超超臨界機組濕態給水控制策略的設計與應用

金宏偉，王策，張新勝，丁偉聰

（1.浙江浙能臺州第二發電有限責任公司，浙江 臺州 317109；2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；3.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310014）

0 引言

給水系統控制是超超臨界燃煤機組的核心控制之一，其各個階段的控制性能直接影響機組運行的經濟性與安全性［1-2］。目前機組干態運行方式下給水自動控制已比較成熟，而在濕態運行方式下給水系統自動控制的效果相對而言并不理想［3］。特別是大型超超臨界機組為了減少啟動過程中的熱量損失，提高水冷壁工質循環，通常配置一臺爐水循環泵（以下簡稱“爐循泵”），造成啟動系統操作設備較多，運行工況更加復雜。另外，隨著我國能源結構快速轉型，以燃煤發電為主體的基礎能源電力的調峰能力將直接決定風電、太陽能發電等可再生能源的發展空間，大量間歇性能源電力并網必將迫使燃煤發電機組更全面參與深度調峰，燃煤機組深度調峰將常態化［4］，進而導致機組在運行階段進入濕態運行方式的次數也逐漸增加。

目前國內配置爐循泵的大型機組濕態運行方式下給水系統控制大多采用運行人員手動操作的控制策略，在啟機和濕態運行過程中，需要對給水旁路調閥、汽動給水泵（以下簡稱“給泵”）轉速指令和爐循泵出口調閥等實時進行操作，監測參數包括給水流量波動情況、分離器液位穩定性、爐循泵出口流量和給水壓力等，因此整個濕態運行過程包含大量操作，加重了運行人員的操作負擔。另外，由于運行人員操作水平不能保證，機組濕態運行時經常出現給水流量和分離器液位波動大的現象，具有一定危險性［5-6］。

本文針對上述問題，基于面向自治對象的APS2.0控制理念［7］，提出一種配置爐循泵超超臨界機組的給水系統濕態全程控制方法。該方法采用面向對象的設計模式，針對濕態給水系統的特性，在給水系統主對象內部，設計爐循泵出口調閥、給水旁路調閥及給泵指令等相關子對象控制策略，實現了變工況自適應切換與控制模式自治規劃，人機協作性強，流程節點靈活可靠，可做到隨斷隨續。在某1 050 MW超超臨界機組上進行實際應用，在機組啟動、停機、深度調峰運行及干、濕態轉換等各種工況實現濕態給水全程控制，控制系統具備較強的自治性和健壯性，大幅提高了機組的自動化水平和濕態運行的穩定性。

1 面向自治對象的濕態給水系統控制模式設計

超超臨界機組濕態運行時：在模擬量控制層面上，給水控制的基本要求是實現給水旁路調閥、給泵轉速指令及爐循泵出口調閥全程閉環控制，保證給水流量和分離器液位在合理的范圍內波動；在機組運行方式層面上，給水控制的基本要求是根據機組運行參數自動完成給水旁路切主路以及干、濕態自動轉換等運行狀態的轉變。

超超臨界給水控制系統設備繁多、流程復雜、參數控制難度大，為減輕運行操作負擔，最簡單有效的方法是化整為零，采用面向對象的設計模式［7-9］，根據調節需求與系統功能將給水系統主對象解構為相對獨立的子對象系統，分系統進行規劃，根據工況變化自治實現運行控制、自主改變操作模式，使運行人員從繁瑣操作與緊張預判中解脫出來。面向對象的給水系統以分布式自治的子對象系統為基礎，串接系統內部的任務規劃與指令結構，濕態控制模式框圖如圖1所示。

圖1 面向對象的給水系統濕態控制模式框圖Fig.1 Block diagram of object-oriented wet control mode for water supply system

給水系統主對象由各設備系統子對象和模塊化功能模組構成。給水系統濕態調節功能模組是給水系統濕態控制的關鍵功能模組，主要關聯爐循泵系統和調節設備系統2個內部子對象，以及協調系統的1個外部子對象，各子對象系統之間協同調用運行，根據模組功能自主切換模式化控制。爐循泵出口調閥系統負責分離器液位控制，給水旁路調閥系統和給泵轉速控制系統負責給水流量控制，控制過程中協同負責給水流量模式和跟隨燃料模式的控制與切換。濕態轉干態模組實時監測機組給水旁路切主路條件，自動完成給水旁路切主路運行；濕態轉干態條件滿足后，自動完成濕態轉干態運行。

給水旁路調閥和給泵轉速控制包括控給水流量模式和燃料跟隨模式，功能模組根據總燃料量和給水旁路調閥開度自適應進行控制模式切換，控制框圖如圖2所示。

圖2 給水控制模式切換控制框圖Fig.2 Water supply control mode switching control block diagram

給水濕態控制分為4種控制模式，分別為給水旁路控流量模式、給水旁路燃料跟隨模式、給泵控流量模式和給泵燃料跟隨模式。功能模組根據省煤器進口給水主電動閥開關狀態、總燃料量及給水旁路調閥開度自適應生成給水控制模式切換標志。在給水控制模式切換標志置位條件滿足的工況下：若給水旁路調閥控制在自動時，給水控制處于給水旁路控流量模式；給泵控制在自動時，給水控制處于給泵控制流量模式。在給水控制模式切換標志復位條件滿足的工況下：若給水旁路調閥控制在自動時，給水控制處于給水旁路燃料跟隨模式；給泵控制在自動時，給水控制處于給泵燃料跟隨模式。

2 濕態給水全程控制策略設計

濕態給水控制的基本功能主要包括濕態工況下給水流量控制、分離器液位控制、給水旁路切主路以及濕態轉干態控制。給水流量控制可以根據濕態給水系統的運行參數自動區分給水旁路調閥和給泵的控制模式，爐循泵出口調閥的分離器液位控制模式可以根據運行人員選擇進行水質合格和水質不合格下的液位設定值自適應變化，機組運行工況滿足濕態轉干態條件后，自動進行濕態轉干態一鍵自動控制。

2.1 濕態工況下給水流量控制

給水流量控制［10-12］是機組濕態工況下安全穩定運行的保障，根據機組運行參數自動規劃給水流量控制模式，整個控制模式轉換過程無擾過渡，在少人干預的情況下完成對濕態給水流量的全程控制，控制邏輯框圖如圖3所示。圖3中：f1（x）為給水旁路燃料跟隨模式下，給水旁路調閥開度指令隨總燃料量變化的函數；f2（x）為給泵轉速燃料跟隨模式下，給泵轉速指令隨總燃料量變化的函數；PV為爐循泵出口調閥PID（比例-積分-微分）控制器的輸入測量值；SP為爐循泵出口調閥PID控制器的輸入設定值。

圖3 濕態工況下給水流量控制邏輯框圖Fig.3 Block diagram of feed water flow control in wet state

濕態工況下在子對象的給水流量控制邏輯中引入給水旁路PID控制器和給泵轉速PID控制器。給水流量控制模式處于給水旁路控流量模式或給泵控流量模式時，2個PID控制器對給水流量進行閉環自動控制，其中給水流量設定值同時引入了2個總燃料量作為自變量的函數；給水流量控制模式處于給水旁路燃料跟隨模式或給泵燃料跟隨模式時，2個函數根據總燃料量自動生成給水旁路調閥開度指令和給泵轉速指令。另外，機組濕態運行時，給水流量設定值區分于其他工況下的給水流量設定值，自動生成濕態給水流量設定值，以便于濕態工況下給水流量設定值的靈活修正。

2.2 貯水箱液位控制

分離器液位是配置爐循泵的火電機組濕態安全運行的關鍵監視參數，將其控制在合理范圍內是機組濕態給水控制的核心［13-14］。一般分離器液位由分離器貯水箱疏水調閥開環控制，為了避免分離器液位過低導致爐循泵跳閘或分離器滿水等工況出現，引入分離器液位控制模式，由爐循泵出口調閥閉環控制分離器液位，實現機組鍋爐沖洗、升溫升壓、并網以及濕態轉干態等各階段下的分離器液位全程自動控制?？刂七壿嬁驁D如圖4所示。

圖4 分離器液位控制框圖Fig.4 Block diagram of separator liquid level control

在爐循泵子對象中引入爐循泵出口調閥PID控制器，當爐循泵出口調閥控制在自動時，閉環自動控制分離器液位，濕態給水控制進入控分離器液位模式，液位設定值根據水質狀態靈活改變。水質合格時自動將液位設定值設定為分離器正常液位值，使得高水位控制閥處于關閉狀態；水質不合格時自動將液位設定值設定為分離器高液位值，使得開環控制分離器液位的分離器貯水箱疏水調閥處于30%～50%開度。另外，液位設定值也可由運行人員根據機組狀態手動設定。

2.3 濕態轉干態控制

濕態轉干態是超超臨界機組啟動過程運行控制的關鍵節點之一，目前超超臨界機組的干、濕態轉換大都采用手動操作方式，由于水煤比、主汽壓力控制不當或轉換時機選擇不合適等原因，造成干、濕態頻繁切換，機組參數劇烈波動而導致設備故障，受熱面超溫或者分離器滿水甚至過熱器進水等事故，嚴重威脅機組安全運行［15-16］。為了克服上述問題，機組濕態工況運行時，引入濕態轉干態功能模組，根據煤質差異、是否投入高壓加熱器、磨煤機運行數量及分布等過程參數，基于質量平衡和能量平衡方程生成轉態所需的煤量控制量，實現濕態轉干態一鍵自動轉換。具體步驟如下：

步驟1：確認機組已滿足濕態轉干態條件，當機組負荷處于20%Pe～25%Pe（Pe為額定負荷），機組處于濕態汽輪機跟隨模式和定壓運行模式，同時省煤器入口電動閥全開時，投入濕態轉干態一鍵自動控制模式，啟動濕態轉干態自動轉換控制邏輯。

步驟2：由于從給煤量增加到鍋爐吸熱量增加有一定的遲延，為快速完成干、濕態轉換，轉態開始時，在保證鍋爐本生流量滿足的前提下，應降低給水流量Fw，使進入省煤器的給水量適當減少。流量減少的最佳數值需要通過特性試驗確定。

步驟3：根據質量平衡和能量平衡方程，結合轉態前機組在濕態工況下穩定運行的過程參數，計算使機組進入干態運行所需的理論給煤量增量。

步驟4：通過機組特性試驗確定最佳給煤量變化速率，按照該速率逐漸增大入爐煤量，直到實際給煤量增量達到理論值。

步驟5：加煤過程中，由于鍋爐蒸發量逐漸增大，分離器液位逐漸降低，再循環流量也會隨之減小。當再循環流量減少到某個閾值，爐水循環泵停運或跳閘，再循環流量消失，轉態過程結束，機組進入干態運行。

步驟6：機組進入干態運行后，增加鍋爐主控40 MW幅度升負荷，機組快速通過濕態與干態的邊緣節點，避免干、濕態頻繁切換。

3 應用實例

在某1 050 MW超超臨界機組上進行了面向自治對象的濕態給水控制策略的實際投運。當機組總燃料量小于70 t/h、給水旁路調閥開度小于65%且省煤器入口給水電動閥全關時，投入給水旁路調閥控制自動和給泵轉速控制自動，給水流量控制進入給水旁路控流量模式和給泵燃料跟隨模式，給水旁路調閥自動閉環控制給水流量，給泵轉速跟隨總燃料量自適應改變。當機組總燃料量大于80 t/h且給水旁路調閥開度大于70%時，給水流量控制進入給水旁路燃料跟隨模式和給泵控流量模式，給泵轉速自動閉環控制給水流量，給水旁路調閥跟隨總燃料量自適應改變。

在機組冷態沖洗、點火、熱態沖洗、升溫升壓、沖轉并網及濕態轉干態等階段實現了給水流量、分離器液位及濕態轉干態的全程自動控制，相關參數運行曲線如圖5、圖6所示。

圖6 濕態轉干態全程控制應用曲線Fig.6 Application curve of full process control from wet to dry state

如圖5所示，在機組啟機過程中冷態沖洗、點火、熱態沖洗、升溫升壓等階段實現了給水流量、分離器液位以及濕態轉干態的全程自動控制。機組濕態運行時給水流量設定值跟隨燃料量自動改變，燃料量由點火開始水位最小煤量15 t/h逐漸增加至75 t/h，給水流量設定值由830 t/h自適應變化至926 t/h，給泵汽輪機轉速指令跟隨燃料量由2 500 r/min增加至3 650 r/min，期間給水流量控制模型根據機組運行參數自治切換，最大給水流量控制偏差在±50 t/h。爐循泵出口調閥全程自動控制分離器液位，分離器液位設定值根據水質情況自動變化，水質不合格時設定值為16.3 m，水質合格時設定值為14 m，期間分離器液位控制偏差在±1 m，機組濕態運行期間全程無需運行人員干預，自動實現分離器液位控制。

如圖6所示，在機組啟機過程中濕態轉干態階段實現了給水流量、分離器液位以及燃料量的全過程自動控制。機組濕態轉干態分為3個階段：第1階段以每分鐘60 t/h的速率將給水流量由1 030 t/h減少至900 t/h；第2階段逐漸增加總燃料量，期間給泵汽輪機轉速自動維持給水流量在900 t/h附近，波動范圍±30 t/h，爐循泵出口調閥根據分離器液位變化自動關至最小閥位20%，爐循泵由于分離器液位低跳閘，過熱度大于5 ℃時機組由濕態運行變為干態運行；第3階段快速將鍋爐主控由390 MW增加至430 MW，此時總燃料量與給水流量同時增加，機組快速通過濕態與干態的邊緣節點，避免干、濕態頻繁切換。

4 結語

本文依據火電機組濕態給水系統控制的特點，摒棄傳統相對單一固化的面向過程的設計模式，將面向對象的技術理念應用于給水系統全程控制中，提出了一種超超臨界機組給水系統濕態全程控制策略，實現濕態運行下機組給水流量、分離器液位以及濕態轉干態全程自動控制。該策略在復雜多變的工況下根據運行參數自治規劃控制模式，呈現了一個讓運行人員面對的是對象、操作的是系統、提出的是需求、關注的是結果的APS2.0應用場景，控制系統具備較強的自治性和健壯性，大幅提高了給水全程控制系統的使用率與機組自動化水平。