基于焓值计算的直流炉给水控制优化及实践

陈 波，罗志浩，苏 烨

（浙江省电力试验研究院，杭州 310014）

在超临界直流机组中，给水的加热、蒸发和过热过程是一次性连续完成的。因此，随着运行工况的不同，机组的汽水分界点将在一个或多个受热段内移动。为了保持锅炉汽水行程中工质的温度保持在安全经济的范围内，直流机组对燃水比调节提出了较高的要求[1]。目前直流机组的燃水比控制方法大致可以分为中间点过热度控制和焓值控制两类。对于焓值控制而言，一般是通过调节给水来完成燃水比的控制。相对于汽包炉，直流炉对给水控制更为敏感，完善的给水控制策略和良好的控制品质是众多控制工程人员追求的目标，尤其是在高加出系工况或真空变化等特殊工况下。因此，基于焓值控制的直流机组给水控制成为了机组安全稳定运行的关键问题之一。

1 焓控原理

燃水比是直流机组控制汽温的主要手段。直流炉中的减温喷水实质上是调整工质流量在水冷壁和过热器之间的分配比例，不会影响汽温最终的稳态参数，最终决定稳态汽温的是燃烧率和给水的比例[2]。因此控制好燃水比是超临界机组控制的关键。

当燃水比发生改变时，过热汽温的响应延迟时间长，而中间点（分离器出口附近，不同机组选取的位置不同[3]）温度或焓值在灵敏度和线性方面具有明显的优势，故不能直接使用过热汽温作为燃水比的反馈信号，而是采用了中间点温度或中间点焓值。相对于中间点温度，中间点焓值不但能快速反映燃水比的变化情况，还代表了过热蒸汽的做功能力。因此中间点焓控方式不但能实现过热汽温的粗调，还有利于负荷控制[4]。同时因焓值的物理概念明确，用焓增方式来分析各受热面的吸热分布将更为科学。

超临界直流炉机组在稳态工况下，某段连续的受热面组成的系统可以视为稳定流动的开口系统。由热力学第一定律可知，对于一个稳定流动的开口系统而言，工质所吸收的热量ΔQ为：

式中：△H为吸热焓增，ωt表示技术功，技术功包括了轴功和宏观动能增量及宏观势能增量。对于连续流动未膨胀做功且落差有限的工质，其技术功可近似为0。

因此式（1）可以简化为：

式中：W为开口系统内的工质流量；Δh为开口系统内工质的焓增。

考虑到系统可能存在的其他微小吸热量和其他修正因素，对于该开口系统而言，其系统内工质流量的设定值Wsp一般可由式（4）计算：

式中：Wsp0为工质流量的设计值；hout为系统出口焓值；hout0为系统出口设计焓；hin为系统入口焓值；hin0为系统入口设计焓值；Qq为小吸热修正；hq为小焓值修正量。

2 焓控点的位置选取

由式（1）可知，在超临界直流机组中选取一段稳定流动的开口系统，通过该系统的入口和出口参数便可推出式（4），得到系统工质流量的设定值。在实际的给水控制系统中，为了快速准确地反映燃水比的变化，选取的稳定流动开口系统应满足能全面反映炉内吸热过程的变化及能快速准确测量系统焓值的要求。

因此，一般选取从省煤器入口到分离器出口之间的连续受热面作为焓控模式下给水流量设定计算的开口系统。这是因为：

（1）省煤器是经分离器出口前、以对流换热为主的受热面，且省煤器中焓升占工质总焓升的比例较大，因此选取的参考系统包括省煤器才能全面、稳定地反映炉内热量变化。

（2）省煤器出口焓值经过省煤器环节后，焓值变化滞后，而省煤器入口焓值则直接快速反应省煤器入口水温的变化。

（3）分离器出口前的受热面系统已包括了各种类型的受热面 （以对流换热为主的省煤器、以辐射换热为主的水冷壁），能比较全面地反映炉内热量的变化情况。

（4）从省煤器入口至分离器出口前的工质焓升占炉内工质总焓升的75%左右，且该比例在燃水比或其他工况发生较大变化时变化不大，能稳定反映炉内的热量变化。

（5）相对于过热器出口而言，分离器出口工质的焓值变化滞后时间短，能快速反映燃水比的变化情况。

在选定从省煤器入口到分离器出口的开口系统作为燃水比控制的参考系统后，根据式（4）可以推出一般超临界直流机组焓控模式下的给水流量控制方程：

式中：Wsp为给水流量设定值；Wsp0为给水流量设计值；hsepout为分离器出口焓值；hsepout0为分离器出口设计焓值；hecin为省煤器入口焓值；hecin0为省煤器入口设计焓值；Qsep为储水箱吸热；hq为焓值修正量。

3 高加出系工况下的焓控

选取从省煤器入口到分离器出口的开口系统，按照式（5）进行控制可以满足正常情况下机组对燃水比的要求，然而在特定工况下该系统的选取却存在一定的问题。例如当发生高加出系工况时，因高加撤出后省煤器入口水温急剧下降，若此时省煤器入口设定焓值未切至高加出系工况下的理论焓值，或切换时间不匹配，省煤器入口焓值的急剧下降会使给水设定值急剧下降，最终导致燃水比控制失衡，使分离器出口温度高或螺旋管壁温高保护动作[5]。因此需要针对高加出系工况对焓控模式下的给水流量控制进行修正。

考虑到高加出系时省煤器入口焓值将急剧下降，机组正常运行时与高加出系工况下的理论焓值的切换及切换时间是完善高加出系工况下给水控制的基本思路。图1为某超临界机组考虑高加出系工况后的给水控制逻辑。

图1 考虑高加出系工况后的给水控制逻辑图

参照公式（5）， 在该逻辑中， f1（x）、 f3（x）为正常工况和高加出系工况下的 Wsp0， f2（x）、 f4（x）为正常工况和高加出系工况下的（hsepout0-hecin0），根据工况要求分别对上述函数进行整定后，就可以避免出现（hsepout0-hecin0）和（hsepout-hecin）不匹配的情况。

应该注意的是，完善后的给水控制回路中，针对高加出系工况应解决以下2个关键问题：

（1）切换函数的整定。f1（x）-f4（x）函数的整定需和机组实际运行工况一致，应通过调整试验予以确定。同时要考虑汽机调门的控制方式，当采用顺序阀控制时，由于汽轮机的经济性提高，给水量比单阀控制时要略少。

（2）切换时间的整定。在高加出系动态过程中， 涉及 2 个切换时间， 即 f1（x）切换到 f2（x）的时间和 f3（x）切换到 f4（x）的时间。在整定过程中必需注意，给水流量设定值的切换时间不能太快或太慢，太快会使实际给水量下降过快，过热度上升较快；太慢则会使实际给水量过多而使过热度偏低。省煤器入口焓值切换时间需和实际省煤器入口焓值变化时间相匹配，可以通过试验获取。图2中为某厂高加出系过程中的焓值变化曲线。

图2 某厂高加出系过程中焓值变化曲线

从图2可以看出，因高加出系过程中省煤器入口焓值切换时间不匹配，省煤器入口实际焓值在高加出系后快速下降，但省煤器入口设计焓值变化较慢，使过热度变化幅度较大，最终导致了分离器出口温度高MFT保护动作。根据该次动作曲线重新对切换函数和切换时间进行整定，经整定后重新进行相同工况试验，未引起分离器出口温度高保护动作。

综上所述，针对高加出系引起的省煤器入口水温急剧变化对给水控制的影响，要注意以下几点：

（1）给水量控制设计函数以及省煤器入口焓值设计函数应根据高加出系与否进行区分，使给水设定值能满足高加出系前和高加出系后的稳态要求。

（2）在切换时间上要进行匹配，一方面要防止切换时间过快而使给水量下降过快，使得分离器出口温度过高而引起机组保护动作，同时要防止切换过慢而使燃水比过低，从而使过热度偏低。如果切换时间设定合适，可以有效避免高加出系动态过程过热度的大范围变化。

（3）各函数要设计恰当，能正确反映高加出系前后的实际需要水量和焓增值。如果给水量设计值过高会使燃水比失调，导致过热度偏低，如果过低则会使过热度过高。

4 真空变化工况下的焓控

真空是监视机组安全、经济运行的主要参数之一，关系到机组的安全运行，决定了机组的理想焓降、发电效率和出力能力。当真空发生改变时，机组负荷和给水流量对应的工作点会随之发生偏移，即式（5）中的Wsp0发生偏移。在以往的控制中，仅把真空作为机组的保护参数，而没有将其对控制的影响考虑在内，使得机组在不同真空度下运行时，给水控制品质会发生较大的改变。

在某600 MW超临界机组上进行了真空变化对主、重要参数的影响试验，通过在同一负荷段下改变真空的方法，获取真空度对各主、重要参数稳态工作点影响的数据。机组实际负荷稳定在560 MW左右，表1为部分试验数据。

表1 真空变化试验部分数据

根据试验数据，对图1所示的给水控制函数f1（x）增加真空修正系数逻辑，用来对式（5）中的Wsp0进行修正。相关逻辑图如图3所示，图中真空度对真空修正系统的影响权重由相同负荷点下真空对给水流量的影响试验给出，负荷对真空修正系数的影响权重由负荷对真空的影响试验给出。经过真空修正后的给水控制提高了在真空变化工况下给水控制的品质。

需要注意的是，真空不但对给水控制品质有影响，对整个协调控制也有影响[6]，应综合考虑予以修正。除修正给水外，还需修正：负荷—煤量关系、负荷—风量关系、真空—机组负荷能力、真空—一次调频效果等。

5 结语

图3 真空修正系数的逻辑实现

针对直流炉焓值计算给水控制的原理和直流炉机组本身的特点，分析了焓值控制中焓控系统的选取方法和需要注意的问题，有效利用了省煤器入口焓值计算的优点，避免了高加出系时省煤器入口焓值计算带来的问题，并通过真空修正满足和提高各种环境条件下的给水控制品质，从而最终保证了直流炉给水焓控在全工况下的自动化程度和机组的安全稳定，对基于焓值计算的直流炉给水控制策略完善具有借鉴和推广意义。

[1] 尹峰.超（超超）临界机组主汽温控制系统控制传递策略研究与应用[J].华东电力，2009，4∶644-647.

[2] 何同祥，王存旭.采用控制中间点焓值的直流炉给水控制系统[J].华东电力，1999，2∶26-28.

[3] 俞成立.超（超）临界机组中间点温度过热度控制策略[J].中国电力，2008，7∶60-64.

[4] 尹峰，朱北恒，李泉.超（超）临界机组协调控制特性与控制策略[J].中国电力，2008，3∶66-69.

[5] 苏烨，罗志浩，张鹏，等.超临界机组高加出系工况控制策略的完善及调整[J].浙江电力，2009，4∶31-34.

[6] 范海东，罗志浩，陈波.真空变化对火电机组协调控制策略修正方法的研究及实现[J].自动化博览，2009，7∶77-79.