深度調峰超臨界直流爐機組快速降負荷工況過熱汽溫控制

牟文彪，楊 敏，陸 陸，王印松，劉 萌

(1.浙江省能源集團有限公司，浙江 杭州 310000;2.浙江省火力發電高效節能與污染物控制技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310000;3.浙江浙能技術研究院有限公司，浙江 杭州 310000;4.華北電力大學控制與計算機工程學院，河北 保定 071000)

0 引 言

過熱蒸汽溫度是超（超）臨界直流爐機組的重要運行參數，其動態性能直接影響機組運行的安全性、穩定性與經濟性[1]。超臨界直流爐機組具有高參數、大容量、動態特性復雜、各子系統間強耦合的特點，過熱蒸汽溫度控制對象具有慣性時間常數大、非線性特征強和純遲延的特征，是超臨界直流鍋爐運行控制的難點之一，當前常規燃煤機組過熱蒸汽溫度控制普遍采用水煤比粗調、噴水減溫細調的串級PID 控制方式[2]。為滿足日間大批量新能源機組快速并網需求，火電機組需要具備深度調峰能力，同時兼顧負荷響應的快速性與穩定性。從經濟角度考慮，根據文獻[3]，當同一火電廠中數臺火電機組共同承擔調峰任務時，相較于廠內機組均等降負荷運行，單臺機組降低至負荷下限運行的方式在特定日負荷曲線下可以取得較好的經濟效果。當機組處于深度調峰快速降負荷工況下，各主要運行參數的動態平衡狀態被破壞，燃料量、總風量、給水量大幅降低，各運行監視參數大幅波動，過熱汽溫度受到多類強擾動，由于低負荷段過熱蒸汽溫度低于額定值，在快速降負荷工況下，易觸發過熱蒸汽溫度低保護動作跳閘，給常規過熱蒸汽溫度控制的有效性帶來挑戰。

文獻[4]提出分布式監督預測應用于超超臨界機組過熱汽溫控制，將中間點溫度和過熱蒸汽溫度的設定值調整問題轉化為設定值在線優化問題，針對負荷擾動進行了仿真分析，僅在高負荷段驗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[5]提出基于插值和擬合技術的過熱汽溫非線性控制，通過調節控制器參數使其跟隨負荷自動變化來保證系統的魯棒性，仿真分析驗證了系統能適應變工況、變參數特性，但未能驗證負荷快速下降過程中所提策略的有效性。文獻[6]提出基于中間點溫度前饋的主汽溫模糊PID 控制，針對中間點溫度擾動設計前饋補償器采用模糊控制器實時調整PID 參數，其控制策略基于通過改進噴水減溫系統控制器改善過熱蒸汽溫度控制品質，機組在低負荷運行工況下，文獻[7]中現場實際通常設置過熱器減溫噴水閥閉鎖調節，文獻[6]失去所提調控方式的有效性。文獻[8]以某臺超臨界機組為研究對象，深度調峰降負荷下，僅剩余2～3 臺給煤機運行，當給煤量突降后易造成燃燒不穩定，造成主汽壓、主汽溫的較大波動。文獻[9]以煤水比調整給水量，以減溫水作為微調修正，通過模糊控制方式提出一種改進給水控制系統模型，可有效減少過熱汽溫超調量，同時在一定程度上縮短了調節時間，但由于金屬蓄熱系數與汽水蓄熱系數的差異，機組快速降負荷過程初期，根據文獻[10]的現場試驗數據，實際機組的中間點溫度變化趨勢與過熱汽溫相反，以中間點溫度作為給水閉環的被控變量可能會加劇過熱汽溫下降幅度。

針對超臨界直流爐機組深度調峰快速降負荷工況，根據熱力學定律和質量守恒定律建立過熱汽溫系統熱平衡方程，定性分析快速降負荷工況下主汽壓力、燃料量、煙氣流量擾動環節對過熱汽溫的影響。從給煤量控制、給水控制邏輯改進角度提出機組快速降負荷工況下緩解過熱汽溫突降的控制策略，利用Simulink 進行仿真實驗，仿真結果驗證所提策略的有效性。

1 過熱蒸汽溫度系統擾動工況特性

1.1 過熱蒸汽溫度系統

超臨界直流鍋爐過熱系統簡化流程如圖1 所示，按照汽水工質狀態縱向可分為過冷區、相變區和過熱區[2]。機組運行過程中，根據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溫度，其值與機組水煤比的大小直接相關。

圖1 超臨界直流鍋爐過熱系統流程圖

根據熱力學第一定律和質量守恒定律，過熱系統工質的熱平衡方程為

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——單位燃煤發熱量，kJ/kg；

φ1——再熱器相對吸熱量，%；

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。

針對過熱汽溫控制系統，鍋爐效率η、再熱器相對吸熱量 φ1、給水比焓hw、單位燃煤發熱量Qb和視為外部擾動量的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——給水工質從水冷壁入口至中間點溫度測點處的焓升，kJ/kg。

當機組處于某穩定工況下運行，過熱蒸汽壓力Ps以及η、φ1、hw、Qb、he均可視為常數，維持當前工況下水煤比即可穩定過熱蒸汽溫度。當機組處于深度調峰快速降負荷工況，降負荷速率常達到1%～2%額定負荷每分鐘，部分先進機組可以達到2%～4%額定負荷每分鐘，各主參數（機組負荷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）波動劇烈[8]。

1.2 各擾動因素分析

根據現場實際，當機組負荷N快速下降，過熱蒸汽壓力Ps隨動快速降低，工質的焓升分配和蒸汽比熱容的變化受過熱汽壓影響，進而對過熱汽溫產生擾動[11]。煤水比B/D固定且 φ1、hw、he恒定情況下，由式（2）可知，當機組負荷與過熱蒸汽壓力下降時，鍋爐效率η 提升，過熱蒸汽溫度反而升高；由式（4）可知，中間點溫度出口工質焓升無變化趨勢，中間點溫度基本不變。

根據能量守恒定律，超臨界直流爐內給煤燃燒放熱量QB可以近似等于爐內輻射傳熱QR和煙道對流傳熱QT之和。定義給煤量減小前為初始時刻，并假定給煤量變化時爐內換熱參數不便，鍋爐煙道出口煙溫Ts按照式（5）進行估算[12]，由鍋爐機組熱力計算標準方法[13]，單位煤量的對流熱量Qt如式（6）所示：

式中：ΔTs——煙道出口煙溫增量，K；

Ts0——初始時刻煙道出口煙溫，K；

ΔB——爐膛給煤量增量，kg；

B0——初始時刻爐膛給煤量，kg；

λ——影響系數，λ≈0.25～0.35；

ω——保熱系數，m–3；

cp——煙氣平均比定壓熱容，kJ/(kg·K)；

Vp——煙氣容積，m3；

θ1——對流受熱面入口溫度，K；

θ2——對流受熱面出口溫度，K。

由式（5）、式（6）可得，單位煤量輻射熱增量ΔQr如式（7）所示，爐內總輻射熱量增量ΔQR如式（8）所示。當給煤量減少（ΔB為負數）時，爐膛煙道出口煙氣溫度Ts減小，而單位煤量爐內輻射熱量增量ΔQr增大（ΔQr為正數），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離爐膛煙道處，距離爐膛燃燒室較遠，以煙氣對流傳熱為主導。當給煤量B降低時，ΔQr增大，由于單位煤燃燒放熱量增量ΔQb無變化，故單位對流熱量增量ΔQt減小，即高溫過熱器各受熱面對流傳熱熱量降低，以對流傳熱為主導的過熱蒸汽降低。

為維持爐膛負壓的穩定，煙氣流量一般不作為主動調節參數。機組給煤量、給水量、過熱蒸汽壓力穩定時，過量空氣系數β 隨煙氣流量的降低而減小，反之則反。當煙氣流量W降低，即當β 減小時，煙氣容積降低，煙氣焓值降低，由于Ts與B基本無關，根據式（6），單位煤量在爐內輻射熱量Qr增大，由于爐內給煤燃燒放熱量QB不變，故單位煤量的對流熱量Qt減小。

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

2 快速降負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控制策略

當前超臨界直流爐機組過熱蒸汽溫度常規控制策略普遍采用水煤比粗調、噴水減溫細調的控制方式[14]。以中間點過熱度為被控變量的給水（水煤比）控制系統方框圖如圖2 所示，過熱器噴水減溫串級控制系統方框圖如圖3 所示。

圖2 給水控制系統方框圖

圖3 過熱蒸汽噴水減溫控制系統方框圖

其中αSP為中間點過熱度設定值，αPV為中間點過熱度測量值，nPV為小機轉速，GC11(s)為中間點溫度控制器，GC12(s)為給水流量控制器，G11(s)為小機給水系統傳遞函數，G12(s)為給水管道傳遞函數，TSP為過熱蒸汽溫度設定值，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)為主環控制器，GC22(s)為副環控制器，G21(s)為過熱器導前區傳遞函數，G22(s)為過熱器惰性區傳遞函數。

機組在深度調峰運行下，當需要快速降負荷動作時，為防止過熱蒸汽溫度大幅降低觸發溫度低保護動作機組跳閘，在實際運行中將過熱器噴水減溫器閉鎖，圖3 中的內環失去調節作用，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等多重強擾動的影響，呈現較強的非線性特性，在不同輔機運行工況下難以建立統一的數學模型，給常規PID 控制帶來挑戰。

2.2 過熱蒸汽溫度快速減負荷工況控制策略

針對水跟煤運行方式的直流爐機組，需要進行快速降低負荷動作時，常采用根據目標負荷控制給煤量一步到位，給水量跟蹤給煤量的方式，并逐步穩定各參數達到新的動態平衡。機組給煤量快速降低后，過熱蒸汽溫度大幅降低，同時，煙氣流量W降低，由1.2 節分析可知，W降低其他參數不變時，對中間點溫度有提升的影響，對過熱蒸汽溫度有降低的影響，若運行人員以期減緩中間點溫度上升采取手動增加給水量，則易導致加劇過熱蒸汽溫度進一步降低，給機組安全穩定運行帶來隱患。改進后過熱蒸汽溫度控制邏輯如圖4 所示，圖中圖例采用SAMA 組態圖例。

圖4 給煤量、給水改進控制邏輯圖

根據過熱蒸汽溫度各擾動環節分析，給煤量突降后給水流量控制環節存在慣性與遲延，導致機組快速降負荷過程水煤比嚴重偏高，是過熱蒸汽溫度快速降低的主要因素，通過對給煤量控制增加慣性環節，降低給煤量下降速率，以期減小水煤比偏高對過熱蒸汽溫度的影響。在給煤量和煙氣流量擾動作用下，中間點溫度變化趨勢與過熱蒸汽溫度變化趨勢不同，機組負荷快速下降過程中切除給水控制中反饋通道，將給水置于開環控制，利用經驗水煤比公式控制給水流量，待到機組各主參數穩定后再次投入給水控制中反饋通道。由于部分機組設計有中間點溫度高保護，在給水控制過程中應同樣考慮中間點溫度的穩定，在中間點溫度到達報警值后，通過超馳回路直接增加給水設定值。考慮到煙氣流量增大有助于提高過熱蒸汽溫度，可在機組快速降負荷過程中增大過量空氣系數設定值，在保證一次風壓和爐膛負壓的同時減緩過熱蒸汽溫度下降幅度。

3 仿真實驗

基于Matlab 仿真平臺，采用文獻[3]中某350 MW超臨界鍋爐過熱蒸汽溫度系統模型，過熱蒸汽溫度設定值為573 ℃，中間點溫度設定值為412 ℃，機組負荷為60%額定負荷，水煤比控制采用給水跟隨煤量方式，做鍋爐主控指令擾動實驗，調節層各控制器參數見表1。

表1 調節層控制器參數

在t=100 s 時加入幅值為–2%的鍋爐主控指令擾動，分別采用過熱蒸汽溫度常規控制與增加給煤量慣性環節改進控制策略，過熱蒸汽溫度及中間點溫度對比仿真調節曲線如圖5、圖6 所示，其中慣性環節時間常數T為100，機組快速降負荷過程，由于鍋爐熱負荷的減小，過熱蒸汽溫度呈現有自平衡能力、無超調、單峰下降的動態特性，所提控制策略輸出動態變化趨勢與機組實際運行曲線相符。

圖5 過熱蒸汽溫度調節曲線

圖6 中間點溫度調節曲線

較常規串級控制，改進后的過熱蒸汽溫度下降幅度減小30%，降低了機組快速降負荷過程中因過熱蒸汽溫度低跳閘的風險，改進后的中間點溫度下降幅度減小34%，且在實際機組運行中，有利于機組其他各主參數穩定，提高了機組安全穩定運行可靠性。

相同實驗工況下，分別取慣性時間常數T=100、T=200，過熱蒸汽溫度仿真曲線如圖7 所示。

圖7 不同慣性時間下過熱蒸汽溫度調節曲線

當增大給煤量控制慣性時間常數，可減小過熱蒸汽溫度下降幅值，但使得系統動態響應時間較長，不利于機組快速恢復平衡的控制任務。此外，部分機組過熱汽溫下降速率過快使得壁溫不能滿足要求，需同時兼顧壁溫要求、動態響應時間和過熱蒸汽溫度下降幅值進行綜合確定慣性時間常數。

4 結束語

超臨界直流爐機組在給煤量突降后給水控制環節存在慣性與遲延，導致機組快速降負荷過程水煤比嚴重偏高，是過熱蒸汽溫度快速降低的主要因素，通過對給煤量控制增加慣性環節，降低給煤量下降速率，減小水煤比偏高對過熱蒸汽溫度的影響，仿真實驗中過熱蒸汽溫度下降幅度減小30%，中間點溫度下降幅度減小34%，降低了機組快速降負荷過程中因過熱蒸汽溫度低跳閘的風險，有利于機組其他各主參數穩定，提高了機組安全穩定運行可靠性。