水平。2. 燃料量擾動(dòng)（圖23b）燃料量擾動(dòng)是指燃料量、送風(fēng)量、引風(fēng)量同時(shí)變化的一種擾動(dòng)。1) 由于給水流量保持不變，因此主汽流量最終仍保持原來(lái)的數(shù)值。但由于燃料量的增加而導(dǎo)致加熱段和蒸發(fā)段縮短，鍋爐中貯水量減少，因此主汽流量在燃料量擾動(dòng)后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延遲會(huì)有一個(gè)上升的過(guò)程。2) 主汽壓力在短暫的延遲后逐漸上升，最后穩(wěn)定在較高的水平。最初的上升是由于主汽流量的增大，隨后保持在較高的水平是由于過(guò)熱汽溫的升高，蒸汽容積流量增大，而汽機(jī)調(diào)速閥開(kāi)度不變，流動(dòng)阻力增大所致。3) 過(guò)熱汽溫一開(kāi)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穩(wěn)定在較高的水平。4) 功率最初的上升是由于主汽流量的增加，隨后的上升是由于過(guò)熱汽溫（新汽焓）的增加。3. 給水流量的擾動(dòng)（圖23c）1) 隨著給水流量的增加，主汽流量也會(huì)增大。但由于燃料量不變，加熱段和蒸發(fā)段都要延長(zhǎng)。在最初階段，主汽流量只是逐步上升，在最終穩(wěn)定狀態(tài)，主汽流量必將等于給水流量，穩(wěn)定在新的平衡點(diǎn)。2) 主汽壓力開(kāi)始隨著主汽流量的增加而增加，然后由于過(guò)熱溫的下降而有所回落。3) 過(guò)熱汽溫經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)時(shí)間的延遲后單調(diào)下降直至穩(wěn)定在較低的數(shù)值。4) 功率最初由于蒸汽流量的增加而增加，隨后則由于氣溫降低而減少。因?yàn)槿剂狭?0未變，所以最終的功率基本不變，只是由于蒸汽參數(shù)的下降而稍低于原有水平。 超臨界機(jī)組的控制特點(diǎn) 汽包鍋爐的控制特點(diǎn)汽泡鍋爐的汽水行程中，汽包將鍋爐受熱面分割為加熱，蒸發(fā)和過(guò)熱三段。汽包在運(yùn)行中除作為汽水分離器外，還作為燃水比失調(diào)的反沖器。當(dāng)燃水比失去平衡關(guān)系時(shí)，利用汽包中的存水和空間容積暫時(shí)維持鍋爐的工質(zhì)平衡關(guān)系，以保持各段受熱面積不變。因此，當(dāng)我們用汽包水位H、過(guò)熱汽溫T和主汽壓P T來(lái)表示汽包鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，與3個(gè)主要控制量（給水流量W、減溫水流量W J和燃料量M）之間的關(guān)系如下：可見(jiàn)，上式中的傳遞函數(shù)為上三角陣，由此也說(shuō)明汽包鍋爐給水、汽溫和汽壓控制可采用單變量系統(tǒng)的分析方法，設(shè)計(jì)相應(yīng)的較為獨(dú)立的控制系統(tǒng)。 超臨界鍋爐的控制特點(diǎn)在直流爐中給水變成過(guò)熱蒸汽是一次性完成的，見(jiàn)圖22，因此鍋爐的蒸發(fā)量D不僅決定于燃料量M， 同時(shí)也決定于給水流量W。因此，超臨界機(jī)組的負(fù)荷控制是與給水控制和燃料量控制密切相關(guān)而不可分的。當(dāng)給水量和燃燒率的比例改變時(shí)，直流爐的各個(gè)受熱面的分界就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致過(guò)熱汽溫發(fā)生劇烈的變化。根據(jù)上述超臨界機(jī)組的靜、動(dòng)態(tài)特性分析，表征超臨界機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的三個(gè)重要參數(shù)（主汽壓力P T、微過(guò)熱汽溫T sl和過(guò)熱汽溫T）與三個(gè)相應(yīng)的控制量（燃料量M、給水流量W和減溫水流量W J）之間的矩陣方程可表示如下：由此可見(jiàn)，主汽壓力與微過(guò)熱汽溫構(gòu)成多變量相關(guān)被控對(duì)象，而減溫水流量對(duì)主汽壓力與微過(guò)熱汽溫沒(méi)有直接的影響，因此在維持燃水比的前提下，減溫水控制可按單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。綜上所述，超臨界機(jī)組有以下控制特點(diǎn)：1. 超臨界機(jī)組是一個(gè)多輸入、多輸出的被控對(duì)象，輸入量為給水量、燃料量、汽機(jī)調(diào)門開(kāi)度，輸出量為汽溫、汽壓和蒸汽流量；2. 負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，主汽壓力反應(yīng)快，可作為被調(diào)量；3. 超臨界機(jī)組工作時(shí)，其加熱區(qū)、蒸發(fā)區(qū)和過(guò)熱區(qū)之間無(wú)固定的界限，汽溫、燃燒、11給水相互關(guān)聯(lián)，尤其是燃水比不相適應(yīng)時(shí)，汽溫將會(huì)有顯著的變化，為使汽溫變化較小，要保持燃燒和給水量的適當(dāng)比例；4. 從動(dòng)態(tài)特性來(lái)看，微過(guò)熱汽溫能迅速反應(yīng)過(guò)熱汽溫的變化，因此可以將該信號(hào)來(lái)判斷給水和燃燒率是否失調(diào)；5. 超臨界機(jī)組的蓄熱系數(shù)小對(duì)壓力控制不利，但有利于迅速改變鍋爐負(fù)荷，適應(yīng)電網(wǎng)尖峰負(fù)荷的能力強(qiáng)。 超臨界直流爐和汽包爐控制系統(tǒng)比較超臨界機(jī)組與汽包爐機(jī)組的控制任務(wù)相同，即在能夠承受的限度內(nèi)，機(jī)組的發(fā)電負(fù)荷對(duì)指令的響應(yīng)速度最快，同時(shí)協(xié)調(diào)鍋爐與汽輪發(fā)電機(jī)間的運(yùn)行，使鍋爐的熱量輸入與電能輸出相平衡，保持鍋爐各輸入，如燃料、風(fēng)和水之間的匹配關(guān)系。為完成上述機(jī)組控制任務(wù)，機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)做到：最大限度利用蓄能，具有快速響應(yīng)的發(fā)電負(fù)荷控制，發(fā)電負(fù)荷控制與鍋爐控制解耦，在所有工況下，鍋爐指令都基于汽機(jī)的能量需求，保證鍋爐與汽機(jī)相協(xié)調(diào) [6]。直接能量平衡（DEB）控制策略在汽包鍋爐機(jī)組應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的性能。實(shí)際上，DEB控制策略最初是用于直流爐機(jī)組控制的，但直流爐機(jī)組DEB控制策略還需就以下問(wèn)題進(jìn)一步的研究和完善。1. 熱量度量，基于準(zhǔn)確熱量度量的鍋爐輸入熱量和汽機(jī)需求信號(hào)的直接平衡是DEB良好控制性能的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確的熱量信號(hào)只反映鍋爐的能量輸入、對(duì)汽機(jī)調(diào)門開(kāi)度變化是解耦的。而直流爐由于蓄熱呈分布特性、無(wú)類似汽包的相對(duì)集中蓄熱，簡(jiǎn)便的熱量度量難以求取。直流爐這一重要信號(hào)缺失給解除機(jī)爐間的耦合、協(xié)調(diào)鍋爐與汽機(jī)間的控制作用、發(fā)熱量校正和燃水比校正都帶來(lái)困難。2. 蓄熱量小，不能滿足應(yīng)快速響應(yīng)的發(fā)電負(fù)荷控制的需要?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)最大限度地利用直流爐能快速改變鍋爐蒸汽負(fù)荷的能力，以補(bǔ)償相對(duì)其相對(duì)較低的蓄熱量，這在很大程度上取決于鍋爐前饋信號(hào)選擇和形式。另一方面，應(yīng)有完善的實(shí)時(shí)監(jiān)視鍋爐跟蹤負(fù)荷的能力，以鍋爐實(shí)際能力為限改變機(jī)組負(fù)荷。3. 嚴(yán)重非線性耦合的解除。應(yīng)在深入分析超臨界機(jī)組過(guò)程機(jī)理的基礎(chǔ)上找出各參量間相互影響關(guān)系，減弱或消除不利的耦合。 超臨界鍋爐的控制任務(wù)超臨界直流鍋爐主要輸出量為汽溫、汽壓和蒸汽流量（負(fù)荷），主要輸入量是給水量、燃燒率和汽機(jī)調(diào)門開(kāi)度如圖24 所示。由于是強(qiáng)制循環(huán)且受熱區(qū)段之間無(wú)固定界限，一種輸入量擾動(dòng)則將對(duì)各輸出量產(chǎn)生影響，如單獨(dú)改變給水量或燃料量，不僅影響主汽壓與蒸汽流量，過(guò)熱器出口汽溫也會(huì)產(chǎn)生顯著的變化，所以比值控制（如給水量/蒸汽量、燃料量/給水量及噴水量/給水量等）和變定值、變參數(shù)調(diào)節(jié)是直流鍋爐的控制特點(diǎn)。超臨界機(jī)組的控制任務(wù)：1) 快速、準(zhǔn)確響應(yīng)負(fù)荷并維持主汽壓在一定的范圍內(nèi)，使鍋爐的蒸發(fā)量適應(yīng)負(fù)荷的需求；122) 維持過(guò)熱氣溫和再熱氣溫在一定的范圍內(nèi)；3) 維持燃燒的經(jīng)濟(jì)性；4) 維持爐膛負(fù)壓；圖 24 超臨界機(jī)組的輸入輸出 超臨界鍋爐的給水控制系統(tǒng) 鍋爐給水控制系統(tǒng)的主要任務(wù)超臨界發(fā)電機(jī)組沒(méi)有汽包，鍋爐給水控制系統(tǒng)的主要任務(wù)不再是控制汽包水位；而是以汽水分離器出口溫度或焓值作為表征量，保證給水量與燃料量的比例不變，滿足機(jī)組不同負(fù)荷下給水量的需求。當(dāng)給水量或燃料量擾動(dòng)時(shí)，汽水行程中各點(diǎn)工質(zhì)焓值的動(dòng)態(tài)特性相似；在鍋爐的燃水比保持不變時(shí)（工況穩(wěn)定），汽水行程中某點(diǎn)工質(zhì)的焓值保持不變，所以采用微過(guò)熱蒸汽焓代替該點(diǎn)溫度作為燃水比校正是可行的，其優(yōu)點(diǎn)在于：1) 分離器出口焓（中間點(diǎn)焓）值對(duì)燃水比失調(diào)的反應(yīng)快，系統(tǒng)校正迅速。2) 焓值代表了過(guò)熱蒸汽的做功能力，隨工況改變焓給定值不但有利于負(fù)荷控制，而且也能實(shí)現(xiàn)過(guò)熱汽溫（粗）調(diào)整。3) 焓值的物理概念明確，用“焓增”來(lái)分析各受熱面的吸熱分布更為科學(xué)。它不僅受溫度變化影響，還受壓力變化影響，在低負(fù)荷壓力升高時(shí)（分離器出口溫度有可能進(jìn)入飽和區(qū)），焓值的明顯變化有助于判斷，進(jìn)而能及時(shí)采取相應(yīng)措施。因此，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)燃水比值及隨負(fù)荷變化的焓值校正是超臨界直流鍋爐給水系統(tǒng)的主要控制特征。 鍋爐給水系統(tǒng)的工藝流程在鍋爐啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)（35%BMCR），分離器處于濕態(tài)運(yùn)行，分離器同汽包一樣13起著汽水分離的作用，此時(shí)適當(dāng)控制分離器水位，通過(guò)循環(huán)回收合格工質(zhì)。當(dāng)鍋爐進(jìn)入直流運(yùn)行階段時(shí)，分離器處于干態(tài)運(yùn)行，成為（過(guò)熱）蒸汽通道。一般機(jī)組配備有汽動(dòng)給水泵和電動(dòng)給水泵。在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)給水泵以最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，用其出口管道旁路上的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制給水流量。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷上升，給水流量加大時(shí)，由給水控制系統(tǒng)的信號(hào)控制給水泵的轉(zhuǎn)速，以調(diào)節(jié)給水流量，直至汽動(dòng)給水泵投入，停止電動(dòng)給水泵運(yùn)行，使其處于備用狀態(tài)。啟動(dòng)過(guò)程中，蒸汽加熱除氧器給水，主給水泵的出水分別經(jīng)三級(jí)高壓加熱器后進(jìn)入省煤器，考慮到低負(fù)荷下直流鍋爐對(duì)流速的要求，在啟動(dòng)和低負(fù)荷階段保證最小給水流量。流過(guò)水冷壁管的汽水混合物進(jìn)入分離器，分離器疏水分兩路，一路進(jìn)入除氧器，進(jìn)行合格工質(zhì)及熱量的回收；另一路經(jīng)擴(kuò)容器擴(kuò)容后進(jìn)入疏擴(kuò)箱，由擴(kuò)疏泵輸送至凝汽器或直接向外排放。隨著循環(huán)加熱的進(jìn)行，當(dāng)給水達(dá)到一定溫度后，鍋爐允許點(diǎn)火。給水系統(tǒng)按要求的流量、壓力和溫度供給鍋爐給水，以及向有關(guān)設(shè)備供給各種運(yùn)行工況所需要的減溫水，以保證機(jī)組的正常運(yùn)行。直流鍋爐的汽水系統(tǒng)如圖25。圖25 直流鍋爐的汽水系統(tǒng) 幾種常見(jiàn)的超臨界鍋爐給水控制方案簡(jiǎn)介 超臨界直流鍋爐燃水比控制燃水比就是燃料量與給水量的比值。通常，超臨界直流爐的運(yùn)行可以看作是一個(gè)多輸入、多輸出的被控對(duì)象，它的主要輸出量為蒸汽的溫度、壓力和流量(負(fù)荷)，主要輸14入量是給水量、燃燒率和汽機(jī)調(diào)門開(kāi)度。由于超臨界直流鍋爐采用強(qiáng)制循環(huán)而且受熱區(qū)段無(wú)固定界限，因此每一種輸入量的擾動(dòng)都將對(duì)各個(gè)輸出量產(chǎn)生作用，例如單獨(dú)改變給水量或燃料量，不僅影響主汽壓與蒸汽流量，還會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱器出口汽溫發(fā)生顯著變化，所以超臨界直流鍋爐都采用比值控制(如燃料量/給水量、噴水量/給水量、給水量/蒸汽量等)。和亞臨界汽包鍋爐相比，超臨界鍋爐給水控制系統(tǒng)的主要任務(wù)不再是控制汽包的水位，而是保證給水量和燃料量的比例，滿足機(jī)組不同負(fù)荷下給水量的要求。在鍋爐的運(yùn)行中燃水比不是恒定不變的，它隨著負(fù)荷的變化而改變： stfwiFWQ???式中: F———燃料量，t/h；W———給水量，t/h；ist———主蒸汽焓值，J/g；ifw———給水焓值，J/g；Q———燃料低位發(fā)熱量，J/g；η———鍋爐效率。又由于鍋爐給水溫度是隨負(fù)荷的增加而升高的，故 ifw也隨之升高，機(jī)組定壓運(yùn)行時(shí)主蒸汽溫度和壓力為定值，即 ist為一定值，Q 和 η 可視為常數(shù)，因此燃水比通常隨著負(fù)荷的升高而減少。燃水比的調(diào)節(jié)在超臨界機(jī)組的給水和過(guò)熱汽溫控制中起著重要的作用，但是由于燃水比變化時(shí)，過(guò)熱汽溫的響應(yīng)延時(shí)很長(zhǎng)，幾乎不能直接使用過(guò)熱汽溫作為燃水比的反饋信號(hào)，因此采用什么信號(hào)來(lái)更為快速和精確地反映燃水比的變化從而提高給水調(diào)節(jié)和汽溫調(diào)節(jié)的性能，一直是直流鍋爐控制中研究的熱點(diǎn)。反映燃水比的信號(hào)有加熱段水溫、微過(guò)熱汽溫、微過(guò)熱蒸汽焓值、最大熱容區(qū)工質(zhì)密度；反映燃料熱量的信號(hào)有煙氣溫度、火焰輻射溫度、爐膛內(nèi)蒸發(fā)段管外壁溫度、微過(guò)熱區(qū)熱信號(hào)和鍋爐出口熱量信號(hào)等，據(jù)此組合可以構(gòu)成十余種燃水比控制系統(tǒng)。其中煙氣溫度、火焰輻射溫度和爐膛內(nèi)蒸發(fā)段管外壁溫度對(duì)燃料量變化響應(yīng)很快，但很容易受煙氣再循環(huán)量的變化、爐膛受熱面結(jié)焦吹灰、火焰中心上下移動(dòng)等因素的干擾，準(zhǔn)確度較差；加熱段水溫度、微過(guò)熱氣溫、微過(guò)熱蒸汽焓值對(duì)燃料熱量和給水量響應(yīng)較慢，響應(yīng)時(shí)間常數(shù)達(dá) ～ min，隨負(fù)荷變