探究供热超临界空冷供热机组自动制约对策特性

摘 要：本文介绍了超临界空冷供热机组自动控制系统的结构及其特点，并且从控制原理及控制策略两个方面入手分析了超临界空冷供热机组自动控制系统。通过分析各个受控对象之间的相互作用、超临界机组控制对象的静态特性与动态特性的分析，给出相应的控制策略。
关键词：空冷供热；超临界；静态特性；动态特性。
0 引言
超临界火力发电机组是亚临界机组进一步发展和延伸的必然产物，提高主蒸汽的初参数是火力发电厂追求效率最大化的主要措施，超临界化机组是当今火力发电技术发展的最终目的，其主要的性能指标较同容量的亚临界机组不遑多让。在火力发电的生产过程中，超临界机组能够将机组循环工质的参数提升到超临界状态，以提高机组的可用能的品味和热能转换的效率是经实践证明是卓有成效的火力发电机组的发展模式。
1 机组生产流程简介
现阶段，电能在我国的生产还是以火力发电为主要手段。目前国内新建成的火力发电机组均采用单机容量为300MW、350MW与600MW的超临界发电机组。
某热电厂拟选用2×350MW超临界空冷供热机组，是该类型机组在国内的首次应用。其生产流程简图见图1所示：
依据上图1，某热电厂2×350MW超临界空冷供热机组生产流程简图，该机组的生产流程可以分系统简介如下：
本机组锅炉采用N型结构布置，燃烧室布置在前炉膛，过热器布置在锅炉顶部与后烟道，选用辐射换热的方式。对超临界机组而言当主蒸汽压力PT达到17.9MPa，温度TG达到541℃时，锅炉给水从初态转化为过热蒸汽是在无间隔状态下完成的。
由锅炉末级过热器出口处出来的主蒸汽进入汽轮机高压缸后，次序进行膨胀、释放热能和作功的过程。此时低温低压蒸汽在凝汽器被冷却成为水，通过循环水泵被再次使用。
发电机由机组汽轮机同轴驱动，经励磁线圈发电，通过母线顺序流经变压器和升压站最终将电能送入电网。
2 超临界机组的技术特性

2.1 超临界火电机组的技术特点

从参数上定义超临界机组，是指在末级过热器出口处的主蒸汽压力PT大于22.13MPa的火力发电机组。目前世界上正在稳定运行的超临界机组，其主蒸汽压力PT值绝大多数是处于21MPa～25MPa的范围内。
考虑到机组的经济性，采用超临界技术具有无与伦比的优势，单台机组的热效率最高能够达到50%，每发电1kW·h的煤耗最低仅为255g，与亚临界机组（每发电1kW·h的煤耗最低为327g）相比其燃煤消耗可有效降低20摘自：硕士论文开题报告www.618jyw.com
%；与此同时，超临界机组选用的是低氧化氮技术，且脱硫率可达98%，在煤粉燃烧的过程中能够减少65%的氮氧化合物和其余污染物的排放，全面实现节能环保的目的。

2.2 超临界机组的启动特点

直流炉与汽包炉相比在结构和生产原理是截然有异的，在机组启动时也分别采用不同的措施，二者相比，在机组启动时直流炉具有以下4个方面的特点：

1. 配备有专门的启动旁路系统：

直流炉在启动过程时最大的特征是在点火前就应不间断地向锅炉注水，先保持机组内有较为充足的启动流量，从而保持机组给水可以连续流过锅炉受热面，使锅炉受热面温度保持在相对合理的范围内。

2. 配备汽水分离器和疏水回收系统：

当发电机出力小于机组最小负荷时，此时的锅炉给水量需维持在一个定量上。此时，在水冷壁出口处应配备有分离装置，经汽水分离后的干饱和蒸汽进入屛式过热器，所以当机组处于低负荷运行阶段时直流炉需配备专门的汽水分离与疏水回收装置，汽水分离和疏水回收回路是直流炉运行在低负荷时必要的两个保障，它们可以保证直流炉的可靠启动。

3. 直流炉在启动前要维持必要的启动压力与流量：

4. 汽水分离器的控制方式：

超临界机组所配备的启动分离器可分为外置式和内置式分离器两种，对于本文所研究仅针对内置式启动分离器。
3 超临界机组控制系统的特点
现阶段，在我国电力系统的电源配置中，超临界火力发电机组所占有的发电比例正在逐年攀升。而为了保证电网系统的安全性，超临界机组必须具备较强的调峰运行能力，这就要求各机组的自动控制系统能够维持机组较好的负荷适应性和关键运行参数的平稳性。超临界机组自动控制系统的主要任务是在可控的范围内，使机组的发电负荷对功率指令的响应用时最少，并且可以协调机组内直流炉与发电机之间的运行，平衡机组锅炉的热能输入与发电机的电能输出。
当今，我国应用于大型火电机组中的自动控制系统大部分由国外引进，协调控制策略也是在国外厂家的设计基础上进行相应的优化，或参考国内相关机组控制策略加以改进，因为超临界机组在我国应用的时间较短，大部分机组在选用协调控制策略时均沿袭了国外分布式控制系统开发公司的方案。

3.1 超临界机组控制对象的描述

超临界机组与亚临界机组相比，其汽轮机与大多数辅机所采用的运行、控制方式没有明显的差异，然而，超临界机组直流炉的特性同亚临界机组汽包炉之间的区别是显而易见的。在亚临界机组汽包锅炉的汽水流程中，汽包、下降管、水冷壁可单独组成小范围的循环回路，循环水在锅炉内吸热、蒸发、过热的三个环节之间存在清楚的分界点；而在超临界机组直流炉的汽水流程中则不存在小循环回路，循环水会直接转换成为过热蒸汽，其在直流炉内所经历的吸热、蒸发、过热三个环节的没有明确的分界面，上述原因令两种机组锅炉在控制组态的建立上需选用不同的结构。
直流锅炉的蓄热惯性较小，但考虑到深层次因素：直流锅炉对电网调度的响应、在机组稳定运行中对负荷变动的短时响应能力都强于汽包锅炉。因为直流锅炉的蓄热能力以及惯性全都较小，导致其响应电网调节指令的时间显著减小，同时直流锅炉本身所固有的特性会令其动态特性趋于繁琐复杂，难以有效控制。超临界机组的三个主要控制对象可以认为是机组负荷LD（s）、主蒸汽压力PT（s）、分离器出口焓值hm（s），它们是对机组的汽机调门TM（s）、燃料量FD（s）、给水量WD（s）三个输入量的响应，可以用式1来表示：
式1中LD为机组负荷（MW）；PT为主蒸汽压力（MPa）；hm为分离器出口焓值（kJ/kg）；TM为汽机调门指令（%）；FD为燃料量指令（t/h）；WD为给水量指令（t/h）。
由式1可以得出，锅炉由输出量：机组负荷LD（MW）、主蒸汽压力PT（MPa）、中间点焓值hm（kJ/kg）与输入量：燃料量FD（t/h）、汽轮机调门开度TM（%）、给水流量WD（t/h）共同组成了一个三输入/三输出的多变量控制系统。
在机组的汽水行程中，中间点焓值hm保持定值，过热主蒸汽温度TG仅在很小的范围内产生变动，同负荷LD--压力PT--给水流量WD间基本上没有相互耦合，机组能够对其进行单独调节制。由于取消了汽包以及下降管联箱等装置，导致直流锅炉的蓄热能力减小，从而提高了燃料量指令FD对负荷变化的反应速度和增强了轮机调门开度指令TM对机前主蒸汽压力PT的影响。由于直流炉对压力变化的响应时间比汽包锅炉长，所以在超临界机组中对升降负荷速率起到关键控制作用的因素不是主蒸汽压力PT，而是过热主蒸汽温度TG。
而在超临界机组的汽水流程中，若热量与工质比值（燃水比）失调时，工质的焓值在汽水流程中的会产生整体改动，越接近过热器出口，焓值的变化幅度与迟延也越大。虽然主蒸汽在过热器出口处的温度能够体现出热量与工质间的比例关系，但信号存在较大的迟延，不适宜作为调节变量。若选择汽水流程中的温度作为调节信号，虽然延迟较短，但变化幅度小且难于测量；同时工质在吸热的过程中温度会保持恒定，，综上所述，现阶段大部分超临界机组选用中间点焓值hm来调节机组的热量与工质间的关系。

3.2 超临界机组控制对象的静态特性

直流锅炉中给水由初始状态直接转化为过热蒸汽，其加热、蒸发与过热阶段没有很清楚的边界限制。其汽水流程示意图如图2所示：
由公式3和4可知：
a. 若，此时δ稳定，过热蒸汽焓值hgr不变；
b. 当燃煤的发热量Qar，net减小时，过热蒸汽焓值hgr会同时降低，反之，升高；
c. 当给水焓值hgs降低时，过热蒸汽焓值hgr会同时降低，反之，升高。

2. 主蒸汽压力PT（MPa）的静态特性：

超临界机组的主蒸汽压力PT由机组的质量平衡、热量平衡和工质的流动压降等因素决定：
a. 若燃料量FD增加时，如果燃水比δ稳定，主蒸汽压力PT取决于主蒸汽流量WZ；如提高燃水比δ，此时过热主蒸汽温度TG会升高，若在增加减温水流量WJ的同时增加主蒸汽流量WZ，此时主蒸汽压力PT会升高。
b. 若给水流量WD增加时，如果燃水比δ稳定，主蒸汽压力PT取决于主蒸汽流量WZ；如减小燃水比δ，此时过热主蒸汽温度TG会降低，若减少减温水流量WJ，此时主蒸汽压力PT处于稳定状态。

3.3 超临界机组控制对象的动态特性

非线性耦合是超临界机组的特性之一，提高了机组自动控制系统的难度，令一般的自动控制回路要取得良好的控制效果较为困难。同时，超临界机组的又一特性是汽水的一次性通过，这就使得末端阻力对直流锅炉的动态特性的影响远远超过汽包锅炉；当系统调节汽轮机调门开度TM时，发电机出力相应地发生改变，进而也改变了过热器出口处末端阻力特性，由于失去了汽包的缓冲作用，对直流锅炉被控特性的影响较为强烈。
超临界机组选用滑压参数运行时，主蒸汽压力PT的变化范围可以在10MPa～25MPa之间。在实际生产中，超临界机组的运行阶段可分为超临界和亚临界两种，当机组处于亚临界运行阶段时循环工质会次序流经加热、蒸发与过热段三个工况；当机组处于超临界运行阶段时由于汽水的密度差为零，循环水被加热成蒸汽的过程是在瞬间完成的，超临界机组在运行方式上有其特殊性，是一个参数众多的被控对象，因此在机组自动控制的设计之初，就应关注参数的自调整设计，令机组自动控制系统的功能更加完善。
超临界机组控制对象的动态特性主要体现在机组的汽水系统中，但是机组的风烟系统、制粉系统、汽轮机调门和汽轮机动态环节与亚临界机组是相似。当机组自动控制系统不考虑风烟系统特性后，依然能把超临界直流炉划分成制粉工段和锅炉工段，此时锅炉工段仍旧是一个三输入/三输出系统。
超临界机组自动控制系统在保证系统稳定运行时应努力克服机组三个输入量变化所产生的阶跃扰动，保证机组能够长期处于稳定运行状态：

1. 汽轮机调门开度TM（%）的阶跃扰动

当汽轮机摘自：论文查重站www.618jyw.com
调门开度TM阶跃增加的扰动时：机前主蒸汽压力PT降低，直流炉的蓄热量减小，机组的负荷增加，此时机组的燃料量FD与给水流量WD保持不变，直流炉释放掉蓄热后，经过一个阶段后机组负荷LD会回落到阶跃前的数值；机前主蒸汽压力PT会与锅炉蓄热的释放保持一致，最终会逐步稳定在设定值附近；中间点焓值hm在主蒸汽流量WZ的增加后会略有减少，由于燃料量FD和给水流量WD保持稳定，中间点焓值hm会随着蒸汽流量的稳定而恢复到原来的数值附近。

2. 燃料量FD（t/h）的阶跃扰动

当燃料量FD阶跃增加的扰动时：直流炉各受热面的吸热量增加，从而引起机组附加蒸发量Wf的增加，机组负荷LD增加；此时的给水流量WD维持稳定，在附加蒸过程完成后，主蒸汽流量WZ开始减少，过热主蒸汽温度TG上升，通过提高减温水流量WJ来保障过热主蒸汽温度TG；然后主蒸汽量WZ增加，机组负荷LD的提高对应于此时的燃料量FD。同样地，当主蒸汽流量WZ增加而汽轮机调门开度TM保持不变，机前压力PT会提高到一定值；当燃水比δ增加时，机组蒸发段提前，中间点焓值hm会提高到一定值。

3. 给水流量WD（t/h）的阶跃扰动

当给水流量WD阶跃增加扰动时：增加给水流量WD会加大机组的附加蒸发量Wf，机组负荷LD会先上升，由于过热段受热量的减少而引起过热主蒸汽温度TG的下降，此时应减少减温水流量WJ以保持过热汽温TG，最终令负荷LD稳定在原来值；同样地，当附加蒸发量Wf增加时，机前压力PT会先提高，此时减少减温水流量WJ，最后会使机前压力PT下降到原来值；当燃水比δ减小时，机组蒸发段延后，中间点焓值hm会下降到一定值。
4 本章小结
本章详细地阐述了超临界单元机组的工艺流程，与亚临界机组比较后的优势，以及其自动控制系统的特点。
同时，本章着重介绍了超临界机组自动控制系统的控制对象，对其动/静态特性进行了相关描述，当机组的输入变量发生扰动时机组响应状况进行了相应的总结，进而为后文分析机组的三个输入变量给水流量WD（t/h）、调门开度TM（%）、燃料量FD（t/h）的控制系统的研究与优化打下了坚实的基础。
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作者简介：
马继光（1981-），男，汉族，辽宁省人，毕业于华北电力大学，主要研究方向为火电厂热工自动化。