1　 超临界发电技术的国内外进展

　　由于超临界机组存在着非常明显的优势，早在1957年，美国就投运了第一台125MW试验性的高参数超临界机组(31MPa、621/566/538℃)，由于初期采用了过高的蒸汽参数，超出当时的技术发展水平，使得机组在运行中暴露出许多问题，降低了机组运行可靠性水平。但在以后陆续投运的机组中降低了蒸汽参数，情况有所好转。此后，前苏联、日本、德国、丹麦等国家也纷纷投入了对超临界机组技术的研究,并且超临界机组在火电机组中所占的份额也越来越大。经过四十多年的不断完善和发展，目前超临界机组已进入成熟和实用阶段。

　　与国外超临界机组技术的进展情况相比，我国超临界机组技术的发展相对比较落后,与各国超临界机组发展情况的对照如表1所示。但是随着对超临界技术的重视，我国先后从美国、俄罗斯等国引进了一批超临界机组。第一座超临界2×600MW机组于1992年在上海石洞口二厂建成，此后又陆续建成了南京2×300MW、营口2×300MW、盘山2×500MW、伊敏2×500MW和绥中2×800MW等超临界机组电厂。尽管我国超临界机组起步比较晚，但是通过对这些进口机组的安装、调试及运行，对我国研究、设计、制造和管理超临界机组都有极大的帮助。

    

表1 各国超临界机组发展情况对照表

    


　
首台超临界机组

投运时间/年
超临界机组约占火

电容量的比例/%
代表性的超临界机组

参数/（MPa /℃/℃)

美 国
1957
>30
24.13/538/538

前苏联
1963
>50
23.5/540/540

日 本
1967
>50
24.1/538/566

德 国
1956
—
26.2/545/562

丹 麦
1998
—
29/580/580

中 国
1992
<5
24.2/538/566

　　日前，我国首台国产600MW超临界发电机组在华能沁北发电厂带负荷一次并网成功。这次并网成功不仅填补了我国发电制造业在该领域的空白，同时也为我国今后实现百万等级超超临界等大型机组国产化，探索出一条“以我为主、联合设计制造”的新路。

2 　超临界仿真技术面临的问题及其研究

2.1 　超临界机组与亚临界机组的主要区别

　　水的临界压力为22.064MPa，临界温度为373.946℃。在临界点上，水与汽的参数完全相同，两者的差别消失，汽化潜热趋向于零，即汽化在一瞬间完成。锅炉的型式主要取决于蒸汽参数和容量，有自然循环炉、控制循环炉、直流炉及复合循环直流炉４种。直流炉适合于超临界及亚临界参数，自然循环及控制循环炉只适宜于亚临界及亚临界以下压力参数。

　　超临界机组与亚临界机组在燃烧系统、过热器和再热器系统的差异不是太大，两者之间最大的差别在于水冷系统、锅炉启动系统与汽机旁路系统^[2]。下面就以石洞口二厂（600MW超临界机组）和平圩电厂（600MW亚临界机组）为例对这3个方面的差别做一个简单的介绍：

　　（1) 亚临界机组一般采用模式水冷壁，水冷壁管由内螺纹管和光管组成；超临界直流炉的水冷壁主要采用螺旋式水冷壁和垂直管屏水冷壁。由于螺旋管圈直流炉能满足变压运行和快速变负荷要求，因此发展较快。石洞口二厂的2台超临界机组均采用的是螺旋式水冷壁。

　　（2) 根据美国经验，采用5%小旁路系统，可以缩短机组从启动冲转到并网的时间。例如，在平圩电厂锅炉过热器设有一根5%额定负荷容量的启动小旁路管。通过对旁路的调节可提高过热器出口温度并限制蒸汽压力的上升速度，使蒸汽参数较快地达到汽机冲转要求。而对于超临界机组来说，为了保证超临界直流锅炉从启动到MCR全过程的安全性，防止亚临界参数下的膜态沸腾和超临界参数下的管壁超温以及沿宽度方向上的温度偏差，一开始升压就必须不间断地向锅炉进水，维持足够的工质流速和压力使受热面得以冷却。但考虑到启动热损失和分离器容量，原则上在可靠冷却前提下质量流量尽量选得小些，通常为25%～35%MCR。汽水分离器是超临界直流锅炉启动系统中的一个重要部分，有内置式和外置式之分。例如，石洞口二厂锅炉采用内置式汽水分离器。水冷壁自启动至37%MCR负荷时，汽水分离器充当汽包的作用，分离出的水排入疏水扩容器实现工质回收。当负荷到37%MCR时，汽水分离器由湿态切换到干态。37%MCR到85%MCR时，锅炉作变压直流运行，这时内置式汽水分离器充当蒸汽管道的作用。

　　（3) 中间再热单元机组一般都设置有旁路系统，以便在机组启停和汽机故障时协调匹配机炉的工况，实现工质的回收。石洞口二厂锅炉设有100%容量的高压旁路和65%容量的低压旁路。平圩电厂亚临界机组也设有高压和低压旁路系统，其作用与石洞口二厂超临界机组的旁路系统相仿，但容量较小。平圩电厂的高低压旁路的容量都为30%额定负荷^[2]。

　　此外，在超临界压力直流锅炉中，蒸发管内的工质是单项水或单项蒸汽，一般情况下不会发生水动力不稳定性问题，但在大比热区，工质的焓（温度）改变时，其比容、黏性系数会发生显著的变化。并且，在重位压降的作用下也会发生水动力特性的多值性问题。因此非常有必要探讨超临界压力下的大比热区水动力不稳定性问题，为超临界压力电站锅炉的安全运行和设计制造提供一些参考。

2.2　超临界机组仿真技术的研究进展及存在的问题  

　　目前，尽管对超临界机组有了一定的认识和了解，但是由于超临界压力下蒸汽参数的特殊性和直流炉实际运行操作时的相对复杂性，为了实现机组的安全经济运行，对运行人员进行培训是非常必要的。同时通过仿真还可以对超临界机组的优化控制、故障诊断等方面提供一个很好的试验手段。

　　与汽包锅炉相比，直流锅炉（包括亚临界或超临界直流锅炉）建模的特殊性主要表现在两相区段上。国内在这方面的理论研究已赶上国际先进水平，最新的研究成果主要有：基于Lagrange流体质点追踪思想的动态计算模型和适用于大扰动全工况仿真的非线性集总参数移动边界的动态数学模型。然而尚没有采用此先进模型开发出实用性的全工况实时仿真培训系统。众所周知，国内在直流锅炉，特别是超临界直流锅炉的设计与制造、运行与控制等方面均落后于国际先进水平，因而迫切需要开发能用于定性和定量分析的全工况仿真系统^[3]。下面就以超临界直流锅炉汽水系统的建模为例来阐述一下超临界机组仿真与亚临界仿真的主要不同点以及超临界仿真中存在而一直没有得到很好解决的问题。

　　超临界与亚临界仿真建模的原理大同小异。因为亚临界汽包炉的仿真技术已经发展的相对很成熟了，所以二者动态特性相同的系统，在建模时可以彼此借鉴或者在大多数情况下是通用的，譬如，单相区段的模型（省煤器模型和过热、再热器模型）和一些设备模型（给水泵模型和除氧器模型等）。超临界直流炉与常规亚临界汽包炉的最大的差别正如前面所述的在水冷系统、锅炉启动系统与汽机旁路系统。但就建模而言，最主要的差别在于水冷壁即两相区段的建模。由于水冷壁中工质的状态随着工况的变化在不断的变化着，这也就给建模带来了不少麻烦：①水冷壁建模区段的划分；②不同工况下模型的切换。目前，适用于大扰动全工况仿真的非线性集总参数移动边界的蒸汽发生器动态数学模型^[4]，从理论上讲可以解决亚临界与超临界以及水冷壁出口蒸汽为湿态与干态的切换问题，但是建模极其复杂，不太适用于实时动态仿真。简化模型^[5]虽然能够反映基本的动态特性，但是假设条件中忽略了金属温度与工质温度变化率的不同，传热恶化现象不能够很好的体现出来，然而事实上，传热恶化在分析研究超临界机组的动态特性时是非常重要且不可缺少的部分。所以当前超临界机组仿真的重点在于能否建立适用于实时仿真的简单而又能真正地、全面地反映系统动态特性的水冷壁模型。

3 　超临界仿真研究的平台以及建模工具

　　仿真平台是电站仿真的支撑系统，也可以说是电站仿真的工具。目前，火电站仿真机开发建模思想的主流是模块化建模的思想。模块化建模由于存在形象化、可重用性好、搭建组态简单方便等优势而一直备受研发机构和用户的青睐。例如，国内几大仿真公司：清华同方、四方同创、恒和大风、和利时、华仿科技、南工仿真、河南电仿等，基本上都采用的是模块化建模的形式。但是新型电站仿真软件应该具备模块化、图形化、在线化、网络化这4个最基本的特点：①模块化：就是将规模大、不易协调处理的大系统分解成数目合理、易于处理的小系统，分别建立各自的数学模型并将他们适当的连接起来而得到大系统数学模型的方法。②图形化：模块化是图形化的基础，图形化就是把模块对象用与实际对象相似或相同的图形表示出来，这样便于直观地组态。③在线化：不论是组态还是修改都可以在线完成而不影响别的模块或者系统的运行。④网络化：网络通信采用客户-服务器的形式，这样在网络中的计算机之间就可以实时共享和交换数据。

　　为了对当前的仿真平台有一个大概的认识，本文主要介绍一下基于流的组态分析平台CONBAC。

　　工程组态分析平台CONBAC是用于仿真组态的工具,它同样具备上述新型电站仿真软件所具有的特点。除此之外，它还具有流的特性。所谓流，指的是一个时间断面或者一个时间序列上的一组数据，用于表达一个具有复杂特性的单元的实时或者历史的信息。例如，电站热力系统中用于表达汽水流压力、温度、流量、焓、熵等各种物理参数的数据流，这种流具有实时的特征，同时流内信息存在一些相关性，这样就可以通过汽水流中的焓、压力来确定整个汽水流的热力状态。

　　从基于流的概念出发，工程分析组态平台在处理模块和环节的数学建模时，以流为基本分析单位（如同MATLAB中以矩阵为基本单位），在连接这些模块时，模块之间的连线上传递的是流的信息，这样不但使得建模的效率大为提高，而且使得组态页面清晰而简洁^[7]。

4 　结束语

　　随着超临界机组及其仿真技术的发展，人们对超临界机组的认识和理解的层次也越来越深。这对于今后火电机组向超超临界等大型清洁、节能型方向的迈进奠定了坚实的基础。

5 　参考文献

[1] 苗 金，危师让.超临界火电技术及其发展.热力发电，2002(5)：2～5.

[2] 王娜娜，边小君，曹云娟.600MW级超临界与亚临界锅炉技术比较.浙江电力，2003(6)：21～24.

[3] 吕崇德，范永胜，蔡瑞忠.我国电站仿真技术进展与建模理论研究.中国工程科学，1999，1(1)：99～103.

[4] 范永胜，徐治皋，陈来九.超临界直流锅炉蒸汽发生器的建模与仿真研究(一).中国电机工程学报，1998，1(4)：246～253.

[5] 李运泽，杨献勇.超临界直流锅炉长期动态特性的建模与仿真.热能动力工程.2003，18(103)：23～26.

[6] 韩璞，刘长良，李长青.火电站仿真机原理及应用.天津科学技术出版社，1998.

[7] 陈波.基于流的电站热能系统分析组态平台及其应用.武汉大学［硕士学位论文］，2005.