1 超临界机组的控制原则



　　
(1) 保持燃料量与给水流量之间的比值关系不变，保证过热蒸汽温度为额定值。当有较大的温度偏差时，若仅依靠喷水减温的方法来校正温度，则需要大量的减温水，这不仅进一步加剧燃水比例失调，还会引起喷水点前各段受热面金属和工质温度升高，影响锅炉安全运行。

　　
(2) 不能直接采用燃料量或给水流量来调节过热汽温，而是采用微过热汽温作为燃水比校正信号。虽然锅炉出口汽温可以反映燃水比例的变化，但由于迟延很大，因而不能以此作为燃水比例的校正信号。在燃料量或给水流量扰动的情况下，微过热汽温变化的迟延远小于过热汽温。同时，微过热点前包括有各种类型的受热面，工质在该点前的焓增占总焓增的3/4左右，此比例在燃水比及其他工况发生较大变化时变化并不大。因此，通过保持一定的燃水比例，维持微过热点的汽温（或焓值）不变，以间接控制出口汽温。

　　
因此，与亚临界汽包锅炉机组相比，在超临界发电机组的热工控制系统中，锅炉给水控制系统和过热蒸汽温度控制系统不同，其他系统大致相似。下面以某发电厂4×600MW超临界发电机组为例，介绍其主要特色。    

2 锅炉给水控制系统

2.1 给水控制系统的主要任务

　　
超临界发电机组没有汽包，锅炉给水控制系统的主要任务不再是控制汽包水位，而是以汽水分离器出口温度或焓值作为表征量，保证给水量与燃料量的比例不变，满足机组不同负荷下给水量的要求。

当给水量或燃料量扰动时，汽水行程中各点工质焓值的动态特性相似；在锅炉的燃水比保持不变时（工况稳定），汽水行程中某点工质的焓值保持不变，所以采用微过热蒸汽焓替代该点温度作为燃水比校正是可行的，其优点如下：

　　
(1) 分离器出口焓（中间点焓）值对燃水比失配的反应快，系统校正迅速。

　　
(2) 焓值代表了过热蒸汽的作功能力，随工况改变焓给定值不但有利于负荷控制，而且也能实现过热汽温（粗）调正。

　　
(3） 焓值物理概念明确，用“焓增”来分析各受热面的吸热分布更为科学。它不仅受温度变化的影响，还受压力变化的影响，在低负荷压力升高时（分离器出口温度有可能进入饱和区），焓值的明显变化有助于判断，进而能及时采取相应措施。

　　
因此，静态和动态燃水比值及随负荷变化的焓值校正是超临界直流锅炉给水系统的主要控制特征。

2.2 给水控制系统的工艺流程

　　
此发电厂为600MW超临界发电机组的锅炉为螺旋管圈、变压运行直流锅炉，其启动系统配有2只内置式启动分离器，在锅炉启动和低负荷运行时，分离器处于湿态运行，同汽包一样起着汽水分离的作用，此时适当控制分离器水位，通过循环回收合格工质；当锅炉进入直流运行阶段时，分离器处于干态运行，成为（过热）蒸汽通道。机组配备有2台50%锅炉最大额定出力(BMCR)汽动给水泵和1台30%BMCR的电动给水泵。由变速汽轮机拖动的锅炉给水泵（汽动给水泵），布置在汽机房13.70m层。每台汽动给水泵配有1台定速电动机拖动的前置泵，布置在除氧间零米层。给水泵汽轮机的转速由给水控制系统调节，以改变给水流量；液力偶合器调速的电动给水泵，作为启动和备用，前置泵与主泵用同一电动机拖动，它布置在除氧间零米层。在机组启动时，电动给水泵以最低转速运行，用其出口管道旁路上的气动调节阀控制给水流量。当机组负荷上升，给水流量加大时，由给水控制系统的信号控制给水泵的转速，以调节给水流量，直至汽动给水泵投入，停止电动给水泵运行，使其处于备用状态。

　　
启动过程中，蒸汽加热除氧器给水，主给水泵的出水分别经三级高压加热器后进入省煤器，考虑到低负荷下直流锅炉对重量流速的要求，在启动和低负荷阶段最小给水流量设置为40%BMCR，流过水冷壁管的汽水混合物进入分离器，分离器疏水分2路，一路进入除氧器，进行合格工质及热量的回收；另一路经扩容器扩容后进入疏扩箱，由扩疏泵输送至凝汽器或直接向外排放。随着循环加热的进行，当给水达到一定温度后，锅炉允许点火。

　　
给水系统按要求的流量、压力和温度供给锅炉给水，以及向有关设备供给各种运行工况所需要的减温水，以保证机组的正常运行。

2.3 给水系统的控制策略

　　
在机组燃烧率低于40%BMCR时，锅炉处于非直流运行方式，分离器处于湿态运行,分离器中的水位由分离器至除氧器以及分离器至扩容器的组合控制阀进行调节，给水系统处于循环工作方式；在机组燃烧率大于40%BMCR后，锅炉逐步进入直流运行状态。给水控制系统原理见图1。

    

图1 给水控制系统原理图

　　
因此，超临界机组锅炉给水控制分低负荷时（40%BMCR以下）的汽水分离器水位调节及锅炉直流运行（40%BMCR以上）时的煤/水比调节。

2.3.1 汽水分离器水位调节

　　
分离器水位通过改变锅炉给水量来实现。当发生水膨胀时，由调节阀V－514、V－517来辅助控制分离器水位。

根据锅炉汽水分离器贮水罐水位，按比例控制锅炉汽水分离器的贮水罐水位调节阀开度。当贮水罐水位在11.3m以下时，贮水罐水位调节阀全关；当贮水罐水位达到15.4m以上时，贮水罐水位调节阀全开。

　　
当出现下列情况之一时锅炉汽水分离器的贮水罐水位控制用强制手动：贮水罐水位控制阀交流电源失去，贮水罐水位控制阀直流电源失去，控制指令信号发生故障，分离器贮水罐压力信号发生故障，分离器贮水罐水位信号发生故障。

2.3.2 燃水比调节

　　
（1） 一级减温器前后温差。如果各受热面的吸热比例不变，过热器出口焓值为一常数时，减温器后蒸汽焓值也是一常数，与负荷无关，保持减温器前后温差为一常数，也就间接地保持了减温器前蒸汽温度为一常数，相当于用减温器前微过热汽温作为校正燃水比信号。由于在运行过程中，上、下排喷燃器的切换以及蒸汽吹灰的投入与否，过热器属于对流过热或辐射的吸热特性等诸多因素，锅炉受热面在不同负荷情况下吸热比例变化较大。若要保持微过热段汽温和各级减温器出口汽温为定值，则各级喷水量变化就较大。为了克服这一缺点，采用保持减温器前后温差的调节系统，与直接调节微过热段汽温调节系统相比，虽然其调节品质有所降低，但改善了一级减温器的工作条件。燃水比作为过热蒸汽温度控制的粗调方式，直接影响过热蒸汽温度，而作为喷水减温的辅助手段在调节过热蒸汽温度时，又会反过来影响燃水比。引入减温器前后温差，可将调整燃水比与喷水减温二者协调起来，补偿汽温控制时喷水减温对燃水比的影响，实现燃水比控制与喷水减温控制方式间的解耦作用。由于给水量调整燃水比对汽温的影响滞后较大，且燃水比着重于保持汽温的长期稳定，因此，一级温差偏差对燃水比的校正作用相对较缓慢。

　　
（2）总给水量。A侧、 B侧一级减温水流量和A侧、B侧二级减温水流量，经平滑处理相加可得总喷水流量；3个主给水流量信号经主给水温度修正后三取中，可得主给水量；总喷水流量与主给水量相加得总给水流量。

　　
（3） 控制策略。A侧、B侧一级减温器前后温差二取一，与负荷经f(x)形成的要求值进行比较，其偏差送入温差PID控制器，其输出与调速级压力、平均温度等前馈量相加，作为焓值设定值与用分离器出口温度和出口压力计算出的实际焓值比较，偏差送入焓值PID调节器,其输出加上燃料偏差作为给水量的要求值。该要求值与实际总水量的偏差送入给水调节器，产生给水指令信号。给水指令经平衡算法，送入2台汽动泵和一台电动泵，去控制给水量。当汽动泵A、B
都自动时，可手动给定泵的偏置量，以承担不同负荷要求。当汽动泵A、B 有手动时，自动生成偏置，实现2泵负荷的平衡。而电动泵只能手动给定泵的偏置量。

　　
（4） 给水泵转速控制。在给水泵控制系统中，给水主控发出的给水需求指令，被送到给水泵转速控制器，通过改变给水泵转速来维持给水流量。

　　
（5） 给水调节门控制。给水调节门不直接调节给水流量，调节门仅控制给水母管压力。当给水母管压力发生偏差时，通过给水调节门的调节来维持给水母管压力，以保证对过热器的喷水压力。

　　
（6） 给水泵最小流量控制。电动给水泵和汽动给水泵都设计有最小流量控制系统。该系统通过给水再循环，保证给水泵出口流量不低于最小流量设定值，以保证给水泵设备的安全。给水泵最小流量控制系统通常为单回路调节系统，流量测量一般采用二取一。给水泵最小流量控制系统仅工作在给水泵启动和低负荷阶段；当锅炉给水流量大于最小流量定值时，给水再循环调节阀门就关闭。最小流量给水再循环调节阀通常设计为反方向动作，即控制系统输出为0时，阀门全开；输出为100％时，阀门全关。这样当失电或失去气源时，阀门全开，可保证设备的安全。    

3 锅炉过热蒸汽温度控制系统

3.1 过热蒸汽温度控制的任务

　　
过热蒸汽温度控制的主要任务是维持过热器出口温度在允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点，蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下降，以至烧坏过热器的高温段，严重影响安全；过热蒸汽温度偏低，则会降低发电机组能量转换效率。据分析，汽温每降低5℃，热经济性将下降1%；且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽湿度增大，甚至使之带水，严重影响汽轮机的安全运行。该机组要求控制过热蒸汽温在538～548℃的范围内。

3.2 影响过热蒸汽温度的主要因素

3.2.1 燃料、给水比（煤水比）

　　
只要燃料、给水比的值不变，过热汽温就不变。只要保持适当的煤水比，在任何负荷和工况下，直流锅炉都能维持一定的过热汽温。

3.2.2 给水温度

　　
正常情况下，给水温度一般不会有大的变动；但当高压加热器因故障退出运行时，给水温度就会降低。对于直流锅炉，若燃料不变，由于给水温度降低时，加热段会加长、过热段缩短，因而过热汽温会随之降低，负荷也会降低。

3.2.3 过剩空气系数

　　
过剩空气系数的变化直接影响锅炉的排烟损失，影响对流受热面与辐射受热面的吸热比例。当过剩空气系数增大时，除排烟损失增加、锅炉效率降低外，炉膛水冷壁吸热减少，造成过热器进口温度降低、屏式过热器出口温度降低；虽然对流过热器吸热量有所增加，但在煤水比不变的情况下，末级过热器出口汽温会有所下降。过剩空气系数减小时的结果与增加时的相反。若要保持过热汽温不变，则需重新调整煤水比。

3.2.4 火焰中心高度

　　
火焰中心高度变化造成的影响与过剩空气系数变化的影响相似。在煤水比不变的情况下，火焰中心上移类似于过剩空气系数增加，过热汽温略有下降；反之，过热汽温略有上升。若要保持过热汽温不变，亦需重新调整煤水比。

3.2.5 受热面结渣

　　
煤水比不变的调节下，炉膛水冷壁结渣时，过热汽温会有所降低；过热器结渣或积灰时，过热汽温下降较明显。前者情况发生时，调整煤水比就可；后者情况发生时，不可随便调整煤水比，必须在保证水冷壁温度不超限的前提下调整煤水比。

　　
对于直流锅炉，在水冷壁温度不超限的条件下，后四种影响过热汽温因素都可以通过调整煤水比来消除；所以，只要控制、调节好煤水比，在相当大的负荷范围内，直流锅炉的过热汽温可保持在额定值。此优点是汽包锅炉无法比拟的；但煤水比的调整，只有自动控制才能可靠完成。

3.3 过热蒸汽温度控制策略

　　
600MW超临界发电机组锅炉过热汽温的调节是以调节煤水比为主，用一、二级减温水作细调。

3.3.1 过热汽温粗调（煤水比的调节）

　　
煤水比的调节的主要温度参照点是中间点（即内置式分离器出口处）焓值（或温度）。锅炉负荷大于40％MCR时，分离器呈干态，中间点温度为过热温度。具体控制思路见锅炉给水控制系统部分。

3.3.2 过热汽温细调

     由于锅炉调节中受影响的因素很多，只靠煤水比的粗调是不够的；而且，还可能出现过热器出口左、右侧温度偏差。因此，在后屏过热器的入口处和高温过热器（末级过热器）的入口处分别布置了一级和二级减温水（每级左、右各一）。喷水减温器调温惰性小、反应快，开始喷水到喷水点后汽温开始变化只需几秒钟，可以实现精确的细调。必须注意的是，要严格控制减温水总量，以保证有足够的水量冷却水冷壁；投用时，尽可能多投一级减温水，少投二级减温水，以保护屏式过热器。

3.3.2.1  屏式过热器出口温度控制系统

　　
该机组的屏式过热器出口温度控制系统（又称一级减温控制系统）如图2所示。该系统由A(左)侧和B(右)侧2套系统构成。2套系统的结构相似，都采用温差串级控制策略。

    

图2 一级减温控制系统原理图

　　
例如，A(左)二级减温器入口温度与A(左)二级减温器出口温度的温差信号作为主调节器的过程被控量，主调的输出作为副调节器的给定值，过热器A(左)一级减温器出口温度为副调节器的被调量，形成串级调节系统，产生一级喷水减温器的喷水量指令去控制过热器A(左)一级减温器入口水调节门，使进、出二级减温器的温差随负荷(蒸汽流量)而变化。这可防止负荷增加时一级喷水量的减少和二级喷水量的大幅度增加，从而使一级和二级喷水量相差不大，各段过热器温度相对比较均匀。设定值可由运行人员手动设定或由修正后的蒸汽流量经f(x)形成。蒸汽流量、总风量、燃烧器倾角（燃料指令）经动态滤波处理后，加到主调节器的输出，作为前馈量，其目的是当负荷变化引起烟气侧扰动时，及时调整喷水量，消除负荷扰动，减小过热汽温波动。

为了保证机组的经济性，防止过多喷水，由汽水分离器出口压力经f(x)形成饱和温度，再加上10℃的过热度后作为喷水的最低温度限。

     当发生锅炉主燃料跳闸(MFT)或汽机跳闸或负荷小于等于y%时，优先降一级过热汽温度；当A侧二级减温器出口温度变送器发生故障，或A侧一级减温出口温度偏差超过低限，或A侧一级减温器阀位偏差超过低限，或A侧一级减温出口温度变送器发生故障，或A侧二级减温器入口温度变送器发生故障，或优先降温时，A侧一级喷水控制阀应强制手动；当B侧二级减温器出口温度变送器发生故障、或B侧一级减温出口温度偏差超过低限，或B侧一级喷水阀位偏差超过低限，或B侧一级减温出口温度变送器发生故障，或B侧二级减温器入口温度变送器发生故障，或优先降时，B侧一级喷水控制阀应强制手动。

3.3.2.2 末级过热蒸汽温度控制系统

　　
该厂的末级过热蒸汽温度控制系统(又称二级减温控制系统)如图3所示。该系统也由结构相似的A(左)侧和B(右)侧2套系统构成，采用典型的串级汽温控制方案，左末级过热器出口温度为被控量，主调节器的输出作为副调节器的给定值，过热器左二级减温器出口温度为副调节器的被调节量，形成串级调节系统。副调节器产生的指令去调节左二级减温器入口水调节门，改变左二级喷水减温器的喷水量。

    

图3 末级过热蒸汽温度控制系统原理图

    

　　系统的设定值可由运行人员手动设定或由修正后的蒸汽流量经f(x)形成。蒸汽流量、总风量、燃烧器倾角（燃料指令）经动态滤波补偿处理后，加到主调节器的输出作为前馈量，其目的是当负荷变化引起烟气侧扰动时能及时调整喷水量，消除负荷扰动，减小过热汽温波动。同时，为了保证机组的经济性，防止过多喷水，系统还设置了最低喷水温度限制，即由汽水分离器出口压力经f(x)形成饱和温度，再加上10℃的过热度后作为喷水的最低温度限。

当发生锅炉主燃料跳闸(MFT)或汽机跳闸或负荷小于y%时，优先降二级减温系统出口温度；当左末级过热器出口温度变送器发生故障，或左二级减温出口温度偏差超过低限，或左二级喷水调节阀位偏差超过低限，或左二级减温系统末级过热器出口温度与设定值偏差超过低限时，左二级喷水控制阀应强制手动；当右末级过热器出口温度变送器发生故障，或右二级减温出口温度偏差超过低限，或右二级喷水调节阀位偏差超过低限，或右二级减温系统末级过热器出口温度与设定值偏差超过低限时，右二级喷水控制阀应强制手动。

4 结论



　　
本文针对超临界火力发电机组结构和运行特点，深入探讨了热工控制技术的特殊性。与亚临界汽包锅炉机组相比，超临界机组的燃水比控制是核心，它解决了锅炉给水控制问题。同时，作为过热蒸汽温度控制的粗调手段，为过热汽温控制创造了条件。其他系统与亚临界汽包锅炉机组基本相同。

5 参考文献

［1］ 陆延昌. 大力发展超临界机组优化火电结构［J］. 中国电力, 2000, 33(1):1～5.

［2］ 李遵基. 热工自动控制系统. 北京:中国电力出版社, 1992.

［3］ 于达仁, 徐志强. 超临界机组控制技术及发展［J］. 热能动力工程, 2001,16(2):115～121.