劉長良，周 丹

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

直流鍋爐的控制系統(tǒng)在整個(gè)機(jī)組控制中的主要任務(wù)是:保證鍋爐蒸汽的蒸發(fā)量隨時(shí)滿足負(fù)荷要求[1]。穩(wěn)定工況下，蒸發(fā)量等于給水流量[2]，可見給水控制是控制系統(tǒng)的核心部分。設(shè)計(jì)適宜的給水控制策略對超超臨界直流機(jī)組的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的意義[3]。

燃水比控制是直流爐給水控制的基礎(chǔ)。機(jī)組變負(fù)荷工況下，燃水比不是恒定不變的，它隨著負(fù)荷的變化而變化[4]，需要對燃水比進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正才能達(dá)到控制的目的。動(dòng)態(tài)修正信號(hào)經(jīng)歷了從中間點(diǎn)溫度、中間點(diǎn)焓值到水冷壁焓增的優(yōu)化過程。中間點(diǎn)焓值在靈敏度和線性度方面比中間點(diǎn)溫度具有明顯的優(yōu)勢;而焓值代表了過熱蒸汽的做功能力，用“焓增”來分析各受熱面的吸熱分布更為科學(xué)[5]。綜上，對于直流鍋爐給水控制而言，利用焓值變化量即焓增比中間點(diǎn)溫度或焓值能更準(zhǔn)確、更靈敏地反映燃水比的變化。

布連電廠是我國600 MW等級(jí)機(jī)組輔機(jī)單列配置試點(diǎn)工程，給水系統(tǒng)采用1×100%汽動(dòng)給水泵組。本文在研究其直流模式下自動(dòng)給水控制過程的基礎(chǔ)上，提出了控制優(yōu)化改進(jìn)方案。

1 單列汽動(dòng)給水泵組

布連電廠一期工程2×660 MW超超臨界燃煤(空冷)發(fā)電機(jī)組，其整體設(shè)計(jì)思想優(yōu)化、領(lǐng)先，為國內(nèi)首創(chuàng)660 MW空冷機(jī)組單列輔機(jī)布置方案。機(jī)組的主要輔機(jī)設(shè)備，如汽動(dòng)給水泵、一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、空氣預(yù)熱器，均采用單列配置。

給水系統(tǒng)設(shè)置一臺(tái)100%容量的汽動(dòng)給水泵組，汽動(dòng)給水泵及其前置泵采用同軸驅(qū)動(dòng)，給水泵汽輪機(jī)各項(xiàng)參數(shù)屬于國產(chǎn)設(shè)備最高。汽動(dòng)給水泵抽頭壓力增至9～16 MPa，F(xiàn)CB工況時(shí)揚(yáng)程達(dá)到34.132 MPa、轉(zhuǎn)速5 370 r/min。對于整套汽動(dòng)給水泵組，100%容量汽動(dòng)給水泵較50%容量效率高3%左右。兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行年節(jié)約標(biāo)煤1 900 t左右，減排CO2約5 000 t[6]?？梢?，單列配置節(jié)能減排優(yōu)勢明顯。在可靠性方面，當(dāng)給水泵發(fā)生故障時(shí)，由于采用單臺(tái)100%容量的給水泵方案，所以系統(tǒng)必須停機(jī)[6]。因此，為了保證單列給水泵配置給水系統(tǒng)的可靠性，首先應(yīng)保證給水泵及附屬設(shè)備的可靠性;其次好的控制策略也顯得更為重要。

2 給水控制策略優(yōu)化

超超臨界直流爐沒有汽包，給水從加熱到蒸發(fā)及過熱是一次性連續(xù)完成的。由于受熱區(qū)段之間無固定界限，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)入干態(tài)運(yùn)行時(shí)，給水量和燃料量的變化都會(huì)引起汽水分界面的改變，若燃水比失調(diào)嚴(yán)重，則導(dǎo)致鍋爐出口主汽溫大幅度變化，直接影響機(jī)組安全運(yùn)行。所以，燃水比的控制是超超臨界機(jī)組的關(guān)鍵所在。

純直流階段給水系統(tǒng)控制的不再是分離器水位，而是通過燃水比和燃料一起控制的過熱汽溫。但是在變負(fù)荷工況下，僅靠燃水比不能達(dá)到控制的目的，需要引入中間點(diǎn)焓值及其變化值對燃水比進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正。為此，本文提出了以燃水比為基礎(chǔ)，省煤器到分離器出口段的焓增作為燃水比反饋信號(hào)的控制策略。超超臨界直流爐的中間點(diǎn)選在汽水分離器出口是因?yàn)榉蛛x器出口焓值變化慣性小且具有一定代表性。

2.1 給水流量的設(shè)定

超超臨界機(jī)組的直流給水流量控制原理如圖1所示。

圖1 給水流量控制原理Fig.1 Principle of feedwater control

負(fù)荷指令對應(yīng)的主蒸汽流量設(shè)計(jì)值減去減溫水量設(shè)計(jì)值得到給水流量目標(biāo)值。理論給水流量乘以省煤器出口到中間點(diǎn)設(shè)計(jì)焓增目標(biāo)值得到的爐膛吸熱量經(jīng)過鍋爐金屬貯能變化的瞬態(tài)修正，再除以來自焓控制器的焓增需求值，就得出了實(shí)際給水流量需求值。以上計(jì)算均考慮蓄熱遲延時(shí)間。爐膛吸熱量目標(biāo)值金屬儲(chǔ)能變化的瞬態(tài)修正是利用分離器出口壓力對應(yīng)的飽和溫度變化率乘以受熱面金屬的熱容量得到。該策略考慮到了高壓加熱器故障退出影響給水溫度時(shí)，給水流量的調(diào)整。如果高壓加熱器故障，則給水溫度大幅度降低，相應(yīng)地省煤器出口工質(zhì)的實(shí)際焓值降低。因此水冷壁區(qū)域的焓增需求值變大，通過除法器運(yùn)算后將給出一個(gè)降低了的給水流量。優(yōu)化后的給水控制邏輯中加入了基于BTU校正輸出的前饋信號(hào)、燃料指令的前饋信號(hào)和偏置信號(hào)。

(1)基于BTU(British Thermal Unit，指用英熱量作單位表示的能量，可實(shí)現(xiàn)入爐燃料的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和熱值校正)校正輸出的前饋信號(hào)。當(dāng)煤質(zhì)發(fā)生變化，燃水比的輸出必然會(huì)改變，因此，需要設(shè)計(jì)補(bǔ)償回路使動(dòng)態(tài)過程的給水流量和煤量配比合理，燃水比變化較小。通過比較鍋爐蒸汽流量的熱輸出和給煤量的熱輸入，將它們的差值經(jīng)過熱量積分器進(jìn)行熱量的補(bǔ)償:如煤的發(fā)熱值高，則積分器就減少給煤需求量 (相對于主蒸汽壓力對省煤器出口焓進(jìn)行修正)，反之亦然。

(2)燃料指令的前饋信號(hào)。燃料系統(tǒng)中制粉和燃燒過程存在較大延遲，因此在各負(fù)荷階段中，即使設(shè)定了給水量、燃料量等，負(fù)荷變化時(shí)的主汽溫或主汽壓變化也只能是過渡性地跟進(jìn)。所以增加該信號(hào)是為了盡量減少給水控制總是跟不上燃料變化的影響，從而提高給水的調(diào)節(jié)響應(yīng)。

(3)偏置信號(hào)。為滿足汽動(dòng)給水泵手動(dòng)/自動(dòng)切換過程中的無擾切換，對主蒸汽流量設(shè)計(jì)值增加偏置接口。在手動(dòng)時(shí)，偏置跟蹤實(shí)際值與設(shè)定值有偏差;自動(dòng)狀態(tài)下，運(yùn)行人員通過修改偏置值來對主蒸汽流量設(shè)定值進(jìn)行修正。

2.2 爐膛焓增需求

根據(jù)負(fù)荷指令計(jì)算出的分離器出口設(shè)計(jì)焓值不一定和實(shí)際焓值相符，鍋爐在變工況運(yùn)行時(shí)，這種差異就會(huì)顯現(xiàn)，所以在控制邏輯中需要對這些計(jì)算出的焓值進(jìn)行修正。因此，爐膛焓增需求值為基本值與修正值兩部分之和。

(1)省煤器出口焓差對爐膛焓增修正

中間點(diǎn)焓值設(shè)計(jì)值減去省煤器出口實(shí)際焓值得到膛焓增需求值的基本值。為了能更好地應(yīng)對高加發(fā)生故障時(shí)引起給水溫度變化的情況，加入省煤器出口設(shè)計(jì)焓值與實(shí)際焓值差值作為中間點(diǎn)設(shè)計(jì)焓值修正量能在水溫發(fā)生變化時(shí)迅速改變爐膛焓增需求值，進(jìn)而影響給水流量，保證機(jī)組安全穩(wěn)定。高加正常運(yùn)行時(shí)，省煤器出口焓值和設(shè)計(jì)焓值基本相等，此時(shí)給水溫度對給水調(diào)節(jié)回路基本沒有影響。如果高加因故障退出，則給水溫度將大幅降低，省煤器出口工質(zhì)焓值偏差比中間點(diǎn)焓值能更快反映出這一變化。另外，在修正回路設(shè)置一個(gè)死區(qū)，使省煤器出口焓值在小范圍變化時(shí)不參與調(diào)節(jié)，提高了前饋信號(hào)的準(zhǔn)確性?？刂七壿嬋鐖D2所示。

(2)溫度控制器對中間點(diǎn)焓設(shè)定值的修正

中間點(diǎn)設(shè)計(jì)焓值進(jìn)入焓值調(diào)節(jié)器與實(shí)際值進(jìn)行偏差運(yùn)算，輸出作為爐膛焓增需求值的修正值。根據(jù)一級(jí)過熱器出口溫度的實(shí)際值和設(shè)定值 (由對應(yīng)負(fù)荷指令折算)之間的偏差，通過溫差控制器輸出對中間點(diǎn)設(shè)定焓值修正。修正后的分離器出口焓值設(shè)計(jì)值進(jìn)入焓值調(diào)節(jié)器與實(shí)際值進(jìn)行偏差運(yùn)算，輸出作為爐膛焓增需求值的修正值。焓值控制在鍋爐進(jìn)入直流狀態(tài)才起調(diào)節(jié)作用。分離器出口焓控制器指令的形成邏輯如圖3所示。

2.3 給水泵控制回路

布連電廠給水系統(tǒng)配置一臺(tái)100%容量的汽動(dòng)給水泵組，除此之外兩臺(tái)機(jī)組共用一臺(tái)30%容量的電動(dòng)給水泵保證啟動(dòng)最小流量。機(jī)組直流運(yùn)行情況下，主要依靠單列汽動(dòng)給水泵來維持機(jī)組的給水量。給水流量指令值與實(shí)測的爐膛給水量值之差，通過比例積分的控制方式向鍋爐給水泵發(fā)出給水流量需求信號(hào)。為了適應(yīng)機(jī)組變負(fù)荷工況，采用變參數(shù)PID控制:比例和積分時(shí)間都是鍋爐主控經(jīng)函數(shù)折算的值。同時(shí)控制過程也增加了偏置接口滿足汽動(dòng)給水泵手動(dòng)/自動(dòng)切換過程中的無擾切換。給水泵控制回路如圖4所示。

圖2 優(yōu)化后的給水指令生成邏輯Fig.2 Optimized generation logic of feedwater command

3 仿真結(jié)果

基于激勵(lì)式仿真機(jī)平臺(tái)，對優(yōu)化后直流運(yùn)行狀態(tài)下的給水控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。在機(jī)組400 MW穩(wěn)定工況下，投入CCS協(xié)調(diào)控制，并以500 MW為目標(biāo)值進(jìn)行升負(fù)荷，此時(shí)的燃料控制和給水控制全部投自動(dòng)。仿真曲線如圖5所示?？梢钥闯?，優(yōu)化后給水量控制兼顧快速性和穩(wěn)定性，主蒸汽溫度控制也在可調(diào)范圍內(nèi)，同時(shí)燃水比也很穩(wěn)定，保持在7.3左右;當(dāng)機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在500 MW時(shí)，主汽溫、燃料量和給水量也基本穩(wěn)定。仿真結(jié)果表明:運(yùn)用該優(yōu)化后的控制策略，在機(jī)組的升負(fù)荷階段，給水量和主蒸汽溫度得到了很好的控制，說明該策略在單列輔機(jī)機(jī)組是可行的。

圖5 仿真曲線Fig.5 The simulation curve

4 結(jié)論

燃水比控制是直流鍋爐自動(dòng)控制的一大特點(diǎn)。本文采用“水跟煤”控制策略來修正燃水比，即通過修正給水流量設(shè)定值來實(shí)現(xiàn)燃水比例控制，該方案有利于主蒸汽溫度控制，從而保證機(jī)組的安全性。在控制策略的優(yōu)化中，采用了前饋、變參數(shù)、變增益以及變結(jié)構(gòu)控制等技術(shù)方法，獲得了良好的控制品質(zhì)。控制策略中加入了凈熱量校正 (BTU)調(diào)節(jié)回路的前饋信號(hào)，使機(jī)組負(fù)荷指令與爐主控指令近似相等，使動(dòng)態(tài)過程的給水流量和煤量配比合理，燃水比的輸出變化較小。在分離器出口焓控制器指令的形成邏輯中，通過控制焓值調(diào)節(jié)器輸出焓值的修正值動(dòng)態(tài)地校正給水量，防止過熱蒸汽溫度過高。從仿真結(jié)果可知，機(jī)組在直流運(yùn)行工況下，燃水比和主汽溫都得到了很好的控制，優(yōu)化后給水控制系統(tǒng)策略應(yīng)用于單列汽動(dòng)給水泵機(jī)組完全能實(shí)現(xiàn)雙輔機(jī)的作用和控制效果。