“雙碳”目標下超臨界機組過熱汽溫焓值控制方法研究

段秋剛，閆 琨

（1.國網山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001；2.中核戰略規劃研究總院有限公司，北京 100048）

0 引言

在實現“雙碳”目標的決策下，實現火電機組的節能減排和靈活運行，以更好地促進新能源的接入和消納是一個永恒的新課題。目前，國內外關于超臨界機組過熱汽溫控制的研究仍采用亞臨界機組的控制思路，重點在于解決過熱汽溫控制的大滯后問題，比如經典的串級控制、導前微分控制，以及比較前沿的SIMITH預估控制、預測控制、狀態觀測器等。對于超臨界機組乃至超超臨界機組，其過熱汽溫控制除具有大滯后特征外，還由于機組運行在亞臨界、臨界和超臨界不同的區域，具有比亞臨界機組更為嚴重的非線性。而國內外關于解決過熱汽溫控制非線性的研究較少，常用的僅僅局限于變參數控制、分段控制、模糊控制等，但都不能從本質上解決過熱汽溫控制的非線性問題。本文所提出的過熱汽溫焓值控制方法能夠從根本上解決其非線性問題。其創新點有2點：一是根據能量平衡、能量轉換和熱傳遞原理，將溫度控制轉換為焓值控制，徹底、有效地解決了過熱汽溫控制的非線性問題；二是將一個大滯后的過熱汽溫控制系統轉換成一個快速、實時的流量控制系統，實現了對減溫水流量的精確控制，不僅間接地解決了大滯后問題，同時通過減溫水的精確控制，提高了機組的熱效率。

1 超臨界機組過熱汽溫控制特點

火電機組鍋爐的蒸汽溫度控制一直以來是電站控制領域的難題，大滯后、非線性和時變性是其突出的特點。超臨界直流鍋爐的特有結構形式對汽溫控制系統的設計又提出了新的、更高的要求：第一，蒸汽溫度參數設計較高，通常在560～620 ℃，其運行參數與過熱器的金屬材料極限參數之間的余地很小，熱應力問題十分突出，維持汽溫的持續穩定，對超臨界機組的安全運行和機組的壽命尤為重要。第二，超臨界機組直流鍋爐的加熱段、蒸發段和過熱段的工質溫度會因其他控制變量如燃燒率、給水量、機組運行方式等的擾動而發生相互變化，從而使過熱汽溫與其他主要參數如機組功率、主汽壓力等相互耦合。第三，由于目前的電力市場環境，機組在全工況范圍內調峰運行（運行工況如圖1所示），不同的運行工況（如亞臨界、臨界、超臨界等）、不同的運行參數，汽水特性及減溫水的調節特性變化較大，存在嚴重的非線性和時變性，再加上過熱汽溫控制系統本身的大滯后特性，超臨界機組過熱汽溫控制復雜性尤為突出。

圖1 典型超臨界機組運行工況

汽包爐機組長期采用的汽溫控制手段，如噴水減溫、擺動燃燒器、煙氣擋板等雖在超臨界機組中仍然沿用，但正如文獻[1]所述，其機理和作用已完全不同。一是本質上減溫水來自鍋爐給水，減溫水量的變化實質上是調整工質流量在水冷壁和過熱器之間的分配關系，在鍋爐受熱面吸熱量未發生改變的工況下，區段內的工質溫度暫時發生相應的改變。但由于最終進入鍋爐的總給水量沒有改變，燃水比也不會改變，穩態時鍋爐出口溫度也不會變化。只有進入鍋爐的燃水比發生改變，才能持續影響穩態時鍋爐出口溫度。因此，以噴水減溫為手段的過熱汽溫控制方法只是通過補償局部的工質配比失衡，實現暫態的過熱汽溫調整。二是在鍋爐總的吸熱量未發生變化的工況下，不論是擺動燃燒器還是煙氣擋板，其作用的本質是影響或改變爐膛總熱量在各個受熱面區段的分配比例。實際運行中擺動燃燒器或煙氣擋板主要是再熱汽溫的調節手段。擺動燃燒器的變化改變了熱量在爐膛上下部之間的分配，在改變再熱汽溫的同時，改變了過熱器和水冷壁之間的熱量分配關系；煙氣擋板的變化改變了過熱器和再熱器之間的熱量分配關系。

因此，超臨界機組過熱汽溫控制要以維持鍋爐燃水比為主要手段，噴水減溫作為局部工質配比不平衡的暫時補償，并考慮擺動燃燒器或煙氣擋板的變化對各個受熱面區段溫度的影響。鍋爐燃水比的控制在文獻[2]中已做詳細探討，本文重點研究過熱汽溫噴水減溫的焓值控制方法，以及噴水減溫、擺動燃燒器、煙氣擋板變化對給水控制的影響。

2 過熱汽溫焓值控制

亞臨界汽包爐過熱汽溫以噴水減溫為主要控制手段，常規的控制方案采用串級或導前微分等，還有一些先進的控制理論在應用，比如SIMITH預估控制、模糊控制、預測控制、狀態觀測器等。文獻[3-4]中提到的汽溫控制方法有效解決了亞臨界汽包爐過熱汽溫控制中大滯后等相關難題。本文針對超臨界機組在過熱汽溫控制中不同于亞臨界機組的特征，特別是在全工況運行中存在的嚴重非線性，基于文獻[5]中論述的超臨界機組能量平衡的機理，提出了過熱汽溫焓值控制方案，以精確計算減溫水量，有效克服了系統的非線性，大大提高了機組大范圍調峰運行的適應性。

過熱器作為火電機組鍋爐的熱交換部件，實現鍋爐煙氣熱量和工質攜帶熱量之間的交換，汽溫控制的主要任務是維持工質溫度的穩定，一方面以保證過熱器換熱部件的安全，另一方面保證機組的熱效率，如圖2所示。

圖2 過熱器熱力工藝圖

過熱汽溫焓值控制的思路、過程和具體計算方法如下。

過熱器減溫噴水前的吸熱量為

過熱器減溫噴水后的吸熱量為

在某一工況下，當燃燒不變時，過熱器工質從煙氣側的吸熱量在減溫噴水前后可認為不變。即：，則

由此，可求得減溫水流量為

其中，W為減溫水流量，kg/s；Q0為過熱器入口熱量，kJ/s；D為主汽流量，kg/s；Ht（Pt,Tt）為過熱器出口焓值，kJ/kg；H0（Pt,T0）為過熱器出口設定焓值，kJ/kg；Hw（T）為減溫水焓值，kJ/kg；Pt為過熱器出口壓力，MPa；Tt為過熱器出口溫度被控量，℃；T0為過熱器出口設定溫度，℃；T為減溫水溫度，℃。

在上述減溫水流量計算式的基礎上，用鍋爐燃燒率前饋Db代替主汽流量D，以適應負荷的變化，提高動態過程過熱汽溫的穩定性；通過比例積分微分PID（proportion integration differentiation）控制算法對過熱器出口焓差進行無差調節，最終形成的減溫水流量控制算法為

工程實現方法如圖3所示，先通過工質的壓力、溫度進行焓值計算，再應用上述算法實現控制功能。在實際工程應用中，還應當結合參考文獻[3-4]中提到的汽溫控制方法，或其他解決大滯后問題的方法，比如預測控制、狀態變量控制等實現對過熱汽溫的綜合控制。

圖3 過熱汽溫焓值控制原理圖

由此，根據能量平衡、能量轉換和熱傳遞原理，通過將溫度控制轉換為焓值控制，有效、徹底解決了主汽溫度控制的非線性問題，同時將一個大滯后的溫度控制系統轉換成一個快速、實時的流量控制系統，通過對減溫水流量的精確控制，實現對過熱汽溫的有效控制，特別是對于超臨界機組大范圍調峰運行時主汽溫度控制的嚴重非線性問題的解決具有重大意義。

3 過熱器減溫水對給水控制的影響

如前所述，以噴水減溫為調節手段的過熱汽溫控制方法，在超臨界機組中的作用和功能已完全不同于亞臨界汽包鍋爐。因而，當減溫水量發生變化時，應相應調整燃水比，以維持中間區段內工質溫度，最終達到調整過熱汽溫的目的。

對于超臨界機組，減溫水來自2種方式。第一種是來自高加后，給水流量中不包含減溫水量；第二種是來自省煤器后，給水流量中包含減溫水量。第一種方式，由于給水流量中不包含減溫水量，當減溫水量發生變化時，可通過給水泵的調節作用自身維持給水流量的穩定，保證中間區段內工質溫度的穩定；第二種方式，由于給水流量中包含減溫水量，當減溫水量發生變化時，給水流量不變，但進入水冷壁的工質流量會發生相應的變化。為了維持中間區段內工質溫度的穩定，應在給水控制系統中考慮減溫水量的變化，相應調整燃水比，以保證進入水冷壁的工質流量穩定。

4 再熱汽溫控制對給水控制的影響

再熱汽溫通常通過擺動燃燒器或煙氣擋板2種方式控制，其作用和目的是控制和改變爐膛總熱量在各個受熱面區段的分配關系。

擺動燃燒器對過熱汽溫的影響主要是改變了過熱器和水冷壁之間的熱量分配關系，理論上不會引起過熱器出口溫度的變化，但由于引起中間區段內工質溫度的變化，會導致燃水比進行相應的自動調整，從而引起過熱器出口溫度的變化。對此，當擺動燃燒器發生變化時，應在給水控制系統中調整中間區段內工質溫度設定值與實際溫度相匹配，以維持燃水比不變，保證過熱器出口溫度穩定。

煙氣擋板的主要作用是控制和改變過熱器和再熱器之間的熱量分配關系，在調整再熱汽溫的同時，也改變了過熱器出口溫度，從而引起減溫噴水的變化，最終通過調整燃水比維持中間區段內工質溫度的穩定。

5 結束語

超臨界機組過熱汽溫控制采用焓值控制方法，將一個大滯后的過熱汽溫控制系統轉換成一個快速、實時的流量控制系統，實現了對減溫水流量的精確控制，既徹底、有效地解決了過熱汽溫控制的非線性問題，又間接地解決了大滯后問題，同時通過減溫水的精確控制，還提高了機組的熱效率，并將汽溫調節過程中對中間區段內工質溫度的影響考慮到給水控制系統中，全面完善了超臨界機組過熱汽溫控制方案，對超臨界機組的穩定運行控制具有重要的意義。