“双碳”目标下超临界机组过热汽温焓值控制方法研究

段秋刚，闫 琨

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.中核战略规划研究总院有限公司，北京 100048）

0 引言

在实现“双碳”目标的决策下，实现火电机组的节能减排和灵活运行，以更好地促进新能源的接入和消纳是一个永恒的新课题。目前，国内外关于超临界机组过热汽温控制的研究仍采用亚临界机组的控制思路，重点在于解决过热汽温控制的大滞后问题，比如经典的串级控制、导前微分控制，以及比较前沿的SIMITH预估控制、预测控制、状态观测器等。对于超临界机组乃至超超临界机组，其过热汽温控制除具有大滞后特征外，还由于机组运行在亚临界、临界和超临界不同的区域，具有比亚临界机组更为严重的非线性。而国内外关于解决过热汽温控制非线性的研究较少，常用的仅仅局限于变参数控制、分段控制、模糊控制等，但都不能从本质上解决过热汽温控制的非线性问题。本文所提出的过热汽温焓值控制方法能够从根本上解决其非线性问题。其创新点有2点：一是根据能量平衡、能量转换和热传递原理，将温度控制转换为焓值控制，彻底、有效地解决了过热汽温控制的非线性问题；二是将一个大滞后的过热汽温控制系统转换成一个快速、实时的流量控制系统，实现了对减温水流量的精确控制，不仅间接地解决了大滞后问题，同时通过减温水的精确控制，提高了机组的热效率。

1 超临界机组过热汽温控制特点

火电机组锅炉的蒸汽温度控制一直以来是电站控制领域的难题，大滞后、非线性和时变性是其突出的特点。超临界直流锅炉的特有结构形式对汽温控制系统的设计又提出了新的、更高的要求：第一，蒸汽温度参数设计较高，通常在560～620 ℃，其运行参数与过热器的金属材料极限参数之间的余地很小，热应力问题十分突出，维持汽温的持续稳定，对超临界机组的安全运行和机组的寿命尤为重要。第二，超临界机组直流锅炉的加热段、蒸发段和过热段的工质温度会因其他控制变量如燃烧率、给水量、机组运行方式等的扰动而发生相互变化，从而使过热汽温与其他主要参数如机组功率、主汽压力等相互耦合。第三，由于目前的电力市场环境，机组在全工况范围内调峰运行（运行工况如图1所示），不同的运行工况（如亚临界、临界、超临界等）、不同的运行参数，汽水特性及减温水的调节特性变化较大，存在严重的非线性和时变性，再加上过热汽温控制系统本身的大滞后特性，超临界机组过热汽温控制复杂性尤为突出。

图1 典型超临界机组运行工况

汽包炉机组长期采用的汽温控制手段，如喷水减温、摆动燃烧器、烟气挡板等虽在超临界机组中仍然沿用，但正如文献[1]所述，其机理和作用已完全不同。一是本质上减温水来自锅炉给水，减温水量的变化实质上是调整工质流量在水冷壁和过热器之间的分配关系，在锅炉受热面吸热量未发生改变的工况下，区段内的工质温度暂时发生相应的改变。但由于最终进入锅炉的总给水量没有改变，燃水比也不会改变，稳态时锅炉出口温度也不会变化。只有进入锅炉的燃水比发生改变，才能持续影响稳态时锅炉出口温度。因此，以喷水减温为手段的过热汽温控制方法只是通过补偿局部的工质配比失衡，实现暂态的过热汽温调整。二是在锅炉总的吸热量未发生变化的工况下，不论是摆动燃烧器还是烟气挡板，其作用的本质是影响或改变炉膛总热量在各个受热面区段的分配比例。实际运行中摆动燃烧器或烟气挡板主要是再热汽温的调节手段。摆动燃烧器的变化改变了热量在炉膛上下部之间的分配，在改变再热汽温的同时，改变了过热器和水冷壁之间的热量分配关系；烟气挡板的变化改变了过热器和再热器之间的热量分配关系。

因此，超临界机组过热汽温控制要以维持锅炉燃水比为主要手段，喷水减温作为局部工质配比不平衡的暂时补偿，并考虑摆动燃烧器或烟气挡板的变化对各个受热面区段温度的影响。锅炉燃水比的控制在文献[2]中已做详细探讨，本文重点研究过热汽温喷水减温的焓值控制方法，以及喷水减温、摆动燃烧器、烟气挡板变化对给水控制的影响。

2 过热汽温焓值控制

亚临界汽包炉过热汽温以喷水减温为主要控制手段，常规的控制方案采用串级或导前微分等，还有一些先进的控制理论在应用，比如SIMITH预估控制、模糊控制、预测控制、状态观测器等。文献[3-4]中提到的汽温控制方法有效解决了亚临界汽包炉过热汽温控制中大滞后等相关难题。本文针对超临界机组在过热汽温控制中不同于亚临界机组的特征，特别是在全工况运行中存在的严重非线性，基于文献[5]中论述的超临界机组能量平衡的机理，提出了过热汽温焓值控制方案，以精确计算减温水量，有效克服了系统的非线性，大大提高了机组大范围调峰运行的适应性。

过热器作为火电机组锅炉的热交换部件，实现锅炉烟气热量和工质携带热量之间的交换，汽温控制的主要任务是维持工质温度的稳定，一方面以保证过热器换热部件的安全，另一方面保证机组的热效率，如图2所示。

图2 过热器热力工艺图

过热汽温焓值控制的思路、过程和具体计算方法如下。

过热器减温喷水前的吸热量为

过热器减温喷水后的吸热量为

在某一工况下，当燃烧不变时，过热器工质从烟气侧的吸热量在减温喷水前后可认为不变。即：，则

由此，可求得减温水流量为

其中，W为减温水流量，kg/s；Q0为过热器入口热量，kJ/s；D为主汽流量，kg/s；Ht（Pt,Tt）为过热器出口焓值，kJ/kg；H0（Pt,T0）为过热器出口设定焓值，kJ/kg；Hw（T）为减温水焓值，kJ/kg；Pt为过热器出口压力，MPa；Tt为过热器出口温度被控量，℃；T0为过热器出口设定温度，℃；T为减温水温度，℃。

在上述减温水流量计算式的基础上，用锅炉燃烧率前馈Db代替主汽流量D，以适应负荷的变化，提高动态过程过热汽温的稳定性；通过比例积分微分PID（proportion integration differentiation）控制算法对过热器出口焓差进行无差调节，最终形成的减温水流量控制算法为

工程实现方法如图3所示，先通过工质的压力、温度进行焓值计算，再应用上述算法实现控制功能。在实际工程应用中，还应当结合参考文献[3-4]中提到的汽温控制方法，或其他解决大滞后问题的方法，比如预测控制、状态变量控制等实现对过热汽温的综合控制。

图3 过热汽温焓值控制原理图

由此，根据能量平衡、能量转换和热传递原理，通过将温度控制转换为焓值控制，有效、彻底解决了主汽温度控制的非线性问题，同时将一个大滞后的温度控制系统转换成一个快速、实时的流量控制系统，通过对减温水流量的精确控制，实现对过热汽温的有效控制，特别是对于超临界机组大范围调峰运行时主汽温度控制的严重非线性问题的解决具有重大意义。

3 过热器减温水对给水控制的影响

如前所述，以喷水减温为调节手段的过热汽温控制方法，在超临界机组中的作用和功能已完全不同于亚临界汽包锅炉。因而，当减温水量发生变化时，应相应调整燃水比，以维持中间区段内工质温度，最终达到调整过热汽温的目的。

对于超临界机组，减温水来自2种方式。第一种是来自高加后，给水流量中不包含减温水量；第二种是来自省煤器后，给水流量中包含减温水量。第一种方式，由于给水流量中不包含减温水量，当减温水量发生变化时，可通过给水泵的调节作用自身维持给水流量的稳定，保证中间区段内工质温度的稳定；第二种方式，由于给水流量中包含减温水量，当减温水量发生变化时，给水流量不变，但进入水冷壁的工质流量会发生相应的变化。为了维持中间区段内工质温度的稳定，应在给水控制系统中考虑减温水量的变化，相应调整燃水比，以保证进入水冷壁的工质流量稳定。

4 再热汽温控制对给水控制的影响

再热汽温通常通过摆动燃烧器或烟气挡板2种方式控制，其作用和目的是控制和改变炉膛总热量在各个受热面区段的分配关系。

摆动燃烧器对过热汽温的影响主要是改变了过热器和水冷壁之间的热量分配关系，理论上不会引起过热器出口温度的变化，但由于引起中间区段内工质温度的变化，会导致燃水比进行相应的自动调整，从而引起过热器出口温度的变化。对此，当摆动燃烧器发生变化时，应在给水控制系统中调整中间区段内工质温度设定值与实际温度相匹配，以维持燃水比不变，保证过热器出口温度稳定。

烟气挡板的主要作用是控制和改变过热器和再热器之间的热量分配关系，在调整再热汽温的同时，也改变了过热器出口温度，从而引起减温喷水的变化，最终通过调整燃水比维持中间区段内工质温度的稳定。

5 结束语

超临界机组过热汽温控制采用焓值控制方法，将一个大滞后的过热汽温控制系统转换成一个快速、实时的流量控制系统，实现了对减温水流量的精确控制，既彻底、有效地解决了过热汽温控制的非线性问题，又间接地解决了大滞后问题，同时通过减温水的精确控制，还提高了机组的热效率，并将汽温调节过程中对中间区段内工质温度的影响考虑到给水控制系统中，全面完善了超临界机组过热汽温控制方案，对超临界机组的稳定运行控制具有重要的意义。