上海外高橋第三發(fā)電廠2×l000MW超超臨界機組的鍋爐島采用上海鍋爐廠有限公司利用Alstom Power技術(shù)生產(chǎn)的直流鍋爐，其型式為1000MW超超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐、一次再熱、單爐膛單切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)塔式鍋爐；汽輪機島采用上海汽輪機有限公司利用西門子技術(shù)生產(chǎn)的汽輪機，其型式為100MW超超臨界參數(shù)、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式、八級回?zé)岢槠?；儀控島采用西門子公司的分散控制系統(tǒng)（DCS）及其過程控制軟件。

      本文將以該廠1000MW超超臨界機組閉環(huán)控制中的協(xié)調(diào)、給水和汽溫控制系統(tǒng)為例，介紹和分析其設(shè)計思想和控制策略。

      一、閉環(huán)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計與分析

      閉環(huán)控制系統(tǒng)主要包括協(xié)調(diào)、燃燒、給水和汽溫控制系統(tǒng)。其整體設(shè)計原理見圖1。

      

      l.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

      協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要包括負荷指令設(shè)定、輔機故障減負荷（RB）、頻率校正、壓力設(shè)定、鍋爐主控、汽輪機主控和熱值校正回路。它包括4種運行模式:協(xié)調(diào)控制模式（CCS）；鍋爐跟隨模式（BF）；汽輪機跟隨模式（TF）和基本模式（BASE）。

      負荷指令設(shè)定回路接受中調(diào)自動發(fā)電控制（AGC）指令，經(jīng)速率限制，負荷上、下限限制和負荷指令增、減閉鎖等運算后分別送往機、爐主控等回路；頻率校正回路把頻差信號轉(zhuǎn)換為負荷偏差信號，分別疊加到鍋爐主控和汽輪機主控的指令上；壓力設(shè)定回路提供定/滑壓運行2種設(shè)定值，2種方式之間可無擾切換，滑壓值是負荷的函數(shù)f1（x）；熱值校正回路在煤種發(fā)生變化時對給煤機轉(zhuǎn)速指令進行修正以保證機組功率不變。

      1.1.1 鍋爐主控回路

      本協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)為以爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，即鍋爐控制壓力、汽輪機控制功率。在CCS模式時，鍋爐主控指令由以下4部分疊加而成:

      （1）基本指令:機組負荷指令+頻差信號。該指令作為鍋爐主控指令的基本值去控制燃料量，使鍋爐主控指令對應(yīng)于負荷及頻率的改變有一個變化量；

      （2）機組負荷指令與頻差信號的動態(tài)補償信號。主要考慮在負荷與頻率變化時對鍋爐蓄熱量變化的基本補償；

      （3）壓力調(diào)節(jié)器輸出信號。壓力的變化代表了機爐能量的不平衡，因此需根據(jù)壓力變化相應(yīng)改變?nèi)剂狭恳赃_到機爐新的平衡，該信號對負荷指令進行細調(diào)；

      （4）壓力偏差對鍋爐蓄熱的動態(tài)補償信號。不同負荷下對于同樣的壓力偏差鍋爐需補償?shù)男顭崃浚毫浚┎煌?，因此，?yīng)根據(jù)負荷指令和壓力偏差對鍋爐主控指令進行動態(tài)修正。

      l.1.2 汽輪機主控回路

      汽輪機主控為CCS和汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）之間的接口，在CCS模式下其被調(diào)量為實際功率，給定值由3部分疊加而成:（1）機組負荷指令及其動態(tài)前饋。動態(tài)前饋是在變負荷時為充分利用機組蓄熱，通過汽輪機調(diào)門提前動作，允許汽壓有一定的波動而釋放或吸收部分蓄能，加快機組初期負荷的響應(yīng)速度而采取的手段。（2）頻差信號。（3）壓力拉回回路。即經(jīng)過死區(qū)特性和限幅特性的壓力偏差信號，其目的是當(dāng)機前壓力偏差較小時，由鍋爐控制壓力，維持機前壓力為定值；當(dāng)機前壓力偏差較大時，有可能超過鍋爐主控的調(diào)節(jié)范圍，此時汽輪機主控也參與調(diào)壓，二者共同作用可迅速使機前壓力回到設(shè)定值，加快整個響應(yīng)的動態(tài)過程。

      解耦回路的設(shè)計:鍋爐側(cè)對負荷指令的響應(yīng)遠慢于汽輪機側(cè)，故用多階慣性環(huán)節(jié)PTn即1/（l+Ts）n來匹配二者之間的動態(tài)特性，PTn代表從機組負荷指令變化到新蒸汽產(chǎn)生的動態(tài)過程。

      1.2 基于比值控制的總風(fēng)量、燃料量和給水流量指令設(shè)計

      在直流爐中給水變成過熱蒸汽是一次完成的，鍋爐的蒸發(fā)量不僅決定于燃料量，同時也決定于給水流量。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(guān)的；而維持燃水比又是保證過熱汽溫的基本手段；一定的風(fēng)煤比是燃燒經(jīng)濟性的要求。因此，總風(fēng)量、燃料量指令和給水流量指令的產(chǎn)生均與負荷指令密不可分:

      （1）總風(fēng)量指令＝風(fēng)煤比函數(shù)f4（鍋爐主控指令）×氧量校正，氧量校正回路的設(shè)定值為負荷的函數(shù)f6（x）。

      （2）燃料量指令＝鍋爐主控指令+焓值調(diào)節(jié)的動態(tài)解耦，函數(shù)f3（x）是鍋爐負荷——燃燒效率的函數(shù)。

      （3）給水流量指令＝遲延的鍋爐主控指令+焓值調(diào)節(jié)器的輸出。

      （4）燃料量控制與給水控制的解耦設(shè)計:一方面，鍋爐熱負荷（燃料量）的變化相對于給水流量的變化是一個慢速過程（PTn）；另一方面，微過熱蒸汽焓的變化又是燃水比失調(diào)的迅速反映，而負荷與溫度的控制又要求保證一定的燃水比，因此，代表鍋爐熱負荷（燃料量）動態(tài)特性的多階慣性環(huán)節(jié)PTn和焓值調(diào)節(jié)的動態(tài)解耦被應(yīng)用于燃料量控制與給水控制的解耦設(shè)計。

      二、給水控制系統(tǒng)的設(shè)計與分析

      給水控制系統(tǒng)包括蒸發(fā)器理論吸熱量計算、焓值控制、一級減溫器前后溫差控制、給水流量設(shè)定值計算和燃料量與給水的解耦控制等多個回路，其原理見圖2。

      2.1 蒸發(fā)器理論吸熱量計算

      蒸發(fā)器理論吸熱量＝理論給水流量×省煤器出口到分離器出口的理論焓增－蒸發(fā)器金屬蓄熱量的變化量

      理論焓增和理論給水流量分別是負荷指令的函數(shù)f1（x）和f2（x）。負荷變化時，爐膛熱負荷的變化相對于給水量的變化是一個遲延較大的對象，因此負荷指令要經(jīng)多階慣性的遲延后才轉(zhuǎn)化為理論給水流量；對于來自燃料量的內(nèi)擾，給水流量也有相應(yīng)的變化量。

      當(dāng)分離器出口蒸汽壓力變化時，蒸發(fā)器內(nèi)金屬的蓄熱也將發(fā)生變化，無論是吸熱還是放熱，這部分熱量都將影響到給水的實際吸熱量，因此應(yīng)從蒸發(fā)器理論吸熱量的計算中排除。

      2.2 焓值控制回路及變參數(shù)校正

      根據(jù)分離器出口微過熱蒸汽的焓能迅速判斷燃水比是否失調(diào)，因此采用微過熱蒸汽焓值調(diào)節(jié)器的指令去修正給水流量指令以保證燃水比的平衡，從而保證過熱汽溫為給定值。其中焓值設(shè)定值為負荷的函數(shù)f4（x）。在負荷變化50%-時，過熱汽溫被控對象的增益變化達5-6倍，時間常數(shù)變化也有2-3倍，因此采用變參數(shù)控制，即用代表負荷的鍋爐主控指令乘以微過熱蒸汽焓值調(diào)節(jié)器的輸出，再去調(diào)節(jié)給水流量以適應(yīng)控制特性變化了的控制對象——過熱汽溫。

      2.3 一級減溫器前后溫差控制回路

      當(dāng)負荷變化時，燃料量的變化導(dǎo)致鍋爐出口煙溫和煙氣流速發(fā)生變化，勢必影響爐膛內(nèi)輻射傳熱量和煙道內(nèi)對流傳熱量的變化，一、二級過熱器分別為屏式和對流式過熱器，這2種過熱器的溫度特性相反，如當(dāng)負荷增加時，前者出口溫度將下降，而后者則上升，此時若減少一級減溫器的噴水流量將直接惡化二級噴水減溫的調(diào)節(jié)能力，可能導(dǎo)致二級過熱器出口溫度超溫，因此，溫差調(diào)節(jié)器的任務(wù)就是維持一級減溫器前后溫差為負荷的函數(shù)f3（x），并用其輸出修正焓值設(shè)定值從而改變給水流量指令以保證過熱汽溫。

      2.4 給水流量設(shè)定值計算

      給水流量設(shè)定值＝蒸發(fā)器理論吸熱量÷（省煤器出口到分離器出口的實際焓增+焓值調(diào)節(jié)器的輸出）

      省煤器出口到分離器出口的實際焓增＝焓值設(shè)定值-省煤器出口給水實際焓值

      省煤器出口給水實際焓值的作用體現(xiàn)在其導(dǎo)前控制上:當(dāng)其增加時，表示給水從煙氣的吸熱量增加，即燃料量增加，因此給水流量也應(yīng)迅速增加；反之，給水流量也應(yīng)迅速減少。

      zui后，給水流量設(shè)定值與直流爐要求的zui小給水流量取大形成給水流量指令。

      三、過熱蒸汽減溫水控制系統(tǒng)設(shè)計與分析

      減溫水控制包括過熱器一、二級減溫水和再熱器事故噴水控制系統(tǒng)，均是基于Smith模型預(yù)估控制的單回路控制?，F(xiàn)以二級過熱器減溫水控制系統(tǒng)為例介紹其控制思想（見圖3）。

      3.1 焓值變增益校正

      當(dāng)過熱蒸汽焓值變化時，為維持過熱汽溫所需的減溫水流量應(yīng)有所不同。例如對于同樣的溫度偏差（+5℃），當(dāng)過熱蒸汽溫度、壓力不同時其焓值也不同，此時所需要的減溫水量也不同，因此焓值校正有助于減少控制系統(tǒng)的振蕩，縮短過渡過程時間。

      3.2 Smith預(yù)估控制

      Smith預(yù)估器的原理是預(yù)先估計出過程在基本擾動下的動態(tài)特性，然后由預(yù)估器進行補償，力圖使被遲延了τ的被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器，使調(diào)節(jié)器提前動作。當(dāng)減溫水閥動作時，二級過熱器入口的蒸汽溫度變化很快，而出口溫度變化很慢（存在純遲延τ），因此Smith預(yù)估器的作用就是要消除純遲延，使被調(diào)量是二級過熱器入口的蒸汽溫度而不是出口的蒸汽溫度。圖3為二級過熱器減溫水控制系統(tǒng)原理示意。      

      圖3中，e-τsGT（s）是二級過熱器出、入口溫度T2（s）和T1（s）之間的傳遞函數(shù)，即，或T2（s）=T1（S）e-τsGT（s）。

      式中：GT（s）一般為一階慣性環(huán)節(jié)。則調(diào)節(jié)器入口的被調(diào)量為：

      T1（S）[1-e-τsGT（s）]+T2（s）=T1（s）-T1（s）e-τsGT（s）+T2（s）=T1（s）。

      從式中看到，包含有純遲延環(huán)節(jié)τ的e-τs GT（s）被消除了，在動態(tài)過程中被調(diào)量由T2（s）變成了具有快速特性的對象T1（s），采用常規(guī)PID控制即可獲得良好的控制品質(zhì)。而在穩(wěn)態(tài)時，被調(diào)量仍然是二級過熱器出口溫度T2（s）。

      超超臨界機組是被控特性復(fù)雜多變的對象，隨著機組負荷的變化，機組的動態(tài)特性參數(shù)亦隨之大幅度變化，同時具有強烈的非線性耦合特性，再加上蓄熱系數(shù)遠比汽包爐小等因素，因此，在閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計中要多考慮使用比值控制、變參數(shù)控制和預(yù)估控制等*控制手段以達到更好的控制效果。