金宏偉，王策，張新勝，丁偉聰

（1.浙江浙能臺(tái)州第二發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 臺(tái)州 317109；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；3.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310014）

0 引言

給水系統(tǒng)控制是超超臨界燃煤機(jī)組的核心控制之一，其各個(gè)階段的控制性能直接影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性［1-2］。目前機(jī)組干態(tài)運(yùn)行方式下給水自動(dòng)控制已比較成熟，而在濕態(tài)運(yùn)行方式下給水系統(tǒng)自動(dòng)控制的效果相對(duì)而言并不理想［3］。特別是大型超超臨界機(jī)組為了減少啟動(dòng)過(guò)程中的熱量損失，提高水冷壁工質(zhì)循環(huán)，通常配置一臺(tái)爐水循環(huán)泵（以下簡(jiǎn)稱“爐循泵”），造成啟動(dòng)系統(tǒng)操作設(shè)備較多，運(yùn)行工況更加復(fù)雜。另外，隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)快速轉(zhuǎn)型，以燃煤發(fā)電為主體的基礎(chǔ)能源電力的調(diào)峰能力將直接決定風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等可再生能源的發(fā)展空間，大量間歇性能源電力并網(wǎng)必將迫使燃煤發(fā)電機(jī)組更全面參與深度調(diào)峰，燃煤機(jī)組深度調(diào)峰將常態(tài)化［4］，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組在運(yùn)行階段進(jìn)入濕態(tài)運(yùn)行方式的次數(shù)也逐漸增加。

目前國(guó)內(nèi)配置爐循泵的大型機(jī)組濕態(tài)運(yùn)行方式下給水系統(tǒng)控制大多采用運(yùn)行人員手動(dòng)操作的控制策略，在啟機(jī)和濕態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)給水旁路調(diào)閥、汽動(dòng)給水泵（以下簡(jiǎn)稱“給泵”）轉(zhuǎn)速指令和爐循泵出口調(diào)閥等實(shí)時(shí)進(jìn)行操作，監(jiān)測(cè)參數(shù)包括給水流量波動(dòng)情況、分離器液位穩(wěn)定性、爐循泵出口流量和給水壓力等，因此整個(gè)濕態(tài)運(yùn)行過(guò)程包含大量操作，加重了運(yùn)行人員的操作負(fù)擔(dān)。另外，由于運(yùn)行人員操作水平不能保證，機(jī)組濕態(tài)運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)給水流量和分離器液位波動(dòng)大的現(xiàn)象，具有一定危險(xiǎn)性［5-6］。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，基于面向自治對(duì)象的APS2.0控制理念［7］，提出一種配置爐循泵超超臨界機(jī)組的給水系統(tǒng)濕態(tài)全程控制方法。該方法采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)模式，針對(duì)濕態(tài)給水系統(tǒng)的特性，在給水系統(tǒng)主對(duì)象內(nèi)部，設(shè)計(jì)爐循泵出口調(diào)閥、給水旁路調(diào)閥及給泵指令等相關(guān)子對(duì)象控制策略，實(shí)現(xiàn)了變工況自適應(yīng)切換與控制模式自治規(guī)劃，人機(jī)協(xié)作性強(qiáng)，流程節(jié)點(diǎn)靈活可靠，可做到隨斷隨續(xù)。在某1 050 MW超超臨界機(jī)組上進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，在機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)、深度調(diào)峰運(yùn)行及干、濕態(tài)轉(zhuǎn)換等各種工況實(shí)現(xiàn)濕態(tài)給水全程控制，控制系統(tǒng)具備較強(qiáng)的自治性和健壯性，大幅提高了機(jī)組的自動(dòng)化水平和濕態(tài)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 面向自治對(duì)象的濕態(tài)給水系統(tǒng)控制模式設(shè)計(jì)

超超臨界機(jī)組濕態(tài)運(yùn)行時(shí)：在模擬量控制層面上，給水控制的基本要求是實(shí)現(xiàn)給水旁路調(diào)閥、給泵轉(zhuǎn)速指令及爐循泵出口調(diào)閥全程閉環(huán)控制，保證給水流量和分離器液位在合理的范圍內(nèi)波動(dòng)；在機(jī)組運(yùn)行方式層面上，給水控制的基本要求是根據(jù)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)完成給水旁路切主路以及干、濕態(tài)自動(dòng)轉(zhuǎn)換等運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

超超臨界給水控制系統(tǒng)設(shè)備繁多、流程復(fù)雜、參數(shù)控制難度大，為減輕運(yùn)行操作負(fù)擔(dān)，最簡(jiǎn)單有效的方法是化整為零，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)模式［7-9］，根據(jù)調(diào)節(jié)需求與系統(tǒng)功能將給水系統(tǒng)主對(duì)象解構(gòu)為相對(duì)獨(dú)立的子對(duì)象系統(tǒng)，分系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃，根據(jù)工況變化自治實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制、自主改變操作模式，使運(yùn)行人員從繁瑣操作與緊張預(yù)判中解脫出來(lái)。面向?qū)ο蟮慕o水系統(tǒng)以分布式自治的子對(duì)象系統(tǒng)為基礎(chǔ)，串接系統(tǒng)內(nèi)部的任務(wù)規(guī)劃與指令結(jié)構(gòu)，濕態(tài)控制模式框圖如圖1所示。

圖1 面向?qū)ο蟮慕o水系統(tǒng)濕態(tài)控制模式框圖Fig.1 Block diagram of object-oriented wet control mode for water supply system

給水系統(tǒng)主對(duì)象由各設(shè)備系統(tǒng)子對(duì)象和模塊化功能模組構(gòu)成。給水系統(tǒng)濕態(tài)調(diào)節(jié)功能模組是給水系統(tǒng)濕態(tài)控制的關(guān)鍵功能模組，主要關(guān)聯(lián)爐循泵系統(tǒng)和調(diào)節(jié)設(shè)備系統(tǒng)2個(gè)內(nèi)部子對(duì)象，以及協(xié)調(diào)系統(tǒng)的1個(gè)外部子對(duì)象，各子對(duì)象系統(tǒng)之間協(xié)同調(diào)用運(yùn)行，根據(jù)模組功能自主切換模式化控制。爐循泵出口調(diào)閥系統(tǒng)負(fù)責(zé)分離器液位控制，給水旁路調(diào)閥系統(tǒng)和給泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)給水流量控制，控制過(guò)程中協(xié)同負(fù)責(zé)給水流量模式和跟隨燃料模式的控制與切換。濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)模組實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組給水旁路切主路條件，自動(dòng)完成給水旁路切主路運(yùn)行；濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)條件滿足后，自動(dòng)完成濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)運(yùn)行。

給水旁路調(diào)閥和給泵轉(zhuǎn)速控制包括控給水流量模式和燃料跟隨模式，功能模組根據(jù)總?cè)剂狭亢徒o水旁路調(diào)閥開(kāi)度自適應(yīng)進(jìn)行控制模式切換，控制框圖如圖2所示。

圖2 給水控制模式切換控制框圖Fig.2 Water supply control mode switching control block diagram

給水濕態(tài)控制分為4種控制模式，分別為給水旁路控流量模式、給水旁路燃料跟隨模式、給泵控流量模式和給泵燃料跟隨模式。功能模組根據(jù)省煤器進(jìn)口給水主電動(dòng)閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)、總?cè)剂狭考敖o水旁路調(diào)閥開(kāi)度自適應(yīng)生成給水控制模式切換標(biāo)志。在給水控制模式切換標(biāo)志置位條件滿足的工況下：若給水旁路調(diào)閥控制在自動(dòng)時(shí)，給水控制處于給水旁路控流量模式；給泵控制在自動(dòng)時(shí)，給水控制處于給泵控制流量模式。在給水控制模式切換標(biāo)志復(fù)位條件滿足的工況下：若給水旁路調(diào)閥控制在自動(dòng)時(shí)，給水控制處于給水旁路燃料跟隨模式；給泵控制在自動(dòng)時(shí)，給水控制處于給泵燃料跟隨模式。

2 濕態(tài)給水全程控制策略設(shè)計(jì)

濕態(tài)給水控制的基本功能主要包括濕態(tài)工況下給水流量控制、分離器液位控制、給水旁路切主路以及濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)控制。給水流量控制可以根據(jù)濕態(tài)給水系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)區(qū)分給水旁路調(diào)閥和給泵的控制模式，爐循泵出口調(diào)閥的分離器液位控制模式可以根據(jù)運(yùn)行人員選擇進(jìn)行水質(zhì)合格和水質(zhì)不合格下的液位設(shè)定值自適應(yīng)變化，機(jī)組運(yùn)行工況滿足濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)條件后，自動(dòng)進(jìn)行濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)一鍵自動(dòng)控制。

2.1 濕態(tài)工況下給水流量控制

給水流量控制［10-12］是機(jī)組濕態(tài)工況下安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)規(guī)劃給水流量控制模式，整個(gè)控制模式轉(zhuǎn)換過(guò)程無(wú)擾過(guò)渡，在少人干預(yù)的情況下完成對(duì)濕態(tài)給水流量的全程控制，控制邏輯框圖如圖3所示。圖3中：f1（x）為給水旁路燃料跟隨模式下，給水旁路調(diào)閥開(kāi)度指令隨總?cè)剂狭孔兓暮瘮?shù)；f2（x）為給泵轉(zhuǎn)速燃料跟隨模式下，給泵轉(zhuǎn)速指令隨總?cè)剂狭孔兓暮瘮?shù)；PV為爐循泵出口調(diào)閥PID（比例-積分-微分）控制器的輸入測(cè)量值；SP為爐循泵出口調(diào)閥PID控制器的輸入設(shè)定值。

圖3 濕態(tài)工況下給水流量控制邏輯框圖Fig.3 Block diagram of feed water flow control in wet state

濕態(tài)工況下在子對(duì)象的給水流量控制邏輯中引入給水旁路PID控制器和給泵轉(zhuǎn)速PID控制器。給水流量控制模式處于給水旁路控流量模式或給泵控流量模式時(shí)，2個(gè)PID控制器對(duì)給水流量進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)控制，其中給水流量設(shè)定值同時(shí)引入了2個(gè)總?cè)剂狭孔鳛樽宰兞康暮瘮?shù)；給水流量控制模式處于給水旁路燃料跟隨模式或給泵燃料跟隨模式時(shí)，2個(gè)函數(shù)根據(jù)總?cè)剂狭孔詣?dòng)生成給水旁路調(diào)閥開(kāi)度指令和給泵轉(zhuǎn)速指令。另外，機(jī)組濕態(tài)運(yùn)行時(shí)，給水流量設(shè)定值區(qū)分于其他工況下的給水流量設(shè)定值，自動(dòng)生成濕態(tài)給水流量設(shè)定值，以便于濕態(tài)工況下給水流量設(shè)定值的靈活修正。

2.2 貯水箱液位控制

分離器液位是配置爐循泵的火電機(jī)組濕態(tài)安全運(yùn)行的關(guān)鍵監(jiān)視參數(shù)，將其控制在合理范圍內(nèi)是機(jī)組濕態(tài)給水控制的核心［13-14］。一般分離器液位由分離器貯水箱疏水調(diào)閥開(kāi)環(huán)控制，為了避免分離器液位過(guò)低導(dǎo)致?tīng)t循泵跳閘或分離器滿水等工況出現(xiàn)，引入分離器液位控制模式，由爐循泵出口調(diào)閥閉環(huán)控制分離器液位，實(shí)現(xiàn)機(jī)組鍋爐沖洗、升溫升壓、并網(wǎng)以及濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)等各階段下的分離器液位全程自動(dòng)控制。控制邏輯框圖如圖4所示。

圖4 分離器液位控制框圖Fig.4 Block diagram of separator liquid level control

在爐循泵子對(duì)象中引入爐循泵出口調(diào)閥PID控制器，當(dāng)爐循泵出口調(diào)閥控制在自動(dòng)時(shí)，閉環(huán)自動(dòng)控制分離器液位，濕態(tài)給水控制進(jìn)入控分離器液位模式，液位設(shè)定值根據(jù)水質(zhì)狀態(tài)靈活改變。水質(zhì)合格時(shí)自動(dòng)將液位設(shè)定值設(shè)定為分離器正常液位值，使得高水位控制閥處于關(guān)閉狀態(tài)；水質(zhì)不合格時(shí)自動(dòng)將液位設(shè)定值設(shè)定為分離器高液位值，使得開(kāi)環(huán)控制分離器液位的分離器貯水箱疏水調(diào)閥處于30%～50%開(kāi)度。另外，液位設(shè)定值也可由運(yùn)行人員根據(jù)機(jī)組狀態(tài)手動(dòng)設(shè)定。

2.3 濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)控制

濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)是超超臨界機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程運(yùn)行控制的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之一，目前超超臨界機(jī)組的干、濕態(tài)轉(zhuǎn)換大都采用手動(dòng)操作方式，由于水煤比、主汽壓力控制不當(dāng)或轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)選擇不合適等原因，造成干、濕態(tài)頻繁切換，機(jī)組參數(shù)劇烈波動(dòng)而導(dǎo)致設(shè)備故障，受熱面超溫或者分離器滿水甚至過(guò)熱器進(jìn)水等事故，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全運(yùn)行［15-16］。為了克服上述問(wèn)題，機(jī)組濕態(tài)工況運(yùn)行時(shí)，引入濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)功能模組，根據(jù)煤質(zhì)差異、是否投入高壓加熱器、磨煤機(jī)運(yùn)行數(shù)量及分布等過(guò)程參數(shù)，基于質(zhì)量平衡和能量平衡方程生成轉(zhuǎn)態(tài)所需的煤量控制量，實(shí)現(xiàn)濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)一鍵自動(dòng)轉(zhuǎn)換。具體步驟如下：

步驟1：確認(rèn)機(jī)組已滿足濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)條件，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷處于20%Pe～25%Pe（Pe為額定負(fù)荷），機(jī)組處于濕態(tài)汽輪機(jī)跟隨模式和定壓運(yùn)行模式，同時(shí)省煤器入口電動(dòng)閥全開(kāi)時(shí)，投入濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)一鍵自動(dòng)控制模式，啟動(dòng)濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制邏輯。

步驟2：由于從給煤量增加到鍋爐吸熱量增加有一定的遲延，為快速完成干、濕態(tài)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)態(tài)開(kāi)始時(shí)，在保證鍋爐本生流量滿足的前提下，應(yīng)降低給水流量Fw，使進(jìn)入省煤器的給水量適當(dāng)減少。流量減少的最佳數(shù)值需要通過(guò)特性試驗(yàn)確定。

步驟3：根據(jù)質(zhì)量平衡和能量平衡方程，結(jié)合轉(zhuǎn)態(tài)前機(jī)組在濕態(tài)工況下穩(wěn)定運(yùn)行的過(guò)程參數(shù)，計(jì)算使機(jī)組進(jìn)入干態(tài)運(yùn)行所需的理論給煤量增量。

步驟4：通過(guò)機(jī)組特性試驗(yàn)確定最佳給煤量變化速率，按照該速率逐漸增大入爐煤量，直到實(shí)際給煤量增量達(dá)到理論值。

步驟5：加煤過(guò)程中，由于鍋爐蒸發(fā)量逐漸增大，分離器液位逐漸降低，再循環(huán)流量也會(huì)隨之減小。當(dāng)再循環(huán)流量減少到某個(gè)閾值，爐水循環(huán)泵停運(yùn)或跳閘，再循環(huán)流量消失，轉(zhuǎn)態(tài)過(guò)程結(jié)束，機(jī)組進(jìn)入干態(tài)運(yùn)行。

步驟6：機(jī)組進(jìn)入干態(tài)運(yùn)行后，增加鍋爐主控40 MW幅度升負(fù)荷，機(jī)組快速通過(guò)濕態(tài)與干態(tài)的邊緣節(jié)點(diǎn)，避免干、濕態(tài)頻繁切換。

3 應(yīng)用實(shí)例

在某1 050 MW超超臨界機(jī)組上進(jìn)行了面向自治對(duì)象的濕態(tài)給水控制策略的實(shí)際投運(yùn)。當(dāng)機(jī)組總?cè)剂狭啃∮?0 t/h、給水旁路調(diào)閥開(kāi)度小于65%且省煤器入口給水電動(dòng)閥全關(guān)時(shí)，投入給水旁路調(diào)閥控制自動(dòng)和給泵轉(zhuǎn)速控制自動(dòng)，給水流量控制進(jìn)入給水旁路控流量模式和給泵燃料跟隨模式，給水旁路調(diào)閥自動(dòng)閉環(huán)控制給水流量，給泵轉(zhuǎn)速跟隨總?cè)剂狭孔赃m應(yīng)改變。當(dāng)機(jī)組總?cè)剂狭看笥?0 t/h且給水旁路調(diào)閥開(kāi)度大于70%時(shí)，給水流量控制進(jìn)入給水旁路燃料跟隨模式和給泵控流量模式，給泵轉(zhuǎn)速自動(dòng)閉環(huán)控制給水流量，給水旁路調(diào)閥跟隨總?cè)剂狭孔赃m應(yīng)改變。

在機(jī)組冷態(tài)沖洗、點(diǎn)火、熱態(tài)沖洗、升溫升壓、沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)及濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)等階段實(shí)現(xiàn)了給水流量、分離器液位及濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)的全程自動(dòng)控制，相關(guān)參數(shù)運(yùn)行曲線如圖5、圖6所示。

圖6 濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)全程控制應(yīng)用曲線Fig.6 Application curve of full process control from wet to dry state

如圖5所示，在機(jī)組啟機(jī)過(guò)程中冷態(tài)沖洗、點(diǎn)火、熱態(tài)沖洗、升溫升壓等階段實(shí)現(xiàn)了給水流量、分離器液位以及濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)的全程自動(dòng)控制。機(jī)組濕態(tài)運(yùn)行時(shí)給水流量設(shè)定值跟隨燃料量自動(dòng)改變，燃料量由點(diǎn)火開(kāi)始水位最小煤量15 t/h逐漸增加至75 t/h，給水流量設(shè)定值由830 t/h自適應(yīng)變化至926 t/h，給泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速指令跟隨燃料量由2 500 r/min增加至3 650 r/min，期間給水流量控制模型根據(jù)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)自治切換，最大給水流量控制偏差在±50 t/h。爐循泵出口調(diào)閥全程自動(dòng)控制分離器液位，分離器液位設(shè)定值根據(jù)水質(zhì)情況自動(dòng)變化，水質(zhì)不合格時(shí)設(shè)定值為16.3 m，水質(zhì)合格時(shí)設(shè)定值為14 m，期間分離器液位控制偏差在±1 m，機(jī)組濕態(tài)運(yùn)行期間全程無(wú)需運(yùn)行人員干預(yù)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)分離器液位控制。

如圖6所示，在機(jī)組啟機(jī)過(guò)程中濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)階段實(shí)現(xiàn)了給水流量、分離器液位以及燃料量的全過(guò)程自動(dòng)控制。機(jī)組濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)分為3個(gè)階段：第1階段以每分鐘60 t/h的速率將給水流量由1 030 t/h減少至900 t/h；第2階段逐漸增加總?cè)剂狭浚陂g給泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)維持給水流量在900 t/h附近，波動(dòng)范圍±30 t/h，爐循泵出口調(diào)閥根據(jù)分離器液位變化自動(dòng)關(guān)至最小閥位20%，爐循泵由于分離器液位低跳閘，過(guò)熱度大于5 ℃時(shí)機(jī)組由濕態(tài)運(yùn)行變?yōu)楦蓱B(tài)運(yùn)行；第3階段快速將鍋爐主控由390 MW增加至430 MW，此時(shí)總?cè)剂狭颗c給水流量同時(shí)增加，機(jī)組快速通過(guò)濕態(tài)與干態(tài)的邊緣節(jié)點(diǎn)，避免干、濕態(tài)頻繁切換。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)火電機(jī)組濕態(tài)給水系統(tǒng)控制的特點(diǎn)，摒棄傳統(tǒng)相對(duì)單一固化的面向過(guò)程的設(shè)計(jì)模式，將面向?qū)ο蟮募夹g(shù)理念應(yīng)用于給水系統(tǒng)全程控制中，提出了一種超超臨界機(jī)組給水系統(tǒng)濕態(tài)全程控制策略，實(shí)現(xiàn)濕態(tài)運(yùn)行下機(jī)組給水流量、分離器液位以及濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)全程自動(dòng)控制。該策略在復(fù)雜多變的工況下根據(jù)運(yùn)行參數(shù)自治規(guī)劃控制模式，呈現(xiàn)了一個(gè)讓運(yùn)行人員面對(duì)的是對(duì)象、操作的是系統(tǒng)、提出的是需求、關(guān)注的是結(jié)果的APS2.0應(yīng)用場(chǎng)景，控制系統(tǒng)具備較強(qiáng)的自治性和健壯性，大幅提高了給水全程控制系統(tǒng)的使用率與機(jī)組自動(dòng)化水平。