【文章內(nèi)容簡介】 門開度擾動（圖 23a）汽機擾動對鍋爐是一種負荷擾動，對超臨界機組的影響具有典型的耦合特性：汽機調(diào)門開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) 過熱汽溫一開始由于主汽流量的增加而下降，但由于過熱器金屬釋放蓄熱的補償作用，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)功率來自鍋爐的蓄熱，由于燃料量沒有發(fā)生變化，功率有逐漸恢復到原來的水平。2. 燃料量擾動（圖23b）燃料量擾動是指燃料量、送風量、引風量同時變化的一種擾動。1) 由于給水流量保持不變，因此主汽流量最終仍保持原來的數(shù)值。但由于燃料量的增加而導致加熱段和蒸發(fā)段縮短，鍋爐中貯水量減少，因此主汽流量在燃料量擾動后經(jīng)過一段時間的延遲會有一個上升的過程。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熱汽溫的升高，蒸汽容積流量增大，而汽機調(diào)速閥開度不變，流動阻力增大所致。3) 過熱汽溫一開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熱汽溫（新汽焓）的增加。3. 給水流量的擾動（圖23c）1) 隨著給水流量的增加，主汽流量也會增大。但由于燃料量不變，加熱段和蒸發(fā)段都要延長。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。2) 主汽壓力開始隨著主汽流量的增加而增加，然后由于過熱溫的下降而有所回落。3) 過熱汽溫經(jīng)過一段較長時間的延遲后單調(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。因為燃料量10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。 超臨界機組的控制特點 汽包鍋爐的控制特點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)和過熱三段。汽包在運行中除作為汽水分離器外，還作為燃水比失調(diào)的反沖器。當燃水比失去平衡關系時，利用汽包中的存水和空間容積暫時維持鍋爐的工質(zhì)平衡關系，以保持各段受熱面積不變。因此，當我們用汽包水位H、過熱汽溫T和主汽壓P T來表示汽包鍋爐的運行狀態(tài)時，與3個主要控制量（給水流量W、減溫水流量W J和燃料量M）之間的關系如下：可見，上式中的傳遞函數(shù)為上三角陣，由此也說明汽包鍋爐給水、汽溫和汽壓控制可采用單變量系統(tǒng)的分析方法，設計相應的較為獨立的控制系統(tǒng)。 超臨界鍋爐的控制特點在直流爐中給水變成過熱蒸汽是一次性完成的，見圖22，因此鍋爐的蒸發(fā)量D不僅決定于燃料量M， 同時也決定于給水流量W。因此，超臨界機組的負荷控制是與給水控制和燃料量控制密切相關而不可分的。當給水量和燃燒率的比例改變時，直流爐的各個受熱面的分界就發(fā)生變化，從而導致過熱汽溫發(fā)生劇烈的變化。根據(jù)上述超臨界機組的靜、動態(tài)特性分析，表征超臨界機組運行狀態(tài)的三個重要參數(shù)（主汽壓力P T、微過熱汽溫T sl和過熱汽溫T）與三個相應的控制量（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，主汽壓力與微過熱汽溫構成多變量相關被控對象，而減溫水流量對主汽壓力與微過熱汽溫沒有直接的影響，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)設計。綜上所述，超臨界機組有以下控制特點：1. 超臨界機組是一個多輸入、多輸出的被控對象，輸入量為給水量、燃料量、汽機調(diào)門開度，輸出量為汽溫、汽壓和蒸汽流量；2. 負荷擾動時，主汽壓力反應快，可作為被調(diào)量；3. 超臨界機組工作時，其加熱區(qū)、蒸發(fā)區(qū)和過熱區(qū)之間無固定的界限，汽溫、燃燒、11給水相互關聯(lián)，尤其是燃水比不相適應時，汽溫將會有顯著的變化，為使汽溫變化較小，要保持燃燒和給水量的適當比例；4. 從動態(tài)特性來看，微過熱汽溫能迅速反應過熱汽溫的變化，因此可以將該信號來判斷給水和燃燒率是否失調(diào)；5. 超臨界機組的蓄熱系數(shù)小對壓力控制不利，但有利于迅速改變鍋爐負荷，適應電網(wǎng)尖峰負荷的能力強。 超臨界直流爐和汽包爐控制系統(tǒng)比較超臨界機組與汽包爐機組的控制任務相同，即在能夠承受的限度內(nèi)，機組的發(fā)電負荷對指令的響應速度最快，同時協(xié)調(diào)鍋爐與汽輪發(fā)電機間的運行，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、風和水之間的匹配關系。為完成上述機組控制任務，機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應做到：最大限度利用蓄能，具有快速響應的發(fā)電負荷控制，發(fā)電負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的能量需求，保證鍋爐與汽機相協(xié)調(diào) [6]。直接能量平衡（DEB）控制策略在汽包鍋爐機組應用中表現(xiàn)出良好的性能。實際上，DEB控制策略最初是用于直流爐機組控制的，但直流爐機組DEB控制策略還需就以下問題進一步的研究和完善。1. 熱量度量，基于準確熱量度量的鍋爐輸入熱量和汽機需求信號的直接平衡是DEB良好控制性能的基礎，準確的熱量信號只反映鍋爐的能量輸入、對汽機調(diào)門開度變化是解耦的。而直流爐由于蓄熱呈分布特性、無類似汽包的相對集中蓄熱，簡便的熱量度量難以求取。直流爐這一重要信號缺失給解除機爐間的耦合、協(xié)調(diào)鍋爐與汽機間的控制作用、發(fā)熱量校正和燃水比校正都帶來困難。2. 蓄熱量小，不能滿足應快速響應的發(fā)電負荷控制的需要。控制系統(tǒng)應最大限度地利用直流爐能快速改變鍋爐蒸汽負荷的能力，以補償相對其相對較低的蓄熱量，這在很大程度上取決于鍋爐前饋信號選擇和形式。另一方面，應有完善的實時監(jiān)視鍋爐跟蹤負荷的能力，以鍋爐實際能力為限改變機組負荷。3. 嚴重非線性耦合的解除。應在深入分析超臨界機組過程機理的基礎上找出各參量間相互影響關系，減弱或消除不利的耦合。 超臨界鍋爐的控制任務超臨界直流鍋爐主要輸出量為汽溫、汽壓和蒸汽流量（負荷），主要輸入量是給水量、燃燒率和汽機調(diào)門開度如圖24 所示。由于是強制循環(huán)且受熱區(qū)段之間無固定界限，一種輸入量擾動則將對各輸出量產(chǎn)生影響，如單獨改變給水量或燃料量，不僅影響主汽壓與蒸汽流量，過熱器出口汽溫也會產(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。超臨界機組的控制任務：1) 快速、準確響應負荷并維持主汽壓在一定的范圍內(nèi)，使鍋爐的蒸發(fā)量適應負荷的需求；122) 維持過熱氣溫和再熱氣溫在一定的范圍內(nèi)；3) 維持燃燒的經(jīng)濟性；4) 維持爐膛負壓；圖 24 超臨界機組的輸入輸出 超臨界鍋爐的給水控制系統(tǒng) 鍋爐給水控制系統(tǒng)的主要任務超臨界發(fā)電機組沒有汽包，鍋爐給水控制系統(tǒng)的主要任務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，滿足機組不同負荷下給水量的需求。當給水量或燃料量擾動時，汽水行程中各點工質(zhì)焓值的動態(tài)特性相似；在鍋爐的燃水比保持不變時（工況穩(wěn)定），汽水行程中某點工質(zhì)的焓值保持不變，所以采用微過熱蒸汽焓代替該點溫度作為燃水比校正是可行的，其優(yōu)點在于：1) 分離器出口焓（中間點焓）值對燃水比失調(diào)的反應快，系統(tǒng)校正迅速。2) 焓值代表了過熱蒸汽的做功能力，隨工況改變焓給定值不但有利于負荷控制，而且也能實現(xiàn)過熱汽溫（粗）調(diào)整。3) 焓值的物理概念明確，用“焓增”來分析各受熱面的吸熱分布更為科學。它不僅受溫度變化影響，還受壓力變化影響，在低負荷壓力升高時（分離器出口溫度有可能進入飽和區(qū)），焓值的明顯變化有助于判斷，進而能及時采取相應措施。因此，靜態(tài)和動態(tài)燃水比值及隨負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和低負荷運行時（35%BMCR），分離器處于濕態(tài)運行，分離器同汽包一樣13起著汽水分離的作用，此時適當控制分離器水位，通過循環(huán)回收合格工質(zhì)。當鍋爐進入直流運行階段時，分離器處于干態(tài)運行，成為（過熱）蒸汽通道。一般機組配備有汽動給水泵和電動給水泵。在機組啟動時，電動給水泵以最低轉速運行，用其出口管道旁路上的氣動調(diào)節(jié)閥控制給水流量。當機組負荷上升，給水流量加大時，由給水控制系統(tǒng)的信號控制給水泵的轉速，以調(diào)節(jié)給水流量，直至汽動給水泵投入，停止電動給水泵運行，使其處于備用狀態(tài)。啟動過程中，蒸汽加熱除氧器給水，主給水泵的出水分別經(jīng)三級高壓加熱器后進入省煤器，考慮到低負荷下直流鍋爐對流速的要求，在啟動和低負荷階段保證最小給水流量。流過水冷壁管的汽水混合物進入分離器，分離器疏水分兩路，一路進入除氧器，進行合格工質(zhì)及熱量的回收；另一路經(jīng)擴容器擴容后進入疏擴箱，由擴疏泵輸送至凝汽器或直接向外排放。隨著循環(huán)加熱的進行，當給水達到一定溫度后，鍋爐允許點火。給水系統(tǒng)按要求的流量、壓力和溫度供給鍋爐給水，以及向有關設備供給各種運行工況所需要的減溫水，以保證機組的正常運行。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) 幾種常見的超臨界鍋爐給水控制方案簡介 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，超臨界直流爐的運行可以看作是一個多輸入、多輸出的被控對象，它的主要輸出量為蒸汽的溫度、壓力和流量(負荷)，主要輸14入量是給水量、燃燒率和汽機調(diào)門開度。由于超臨界直流鍋爐采用強制循環(huán)而且受熱區(qū)段無固定界限，因此每一種輸入量的擾動都將對各個輸出量產(chǎn)生作用，例如單獨改變給水量或燃料量，不僅影響主汽壓與蒸汽流量，還會導致過熱器出口汽溫發(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，滿足機組不同負荷下給水量的要求。在鍋爐的運行中燃水比不是恒定不變的，它隨著負荷的變化而改變： 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荷的增加而升高的，故 ifw也隨之升高，機組定壓運行時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荷的升高而減少。燃水比的調(diào)節(jié)在超臨界機組的給水和過熱汽溫控制中起著重要的作用，但是由于燃水比變化時，過熱汽溫的響應延時很長，幾乎不能直接使用過熱汽溫作為燃水比的反饋信號，因此采用什么信號來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。反映燃水比的信號有加熱段水溫、微過熱汽溫、微過熱蒸汽焓值、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、微過熱區(qū)熱信號和鍋爐出口熱量信號等，據(jù)此組合可以構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)段管外壁溫度對燃料量變化響應很快，但很容易受煙氣再循環(huán)量的變化、爐膛受熱面結焦吹灰、火焰中心上下移動等因素的干擾，準確度較差；加熱段水溫度、微過熱氣溫、微過熱蒸汽焓值對燃料熱量和給水量響應較慢，響應時間常數(shù)達 ～ min，隨負荷變