1、超臨界直流爐自動(dòng)控制的要求

隨著機(jī)組容量等級(jí)的逐步提高,，機(jī)組的運(yùn)行工藝日趨復(fù)雜,，機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目標(biāo)的有效手段，不僅擔(dān)負(fù)著運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)視,、控制回路的調(diào)節(jié),、設(shè)備的聯(lián)鎖保護(hù)、順控,、報(bào)警,、性能計(jì)算、趨勢(shì)記錄和報(bào)表輸出等功能,。而且發(fā)展到可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組自動(dòng)啟停（APS）,、自動(dòng)發(fā)電控制（AGC/ACE方式運(yùn)行）。其中,，模擬量控制系統(tǒng)（MCS）作為機(jī)組整個(gè)控制系統(tǒng)的核心,，不僅承擔(dān)著協(xié)調(diào)汽機(jī)和鍋爐之間的能量平衡，而且控制著爐側(cè)和機(jī)側(cè)各子系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行,。超臨界機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)與亞臨界參數(shù)機(jī)組相比,，其動(dòng)態(tài)特性更為復(fù)雜，需要更加完善的控制策略,。主要表現(xiàn)為：

a,、機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性隨負(fù)荷大范圍變化（通常的負(fù)荷變化范圍50％－100％），呈現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性和變參數(shù)特性。特別是為了適應(yīng)調(diào)峰運(yùn)行的需要,，超臨界機(jī)組常采用復(fù)合變壓運(yùn)行方式,，這意味著超臨界機(jī)組實(shí)際上也要在亞臨界區(qū)域工作，由于水蒸汽特性在亞臨界和超臨界區(qū)域的差異,，使得超臨界機(jī)組在亞臨界和超臨界區(qū)域轉(zhuǎn)換時(shí)的動(dòng)態(tài)特性差異顯著,。

b、由于直流鍋爐的工質(zhì)流和能量流相互耦合,，汽機(jī)調(diào)門開度,、燃料量、給水流量都對(duì)主汽壓力產(chǎn)生影響,，從而在各個(gè)控制回路,，特別是給水、汽溫及負(fù)荷控制回路之間存在很強(qiáng)的非線性耦合,。

c,、直流爐的熱力系統(tǒng)蓄熱較少，通常為相同容量汽包爐的1/3～1/2,，因此對(duì)外界的擾動(dòng)響應(yīng)速度較快,，容易發(fā)生分離器入口過(guò)熱度擺動(dòng)大、超溫,、超壓等情況,，不但影響主汽溫度的控制，而且容易造成汽水分離部分的金屬熱疲勞,。

d,、從控制模型上比較，超臨界機(jī)組為三輸入兩輸出的控制結(jié)構(gòu),，汽包爐機(jī)組僅為兩輸入兩輸出的控制結(jié)構(gòu),，控制策略上差別很大。（給水,、燃料,、調(diào)門開度，負(fù)荷,、壓力）

2,、超臨界直流鍋爐自動(dòng)控制的內(nèi)容

主要有以下幾方面：

a、在滿足機(jī)組負(fù)荷指令的前提下,，維持主汽壓力與設(shè)定值的偏差較小,，即汽機(jī)主控滿足電網(wǎng)負(fù)荷的需求，鍋爐主控維持機(jī)爐之間的能量平衡,； 

 b,、控制給水量與燃料量的配比在一個(gè)范圍內(nèi)，保證汽水分離器入口蒸汽過(guò)熱度、主汽溫度為設(shè)定值,，通?？紤]升負(fù)荷、降負(fù)荷,、穩(wěn)態(tài)及RB等各種工況的要求,；

c、保持不同負(fù)荷段減溫水量與給水量的配比,，確保水冷壁的溫度不超溫,；

d、保持最佳的燃燒工況,，主汽壓力運(yùn)行平穩(wěn),，鍋爐具有最高的燃燒率,；磨煤機(jī)的風(fēng)粉比例控制

e,、保證制粉、風(fēng)煙系統(tǒng)的安全及穩(wěn)定運(yùn)行,；

就上述超臨界直流爐的控制任務(wù)而言,，其控制系統(tǒng)有本身的特殊性。由于主汽壓力控制實(shí)際上保證了汽機(jī)負(fù)荷的需要,，也就是機(jī)組負(fù)荷指令,。但需要明確的是鍋爐出口的主蒸汽壓力并不是在任何時(shí)候都運(yùn)行在超臨界參數(shù)范圍內(nèi)，大約在機(jī)組帶70%額定負(fù)荷以上的時(shí)候,，主汽壓力才運(yùn)行在臨界壓力之上,，是一種復(fù)合變壓方式運(yùn)行。

注意：機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程兩個(gè)狀態(tài)不能長(zhǎng)時(shí)間提留,，濕態(tài)與干態(tài)轉(zhuǎn)換,、臨界點(diǎn)。

3,、超臨界機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

a,、水煤比控制

直流鍋爐中核心的控制就是水煤比的控制。當(dāng)直流鍋爐運(yùn)行在濕態(tài)方式時(shí),，汽水分離器起到汽水分離的作用,，控制上基本可以把它看成是一個(gè)汽包鍋爐。這時(shí)給水控制系統(tǒng)的任務(wù)就是保持鍋爐最小給水流量不變,，其給水流量包括給水旁路調(diào)節(jié)閥來(lái)的給水及爐水循環(huán)泵出口的再循環(huán)流量之和,；燃燒控制系統(tǒng)的任務(wù)就是控制鍋爐的蒸發(fā)量，用過(guò)熱器減溫噴水控制鍋爐出口的主蒸汽溫度,，給水流量的擾動(dòng)不會(huì)對(duì)主蒸汽溫度產(chǎn)生直接影響,。在這個(gè)階段給水和燃料的控制各自有獨(dú)立的控制目標(biāo)，不存在控制水煤比的問(wèn)題。

當(dāng)直流鍋爐運(yùn)行在干態(tài)方式時(shí),，汽機(jī)閥位,、燃料量和給水流量的改變都會(huì)引起鍋爐內(nèi)部汽水分界面的改變，從而有可能導(dǎo)致鍋爐出口主蒸汽溫度的大幅度變化,。

直流鍋爐的主汽溫度控制與汽包鍋爐類似,，通過(guò)調(diào)整過(guò)熱器減溫噴水調(diào)閥的開度來(lái)控制鍋爐出口的主蒸汽溫度，通常采用兩到三級(jí)導(dǎo)前溫度的串級(jí)控制,，分別控制各級(jí)過(guò)熱器出口聯(lián)箱的蒸汽溫度,。注意：當(dāng)噴水量增加后，主汽流量的增加使實(shí)際主汽壓力大于設(shè)定值,，通過(guò)鍋爐主控的給水量設(shè)定會(huì)相應(yīng)地減少,，反而在一定范圍擴(kuò)大水煤比的失調(diào)程度。所以,，直流鍋爐中不能把噴水減溫方法作為消除水煤比失調(diào)而引起的汽溫偏差的主要手段,。因此，對(duì)水煤比控制的修正邏輯,，無(wú)論是采用煤跟水的控制還是水跟煤的控制都是取微過(guò)熱蒸汽的焓（或汽溫）作為反映水煤比是否合適的標(biāo)志,。因?yàn)槲⑦^(guò)熱蒸汽之前各受熱面的吸熱量約占工質(zhì)總吸熱量60%左右，這些受熱面包括對(duì)流,，輻射等各種受熱面,，具有一定的代表性，而且慣性較小,。當(dāng)鍋爐進(jìn)入干態(tài)運(yùn)行方式后,，機(jī)組按照滑壓方式（復(fù)合變壓）運(yùn)行時(shí)，只要將該點(diǎn)的過(guò)熱度控制在設(shè)計(jì)值上,，就可以將鍋爐的汽水分界面控制在設(shè)計(jì)值上,。分離器入口蒸汽的過(guò)熱度指的是分離器入口溫度減去該點(diǎn)的蒸汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度。

汽水分離器入口蒸汽溫度測(cè)點(diǎn)也叫中間點(diǎn),，它是鍋爐汽水系統(tǒng)中能夠最早反映出水煤比失調(diào)的信號(hào),。該點(diǎn)的過(guò)熱度控制目標(biāo)值隨主汽壓力的設(shè)定（機(jī)組設(shè)定負(fù)荷）而改變。通常該點(diǎn)處的過(guò)熱度一般在10～40℃范圍之內(nèi),，不同的鍋爐過(guò)熱度控制范圍存在差異,，哈鍋三菱鍋爐偏高一些。從控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性上來(lái)說(shuō),，非線性比較嚴(yán)重,，所以有的直流鍋爐上采用了中間點(diǎn)焓值的控制方案。理論上講,，采用焓值控制的方案有利于解決上述動(dòng)態(tài)特性的非線性問(wèn)題,，但蒸汽溫度的物理概念更為明確一些,，只要保證過(guò)熱度的設(shè)定為分離器入口壓力的函數(shù)而不是負(fù)荷的函數(shù)。在整個(gè)控制上選擇過(guò)熱度控制水煤比的策略并無(wú)不當(dāng)之處,。

在直流鍋爐自動(dòng)控制策略的發(fā)展過(guò)程中,，在給水和燃料的配比上通常采用三種控制方式，第一種是以鍋爐主控的輸出（BID指令）通過(guò)函數(shù)發(fā)生器形成燃料量的設(shè)定,，根據(jù)燃料的設(shè)定形成給水的設(shè)定,；第二種是以鍋爐主控的輸出（BID指令）通過(guò)函數(shù)發(fā)生器形成給水流量的設(shè)定，根據(jù)給水流量的設(shè)定形成燃料量的設(shè)定,；第三種是以鍋爐主控的輸出（BID指令）通過(guò)兩個(gè)不同的函數(shù)發(fā)生器,，同時(shí)形成給水流量和燃料量的設(shè)定。同時(shí)對(duì)于水煤比控制的輸出,，為修正給水流量和燃料量的配比,，可以修正給水流量的設(shè)定或修正燃料量的設(shè)定，也可以按照控制的要求依次修正給水量和燃料量的設(shè)定,。并由此形成鍋爐控制系統(tǒng)內(nèi)部水跟煤和煤跟水的控制策略,。

圖1水跟煤的控制策略

圖2煤跟水的控制策略

說(shuō)明：隨著鍋爐負(fù)荷的改變，水煤比的設(shè)定值需要改變,，這個(gè)變化就體現(xiàn)在圖中函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置上,。圖1水跟煤的控制策略中,，水煤比例的控制是通過(guò)修正給水流量的設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn),，此外鍋爐主控在手動(dòng)狀態(tài)下的輸出跟隨實(shí)際燃料量，給水手動(dòng)狀態(tài)下的給水設(shè)定與實(shí)際給水流量的偏差通過(guò)中間點(diǎn)溫度調(diào)節(jié)器的跟蹤值來(lái)給予平衡,；圖2煤跟水的控制策略中,，水煤比例的控制是通過(guò)修正燃料量的設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)，而鍋爐主控在手動(dòng)狀態(tài)下的輸出跟隨實(shí)際給水流量,，燃料主控手動(dòng)狀態(tài)下的燃料量設(shè)定與實(shí)際燃料量的偏差通過(guò)中間點(diǎn)溫度調(diào)節(jié)器的跟蹤值來(lái)給予平衡,。

給水流量對(duì)中間點(diǎn)溫度的影響要快一些，所以采用水跟煤的控制方案有利于主蒸汽溫度的控制,，但不利于主蒸汽壓力的控制,。相反，采用煤跟水的控制,，不利于主蒸汽溫度的控制,。機(jī)組優(yōu)化后，對(duì)過(guò)熱度的控制采用水跟煤為主,，但融入燃料對(duì)過(guò)熱度的控制,。

從多臺(tái)不同廠家、不同容量的超臨界直流爐機(jī)組的調(diào)試和控制優(yōu)化過(guò)程可以發(fā)現(xiàn),，控制好水煤比的關(guān)鍵是合理的滑壓曲線選擇及鍋爐主控控制主汽壓力偏差的調(diào)節(jié)品質(zhì),。一旦主汽壓力波動(dòng)較大,，水煤比調(diào)節(jié)根本無(wú)法控制好分離器入口溫度（實(shí)際過(guò)熱度的計(jì)算是以當(dāng)前分離器入口溫度減去分離器壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，而主汽壓力的波動(dòng)必然帶來(lái)分離器壓力的波動(dòng)）,，同時(shí)也就無(wú)法獲得較好的主汽溫度調(diào)節(jié)品質(zhì),。其次，分離器入口溫度的設(shè)定應(yīng)當(dāng)使用分離器入口的壓力,，如果采用負(fù)荷來(lái)設(shè)定分離器入口的溫度,，必須與設(shè)定負(fù)荷下的滑壓曲線相參照，否則無(wú)法獲得很好的調(diào)節(jié)品質(zhì),。此外,，考慮到鍋爐配備直吹式制粉系統(tǒng)時(shí)，鍋爐燃料量的增加需要經(jīng)過(guò)制粉系統(tǒng)這個(gè)慣性時(shí)間比較長(zhǎng)的遲延環(huán)節(jié),，所以在實(shí)際工程中,，為了改善中間點(diǎn)溫度的控制效果，當(dāng)燃料量指令改變后,，對(duì)給水流量指令的變化加了一個(gè)遲延環(huán)節(jié),。如果采用雙進(jìn)雙出鋼球磨，則正好相反,，對(duì)燃料的指令變化增加一個(gè)慣性環(huán)節(jié),。

4、協(xié)調(diào)控制策略

由于直流爐沒(méi)有汽包,，從機(jī)爐能量平衡的控制角度出發(fā),，理論上其協(xié)調(diào)控制只能以間接能量平衡的方式來(lái)構(gòu)造（如果采用直接能量平衡，分離器壓力變化的微分增益較難確立）,，因?yàn)樵谥苯幽芰科胶獾臉?gòu)造中,，鍋爐側(cè)的能量需要引入汽包壓力的微分，這是直流爐所不具備的,。所以直流爐負(fù)荷控制的協(xié)調(diào)最好選擇間接能量平衡,，其構(gòu)成方式有三種：

①.鍋爐跟隨汽機(jī)為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)方式，負(fù)荷指令作為汽機(jī)主控的設(shè)定,。當(dāng)汽機(jī)負(fù)荷改變后,，機(jī)前壓力信號(hào)送到鍋爐主控，同時(shí),，負(fù)荷指令作為鍋爐主控的前饋,。

②.汽機(jī)跟隨鍋爐為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)方式，負(fù)荷指令直接送到鍋爐主控,，機(jī)前壓力信號(hào)送到汽機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)器,。要求增加負(fù)荷時(shí)，鍋爐增加負(fù)荷,，待汽壓升高后才使汽機(jī)增加負(fù)荷,。

③.協(xié)調(diào)控制方式（雙解耦控制）,，負(fù)荷指令和主汽壓力偏差信號(hào)同時(shí)送往汽機(jī)和鍋爐的主控制器，要求增加負(fù)荷時(shí),，鍋爐和汽機(jī)同時(shí)增加負(fù)荷,。若汽壓偏低時(shí)，鍋爐繼續(xù)增加燃料,，而汽機(jī)適當(dāng)減少負(fù)荷,，以減少汽壓偏差，反之亦然,。這樣,，雖然能夠保證能比較迅速地適應(yīng)負(fù)荷要求，又不致使汽壓偏差過(guò)大,。

除上述的機(jī)爐協(xié)調(diào)的三種方式外,，在協(xié)調(diào)控制的構(gòu)成中還包括：鍋爐跟隨（BF）；汽機(jī)跟隨（TF）,；手動(dòng)方式,；

5、風(fēng)煤交叉限制和煤水交叉限制

在直流鍋爐中,，為了保證鍋爐燃燒的安全性和經(jīng)濟(jì)性,，與汽包鍋爐一樣，控制系統(tǒng)都設(shè)計(jì)了燃料量和鍋爐總風(fēng)量,、給水量與燃料量之間的交叉限制,。具體的設(shè)計(jì)方案如下：

a、風(fēng)煤交叉限制  根據(jù)當(dāng)前實(shí)際的燃料量（經(jīng)BTU校核后）,，給出當(dāng)前燃料對(duì)應(yīng)總風(fēng)量指令的下限,；根據(jù)當(dāng)前實(shí)際的總風(fēng)量,，給出燃料量指令的上限,，以確保任何工況下都有足夠的風(fēng)量，保證進(jìn)入爐膛的燃料量充分燃燒,。

b,、 煤水交叉限制  當(dāng)鍋爐轉(zhuǎn)入干態(tài)運(yùn)行方式時(shí)，為了防止水煤比出現(xiàn)嚴(yán)重失調(diào),，控制系統(tǒng)采用煤水交叉限制,。具體做法是根據(jù)當(dāng)前實(shí)際的燃料量（經(jīng)BTU校核后），給出給水流量指令的最大值和最小值,，使得給水流量指令在這個(gè)區(qū)間變化,，一旦出現(xiàn)如磨煤機(jī)跳閘、煤質(zhì)大幅度變化等特殊工況,，交叉限制功能就能將給水流量自動(dòng)控制在范圍內(nèi),。另外還有根據(jù)當(dāng)前實(shí)際的給水流量給出燃料量指令的最大值,，以防止鍋爐受熱面超溫。

風(fēng)煤交叉限制功能是考慮燃燒過(guò)程“富風(fēng)”的控制策略,，在實(shí)際燃料及設(shè)定燃料取大值后作為風(fēng)量的設(shè)定,，保證在任何工況下的總風(fēng)量設(shè)定都不小于燃料量的需求。但為保證鍋爐的熱效率,，通常對(duì)總風(fēng)量的設(shè)定增加氧量校正,。對(duì)燃料量的設(shè)定是考慮總風(fēng)量對(duì)燃料量設(shè)定及給水流量對(duì)燃料量設(shè)定取小值后形成，以確保鍋爐的安全運(yùn)行,。

圖3鍋爐側(cè)煤水交叉限制示意