牟文彪，楊 敏，陸 陸，王印松，劉 萌

(1.浙江省能源集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000;2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310000;3.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 310000;4.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071000)

0 引 言

過熱蒸汽溫度是超（超）臨界直流爐機(jī)組的重要運(yùn)行參數(shù)，其動(dòng)態(tài)性能直接影響機(jī)組運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性[1]。超臨界直流爐機(jī)組具有高參數(shù)、大容量、動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜、各子系統(tǒng)間強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，過熱蒸汽溫度控制對(duì)象具有慣性時(shí)間常數(shù)大、非線性特征強(qiáng)和純遲延的特征，是超臨界直流鍋爐運(yùn)行控制的難點(diǎn)之一，當(dāng)前常規(guī)燃煤機(jī)組過熱蒸汽溫度控制普遍采用水煤比粗調(diào)、噴水減溫細(xì)調(diào)的串級(jí)PID 控制方式[2]。為滿足日間大批量新能源機(jī)組快速并網(wǎng)需求，火電機(jī)組需要具備深度調(diào)峰能力，同時(shí)兼顧負(fù)荷響應(yīng)的快速性與穩(wěn)定性。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，根據(jù)文獻(xiàn)[3]，當(dāng)同一火電廠中數(shù)臺(tái)火電機(jī)組共同承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)時(shí)，相較于廠內(nèi)機(jī)組均等降負(fù)荷運(yùn)行，單臺(tái)機(jī)組降低至負(fù)荷下限運(yùn)行的方式在特定日負(fù)荷曲線下可以取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。當(dāng)機(jī)組處于深度調(diào)峰快速降負(fù)荷工況下，各主要運(yùn)行參數(shù)的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)被破壞，燃料量、總風(fēng)量、給水量大幅降低，各運(yùn)行監(jiān)視參數(shù)大幅波動(dòng)，過熱汽溫度受到多類強(qiáng)擾動(dòng)，由于低負(fù)荷段過熱蒸汽溫度低于額定值，在快速降負(fù)荷工況下，易觸發(fā)過熱蒸汽溫度低保護(hù)動(dòng)作跳閘，給常規(guī)過熱蒸汽溫度控制的有效性帶來挑戰(zhàn)。

文獻(xiàn)[4]提出分布式監(jiān)督預(yù)測應(yīng)用于超超臨界機(jī)組過熱汽溫控制，將中間點(diǎn)溫度和過熱蒸汽溫度的設(shè)定值調(diào)整問題轉(zhuǎn)化為設(shè)定值在線優(yōu)化問題，針對(duì)負(fù)荷擾動(dòng)進(jìn)行了仿真分析，僅在高負(fù)荷段驗(yàn)證了所提策略的有效性，且沒有引入煙氣流量的干擾作用。文獻(xiàn)[5]提出基于插值和擬合技術(shù)的過熱汽溫非線性控制，通過調(diào)節(jié)控制器參數(shù)使其跟隨負(fù)荷自動(dòng)變化來保證系統(tǒng)的魯棒性，仿真分析驗(yàn)證了系統(tǒng)能適應(yīng)變工況、變參數(shù)特性，但未能驗(yàn)證負(fù)荷快速下降過程中所提策略的有效性。文獻(xiàn)[6]提出基于中間點(diǎn)溫度前饋的主汽溫模糊PID 控制，針對(duì)中間點(diǎn)溫度擾動(dòng)設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償器采用模糊控制器實(shí)時(shí)調(diào)整PID 參數(shù)，其控制策略基于通過改進(jìn)噴水減溫系統(tǒng)控制器改善過熱蒸汽溫度控制品質(zhì)，機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行工況下，文獻(xiàn)[7]中現(xiàn)場實(shí)際通常設(shè)置過熱器減溫噴水閥閉鎖調(diào)節(jié)，文獻(xiàn)[6]失去所提調(diào)控方式的有效性。文獻(xiàn)[8]以某臺(tái)超臨界機(jī)組為研究對(duì)象，深度調(diào)峰降負(fù)荷下，僅剩余2～3 臺(tái)給煤機(jī)運(yùn)行，當(dāng)給煤量突降后易造成燃燒不穩(wěn)定，造成主汽壓、主汽溫的較大波動(dòng)。文獻(xiàn)[9]以煤水比調(diào)整給水量，以減溫水作為微調(diào)修正，通過模糊控制方式提出一種改進(jìn)給水控制系統(tǒng)模型，可有效減少過熱汽溫超調(diào)量，同時(shí)在一定程度上縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，但由于金屬蓄熱系數(shù)與汽水蓄熱系數(shù)的差異，機(jī)組快速降負(fù)荷過程初期，根據(jù)文獻(xiàn)[10]的現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)際機(jī)組的中間點(diǎn)溫度變化趨勢與過熱汽溫相反，以中間點(diǎn)溫度作為給水閉環(huán)的被控變量可能會(huì)加劇過熱汽溫下降幅度。

針對(duì)超臨界直流爐機(jī)組深度調(diào)峰快速降負(fù)荷工況，根據(jù)熱力學(xué)定律和質(zhì)量守恒定律建立過熱汽溫系統(tǒng)熱平衡方程，定性分析快速降負(fù)荷工況下主汽壓力、燃料量、煙氣流量擾動(dòng)環(huán)節(jié)對(duì)過熱汽溫的影響。從給煤量控制、給水控制邏輯改進(jìn)角度提出機(jī)組快速降負(fù)荷工況下緩解過熱汽溫突降的控制策略，利用Simulink 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果驗(yàn)證所提策略的有效性。

1 過熱蒸汽溫度系統(tǒng)擾動(dòng)工況特性

1.1 過熱蒸汽溫度系統(tǒng)

超臨界直流鍋爐過熱系統(tǒng)簡化流程如圖1 所示，按照汽水工質(zhì)狀態(tài)縱向可分為過冷區(qū)、相變區(qū)和過熱區(qū)[2]。機(jī)組運(yùn)行過程中，根據(jù)水煤比控制策略中給水量和給煤量改變的順序，可將直流鍋爐水煤比控制方案分為給水跟隨和煤量跟隨[9]。工程上一般將汽水分離器出口微過熱蒸汽的溫度稱為中間點(diǎn)溫度，其值與機(jī)組水煤比的大小直接相關(guān)。

圖1 超臨界直流鍋爐過熱系統(tǒng)流程圖

根據(jù)熱力學(xué)第一定律和質(zhì)量守恒定律，過熱系統(tǒng)工質(zhì)的熱平衡方程為

式中：D——給水流量，kg/s；

B——鍋爐給煤量，kg/s；

hr——過熱器出口蒸汽比焓，kJ/kg；

hw——給水比焓，kJ/kg；

η——鍋爐效率，%；

Qb——單位燃煤發(fā)熱量，kJ/kg；

φ1——再熱器相對(duì)吸熱量，%；

Ea——排煙熱損失，kJ/s；

Eb——散熱損失，kJ/s。

由式（1）可得，過熱器出口蒸汽比焓hr為

其中he=(Ea+Eb)/D，kJ/kg。

針對(duì)過熱汽溫控制系統(tǒng)，鍋爐效率η、再熱器相對(duì)吸熱量 φ1、給水比焓hw、單位燃煤發(fā)熱量Qb和視為外部擾動(dòng)量的he，過熱器出口過熱蒸汽比焓值取決于B/D。過熱器系統(tǒng)和水冷壁（含省煤器）分別建立能量平衡方程為

式中：Qgr——過熱器吸收單位煤量放熱量，kJ/kg；

hgr——單位質(zhì)量過熱蒸汽吸熱量，kJ/kg；

Qm——水冷壁吸收單位煤量放熱量，kJ/kg；

hm——給水工質(zhì)從水冷壁入口至中間點(diǎn)溫度測點(diǎn)處的焓升，kJ/kg。

當(dāng)機(jī)組處于某穩(wěn)定工況下運(yùn)行，過熱蒸汽壓力Ps以及η、φ1、hw、Qb、he均可視為常數(shù)，維持當(dāng)前工況下水煤比即可穩(wěn)定過熱蒸汽溫度。當(dāng)機(jī)組處于深度調(diào)峰快速降負(fù)荷工況，降負(fù)荷速率常達(dá)到1%～2%額定負(fù)荷每分鐘，部分先進(jìn)機(jī)組可以達(dá)到2%～4%額定負(fù)荷每分鐘，各主參數(shù)（機(jī)組負(fù)荷N、過熱蒸汽壓力Ps、煙氣流量W、爐膛壓力Pb、給水流量D、鍋爐給煤量B等）波動(dòng)劇烈[8]。

1.2 各擾動(dòng)因素分析

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷N快速下降，過熱蒸汽壓力Ps隨動(dòng)快速降低，工質(zhì)的焓升分配和蒸汽比熱容的變化受過熱汽壓影響，進(jìn)而對(duì)過熱汽溫產(chǎn)生擾動(dòng)[11]。煤水比B/D固定且 φ1、hw、he恒定情況下，由式（2）可知，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷與過熱蒸汽壓力下降時(shí)，鍋爐效率η 提升，過熱蒸汽溫度反而升高；由式（4）可知，中間點(diǎn)溫度出口工質(zhì)焓升無變化趨勢，中間點(diǎn)溫度基本不變。

根據(jù)能量守恒定律，超臨界直流爐內(nèi)給煤燃燒放熱量QB可以近似等于爐內(nèi)輻射傳熱QR和煙道對(duì)流傳熱QT之和。定義給煤量減小前為初始時(shí)刻，并假定給煤量變化時(shí)爐內(nèi)換熱參數(shù)不便，鍋爐煙道出口煙溫Ts按照式（5）進(jìn)行估算[12]，由鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法[13]，單位煤量的對(duì)流熱量Qt如式（6）所示：

式中：ΔTs——煙道出口煙溫增量，K；

Ts0——初始時(shí)刻煙道出口煙溫，K；

ΔB——爐膛給煤量增量，kg；

B0——初始時(shí)刻爐膛給煤量，kg；

λ——影響系數(shù)，λ≈0.25～0.35；

ω——保熱系數(shù)，m–3；

cp——煙氣平均比定壓熱容，kJ/(kg·K)；

Vp——煙氣容積，m3；

θ1——對(duì)流受熱面入口溫度，K；

θ2——對(duì)流受熱面出口溫度，K。

由式（5）、式（6）可得，單位煤量輻射熱增量ΔQr如式（7）所示，爐內(nèi)總輻射熱量增量ΔQR如式（8）所示。當(dāng)給煤量減少（ΔB為負(fù)數(shù)）時(shí)，爐膛煙道出口煙氣溫度Ts減小，而單位煤量爐內(nèi)輻射熱量增量ΔQr增大（ΔQr為正數(shù)），即水冷壁和屏式過熱器各受熱面輻射傳熱量升高。

高溫過熱器布置在遠(yuǎn)離爐膛煙道處，距離爐膛燃燒室較遠(yuǎn)，以煙氣對(duì)流傳熱為主導(dǎo)。當(dāng)給煤量B降低時(shí)，ΔQr增大，由于單位煤燃燒放熱量增量ΔQb無變化，故單位對(duì)流熱量增量ΔQt減小，即高溫過熱器各受熱面對(duì)流傳熱熱量降低，以對(duì)流傳熱為主導(dǎo)的過熱蒸汽降低。

為維持爐膛負(fù)壓的穩(wěn)定，煙氣流量一般不作為主動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)。機(jī)組給煤量、給水量、過熱蒸汽壓力穩(wěn)定時(shí)，過量空氣系數(shù)β 隨煙氣流量的降低而減小，反之則反。當(dāng)煙氣流量W降低，即當(dāng)β 減小時(shí)，煙氣容積降低，煙氣焓值降低，由于Ts與B基本無關(guān)，根據(jù)式（6），單位煤量在爐內(nèi)輻射熱量Qr增大，由于爐內(nèi)給煤燃燒放熱量QB不變，故單位煤量的對(duì)流熱量Qt減小。

綜上所述可以得出如下結(jié)論，當(dāng)過熱汽壓力Ps降低，其他參數(shù)不變時(shí)，鍋爐效率η 提升，過熱蒸汽溫度反而有升高趨勢，而中間點(diǎn)溫度基本保持不變；當(dāng)給煤量B降低，若保持水煤比和其他參數(shù)不變時(shí)，由于水冷壁和屏式過熱器各受熱面輻射傳熱量升高，中間點(diǎn)溫度反而升高，而以對(duì)流傳熱為主導(dǎo)的過熱蒸汽溫度降低；當(dāng)煙氣流量W降低，其他參數(shù)不變時(shí)，由于單位煤量在爐內(nèi)輻射熱量Qr增大，中間點(diǎn)溫度升高，而單位煤量的對(duì)流熱量Qt減小，以對(duì)流傳熱為主導(dǎo)的過熱蒸汽溫度降低。

2 快速降負(fù)荷工況過熱蒸汽溫度控制

2.1 超臨界直流爐過熱蒸汽常規(guī)控制策略

當(dāng)前超臨界直流爐機(jī)組過熱蒸汽溫度常規(guī)控制策略普遍采用水煤比粗調(diào)、噴水減溫細(xì)調(diào)的控制方式[14]。以中間點(diǎn)過熱度為被控變量的給水（水煤比）控制系統(tǒng)方框圖如圖2 所示，過熱器噴水減溫串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖如圖3 所示。

圖2 給水控制系統(tǒng)方框圖

圖3 過熱蒸汽噴水減溫控制系統(tǒng)方框圖

其中αSP為中間點(diǎn)過熱度設(shè)定值，αPV為中間點(diǎn)過熱度測量值，nPV為小機(jī)轉(zhuǎn)速，GC11(s)為中間點(diǎn)溫度控制器，GC12(s)為給水流量控制器，G11(s)為小機(jī)給水系統(tǒng)傳遞函數(shù)，G12(s)為給水管道傳遞函數(shù)，TSP為過熱蒸汽溫度設(shè)定值，TPV為過熱蒸汽溫度測量值，WP為過熱器減溫水噴水流量，GC21(s)為主環(huán)控制器，GC22(s)為副環(huán)控制器，G21(s)為過熱器導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)，G22(s)為過熱器惰性區(qū)傳遞函數(shù)。

機(jī)組在深度調(diào)峰運(yùn)行下，當(dāng)需要快速降負(fù)荷動(dòng)作時(shí)，為防止過熱蒸汽溫度大幅降低觸發(fā)溫度低保護(hù)動(dòng)作機(jī)組跳閘，在實(shí)際運(yùn)行中將過熱器噴水減溫器閉鎖，圖3 中的內(nèi)環(huán)失去調(diào)節(jié)作用，過熱蒸汽溫度受到過熱蒸汽壓力Ps、給煤量（燃料量）B、煙氣流量W等多重強(qiáng)擾動(dòng)的影響，呈現(xiàn)較強(qiáng)的非線性特性，在不同輔機(jī)運(yùn)行工況下難以建立統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，給常規(guī)PID 控制帶來挑戰(zhàn)。

2.2 過熱蒸汽溫度快速減負(fù)荷工況控制策略

針對(duì)水跟煤運(yùn)行方式的直流爐機(jī)組，需要進(jìn)行快速降低負(fù)荷動(dòng)作時(shí)，常采用根據(jù)目標(biāo)負(fù)荷控制給煤量一步到位，給水量跟蹤給煤量的方式，并逐步穩(wěn)定各參數(shù)達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡。機(jī)組給煤量快速降低后，過熱蒸汽溫度大幅降低，同時(shí)，煙氣流量W降低，由1.2 節(jié)分析可知，W降低其他參數(shù)不變時(shí)，對(duì)中間點(diǎn)溫度有提升的影響，對(duì)過熱蒸汽溫度有降低的影響，若運(yùn)行人員以期減緩中間點(diǎn)溫度上升采取手動(dòng)增加給水量，則易導(dǎo)致加劇過熱蒸汽溫度進(jìn)一步降低，給機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患。改進(jìn)后過熱蒸汽溫度控制邏輯如圖4 所示，圖中圖例采用SAMA 組態(tài)圖例。

圖4 給煤量、給水改進(jìn)控制邏輯圖

根據(jù)過熱蒸汽溫度各擾動(dòng)環(huán)節(jié)分析，給煤量突降后給水流量控制環(huán)節(jié)存在慣性與遲延，導(dǎo)致機(jī)組快速降負(fù)荷過程水煤比嚴(yán)重偏高，是過熱蒸汽溫度快速降低的主要因素，通過對(duì)給煤量控制增加慣性環(huán)節(jié)，降低給煤量下降速率，以期減小水煤比偏高對(duì)過熱蒸汽溫度的影響。在給煤量和煙氣流量擾動(dòng)作用下，中間點(diǎn)溫度變化趨勢與過熱蒸汽溫度變化趨勢不同，機(jī)組負(fù)荷快速下降過程中切除給水控制中反饋通道，將給水置于開環(huán)控制，利用經(jīng)驗(yàn)水煤比公式控制給水流量，待到機(jī)組各主參數(shù)穩(wěn)定后再次投入給水控制中反饋通道。由于部分機(jī)組設(shè)計(jì)有中間點(diǎn)溫度高保護(hù)，在給水控制過程中應(yīng)同樣考慮中間點(diǎn)溫度的穩(wěn)定，在中間點(diǎn)溫度到達(dá)報(bào)警值后，通過超馳回路直接增加給水設(shè)定值?？紤]到煙氣流量增大有助于提高過熱蒸汽溫度，可在機(jī)組快速降負(fù)荷過程中增大過量空氣系數(shù)設(shè)定值，在保證一次風(fēng)壓和爐膛負(fù)壓的同時(shí)減緩過熱蒸汽溫度下降幅度。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

基于Matlab 仿真平臺(tái)，采用文獻(xiàn)[3]中某350 MW超臨界鍋爐過熱蒸汽溫度系統(tǒng)模型，過熱蒸汽溫度設(shè)定值為573 ℃，中間點(diǎn)溫度設(shè)定值為412 ℃，機(jī)組負(fù)荷為60%額定負(fù)荷，水煤比控制采用給水跟隨煤量方式，做鍋爐主控指令擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)層各控制器參數(shù)見表1。

表1 調(diào)節(jié)層控制器參數(shù)

在t=100 s 時(shí)加入幅值為–2%的鍋爐主控指令擾動(dòng)，分別采用過熱蒸汽溫度常規(guī)控制與增加給煤量慣性環(huán)節(jié)改進(jìn)控制策略，過熱蒸汽溫度及中間點(diǎn)溫度對(duì)比仿真調(diào)節(jié)曲線如圖5、圖6 所示，其中慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)T為100，機(jī)組快速降負(fù)荷過程，由于鍋爐熱負(fù)荷的減小，過熱蒸汽溫度呈現(xiàn)有自平衡能力、無超調(diào)、單峰下降的動(dòng)態(tài)特性，所提控制策略輸出動(dòng)態(tài)變化趨勢與機(jī)組實(shí)際運(yùn)行曲線相符。

圖5 過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)曲線

圖6 中間點(diǎn)溫度調(diào)節(jié)曲線

較常規(guī)串級(jí)控制，改進(jìn)后的過熱蒸汽溫度下降幅度減小30%，降低了機(jī)組快速降負(fù)荷過程中因過熱蒸汽溫度低跳閘的風(fēng)險(xiǎn)，改進(jìn)后的中間點(diǎn)溫度下降幅度減小34%，且在實(shí)際機(jī)組運(yùn)行中，有利于機(jī)組其他各主參數(shù)穩(wěn)定，提高了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行可靠性。

相同實(shí)驗(yàn)工況下，分別取慣性時(shí)間常數(shù)T=100、T=200，過熱蒸汽溫度仿真曲線如圖7 所示。

圖7 不同慣性時(shí)間下過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)曲線

當(dāng)增大給煤量控制慣性時(shí)間常數(shù)，可減小過熱蒸汽溫度下降幅值，但使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間較長，不利于機(jī)組快速恢復(fù)平衡的控制任務(wù)。此外，部分機(jī)組過熱汽溫下降速率過快使得壁溫不能滿足要求，需同時(shí)兼顧壁溫要求、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間和過熱蒸汽溫度下降幅值進(jìn)行綜合確定慣性時(shí)間常數(shù)。

4 結(jié)束語

超臨界直流爐機(jī)組在給煤量突降后給水控制環(huán)節(jié)存在慣性與遲延，導(dǎo)致機(jī)組快速降負(fù)荷過程水煤比嚴(yán)重偏高，是過熱蒸汽溫度快速降低的主要因素，通過對(duì)給煤量控制增加慣性環(huán)節(jié)，降低給煤量下降速率，減小水煤比偏高對(duì)過熱蒸汽溫度的影響，仿真實(shí)驗(yàn)中過熱蒸汽溫度下降幅度減小30%，中間點(diǎn)溫度下降幅度減小34%，降低了機(jī)組快速降負(fù)荷過程中因過熱蒸汽溫度低跳閘的風(fēng)險(xiǎn)，有利于機(jī)組其他各主參數(shù)穩(wěn)定，提高了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行可靠性。