摘 要：本文以NT6000控制系统为例，简单介绍了亚临界机组和超（超）临界机组的协调控制，并讨论了亚临界机组和超龄界机组由于在炉型上和工质循环上的不同引起在控制上的一些差异。
关键词：亚临界 超临界 协调 DEB 中间点温度
一、概述
从上个世纪50年代开始，世界上以美国、前苏联和德国等为主的工业化国家就已经开始对超临界和超超临界发电技术的研究。经过半个世纪的不断进步、完善和发展，目前超临界和超超临界发电技术已经进入了成熟和商业化的运行阶段。
随着我国经济快速发展，2010年全社会用电量将达到3万亿千瓦时，发电装机总量达7亿千瓦时以上，2020年将达11亿千瓦，其中燃煤机组6.5亿千瓦以上。根据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出了“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右，主要污染物排放总量减少10%的约束性指标，同时根据国务院印发的《节能减排综合性工作方案》，在我国火电站领域的技术飞速的发展，相应冶金技术和机械加工水平的不断提高前提下，大容量、高参数、低能耗的超临界机组和超超临界机组将成为主力机型，机组的容量已从300MW发展到1000MW；发电机组参数也由常规亚临界参数（16.7MPa、538/538℃）发展到超临界参数（24.0MPa、540℃～560℃ ）和超超临界参数（24～30.0MPa、580℃～610℃ 及以上）。DCS系统在火电站的成功应用，大大提高了电站控制领域的自动化水平。本文主要对大型火力发电机组的主要炉型—汽包炉和直流炉机组的协调控制系统的设计和控制进行概要性的说明。
协调控制系统是我国在80年代引进的火电站控制理念，主要设计思想是将锅炉和汽机作为一个整体，完成对机组负荷、锅炉主汽压力的控制，达到锅炉风、水、煤的协调动作。对于协调控制系统而言包含三层含义：1、机组与电网需求的协调；2、锅炉汽轮机协调；3、锅炉风、水、煤子系统的协调。
1、机组与电网需求的协调主要是机组最快的响应电网负荷的要求，包括了电网AGC控制和电网一次调频控制两个方面。
3、锅炉协调主要考虑锅炉风、水、煤之间的协调。
汽轮机、锅炉协调控制系统概念的引出，主要在于汽轮机和锅炉对于机组的负荷与压力具有完全不同的控制特性，汽轮机以控制调门开度实现对压力、负荷的调节，具有很快的调节特性，而锅炉利用燃料的燃烧产生的热量使给水流量变为蒸汽，其控制燃料的过程取决于磨煤机、给煤机、风机的运行，对压力、负荷的调节具有很慢的调节特性。因此协调控制系统就是要以优良的控制策略实现对锅炉-汽轮机的统一控制。以达到锅炉-汽轮机组对负荷响应的快速性和对压力控制的稳定性。
协调控制系统的设计包含了两种协调控制方式，一种是以炉跟机为基础的协调控制系统，这种协调控制方式是建立在锅炉控制压力、汽机控制功率的基础上，具有负荷响应快的优点。另一种是以机跟炉为基础的协调控制系统，这种协调控制方式是建立在汽机控制压力、锅炉控制功率的基础上。
现在汽包锅炉机组的协调控制大多都采用上个世纪80年代中期引用的直接能量平衡（DEB）控制系统，该控制系统的引用，使汽包锅炉机组的协调控制系统从探索趋于成熟，使汽轮机-锅炉协调控制系统趋于简单、响应性快、稳定性高。
直接能量平衡控制思想，选用汽机调速级压力（P1）与汽机自动主汽门前压力（Pt）之比乘以机前压力定值（Ps）作为汽机对锅炉的能量需求（该信号是直接能量平衡信号（P1*Ps/Pt），该信号以动态前馈及控制指令的形式控制锅炉的燃料量。直接能量平衡的主要基础在于P1/PT代表了汽轮机调门的开度，在额定参数下，汽机调门开度的变化反映了汽机进汽量的变化，同样也反应了汽机对锅炉能量需求的变化。机前压力定值Ps的改变，反映了锅炉被控参数对锅炉输入量需求的变化。因此P1*Ps/Pt可以反映负荷对锅炉燃烧的需求量，也可以满足锅炉主汽压力对燃烧的需求量。而当燃料量发生改变时，由于调速级压力P1和机前压力Pt对燃料响应的在数量上和时间上的基本一直性，使P1/Pt基本不变，这样P1*Ps/Pt就仅仅反映负荷对锅炉燃烧的需求量，而不反映燃料量的变化。具有作为燃料需求指令的基本条件。仔细分析还可以看出，在汽机调门维持不变的情况下，P1/Pt维持一定，改变压力设定值Ps即改变了锅炉的燃料指令，从而达到了控制负荷的目的，也就是说直接能量平衡信号不但适用与定压控制方式，而且适用与滑压运行方式。
直接能量平衡控制系统的另一个重要特点是采用热量信号（P1+dPd/dt）作为燃料的反馈信号。对于（P1+dPd/dt）进行适当的调整，可以使（P1+dPd/dt）在调门开度的扰动下，P1的正微分面积与dPd/dt负微分面积基本相等，使（P1+dPd/dt）在调门开度的扰动下基本不变，而仅反映燃料的变化。
直接能量平衡系统就是利用P1*Ps/Pt仅反映汽机对锅炉能量需求的特点和（P1+dPd/dt）仅反映燃料变化的特点，实现了机组负荷对燃料的需求。
对于直吹式制粉系统锅炉燃烧系统，为克服燃料的扰动和磨煤机投运/切除过程中对负荷的影响，增加的燃料控制回路，充分利用了直吹式制粉系统锅炉燃料测量速度快的特点，可以更快的克服燃料扰动。
表一为某电厂300MW亚临界机组协调控制系统的运行方式
从上表中我们看出总共有四种基本的控制方式:CC、BF、TF、和机炉手动。CC 方式是正常运行方式，DEB协调控制实际是以炉跟机为基础的协调控制，汽机控制负荷，锅炉控制汽压；这种方式能利用机组的蓄热能力使输出电功率有较迅速的响应，因此，这种控制方式具有较好的负荷适应性，对带变动负荷及电网频率有利。
机跟炉控制方式采用的是汽机控压力，锅炉控负荷的运行方式，这种控制方式由于充分利用了汽机调门动作对压力响应快的特点，因此能很好的控制机组压力，但由于锅炉的燃烧特性比较慢，因此机组对负荷的响应比较慢，不利于带变动负荷和参加电网调频，在系统的设计上为提高锅炉的响应性，将机组指令信号以前馈和反馈的形式作用到锅炉控制，以加大前馈量的方式提高锅炉对负荷的响应性。
四、超（超）临界机组的协调控制
超（超）临界机组的协调控制同样是协调锅炉与汽轮机，提高机组对电网负荷调度的响应性和机组运行的稳定性。从协调控制系统而言，和亚临界机组的概念是一样的。
表二为某电厂600MW超超临界机组的协调控制系统的运行方式
1、协调控制（CC）方式是机组的正常运行方式，在这种方式下，把机组负荷需求指令（就是功率需求）送给锅炉和汽机，以便使输入给锅炉的能量能与汽机的输出能量相匹配。汽轮发电机控制将直接跟随MW（功率）需求指令。锅炉输入控制将跟随经主蒸汽压力偏差修正的MW需求指令。期望在这种方式下能稳定运行，因为汽机调速器的阀门能快速响应MW需求指令，因此也会快速改变锅炉负荷。这种控制方式可以极大地满足电网的需求（MW需求指令来自NLDC，即National Load Dispatch Center ，频率稳定要求）。为了投入协调控制（CC）运行方式，不仅要把锅炉输入控制和汽机主控投入运行，而且还要把所有的主要控制回路投入运行。诸如给水、燃料量、风量和炉膛压力控制。这些控制回路都应处于自动方式。
2、锅炉跟随（BF）方式：当汽机主控在协调控制方式运行期间切换到手动时，运行方式就会从CC方式切换到BF方式。在这种运行方式下，机组负荷通过汽机主控在手动时由操作人员手动来改变。在“锅炉输入控制自动”和“汽机主控手动”条件下，自动地设定去锅炉的需求指令，来控制主蒸汽压力，这个主蒸汽压力是用实际的MW信号修正的。在这种方式下，实际的MW信号跟踪MW需求信号。
3、锅炉输入（BI）方式：在这种运行方式下，锅炉的输入指令是由操作人员手动操作给出的。这意味着机组负荷的改变是由操作人员通过锅炉输入控制来完成的。在“锅炉输入控制手动”和“汽机主控自动”的条件下，自动地设置去汽机调速器的需求指令来控制主蒸汽压力。由于直接调整锅炉的输入，可以预料在这种运行方式下极大的稳定运行机组。然而，这种运行方式对机组负荷要求作出反应这方面却不如协调控制（CC）和锅炉跟踪（BF）方式。在这种方式下，实际的MW信号跟踪MW需求信号。当发生锅炉辅机故障快速减负荷（RB）时，会自动地选择锅炉输入控制方式。
4、锅炉手动（BM）方式：在机组启动和停止期间使用这种方式。当给水控制在干态方式运行期间切换到手动时，或燃料量控制在湿态运行期间切换到手动时，会自动的地选择这种方式。在这种运行方式下，机组负荷是不受控的。如果汽机主控处于自动方式，那么汽机调速器将控制主蒸汽压力。
五、亚临界和超龄界机组控制方式的比较
由于两种汽包炉和直流炉在汽水循环上有很大的差别，导致控制系统具有很大的差别，主要反映在水和燃烧的控制上。
图一
图二：汽包炉的汽水示意图
1、由图一、二可知，汽包锅炉汽包水位是汽水分界界面。通过蒸汽流量，给水流量、汽包水位三冲量调节控制锅炉给水流量，维持汽包水位在允许范围内波动，既保证了锅炉锅内水动力循环，又使给水量随时适应蒸汽流量变化，满足负荷变化的需要。锅炉启动过程中由于蒸汽流量和给水流量测量信号尚未建立，所以用汽包水位单冲量调节方式控制给水流量。燃料的燃烧控制由热量需求信号（P1*Ps/Pt）和热量信号（P1+dPd/dt）产生燃烧指令控制送入炉膛中的煤量，对直吹式中速磨而言是控制给煤机转速，对双进双出磨来说是控制每台磨的容量风门的开度。给水和燃烧调节虽然有一定相关影响，但基本保持各自的独立回路。
图三:直流炉的汽水示意图
2、对超龄界机组而言，如图三，根据水--蒸汽性质，超临界锅炉在超过临界点后，汽水系统只存在水相和汽相两种状态，而水、汽混合的两相流动状态已不存在，为此，超临界锅炉必须要采用直流炉运行。
超临界直流锅炉启动时仍在亚临界状态下运行，为了满足锅炉启动的需要都设计了启动分离器系统。在启动过程中它起到了亚临界机组汽包的作用，超临界直流炉启动分离器在亚临界运行时作为汽和水分离的界面，达到临界点后启动分离器进入干态运行，这时它在锅内只起一个汽水通道作用。超临界直流炉启动过程中同样需要对启动分离器的水位进行控制。如某厂单机容量600MW超超临界机组在机组启动阶段分离器的液位控制就是通过锅炉循环水流量调节阀（BR）、储水箱液位调节阀（WDC）和锅炉再循环泵热备用疏水排放阀来维持分离器储水箱的液位低于调节位，使分离器水位维持在正常范围内运行；分离器水位有4个设定值，从小到大：a、b、c、d；当水位在a和b之间时，采用循环水流量阀和锅炉再循环泵热备用疏水排放阀来控制，在c和d之间通过储水箱液位调节阀来控制；水位在a以下时，这几个阀门都关闭。
超（超）临界直流炉正常运行时，分离器入口温度处于微过热状态是反映给水和燃料关系变化的最灵敏的测量点，一般称此测量为中间点温度。锅炉运行中如将中间点温度控制在一定范围内，可以认为锅炉汽水系统中水相和汽相的分界点的界面就会被固定位，达到了水/燃料比的控制。当直流炉的燃料量和给水量不适应时，出口汽温的变化相当剧烈，水/燃比变化1％，出口汽温大约会有10oC的变化，所以在运行中，为维持额定汽温必须严格控制水/燃比。这是因为汽包炉的水冷壁运行时始终处于饱和温度下，燃料量只与蒸发量有关，直流炉的水冷壁温度与给水量和燃料量有关，参数稍有变化就会影响水冷壁出口温度，造成主蒸汽温度超温。
超超临界的燃料的燃烧控制是通过锅炉指令加上水/燃比的前馈指令，经过交叉限制（水、风）后得到燃料需求指令，来控制送入炉膛的煤量。
给水控制也是由锅炉指令经过交叉限制（燃料）和最小给水流量的限制后，得到给水需求指令，来控制每台给泵的出力。
由上所述超临界直流锅炉调节的关键是控制中间点温度，保持水/燃比才能使主汽温度喷水调节量足以维持主汽温度在额定范围内运行。当锅炉燃料量发生变化时通过修正后的中间点温度形成给水需求信号，调节锅炉的给水流量，机组负荷变化由燃烧系统来承担调节作用，反之亦然。目的就是在锅炉出力变化时维持中间温度在某一范围，使燃料、水的比例保持一定。
超（超）临界机组除了被控参数之间的相互耦合性极强的特性外，强烈的非线性也是超龄界机组的的又一大特点。超临界参数的机组的运行方式采用滑参数运行，机组在大范围的变负荷运行中，压力运行在10MPa~25MPa.之间。超临界机组实际运行在超临界和亚临界两种工况下，在亚临界运行工况给水具有加热段、蒸发段与过热段三大部分，在超临界运行工况汽水的密度相同，水在瞬间转化为蒸汽，因此在超临界运行方式和亚临界运行方式机组具有完全不同的控制特性，是复杂多变的被控对象。
从亚临界机组到超（超）临界机组，从协调控制系统而言，对两者都具有相同的控制概念，但由于两种炉型在汽水循环上有很大的差别，导致控制系统具有很大的差别。亚临界机组由于有汽包这类参数集中的储能元件，所以使得各个子回路（风、水、煤）之间虽然有耦合，但总的来说还是相对独立。
而由于直流锅炉在汽水流程上的一次性循环特性，没有汽包，在直流运行状态汽水之间没有一个明确的分界点，给水从省煤器进口就被连续加热、蒸发与过热，根据水、湿蒸汽与过热蒸汽物理性能的差异，可以划分为加热段、蒸发段与过热段三大部分，在流程中每一段的长度都受到燃料、给水、汽机调门开度的扰动而变化，从而导致了功率、压力、温度的变化，因此非线性耦合是超（超）临界机组控制的难点。
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2、 罗万金，电厂热工过程自动调节, 中国电力出版社, 2001。
3、 黄新元，电站锅炉运行与燃烧调整 ，中国电力出版社， 2003。
4、 汪祖鑫 ，超龄界压力600MW机组的启动和运行，中国电力出版社，1996。
5、 超临界机组控制技术及发展，于达仁，徐志强。
作者简介：张勇
作者姓名的汉语拼音：zhang yong
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