摘 要：本文以NT6000控制系統為例，簡單介紹了亞臨界機組和超（超）臨界機組的協調控制，并討論了亞臨界機組和超齡界機組由于在爐型上和工質循環上的不同引起在控制上的一些差異。
關鍵詞：亞臨界 超臨界 協調 DEB 中間點溫度
一、概述
從上個世紀50年代開始，世界上以美國、前蘇聯和德國等為主的工業化國家就已經開始對超臨界和超超臨界發電技術的研究。經過半個世紀的不斷進步、完善和發展，目前超臨界和超超臨界發電技術已經進入了成熟和商業化的運行階段。
隨著我國經濟快速發展，2010年全社會用電量將達到3萬億千瓦時，發電裝機總量達7億千瓦時以上，2020年將達11億千瓦，其中燃煤機組6.5億千瓦以上。根據《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要》提出了“十一五”期間單位國內生產總值能耗降低20%左右，主要污染物排放總量減少10%的約束性指標，同時根據國務院印發的《節能減排綜合性工作方案》，在我國火電站領域的技術飛速的發展，相應冶金技術和機械加工水平的不斷提高前提下，大容量、高參數、低能耗的超臨界機組和超超臨界機組將成為主力機型，機組的容量已從300MW發展到1000MW；發電機組參數也由常規亞臨界參數（16.7MPa、538/538℃）發展到超臨界參數（24.0MPa、540℃～560℃ ）和超超臨界參數（24～30.0MPa、580℃～610℃ 及以上）。DCS系統在火電站的成功應用，大大提高了電站控制領域的自動化水平。本文主要對大型火力發電機組的主要爐型—汽包爐和直流爐機組的協調控制系統的設計和控制進行概要性的說明。
協調控制系統是我國在80年代引進的火電站控制理念，主要設計思想是將鍋爐和汽機作為一個整體，完成對機組負荷、鍋爐主汽壓力的控制，達到鍋爐風、水、煤的協調動作。對于協調控制系統而言包含三層含義：1、機組與電網需求的協調；2、鍋爐汽輪機協調；3、鍋爐風、水、煤子系統的協調。
1、機組與電網需求的協調主要是機組最快的響應電網負荷的要求，包括了電網AGC控制和電網一次調頻控制兩個方面。
3、鍋爐協調主要考慮鍋爐風、水、煤之間的協調。
汽輪機、鍋爐協調控制系統概念的引出，主要在于汽輪機和鍋爐對于機組的負荷與壓力具有完全不同的控制特性，汽輪機以控制調門開度實現對壓力、負荷的調節，具有很快的調節特性，而鍋爐利用燃料的燃燒產生的熱量使給水流量變為蒸汽，其控制燃料的過程取決于磨煤機、給煤機、風機的運行，對壓力、負荷的調節具有很慢的調節特性。因此協調控制系統就是要以優良的控制策略實現對鍋爐-汽輪機的統一控制。以達到鍋爐-汽輪機組對負荷響應的快速性和對壓力控制的穩定性。
協調控制系統的設計包含了兩種協調控制方式，一種是以爐跟機為基礎的協調控制系統，這種協調控制方式是建立在鍋爐控制壓力、汽機控制功率的基礎上，具有負荷響應快的優點。另一種是以機跟爐為基礎的協調控制系統，這種協調控制方式是建立在汽機控制壓力、鍋爐控制功率的基礎上。
現在汽包鍋爐機組的協調控制大多都采用上個世紀80年代中期引用的直接能量平衡（DEB）控制系統，該控制系統的引用，使汽包鍋爐機組的協調控制系統從探索趨于成熟，使汽輪機-鍋爐協調控制系統趨于簡單、響應性快、穩定性高。
直接能量平衡控制思想，選用汽機調速級壓力（P1）與汽機自動主汽門前壓力（Pt）之比乘以機前壓力定值（Ps）作為汽機對鍋爐的能量需求（該信號是直接能量平衡信號（P1*Ps/Pt），該信號以動態前饋及控制指令的形式控制鍋爐的燃料量。直接能量平衡的主要基礎在于P1/PT代表了汽輪機調門的開度，在額定參數下，汽機調門開度的變化反映了汽機進汽量的變化，同樣也反應了汽機對鍋爐能量需求的變化。機前壓力定值Ps的改變，反映了鍋爐被控參數對鍋爐輸入量需求的變化。因此P1*Ps/Pt可以反映負荷對鍋爐燃燒的需求量，也可以滿足鍋爐主汽壓力對燃燒的需求量。而當燃料量發生改變時，由于調速級壓力P1和機前壓力Pt對燃料響應的在數量上和時間上的基本一直性，使P1/Pt基本不變，這樣P1*Ps/Pt就僅僅反映負荷對鍋爐燃燒的需求量，而不反映燃料量的變化。具有作為燃料需求指令的基本條件。仔細分析還可以看出，在汽機調門維持不變的情況下，P1/Pt維持一定，改變壓力設定值Ps即改變了鍋爐的燃料指令，從而達到了控制負荷的目的，也就是說直接能量平衡信號不但適用與定壓控制方式，而且適用與滑壓運行方式。
直接能量平衡控制系統的另一個重要特點是采用熱量信號（P1+dPd/dt）作為燃料的反饋信號。對于（P1+dPd/dt）進行適當的調整，可以使（P1+dPd/dt）在調門開度的擾動下，P1的正微分面積與dPd/dt負微分面積基本相等，使（P1+dPd/dt）在調門開度的擾動下基本不變，而僅反映燃料的變化。
直接能量平衡系統就是利用P1*Ps/Pt僅反映汽機對鍋爐能量需求的特點和（P1+dPd/dt）僅反映燃料變化的特點，實現了機組負荷對燃料的需求。
對于直吹式制粉系統鍋爐燃燒系統，為克服燃料的擾動和磨煤機投運/切除過程中對負荷的影響，增加的燃料控制回路，充分利用了直吹式制粉系統鍋爐燃料測量速度快的特點，可以更快的克服燃料擾動。
表一為某電廠300MW亞臨界機組協調控制系統的運行方式
從上表中我們看出總共有四種基本的控制方式:CC、BF、TF、和機爐手動。CC 方式是正常運行方式，DEB協調控制實際是以爐跟機為基礎的協調控制，汽機控制負荷，鍋爐控制汽壓；這種方式能利用機組的蓄熱能力使輸出電功率有較迅速的響應，因此，這種控制方式具有較好的負荷適應性，對帶變動負荷及電網頻率有利。
機跟爐控制方式采用的是汽機控壓力，鍋爐控負荷的運行方式，這種控制方式由于充分利用了汽機調門動作對壓力響應快的特點，因此能很好的控制機組壓力，但由于鍋爐的燃燒特性比較慢，因此機組對負荷的響應比較慢，不利于帶變動負荷和參加電網調頻，在系統的設計上為提高鍋爐的響應性，將機組指令信號以前饋和反饋的形式作用到鍋爐控制，以加大前饋量的方式提高鍋爐對負荷的響應性。
四、超（超）臨界機組的協調控制
超（超）臨界機組的協調控制同樣是協調鍋爐與汽輪機，提高機組對電網負荷調度的響應性和機組運行的穩定性。從協調控制系統而言，和亞臨界機組的概念是一樣的。
表二為某電廠600MW超超臨界機組的協調控制系統的運行方式
1、協調控制（CC）方式是機組的正常運行方式，在這種方式下，把機組負荷需求指令（就是功率需求）送給鍋爐和汽機，以便使輸入給鍋爐的能量能與汽機的輸出能量相匹配。汽輪發電機控制將直接跟隨MW（功率）需求指令。鍋爐輸入控制將跟隨經主蒸汽壓力偏差修正的MW需求指令。期望在這種方式下能穩定運行，因為汽機調速器的閥門能快速響應MW需求指令，因此也會快速改變鍋爐負荷。這種控制方式可以極大地滿足電網的需求（MW需求指令來自NLDC，即National Load Dispatch Center ，頻率穩定要求）。為了投入協調控制（CC）運行方式，不僅要把鍋爐輸入控制和汽機主控投入運行，而且還要把所有的主要控制回路投入運行。諸如給水、燃料量、風量和爐膛壓力控制。這些控制回路都應處于自動方式。
2、鍋爐跟隨（BF）方式：當汽機主控在協調控制方式運行期間切換到手動時，運行方式就會從CC方式切換到BF方式。在這種運行方式下，機組負荷通過汽機主控在手動時由操作人員手動來改變。在“鍋爐輸入控制自動”和“汽機主控手動”條件下，自動地設定去鍋爐的需求指令，來控制主蒸汽壓力，這個主蒸汽壓力是用實際的MW信號修正的。在這種方式下，實際的MW信號跟蹤MW需求信號。
3、鍋爐輸入（BI）方式：在這種運行方式下，鍋爐的輸入指令是由操作人員手動操作給出的。這意味著機組負荷的改變是由操作人員通過鍋爐輸入控制來完成的。在“鍋爐輸入控制手動”和“汽機主控自動”的條件下，自動地設置去汽機調速器的需求指令來控制主蒸汽壓力。由于直接調整鍋爐的輸入，可以預料在這種運行方式下極大的穩定運行機組。然而，這種運行方式對機組負荷要求作出反應這方面卻不如協調控制（CC）和鍋爐跟蹤（BF）方式。在這種方式下，實際的MW信號跟蹤MW需求信號。當發生鍋爐輔機故障快速減負荷（RB）時，會自動地選擇鍋爐輸入控制方式。
4、鍋爐手動（BM）方式：在機組啟動和停止期間使用這種方式。當給水控制在干態方式運行期間切換到手動時，或燃料量控制在濕態運行期間切換到手動時，會自動的地選擇這種方式。在這種運行方式下，機組負荷是不受控的。如果汽機主控處于自動方式，那么汽機調速器將控制主蒸汽壓力。
五、亞臨界和超齡界機組控制方式的比較
由于兩種汽包爐和直流爐在汽水循環上有很大的差別，導致控制系統具有很大的差別，主要反映在水和燃燒的控制上。
圖一
圖二：汽包爐的汽水示意圖
1、由圖一、二可知，汽包鍋爐汽包水位是汽水分界界面。通過蒸汽流量，給水流量、汽包水位三沖量調節控制鍋爐給水流量，維持汽包水位在允許范圍內波動，既保證了鍋爐鍋內水動力循環，又使給水量隨時適應蒸汽流量變化，滿足負荷變化的需要。鍋爐啟動過程中由于蒸汽流量和給水流量測量信號尚未建立，所以用汽包水位單沖量調節方式控制給水流量。燃料的燃燒控制由熱量需求信號（P1*Ps/Pt）和熱量信號（P1+dPd/dt）產生燃燒指令控制送入爐膛中的煤量，對直吹式中速磨而言是控制給煤機轉速，對雙進雙出磨來說是控制每臺磨的容量風門的開度。給水和燃燒調節雖然有一定相關影響，但基本保持各自的獨立回路。
圖三:直流爐的汽水示意圖
2、對超齡界機組而言，如圖三，根據水--蒸汽性質，超臨界鍋爐在超過臨界點后，汽水系統只存在水相和汽相兩種狀態，而水、汽混合的兩相流動狀態已不存在，為此，超臨界鍋爐必須要采用直流爐運行。
超臨界直流鍋爐啟動時仍在亞臨界狀態下運行，為了滿足鍋爐啟動的需要都設計了啟動分離器系統。在啟動過程中它起到了亞臨界機組汽包的作用，超臨界直流爐啟動分離器在亞臨界運行時作為汽和水分離的界面，達到臨界點后啟動分離器進入干態運行，這時它在鍋內只起一個汽水通道作用。超臨界直流爐啟動過程中同樣需要對啟動分離器的水位進行控制。如某廠單機容量600MW超超臨界機組在機組啟動階段分離器的液位控制就是通過鍋爐循環水流量調節閥（BR）、儲水箱液位調節閥（WDC）和鍋爐再循環泵熱備用疏水排放閥來維持分離器儲水箱的液位低于調節位，使分離器水位維持在正常范圍內運行；分離器水位有4個設定值，從小到大：a、b、c、d；當水位在a和b之間時，采用循環水流量閥和鍋爐再循環泵熱備用疏水排放閥來控制，在c和d之間通過儲水箱液位調節閥來控制；水位在a以下時，這幾個閥門都關閉。
超（超）臨界直流爐正常運行時，分離器入口溫度處于微過熱狀態是反映給水和燃料關系變化的最靈敏的測量點，一般稱此測量為中間點溫度。鍋爐運行中如將中間點溫度控制在一定范圍內，可以認為鍋爐汽水系統中水相和汽相的分界點的界面就會被固定位，達到了水/燃料比的控制。當直流爐的燃料量和給水量不適應時，出口汽溫的變化相當劇烈，水/燃比變化1％，出口汽溫大約會有10oC的變化，所以在運行中，為維持額定汽溫必須嚴格控制水/燃比。這是因為汽包爐的水冷壁運行時始終處于飽和溫度下，燃料量只與蒸發量有關，直流爐的水冷壁溫度與給水量和燃料量有關，參數稍有變化就會影響水冷壁出口溫度，造成主蒸汽溫度超溫。
超超臨界的燃料的燃燒控制是通過鍋爐指令加上水/燃比的前饋指令，經過交叉限制（水、風）后得到燃料需求指令，來控制送入爐膛的煤量。
給水控制也是由鍋爐指令經過交叉限制（燃料）和最小給水流量的限制后，得到給水需求指令，來控制每臺給泵的出力。
由上所述超臨界直流鍋爐調節的關鍵是控制中間點溫度，保持水/燃比才能使主汽溫度噴水調節量足以維持主汽溫度在額定范圍內運行。當鍋爐燃料量發生變化時通過修正后的中間點溫度形成給水需求信號，調節鍋爐的給水流量，機組負荷變化由燃燒系統來承擔調節作用，反之亦然。目的就是在鍋爐出力變化時維持中間溫度在某一范圍，使燃料、水的比例保持一定。
超（超）臨界機組除了被控參數之間的相互耦合性極強的特性外，強烈的非線性也是超齡界機組的的又一大特點。超臨界參數的機組的運行方式采用滑參數運行，機組在大范圍的變負荷運行中，壓力運行在10MPa~25MPa.之間。超臨界機組實際運行在超臨界和亞臨界兩種工況下，在亞臨界運行工況給水具有加熱段、蒸發段與過熱段三大部分，在超臨界運行工況汽水的密度相同，水在瞬間轉化為蒸汽，因此在超臨界運行方式和亞臨界運行方式機組具有完全不同的控制特性，是復雜多變的被控對象。
從亞臨界機組到超（超）臨界機組，從協調控制系統而言，對兩者都具有相同的控制概念，但由于兩種爐型在汽水循環上有很大的差別，導致控制系統具有很大的差別。亞臨界機組由于有汽包這類參數集中的儲能元件，所以使得各個子回路（風、水、煤）之間雖然有耦合，但總的來說還是相對獨立。
而由于直流鍋爐在汽水流程上的一次性循環特性，沒有汽包，在直流運行狀態汽水之間沒有一個明確的分界點，給水從省煤器進口就被連續加熱、蒸發與過熱，根據水、濕蒸汽與過熱蒸汽物理性能的差異，可以劃分為加熱段、蒸發段與過熱段三大部分，在流程中每一段的長度都受到燃料、給水、汽機調門開度的擾動而變化，從而導致了功率、壓力、溫度的變化，因此非線性耦合是超（超）臨界機組控制的難點。
1、 Mitsubishi Heavy Industries,Ltd ， Functional Description of Boiler Control , 61110-1021-1 Rev.P。
2、 羅萬金，電廠熱工過程自動調節, 中國電力出版社, 2001。
3、 黃新元，電站鍋爐運行與燃燒調整 ，中國電力出版社， 2003。
4、 汪祖鑫 ，超齡界壓力600MW機組的啟動和運行，中國電力出版社，1996。
5、 超臨界機組控制技術及發展，于達仁，徐志強。
作者簡介：張勇
作者姓名的漢語拼音：zhang yong
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