超_超_临界机组协调控制特性与控制策略

稳， 动态偏差在 １．５％以内， 实际负荷变化率接近 １２ ＭＷ／ｍｉｎ； 燃料与给水超前量 的 幅 值 与 时 序 匹 配 良好， 过程中分离器出口焓值（ 过热度与焓值变化基 本一致， 可相互替代） 几乎没有发生偏离， 随着过程 目标值缓慢上升， 过热汽温保持平稳。
４ 控制策略的完善措施与改进效果
对于以锅炉跟随为基础的协调控制系统， 量纲 等效换算后 ｋ１＞ｋ２， ｋ３＜ｋ４； 对于以汽轮机跟随为基础 的协调控制系统， 换算后 ｋ１＜ｋ２， ｋ３＞ｋ４； 采用焓水控制 策 略 的 系 统 ， λ＝０， λ＇＝１； 采 用 分 离 器 出 口 温 度 （ 过 热 度） 控制策略的系统， λ＝１， λ＇＝０。
电力自动化
第４１ 卷第 ３ 期 ２００８ 年３ 月
中国电力 中ＥＬ国ＥＣＴ电ＲＩＣ力ＰＯＷＥＲ
Ｖｏｌ． ４１， Ｎｏ． ３
Ｍａｒ第． ２０４０１８ 卷
超（超）临界机组协调控制特性与控制策略
尹 峰， 朱北恒， 李 泉
（ 浙江省电力试验研究院， 浙江 杭州 ３１００１４）
摘 要： 超临界与超超临界机组锅炉蒸发区容积小， 蓄热利用能力差， 汽水热力学特性决定蓄热系数随汽
４．１ 改善机组的蓄热变化适应性
针对超临界、超超临界机组蓄热系数的变化特 性， 采用较显著的变参数控制， 在高负荷段相对加强 燃料与给水的前馈超前指令强度； 针对直流机组整体 蓄热能力较汽包炉偏小的特点， 减小汽轮机前馈指令 变化速率， 增加燃料与给水前馈超前指令的初始变化 梯度， 即变负荷初期幅值增大， 汽压响应后幅值减小。
策略一的焓水控制方式通过改变给水流量修正 分离器出口的焓值偏离， 其煤水关系根据锅炉设计
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电力自动化
中国电力
第 ４１ 卷
参数经运行阶段修正后确定， 符合机组各负荷段热 量平衡关系的变化特性， 且焓水控制可覆盖湿态运 行区域， 无需复杂的切换； 缺点是给水的调节将对机 组负荷产生扰动。策略二的过热度控制方式则直接 通过改变燃料量来修正分离器出口温度， 其优点是 调节过程对机组负荷影响较小； 缺点是临界点前后 过热度存在拐点， 动态过程调节量较大， 且对象特性 响应慢， 在煤水失配等异常工况下调节过程缓慢， 易 造成管壁超温。
系如图 ２ 所示。燃料量增大 ， 负 荷 、压 力 、温 度 均 增
大； 调门开度增大， 负荷增大， 压 力 、温 度 降 低 ； 给 水
流量增大， 负荷、压力增大， 温度降低。图 ２ 中实线为
强相关关系， 虚线为弱相关关系， 在调节系统构建与
参数配置时， 弱相关关系将予以忽略， 而通过对各强
相关分量的不同系数配比， 可实现不同的协调控制
容错性， 收到了满意的效果。
关键词： 超临界机组； 超超临界机组； 协调控制； 控制特性； 控制策略
中图分类号： ＴＫ３２３
文献标识码： Ｂ
文章编号： １００４－９６４９（ ２００８） ０３－００６６－０４
０ 引言
随着材料技术的发展和节能要求的不断提高， 超临界及超超临界机组在国内电源建设中得到了越 来 越 广 泛 的 应 用 。采 用 直 流 锅 炉 的 超 临 界 、超 超 临 界 机组区别于传统亚临界汽包炉， 其工艺流程与对象 特性发生了较大变化， 必须采用不同的运行方式与协 调控制策略。针对不同类型的锅炉及制造厂不同的控 制要求， 在设计与调试过程中， 采取的控制策略也将 各不相同， 且各有其优缺点。在对兰溪电厂 ６００ ＭＷ 超临界机组及玉环电厂 １ ０００ ＭＷ 超超临界机组等多 台基建机组协调控制系统的设计、应用与完善的工作 中， 研究分析了直流机组的协调控制特性与控制要 点， 对比分析了 ２ 种不同控制策略的优缺点， 并提出 了改进措施， 实际应用情况证明效果良好。
（ １） 直流系统对蓄热特性的影响。机组的可用蓄 热主要来源于锅炉汽水流程中的金属吸热部件与汽 水工质在温度变化时的热惯性， 与汽水工质相比， 金
属部件的比热要小许多， 因此， 在锅炉蓄热能力中起 主要作用的是在锅炉管道与联箱中流动与混合的汽 水工质， 而处于蒸发区的饱和水的比热最大， 蓄热能 力最强。与汽包炉相比， 直流锅炉没有重型汽包、较 粗的下降管， 水容积也小许多， 尤其是蒸发区容积很 小， 因此， 在相同的汽压条件下， 其蓄热能力仅为汽 包炉的 １／４￣１／３。
对于直流机组的协调控制系统， 热量平衡仍是 机炉协调的关键。没有汽包的蓄热缓冲， 给水流量在 较短延时后将直接反映于蒸汽流量， 而调门指令对 耗汽量的缓变影响反而要小许多， 因此， 锅炉吸热量 与汽轮机耗汽量的平衡关系将转变为吸热量与给水 量的平衡， 只要保持好变负荷过程中的这一热量平 衡关系， 则分离器出口比焓或过热度将始终保持平 稳， 机炉处于协调平稳的受控状态。焓水控制与过热 度控制仅是平稳工况下的缓变控制， 在机炉热量失 配的非协调状态下是无法完成正常参数调节的。
λ＇ ＧＰＩ （ ΔＨ）
（ ３）
式 中 ， ＮＤ 为 负 荷 指 令 ； ＧＰＩ 、ＧＰＩＤ 为 调 节 器 算 法 ； ｋ１ ￣ｋ４
为负荷—汽压分量的配比系数 ； ｆ１ （ ｘ） 为 汽 轮 机 前 馈
图 ２ 直流锅炉协调控制系统对象结构模型 Ｆｉｇ． ２ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ＣＣＳ ｉｎ
１ 超临界机组控制对象与控制模型分析
１．１ 机组蓄热特性
机 组 的 蓄 热 特 性 直 接 影 响 机 组 响 应 ＡＧＣ 负 荷 指令的随动性能， 正确分析与利用锅炉蓄热对机组 协调控制系统的策略选择与参数配置具有重要意 义 。超 临 界 、超 超 临 界 直 流 锅 炉 的 蓄 热 特 性 与 亚 临 界 汽包锅炉有很大区别， 主要表现在以下 ２ 个方面。
（ ２） 机组参数对蓄热特性的影响。汽水工质的热 力学特性决定了锅炉蓄热特性将受机组热力参数的 影响。文献［ １］ 给出了锅炉蓄热系数随汽压变化的规 律， 机组滑压运行时蓄热系数与汽压成反比关系。从 水蒸汽温熵图上可分析其机理， 如图 １ 所示， 以汽轮 机调门开启为例， 汽压下降， 锅炉蓄热作用使汽温延 缓下降， 饱和区工质吸热进入微过热区， 维持蒸汽流 量的增加。在微过热区， 汽压越高， 等压线与饱和蒸 汽线的夹角越大， 降压过程工质吸热越多， 新平衡点 的饱和汽焓上升也越多（ 如曲线 ３ 所示） ， 因此， 在汽 压较高工况下工质汽温下降快， 平衡时间短， 锅炉蓄 热所产生的蒸汽流量少， 过程汽压下降快。机组蓄热 能力的这一变化特性导致了滑压运行机组在高负荷 段负荷对调门响应相对较弱， 而汽压对调门响应则 相对敏感， 易产生偏离。
策略。调节系统的时域指令模型可表述如下：
汽轮机指令 μＴ ＝ ｆ１ （ ＮＤ） ＋ＧＰＩ（ ｋ１ ΔＮＥ － ｋ２ ΔＰＴ ） （ １）
燃料指令 Ｍ＝ ｆ２ （ ＮＤ ） ＋ｆ３ ［ ＧＰＩＤ （ ｋ３ ΔＮＥ ＋ｋ４ ΔＰＴ ） ］ ＋
λＧＰＩ （ Δθ）
（ ２）
给水指令 Ｗ ＝ ｆ４ （ ＮＤ ） ＋ｆ５ ［ ＧＰＩＤ （ ｋ３ ΔＮＥ ＋ｋ４ ΔＰＴ ） ］ ＋
４．４ 过热度控制策略完善措施
提高燃料超前指令上升沿速率， 使蓄热损失及 时补充； 适当增加锅炉主控的负荷偏差调节分量， 使 稳态工况下煤水指令参与消除负荷扰动能力加强。
修正过热度设定值曲线， 平滑拐点； 增加给水超 弛调节回路， 取过热度设定值加安全余量作为超弛 调节器的调节定值， 取实际过热度为被调量， 调节器 参数为强积分配置， 下限设置为零， 正常工况保持零 输出， 同时设置安全上限。
４．３ 焓水控制策略完善措施
减小汽轮机主控负荷调节分量的偏差死区， 提 早参与负荷调节； 合理设置汽轮机主控负荷调节分 量的配比系数， 少量牺牲汽压控制的精度； 滑压变负 荷初期， 使汽压设定值反向变化， 利用汽轮机的正向 调节尽可能多地利用锅炉蓄热。
焓控制器采用变比例调节， 偏差较小时采用缓 变的纯积分控制， 随着焓值偏离的加大， 逐渐增强调 节器的比例作用。
３ ２ 种典型控制策略对比分析
兰溪电厂超临界机组采用汽轮机跟随为基础的 机炉协调控制系统与焓水控制策略（ 策略一） ， 玉环 电厂超超临界机组采用锅炉跟随为基础的协调控制 系统与分离器出口过热度控制策略（ 策略二） ， ２ 种 策略各有其优缺点。
策略一的锅炉主控利用给水流量直接控制负 荷， 汽压参数将不会产生明显偏离， 调节过程较平 稳， 汽轮机调门调节幅度小， 利于系统稳定； 缺点是 负荷对给水的响应仍存在短暂延迟， 负荷的初始响 应存在死区。策略二由汽轮机调门控制机组负荷， 负 荷的初始暂态响应较快， 适合于 ＡＧＣ 的指令要求； 但负荷维持时间较短， 汽压初始偏离较大， 稳态运行 时锅炉侧对负荷的响应滞后， 克服负荷扰动的稳定 周期较长。
对于超临界、超超临界机组， 在达到临界压力附 近时， 随着汽压升高， 蒸发段变短， 蓄热能力快速下 降， 过临界后蒸发段消失， 热水直接转化为蒸汽， 汽 压的下降将不能直接导致相变发生， 蓄热利用对蒸 汽流量影响很小， 仅由于给水推动原相变区物理位置
收稿日期： ２００７－１０－１２； 修回日期： ２００７－１２－３０ 作 者 简 介 ： 尹 峰 （ １９７２－） ， 男 ， 浙 江 金 华 人 ， 硕 士 ， 高 级 工 程 师 ， 从 事 火 电 厂 热 工 自 动 化 、协 调 控 制 及 ＡＧＣ 控 制 的 研 究 。
界、超超临界区域
负荷与汽压的调门响应特性发生了更显著的变化。
１．２ 协调控制系统结构模型
直流锅炉的协调控制系统对象结构模型可简化
为一个三输入三输出系统， 输入为燃料量 Ｍ（ ％） 、汽
轮机调门开度 μＴ （ ％） 、给水流量 Ｗ（ ％） ， 输出为机前 压 力 ＰＴ （ ＭＰａ） 、机 组 负 荷 ＮＥ（ ＭＷ） 、分 离 器 出 口 蒸 汽 温 度 θ（ ℃） 或 焓 值 Ｈ（ ｋＪ／ｋｇ） ， 其 相 互 间 的 耦 合 关
ｏｎｃｅ－ ｔｈｒｏｕｇｈ ｂｏｉｌｅｒｓ
相比汽包锅炉， 汽轮机跟随为基础的协调控制 系统更适应于直流锅炉的蓄热与汽水流动特性。直 流炉给水流量变化直接推动蒸汽流量变化影响负 荷， 响应速度远大于燃料量变化对负荷的影响； 而高 负荷段直流炉可用蓄热少， 汽压对调门的变化则响 应更快。不过， 传统的锅炉跟随为基础的协调控制系 统也同样适用于直流锅炉， 在这种方式下， 初始阶段 汽压偏离较快， 但后续调节中锅炉热惯性小， 能量补 充快， 适合连续滑压运行。
２ 直流机组协调控制特性
１—等比焓线； ２—等压线； ３—调门开启后工质热力参数的变化过程；
４—饱和蒸汽线； ５—临界点
图 １ 汽水工质热力学变化特性
Ｆｉｇ． １ Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ ｔｉｃｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ａｎｄ
ｓ ｔｅａｍ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
后移， 热水吸热升温后转化为少量蒸汽。因此在超临
压变化的非线性严重， 影响机组负荷响应速率； 三输入三输出的协调控制系统对象结构对变负荷过程中的
热量平衡与负荷调节的抗扰动能力提出了更高要求。通过对兰溪电厂超临界机组与玉环电厂超超临界机组
２ 种不同协调控制策略的对比分析和应用完善， 提出增加燃料超前指令初始变化梯度， 分别调度煤、水超
前指令时序与幅值， 采用变比例焓控制器， 增加过热度给水超弛调节回路等改进措施， 改善过程协调性与
Ｅ－ｍａｉｌ： ｙｉｎ＿ｆｅｎｇ＠ｒｉ．ｚｐｅｐｃ．ｃｏｍ．ｃｎ
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第３期
尹 峰等： 超（ 超） 临界机组协调控制特性与控制策略
电力自动化
函 数 ； ｆ２ （ ｘ） 、ｆ４ （ ｘ） 为 超 前 指 令 函 数 ； ｆ３ （ ｘ） 、ｆ５ （ ｘ） 为 煤 水分配函数； λ、λ＇ 为焓温选择系数。
４．２ 改善煤水动态平衡关系
在共同接收的锅炉主控指令后将燃料指令与给 水指令的超前前馈回路分开设置、分别整定， 根据实 际分离器出口温度响应情况， 通过时序与幅值的合 理分配， 使整个动态过程保持热量平衡。现场整定表 明， 燃料初始超前量要强许多， 而给水超前量与其保 持一定相位差， 且变化较平缓。