超超临界机组湿态给水控制策略的设计与应用

金宏伟，王策，张新胜，丁伟聪

（1.浙江浙能台州第二发电有限责任公司，浙江 台州 317109；2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；3.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310014）

0 引言

给水系统控制是超超临界燃煤机组的核心控制之一，其各个阶段的控制性能直接影响机组运行的经济性与安全性［1-2］。目前机组干态运行方式下给水自动控制已比较成熟，而在湿态运行方式下给水系统自动控制的效果相对而言并不理想［3］。特别是大型超超临界机组为了减少启动过程中的热量损失，提高水冷壁工质循环，通常配置一台炉水循环泵（以下简称“炉循泵”），造成启动系统操作设备较多，运行工况更加复杂。另外，随着我国能源结构快速转型，以燃煤发电为主体的基础能源电力的调峰能力将直接决定风电、太阳能发电等可再生能源的发展空间，大量间歇性能源电力并网必将迫使燃煤发电机组更全面参与深度调峰，燃煤机组深度调峰将常态化［4］，进而导致机组在运行阶段进入湿态运行方式的次数也逐渐增加。

目前国内配置炉循泵的大型机组湿态运行方式下给水系统控制大多采用运行人员手动操作的控制策略，在启机和湿态运行过程中，需要对给水旁路调阀、汽动给水泵（以下简称“给泵”）转速指令和炉循泵出口调阀等实时进行操作，监测参数包括给水流量波动情况、分离器液位稳定性、炉循泵出口流量和给水压力等，因此整个湿态运行过程包含大量操作，加重了运行人员的操作负担。另外，由于运行人员操作水平不能保证，机组湿态运行时经常出现给水流量和分离器液位波动大的现象，具有一定危险性［5-6］。

本文针对上述问题，基于面向自治对象的APS2.0控制理念［7］，提出一种配置炉循泵超超临界机组的给水系统湿态全程控制方法。该方法采用面向对象的设计模式，针对湿态给水系统的特性，在给水系统主对象内部，设计炉循泵出口调阀、给水旁路调阀及给泵指令等相关子对象控制策略，实现了变工况自适应切换与控制模式自治规划，人机协作性强，流程节点灵活可靠，可做到随断随续。在某1 050 MW超超临界机组上进行实际应用，在机组启动、停机、深度调峰运行及干、湿态转换等各种工况实现湿态给水全程控制，控制系统具备较强的自治性和健壮性，大幅提高了机组的自动化水平和湿态运行的稳定性。

1 面向自治对象的湿态给水系统控制模式设计

超超临界机组湿态运行时：在模拟量控制层面上，给水控制的基本要求是实现给水旁路调阀、给泵转速指令及炉循泵出口调阀全程闭环控制，保证给水流量和分离器液位在合理的范围内波动；在机组运行方式层面上，给水控制的基本要求是根据机组运行参数自动完成给水旁路切主路以及干、湿态自动转换等运行状态的转变。

超超临界给水控制系统设备繁多、流程复杂、参数控制难度大，为减轻运行操作负担，最简单有效的方法是化整为零，采用面向对象的设计模式［7-9］，根据调节需求与系统功能将给水系统主对象解构为相对独立的子对象系统，分系统进行规划，根据工况变化自治实现运行控制、自主改变操作模式，使运行人员从繁琐操作与紧张预判中解脱出来。面向对象的给水系统以分布式自治的子对象系统为基础，串接系统内部的任务规划与指令结构，湿态控制模式框图如图1所示。

图1 面向对象的给水系统湿态控制模式框图Fig.1 Block diagram of object-oriented wet control mode for water supply system

给水系统主对象由各设备系统子对象和模块化功能模组构成。给水系统湿态调节功能模组是给水系统湿态控制的关键功能模组，主要关联炉循泵系统和调节设备系统2个内部子对象，以及协调系统的1个外部子对象，各子对象系统之间协同调用运行，根据模组功能自主切换模式化控制。炉循泵出口调阀系统负责分离器液位控制，给水旁路调阀系统和给泵转速控制系统负责给水流量控制，控制过程中协同负责给水流量模式和跟随燃料模式的控制与切换。湿态转干态模组实时监测机组给水旁路切主路条件，自动完成给水旁路切主路运行；湿态转干态条件满足后，自动完成湿态转干态运行。

给水旁路调阀和给泵转速控制包括控给水流量模式和燃料跟随模式，功能模组根据总燃料量和给水旁路调阀开度自适应进行控制模式切换，控制框图如图2所示。

图2 给水控制模式切换控制框图Fig.2 Water supply control mode switching control block diagram

给水湿态控制分为4种控制模式，分别为给水旁路控流量模式、给水旁路燃料跟随模式、给泵控流量模式和给泵燃料跟随模式。功能模组根据省煤器进口给水主电动阀开关状态、总燃料量及给水旁路调阀开度自适应生成给水控制模式切换标志。在给水控制模式切换标志置位条件满足的工况下：若给水旁路调阀控制在自动时，给水控制处于给水旁路控流量模式；给泵控制在自动时，给水控制处于给泵控制流量模式。在给水控制模式切换标志复位条件满足的工况下：若给水旁路调阀控制在自动时，给水控制处于给水旁路燃料跟随模式；给泵控制在自动时，给水控制处于给泵燃料跟随模式。

2 湿态给水全程控制策略设计

湿态给水控制的基本功能主要包括湿态工况下给水流量控制、分离器液位控制、给水旁路切主路以及湿态转干态控制。给水流量控制可以根据湿态给水系统的运行参数自动区分给水旁路调阀和给泵的控制模式，炉循泵出口调阀的分离器液位控制模式可以根据运行人员选择进行水质合格和水质不合格下的液位设定值自适应变化，机组运行工况满足湿态转干态条件后，自动进行湿态转干态一键自动控制。

2.1 湿态工况下给水流量控制

给水流量控制［10-12］是机组湿态工况下安全稳定运行的保障，根据机组运行参数自动规划给水流量控制模式，整个控制模式转换过程无扰过渡，在少人干预的情况下完成对湿态给水流量的全程控制，控制逻辑框图如图3所示。图3中：f1（x）为给水旁路燃料跟随模式下，给水旁路调阀开度指令随总燃料量变化的函数；f2（x）为给泵转速燃料跟随模式下，给泵转速指令随总燃料量变化的函数；PV为炉循泵出口调阀PID（比例-积分-微分）控制器的输入测量值；SP为炉循泵出口调阀PID控制器的输入设定值。

图3 湿态工况下给水流量控制逻辑框图Fig.3 Block diagram of feed water flow control in wet state

湿态工况下在子对象的给水流量控制逻辑中引入给水旁路PID控制器和给泵转速PID控制器。给水流量控制模式处于给水旁路控流量模式或给泵控流量模式时，2个PID控制器对给水流量进行闭环自动控制，其中给水流量设定值同时引入了2个总燃料量作为自变量的函数；给水流量控制模式处于给水旁路燃料跟随模式或给泵燃料跟随模式时，2个函数根据总燃料量自动生成给水旁路调阀开度指令和给泵转速指令。另外，机组湿态运行时，给水流量设定值区分于其他工况下的给水流量设定值，自动生成湿态给水流量设定值，以便于湿态工况下给水流量设定值的灵活修正。

2.2 贮水箱液位控制

分离器液位是配置炉循泵的火电机组湿态安全运行的关键监视参数，将其控制在合理范围内是机组湿态给水控制的核心［13-14］。一般分离器液位由分离器贮水箱疏水调阀开环控制，为了避免分离器液位过低导致炉循泵跳闸或分离器满水等工况出现，引入分离器液位控制模式，由炉循泵出口调阀闭环控制分离器液位，实现机组锅炉冲洗、升温升压、并网以及湿态转干态等各阶段下的分离器液位全程自动控制。控制逻辑框图如图4所示。

图4 分离器液位控制框图Fig.4 Block diagram of separator liquid level control

在炉循泵子对象中引入炉循泵出口调阀PID控制器，当炉循泵出口调阀控制在自动时，闭环自动控制分离器液位，湿态给水控制进入控分离器液位模式，液位设定值根据水质状态灵活改变。水质合格时自动将液位设定值设定为分离器正常液位值，使得高水位控制阀处于关闭状态；水质不合格时自动将液位设定值设定为分离器高液位值，使得开环控制分离器液位的分离器贮水箱疏水调阀处于30%～50%开度。另外，液位设定值也可由运行人员根据机组状态手动设定。

2.3 湿态转干态控制

湿态转干态是超超临界机组启动过程运行控制的关键节点之一，目前超超临界机组的干、湿态转换大都采用手动操作方式，由于水煤比、主汽压力控制不当或转换时机选择不合适等原因，造成干、湿态频繁切换，机组参数剧烈波动而导致设备故障，受热面超温或者分离器满水甚至过热器进水等事故，严重威胁机组安全运行［15-16］。为了克服上述问题，机组湿态工况运行时，引入湿态转干态功能模组，根据煤质差异、是否投入高压加热器、磨煤机运行数量及分布等过程参数，基于质量平衡和能量平衡方程生成转态所需的煤量控制量，实现湿态转干态一键自动转换。具体步骤如下：

步骤1：确认机组已满足湿态转干态条件，当机组负荷处于20%Pe～25%Pe（Pe为额定负荷），机组处于湿态汽轮机跟随模式和定压运行模式，同时省煤器入口电动阀全开时，投入湿态转干态一键自动控制模式，启动湿态转干态自动转换控制逻辑。

步骤2：由于从给煤量增加到锅炉吸热量增加有一定的迟延，为快速完成干、湿态转换，转态开始时，在保证锅炉本生流量满足的前提下，应降低给水流量Fw，使进入省煤器的给水量适当减少。流量减少的最佳数值需要通过特性试验确定。

步骤3：根据质量平衡和能量平衡方程，结合转态前机组在湿态工况下稳定运行的过程参数，计算使机组进入干态运行所需的理论给煤量增量。

步骤4：通过机组特性试验确定最佳给煤量变化速率，按照该速率逐渐增大入炉煤量，直到实际给煤量增量达到理论值。

步骤5：加煤过程中，由于锅炉蒸发量逐渐增大，分离器液位逐渐降低，再循环流量也会随之减小。当再循环流量减少到某个阈值，炉水循环泵停运或跳闸，再循环流量消失，转态过程结束，机组进入干态运行。

步骤6：机组进入干态运行后，增加锅炉主控40 MW幅度升负荷，机组快速通过湿态与干态的边缘节点，避免干、湿态频繁切换。

3 应用实例

在某1 050 MW超超临界机组上进行了面向自治对象的湿态给水控制策略的实际投运。当机组总燃料量小于70 t/h、给水旁路调阀开度小于65%且省煤器入口给水电动阀全关时，投入给水旁路调阀控制自动和给泵转速控制自动，给水流量控制进入给水旁路控流量模式和给泵燃料跟随模式，给水旁路调阀自动闭环控制给水流量，给泵转速跟随总燃料量自适应改变。当机组总燃料量大于80 t/h且给水旁路调阀开度大于70%时，给水流量控制进入给水旁路燃料跟随模式和给泵控流量模式，给泵转速自动闭环控制给水流量，给水旁路调阀跟随总燃料量自适应改变。

在机组冷态冲洗、点火、热态冲洗、升温升压、冲转并网及湿态转干态等阶段实现了给水流量、分离器液位及湿态转干态的全程自动控制，相关参数运行曲线如图5、图6所示。

图6 湿态转干态全程控制应用曲线Fig.6 Application curve of full process control from wet to dry state

如图5所示，在机组启机过程中冷态冲洗、点火、热态冲洗、升温升压等阶段实现了给水流量、分离器液位以及湿态转干态的全程自动控制。机组湿态运行时给水流量设定值跟随燃料量自动改变，燃料量由点火开始水位最小煤量15 t/h逐渐增加至75 t/h，给水流量设定值由830 t/h自适应变化至926 t/h，给泵汽轮机转速指令跟随燃料量由2 500 r/min增加至3 650 r/min，期间给水流量控制模型根据机组运行参数自治切换，最大给水流量控制偏差在±50 t/h。炉循泵出口调阀全程自动控制分离器液位，分离器液位设定值根据水质情况自动变化，水质不合格时设定值为16.3 m，水质合格时设定值为14 m，期间分离器液位控制偏差在±1 m，机组湿态运行期间全程无需运行人员干预，自动实现分离器液位控制。

如图6所示，在机组启机过程中湿态转干态阶段实现了给水流量、分离器液位以及燃料量的全过程自动控制。机组湿态转干态分为3个阶段：第1阶段以每分钟60 t/h的速率将给水流量由1 030 t/h减少至900 t/h；第2阶段逐渐增加总燃料量，期间给泵汽轮机转速自动维持给水流量在900 t/h附近，波动范围±30 t/h，炉循泵出口调阀根据分离器液位变化自动关至最小阀位20%，炉循泵由于分离器液位低跳闸，过热度大于5 ℃时机组由湿态运行变为干态运行；第3阶段快速将锅炉主控由390 MW增加至430 MW，此时总燃料量与给水流量同时增加，机组快速通过湿态与干态的边缘节点，避免干、湿态频繁切换。

4 结语

本文依据火电机组湿态给水系统控制的特点，摒弃传统相对单一固化的面向过程的设计模式，将面向对象的技术理念应用于给水系统全程控制中，提出了一种超超临界机组给水系统湿态全程控制策略，实现湿态运行下机组给水流量、分离器液位以及湿态转干态全程自动控制。该策略在复杂多变的工况下根据运行参数自治规划控制模式，呈现了一个让运行人员面对的是对象、操作的是系统、提出的是需求、关注的是结果的APS2.0应用场景，控制系统具备较强的自治性和健壮性，大幅提高了给水全程控制系统的使用率与机组自动化水平。