【正文】 one電廠，566℃功率為325MW超超臨界機(jī)組。由于美國電力工業(yè)大力發(fā)展高效的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)，絕大部分超臨界機(jī)組都是在上世紀(jì)60和70年代投運(yùn)的。1963年投運(yùn)了第一臺蒸汽參數(shù)為25MPa，570℃功率為300MW的超臨界機(jī)組，其后所有300MW及以上的機(jī)組都采用超臨界技術(shù)。日本發(fā)展超臨界機(jī)組采用引進(jìn)、仿制、創(chuàng)新的技術(shù)路線。隨后，由東芝公司仿制相同樣機(jī)于1969年投運(yùn)，而1971年投運(yùn)的600MW機(jī)組則有效地利用了日本自己的技術(shù)。80年代以后，日本能自行開發(fā)能夠帶中間負(fù)荷，滑壓運(yùn)行的超臨界直流鍋爐。 超臨界機(jī)組在我國的應(yīng)用20世紀(jì)70年代末，隨著改革開放和經(jīng)濟(jì)的快速增長，我國的電力工業(yè)迅猛發(fā)展。此后的20年內(nèi)，這兩個(gè)等級的機(jī)組一直作為中國電力建設(shè)的主力機(jī)組，其運(yùn)行供電煤耗約在320～340g/kWh(%～%，不含脫硫)。大陸的第一個(gè)超臨界機(jī)組項(xiàng)目是上海石洞口第二發(fā)電廠的2600MW超臨界機(jī)組，這是我國電力超臨界技術(shù)發(fā)展的第一個(gè)里程碑 [4]。2022年，繼上海外高橋第二發(fā)電廠900MW超臨界機(jī)組順利投產(chǎn)后，由我國政府主導(dǎo)，通過引進(jìn)技術(shù)國產(chǎn)化及國內(nèi)自主研發(fā)，我國的火力發(fā)電建設(shè)的重心開始轉(zhuǎn)向600MW和1000MW等級的引進(jìn)技術(shù)型國產(chǎn)超臨界和超超臨界機(jī)組。2022年11月，我國首臺1000MW超超臨界機(jī)組在浙江玉環(huán)電廠建成投產(chǎn)。對已投產(chǎn)的600MW超臨界機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，年平均含脫硫煤耗約為6310g/(kWh)(%)，而大部分1000MW超超臨界機(jī)組的年平均含脫硫煤耗在290～300g/(kWh)(%～%)，這些已投產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行煤耗大大低于我國火電機(jī)組的平均煤耗。 超臨界直流鍋爐 直流爐的工作原理直流鍋爐依靠給水泵的壓頭將鍋爐給水一次通過加熱、蒸發(fā)、過熱各受熱面而變成過熱蒸汽。在直流鍋爐蒸發(fā)受熱面中，由于工質(zhì)的流動不是依靠汽水密度差來推動，而是通過給水泵壓頭來實(shí)現(xiàn)，工質(zhì)一次通過各受熱面，蒸發(fā)量等于給水量，故可認(rèn)為直流鍋爐的循環(huán)倍率為1。1. 直流鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直流鍋爐無汽包，工質(zhì)一次通過各受熱面，各受熱面之間無固定的界限，隨著鍋爐負(fù)荷和工況的變動而變動。直流鍋爐的省煤器、過熱器、再熱器、空預(yù)器及燃燒器等與自然循環(huán)鍋爐相似。但實(shí)際上中、低壓鍋爐、高壓鍋爐以及亞臨界鍋爐一般均采用汽包型，而超臨界壓力的鍋爐只能采用直流型。工作壓力相同的條件下，水冷壁管的壁厚與管徑成正比，直流鍋爐采用小管徑水冷壁且不用汽包，可以降低鍋爐的金屬耗量。但由于采用小直徑蒸發(fā)管后流7動阻力增加，給水泵電耗增加，因此直流鍋爐的廠用電量比自然循環(huán)鍋爐大。直流爐通常要求凝結(jié)水進(jìn)行100%的除鹽處理。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，依靠自身鍋水和金屬蓄熱或放熱來減緩汽壓波動的能力較低。6. 直流鍋爐的啟停速度和變負(fù)荷速度快為了保證受熱面的安全工作，且為了減少啟動過程中的工質(zhì)損失和能量損失，直流鍋爐需設(shè)專門的啟動旁路系統(tǒng)。 超臨界直流爐的靜態(tài)特性熱力學(xué)理論認(rèn)為，、℃時(shí)，水的汽化會在一瞬間完成，即在臨界點(diǎn)時(shí)飽和水和飽和蒸汽之間不再有汽、水共存的兩相區(qū)存在，兩者的參數(shù)不再有區(qū)別。超臨界直流爐的汽水形程經(jīng)歷了加熱、蒸發(fā)和過熱三個(gè)過程，如圖22 所示。根據(jù)一次工質(zhì)在穩(wěn)定工況下的熱平衡方程式且假設(shè)二次工質(zhì)吸熱量為0（無再熱器），有： (21）.()grsarglWhMQ???式中8W —— 給水流量，等于主流量；hgr —— 過熱蒸汽焓； hgs —— 給水焓；M —— 燃料量；η gl —— 鍋爐效率；Qar， —— 燃料量應(yīng)用基低位發(fā)熱量；經(jīng)整理得： （22）,grarglsMhQhW???對一個(gè)新工況，有： （23）39。 39。39。grarglshh???由式（22）和（23）可知：① 當(dāng) 即燃水比不變時(shí)，過熱蒸汽焓（溫度）保持不變；39。MW?② 當(dāng)燃料發(fā)熱量變小時(shí)，過熱蒸汽焓（溫度）隨之降低；反之，升高；③ 當(dāng)給水焓降低時(shí)，過熱蒸汽焓（溫度）隨之降低；反之，升高；2. 汽壓靜態(tài)特性超臨界機(jī)組的主汽壓由系統(tǒng)的質(zhì)量平衡、熱量平衡和工質(zhì)流動壓降等決定。② 當(dāng)給水流量增加時(shí)，若燃水比保持不變，則主汽流量增加從而使汽壓上升；若燃水比減小，從而過熱汽溫降低，減少減溫水流量，汽壓基本不變。9圖23 超臨界機(jī)組的動態(tài)特性1. 汽機(jī)調(diào)門開度擾動（圖 23a）汽機(jī)擾動對鍋爐是一種負(fù)荷擾動，對超臨界機(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。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。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(fù)到原來的水平。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。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。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。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。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)。3) 過熱汽溫經(jīng)過一段較長時(shí)間的延遲后單調(diào)下降直至穩(wěn)定在較低的數(shù)值。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。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。因此，當(dāng)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(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，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(shè)計(jì)相應(yīng)的較為獨(dú)立的控制系統(tǒng)。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。根據(jù)上述超臨界機(jī)組的靜、動態(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、微過熱汽溫T sl和過熱汽溫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，主汽壓力與微過熱汽溫構(gòu)成多變量相關(guān)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(shè)計(jì)。 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。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。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)確的熱量信號只反映鍋爐的能量輸入、對汽機(jī)調(diào)門開度變化是解耦的。直流爐這一重要信號缺失給解除機(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困難?？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。3. 嚴(yán)重非線性耦合的解除。 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)門開度如圖24 所示。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。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(fù)荷控制，而且也能實(shí)現(xiàn)過熱汽溫（粗）調(diào)整。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。 鍋爐給水系統(tǒng)的工藝流程在鍋爐啟動和低負(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，通過循環(huán)回收合格工質(zhì)。一般機(jī)組配備有汽動給水泵和電動給水泵。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)的信號控制給水泵的轉(zhuǎn)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(yùn)行，使其處于備用狀態(tài)。流過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。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。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。由于超臨界直流鍋爐采用強(qiáng)制循環(huán)而且受熱區(qū)段無固定界限，因此每一種輸入量的擾動都將對各個(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，還會導(dǎo)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)。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。燃水比的調(diào)節(jié)在超臨界機(jī)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(shí)，過熱汽溫的響應(yīng)延時(shí)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(diǎn)。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(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、火焰中心上下移動等因素的干擾，準(zhǔn)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(yīng)較慢，響應(yīng)時(shí)間常數(shù)達(dá) ～ min，隨負(fù)荷變化時(shí)純滯后時(shí)間達(dá) ～ min，另外在變壓運(yùn)行時(shí)，由于蒸發(fā)段的位置變化，常使測點(diǎn)位置進(jìn)入飽和區(qū)而失效(或接近飽和區(qū)精度變差)。作為直流鍋爐給水控制的重要修正信號，通常這一點(diǎn)的溫度也被稱作“中間點(diǎn)溫度” 。中間點(diǎn)溫度和中間點(diǎn)焓值均可作為燃水比的反饋信號，然而當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)中間點(diǎn)焓15值在靈敏度和線性度方面具有明顯的優(yōu)勢。另外還可以看到，在過熱度低的區(qū)域，當(dāng)增加或減少同等給水量時(shí)，焓值變化的正負(fù)向數(shù)值大體相等，但中間點(diǎn)溫度的正負(fù)向數(shù)變化量則明顯不等。因此選用中間點(diǎn)焓值，可以保證燃水比的調(diào)節(jié)的精度和性能。同時(shí)焓值的物理概念明確，用“焓增”