超临界火力发电机组热工控制技术及其应用摘要：基于超临界火力发电机组的运行特点，结合热工控制系统的设计要求，深入探讨了超临界发电机组热工控制技术的特殊性，首以锅炉给水控制系统和过热汽温控制系统为例，详细分析了热工控制系统的设计原理。

实际应用表明了该方案的有效性。

超临界发电机组以其热能转换效率高、发电煤耗低、环境污染小、蓄热能力小和对电网的尖峰负荷适应能力强等特点而得到广泛应用，日益成为我国火力发电的主力机组。

超临界直流锅炉没有汽包，工质一次通过蒸发部分，即循环倍率等于1，在省煤器、蒸发部分和过热器之间没有固定不变的分界点，水在受热蒸发面中全部转变为蒸汽，沿工质整个行程的流动阻力均由给水泵来克服。

超临界直流锅炉主要输出量为汽温、汽压和蒸汽流量(负荷)，主要输入量是给水量、燃烧率和汽机调门开度。

由于是强制循环且受热区段之间无固定界限，一种输入量扰动则将对各输出量产生影响，如单独改变给水量或燃料量，不仅影响主汽压与蒸汽流量，过热器出口汽温也会产生显著的变化，所以比值控制(如给水量/蒸汽量/燃料量/给水量及喷水量/给水量等)和变定值、变参数调节是直流锅炉的控制特点。

一、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，工质在该点前的恰增占总恰增的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(或焰值)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4×6OOMW超临界发电机组为例，介绍其主要特色。

二、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烙值作为表征量，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焰值的动态特性相似;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烙值保持不变，所以采用微过热蒸汽烩替代该点温度作为燃水比校正是可行的，其优点如下:(1)分离器出口焰(中间点焰)值对燃水比失配的反应快，系统校正迅速。

(2)烩值代表了过热蒸汽的作功能力，随工况改变恰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人饱和区)，恰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恰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的电动抬水泵。

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，直至汽动给水泵投人，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人省煤器，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人分离器，分离器疏水分2路，一路进人除氧器，进行合格工质及热量的回收;另一路经扩容器扩容后进人疏扩箱，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。

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)-级减温器前后温差。

如果各受热面的吸热比例不变，过热器出口焰值为一常数时，减温器后蒸汽恰值也是一常数，与负荷无关，保持减温器前后温差为一常数，也就司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人与否，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藕作用。

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，其偏差送人温差PID控制器，其输出与调速级压力、平均温度等前馈量相加，作为恰值设定值与用分离器出口温度和出口压力计算出的实际恰值比较，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。

三、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(煤水比的调节)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。