超临界机组中间点温度控制策略工程应用

超临界机组中间点温度控制策略工程应用

郑少鹏 ,陈云 ,肖晓文 ,白智中

广州粤能电力科技开发有限公司  510000

摘 要: 直流锅炉的中间点温度直接影响机组的过热汽温度、水冷壁和过热器的金属温度。中间点温度控制的主要手段有水煤比控制、焓值控制两种。对比两种控制策略及其他辅助策略，结合国内主流的不同类型直流锅炉的特性，就调试过程中遇到的中间点温度控制的无扰切换、超温保护、积分饱和等方面的问题及处理方法进行分析。

关键词: 超(超)临界机组；中间点温度；焓值控制

引言

直流锅炉中间点温度一般是指水冷壁出口汽水分离器中工质的温度，不同的直流炉由于设计概念不同其代表中间点温度的位置也有所不同。该温度与水冷壁吸热量、水冷壁入口工质温度、水冷壁入口工质流量密切相关，并直接影响过热汽温，是直流锅炉运行的重要状态参数之一。中间点温度过热度的控制品质直接关系机组的安全稳定运行。中间点温度过热度的控制主要用于保持水冷壁中工质流量和吸热量的合理比例，防止水冷壁发生膜态沸腾或类膜态沸腾而造成管壁过热，并维持中间点温度在合理水平，以保持作为过热汽温超前控制信号应有的相对裕度。因此，本文对比两个实际工程中的控制策略（a电厂2号机组1000MW超超临界直流锅炉中间点温度过热度控制，b电厂1机组660MW超临界直流锅炉为焓值控制），就调试过程中遇到的问题进行分析讨论。

一、中间点温度过热度控制手段

直流炉汽温对象迟延大、抗扰动能力差，汽温调节特性及对象模型较复杂，在直流锅炉的控制中往往采用水煤比控制、焓值控制、过热器喷水及给水流量微量修正等调节手段，满足中间点温度过热度控制的需要。实际应用中可采用 1 种或组合方式来实现过热度控制。

1.1 水煤比控制

水煤比 ( WFR) 控制是中间点温度的主要调节手段，它根据汽水分离器出口(或相关部位) 的过热度、过热器出口温差等改变燃料量指令(或给水流量指令) ，来维持给水量与燃料量成一定的比例，从而保证汽水分离器出口的过热度、过热蒸汽温度在设定范围。a电厂采用 WFR 调节燃料量控制屏过出口温度的方式。

1.2 焓值控制

将分离器出口的设计焓和省煤器进口的设计焓相减获得对应锅炉负荷的炉膛目标焓增，并采用高阶滞后环节进行补偿( 包括修正燃料的响应速度和储水箱的蓄能时间常数) ；然后用炉膛目标焓增乘以设计给水流量来计算炉膛目标总焓增，再用炉膛目标总焓增指令除以修正后的炉膛实际焓增，最后得到实际的炉膛给水流量指令。基于一级过热器减温器前后温度、锅炉负荷、烟气挡板开度、省煤器进口焓值和投用燃烧器的组合方式有关，因此需要进行一级过热器温度修正及分离器出口焓值修正，通过温度控制器指令修正分离器出口焓值设定值，使蒸汽流经一级减温器时维持目标温升。

1.3 一级过热器喷水修正

当 WFR 的燃料偏置修正已至最大而中间点温度过热度仍无法满足要求时，可考虑增大过热器喷水流量辅以调节，由于总给水量一定，当减温水流量加大时，进入锅炉水冷壁的给水流量就会相对减少，从而达到提升中间点温度过热度的目的。一般除非煤质急剧变化，该调节手段只是一种辅助调节手段。

1.4 给水流量微量修正

当机组运行中中间点过热度偏离设定值较大时，将额外附加一定量的给水流量修正值来辅助调整中间点温度过热度。一般在直流干态方式下，实际过热度超过设定值10℃时，可通过辅助回路开始增加给水，总量最大控制在5%左右；反之亦然。

二、中间点温度控制实例分析

2.1控制策略分析

a电厂2号机组和b电厂1号机组的中间点温度过热度的控制思路基本一致: 在完成锅炉主控指令对给水指令和燃料量指令的静态分配基础上，通过调整燃料和给水的比例来最终满足锅炉对中间点温度控制的要求。但2台机组在具体调节手段、调节目标和细节的考虑上有所不同。a电厂1号机组的 WFR 控制，在干态模式下主要通过调整燃料指令的偏置来满足不同负荷段下分离器入口蒸汽过热度的要求，同时兼顾过热器出口蒸汽温度偏差，保证主蒸汽温度控制在一定的范围内。随着蒸汽参数的增高，该机组还设有水冷壁、过热器金属温度超温保护功能，当管壁温度超过正常范围时，通过对给水指令进行辅助微调来保护管壁。b电厂1号机组则是以分离器出口焓值作为调节目标，通过主要调整给水指令的偏置来满足 WFR 的控制要求，使其满足不同负荷段下的要求，同时也考虑了过热器出口温度的修正量。可以看出2 台机组不管采用哪种控制方式，都采用1主+多辅的方式进行中间点温度控制。

2.2 调试过程中的问题处理

对于a电厂2号机组中间点温度过热度的控制，在调试过程中发现了控制策略实施中的一些问题并进行了处理。

(1)当一级过热器出口温度高时，WFR 速降至WFRLL( WFR 控制低限) ；当出口温度高信号失去时，WFR 则立即恢复到正常的调节值，造成给煤量较大扰动。经修改切换跟踪模块中的跟踪方式，并设置相应的切换变动速率后，WFR 限幅前后对给煤量扰动问题得到了解决。

(2)当水冷壁中间集箱温度高时，原控制策略设计为: WFR 按照 10 t/min 的速率减少 3 t 煤，如果3 min 后温度仍然高，则继续按此速率减煤。但实际过程中发现 WFR 一直减煤至低限。后经检查发现，WFR 减煤的速率是通过积分回路实现的，一旦温度高，立即将温度高之前的 WFR 数值保存，然后用该值减去积分回路输出的数值。由于温度高信号失去后，积分回路虽然快速回积，但由于存在死区，其输出总是有值的。尽管该值很小，由于 WFR 按照控制器扫描速率不断减去该值，使得 WFR 立即降为低限。后在温度高切换逻辑中增加“与”门，一旦温度高条件失去，WFR 立即切为正常调节值，消除了一直减煤至低限的现象。

(3)调试中还发现 WFR 限幅后出现积分饱和,因此对 WFR 控制策略作了以下修改: a.当 WFR 积分至上限后，对参加积分作用的温差信号、积分作用的前馈环节均增加取小回路，同时将积分作用的过程变量强切为 0，直到 WFR 受限信号失去；b.当WFR 积分至下限后，对参加积分作用的温差信号、积分作用的前馈环节均增加取大回路，同时将积分作用的过程变量强切为 0，直到 WFR 受限信号失去。

(4)根据厂家提供的控制策略，M/A 站放在控制输出未端。在调试过程中发现，如果 WFR 处于手动状态，一旦超温需要迫降就无法实现。为避免发生这种情况，将 M/A 站上移，确保当炉膛中部集箱入口管金属温度、一级过热器出口温度、后烟道的后墙入口联箱入口温度、炉膛烟气温度和后烟道的后墙联箱入口过热度中任一超温时，即使 WFR 处于手动也能实现自动减煤。

2.3实际应用效果

经过调试过程中对WFR控制策略的修改和控制参数的调整，无论是机组稳定运行或负荷升降过程中，过热度都控制在设定范围。

(1)a电厂2号机组负荷指令从 950 MW 降至 750 MW，压力动态偏差最大为 0.39MPa，功率动态偏差最大为 8 MW，对应的过热度设定值应为 40～30 ℃，在此过程中过热度最低为 29.0 ℃，最高为 41.4 ℃，始 终 控 制 在 可 调范围。

(2)a电厂2号机组负荷指令从 650 MW 升至 800 MW，期间压力动态偏差最大为 0.3MPa，功率动态偏差最大为 6 MW，对应的过热度设定值应为 29～38 ℃，在此过程中过热度最低为 27 ℃，最高为 39 ℃，始终控制在可调范围。

(3)b电厂1号机组负荷指令从 440 MW 升至 600 MW，期间压力动态偏差最大为 0.5MPa，功率动态偏差最大为 5 MW，在此过程中过热度最低为 2.4 ℃，最高为 8.3 ℃，始终控制在可调范围。

(4)b电厂1号机组负荷指令从 600 MW 降至 480 MW，期间压力动态偏差最大为 0.3MPa，功率动态偏差最大为 4 MW，在此过程中过热度最低为 10.8 ℃，最高为 14.6 ℃，始终控制在可调范围。

总结

( 1) 水煤比控制是调整中间点温度过热度的主要手段，也是保持主蒸汽温度的最终手段，但对过热汽温影响的迟延较大。a电厂2号机组的 WFR控制既满足不同负荷段下分离器入口工质过热度的要求，同时又兼顾过热器出口工质温度偏差，这种方法保证了主蒸汽温度始终能控制在一定的范围内，不但能保证中间点温度过热度控制的要求,也使减温喷水能较快地改变过热汽温，完善了汽温控制性能。

( 2) 就控制变量而言，a电厂2号机组以中间点的温度作为控制变量，b电厂1号机组则是以中间点工质的焓值作为控制变量，后者相对于前者的优点在于微过热蒸汽焓值较之于温度在灵敏度和线性度方面具有明显的优势。因为超临界机组的负荷变化时，其工质压力将在超临界到亚临界的广泛范围内变化，由水和蒸汽的热力学性质可知: 蒸汽的过热度越低，焓- 压力- 温度间关系的非线性度越强，特别是亚临界压力下饱和区附近，这种非线性度更强。在过热度低的区域，当增加或减少同等量给水时，焓值变化的正负向数值大体相等，但微过热汽温的正负向变化量则明显不等。如果微过热汽温低到接近饱和区，给水量扰动可引起明显的焓值变化，但温度变化却很小。因此，应优先选用微过热蒸汽焓值，以保证水煤比的调节精度和更好的调节性能。

( 3) a电厂2号机组的 WFR 控制中含有一个负荷变化时的校正回路，该回路有助于适应负荷变化时给水温度的改变。给水温度的变化滞后于负荷变化，因此可通过惯性环节的动态校正，使中间点温度过热度设定值与此变化过程相适应。

( 4) 对于水煤比校正，无论是通过调整燃料指令还是调整给水指令，都必须考虑给水量和燃烧率之间的相互耦合作用。控制策略都应通过解耦设计，将中间点温度控制器的输出加到给水量或燃烧率的单方面因素上，以此将给水量和燃烧率的相互作用减到最小，增加中间点温度调整和整个机组调整的稳定性。

参考文献

[1]彭小溪.超临界直流炉中间点温度运行调节探讨[J].华北电力技术. 2017(12)

[2]袁淑娟.超临界直流锅炉变工况实时运行中间点温度控制研究[J]. 热能动力工程. 2014(06)

[3]谷俊杰.超临界锅炉中间点温度增益切换控制方法[J]. 中国电机工程学报. 2014(14)