亚临界机组与超临界机组控制策略的差异及分析

摘 要：本文阐述了亚临界机组与超临界机组工艺技术特点的比较与差异，基于两种不同类型机组的锅炉结构、工作原理及启动运行方式，结合热工控制系统的设计要求，对两种不同炉型机组的控制策略进行了差异比较与分析，并阐述了作者本人的观点。

关键词：亚临界；超临界；机组；控制；差异；分析

随着我国电力工业的发展及电力结构的调整，600MW及以上单机容量机组已经成为我国火电发展的方向并且已经成为电网的主力机组，尤其是超临界参数机组，由于其更低的运行成本和高效益，对电网的负荷要求响应速度快，使得此类型的机组在现在的电力市场中更具有竞争性。

一、亚临界机组及超临界机组的定义

水蒸汽的临界状态是指纯物质的汽、液两相平衡共有的极限热力状态。在此状态时，饱和液体与饱和蒸汽的热力状态参数相同，汽液之间的分界面小，因而没有表面张力，汽化潜热为零。水蒸汽的临界温度T=374.15℃、临界压力Tc=22.115兆帕、临界比容vc=0.00317立方米/千克，临界焓：2107.3×103焦/千克。在汽、液两相平衡共存的范围内，包括临界点，其定压比热容、容积热膨胀系数、等温压缩系数和绝热指数均趋于无限大。亚临界机组是指机组的主蒸汽参数（压力、温度等）均低于水蒸汽的临界参数，同理，主蒸汽参数（压力、温度等）均高于水蒸汽临界参数的机组为超临界机组。

二、亚临界机组与超临界机组工艺技术特点比较

1、锅炉结构

亚临界机组采用自然循环锅炉，锅炉设有汽包。

超临界机组采用的是直流锅炉，此种锅炉没有汽包，但是设有汽水分离器。汽水分离器在锅炉湿态运行中起到与亚临界机组汽包近乎等同的作用，当进入直流状态后，只作为汽水流程的一个通道。

2、工作原理

自然循环锅炉其蒸发受热面中工质的流动是依靠下降和上升之间工质的密度差来进行的。随着锅炉容量的增大，特别是压力的提高，大大增加了自然循环和汽水分离的困难。因为根据水蒸汽性质，压力越高，汽水密度差越小，因此自然循环形成就越困难和越不可靠，特别是当压力到达甚至超过临界压力时，自然循环无法形成。在此情况下，锅炉蒸发受热面中工质的流动只有依靠外来能源（水泵）来进行，超临界锅炉就是这种依靠外来能源建立强制流动的锅炉。

三、亚临界机组与超临界机组控制策略差异及其分析

基于亚临界机组与超临界机组锅炉结构、工作原理及启动方式的差异，在热工控制策略上，也存在较大的差异。主要差异在于锅炉给水控制系统、过热汽温控制系统及机炉协调控制系统。在汽包锅炉中，给水流量的变化仅影响汽包的水位，而在燃烧率变化时，仅改变主蒸汽压力及流量，因此锅炉的给水量、燃料量、汽温控制等都是相对独立的，即：给水水位；燃料量汽压及蒸汽流量；喷水汽温。在直流锅炉中，由于没有汽包，蒸发与过热受热面之间没有固定的分界线，当给水流量或燃料量变化时，均会引起蒸发量、汽温、汽压等的同步变化，相互有牵制，关系密切。

1、锅炉给水控制策略的差异及其分析

亚临界机组的锅炉给水控制系统主要任务是控制汽包水位在允许范围内；超临界机组由于没有汽包，锅炉给水控制系统的主要任务不再是控制汽包的水位，锅炉启动初期控制汽水分离器水位，当锅炉进入直流运行状态后，控制锅炉的水燃比。

1.1、亚临界机组锅炉给水控制策略分析

亚临界机组锅炉设有汽包，锅炉启动过程中，由于给水流量和主蒸汽流量测量尚未建立，由单冲量调节方式控制汽包水位。当锅炉负荷大于30%时，给水流量与主蒸汽流量测量已经建立，汽包水位的控制进入三冲量调节控制方式，即汽包水位、给水流量及主蒸汽流量，既保证了锅炉内水动的循环，又使给水量随时适应蒸汽流量的变化，满足符合变化的需求。亚临界机组锅炉给水控制过程为：30%负荷以下的单冲量汽包水位控制和30%负荷以上的三冲量汽包水位控制。

1.2、超临界机组锅炉给水控制策略分析

超临界机组锅炉没有汽包，在锅炉启动前，进入分离器的给水流量保持40%负荷时的最低流量，燃烧率低于40%负荷时，锅炉处于非直流运行方式，分离器处于湿态运行，分离器的水位由分离器至除氧器及分离器至扩容器的组合控制阀进行调节控制，给水系统处于循环工作方式，给水控制方式为分离器水位及最小流量控制方式；当锅炉燃烧率大于40%负荷时，锅炉逐步进入直流运行状态，锅炉给水控制系统进入水燃比控制方式，以汽水分离器出口温度或焓值作为表征量，保证给水量与燃料量的比例不变，满足机组不同负荷下给水量的要求。

2、过热汽温控制策略的差异及其分析

亚临界机组各子系统相对独立，过热汽温的控制手段主要依靠过热器一级及二级喷水减温。超临界机组中，由于各子系统联系紧密，过热汽温的控制手段以水燃比为主，过热器一级及二级喷水减温加以辅助。

2.1、亚临界机组过热汽温控制策略分析

由于亚临界机组锅炉设有汽包，汽包起到汽水分离的作用，饱和蒸汽经过过热器加热成过热蒸汽然后进入汽轮机。在整个锅炉汽水流程中，加热段、蒸发段及过热段都有明显的分界线，给水量的变化影响汽包水位，燃料量的变化影响主蒸汽流量及压力，对于主蒸汽温度没有造成很大的影响。因此，亚临界机组锅炉主蒸汽温度依靠过热器一级及二级喷水减温承担着主要的控制作用。

2.2、超临界机组过热汽温控制策略分析

超临界机组锅炉给水泵强制一定流量的给水进入炉内，一次性地通过省煤器、水冷壁、过热器。它的循环倍率始终为1，与负荷无关，给水加热成蒸汽一次完成，汽水通道可看作由加热段、蒸发段、过热段三部分组成。其中蒸发段是汽、水混合物，随着管道的往后推移，工质由饱和水逐渐被加热成饱和蒸汽。三段受热面没有固定的分界线，随着给水流量、燃烧率的变化前、后移动，使三段受热面的吸热量分配比例及与之有关的三段受热面面积的比例却发生了变化。蒸发段的前移会使过热汽温偏高，蒸发段后移则引起过热汽温偏低，当燃料量和给水量不适应时，过热汽温的变化相当剧烈，水燃比变化1%，过热汽温大约会有10℃的变化。所以过热蒸汽温度的控制关键在于水燃比的控制。

3、机炉协调控制策略的差异及其分析

锅炉跟随为基础协调控制系统（CCBF）为最常用的协调控制系统运行方式。亚临界机组与超临界机组锅炉跟随为基础协调控制系统（CCBF）的控制策略在设计上有着较大的差异。

3.1、亚临界机组机炉协调控制策略分析

亚临界机组机炉协调控制系统采用的是直接能量平衡（DEB）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，即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，大大加速了锅炉对负荷需求的响应。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反映负荷对锅炉燃烧的需求量，也反映锅炉主汽压力对燃烧的需求量。

3.2、超临界机组机炉协调控制策略分析

基于超临界机组延时性小，动态过程快的特点，在协调控制系统控制策略上也做了相应的加速设计，及加入了并行前馈控制的设计。并行前馈控制包含静态前馈和动态前馈控制两种方式。静态前馈是由锅炉主控制器指令通过各自的函数发生器，并行地形成一套稳态的前馈信号，送到各自系统，建立一个稳态的工作点；动态前馈是加速锅炉响应速度的关键，起到先动作、早控制的作用。

四、结束语

从亚临界机组到超临界机组，由于两种炉型在汽水循环流程上有着很大的差别，导致控制系统的控制策略也具有很大的差别。亚临界机组设有汽包这类参数集中的储能元件，加热、蒸发、过热等各区段有着明显的分界线，所以使得各子系统（风、水、燃料）之间虽然有耦合关系，但总的来说还是相对独立的。而超临界机组直流炉在汽水流程上的一次性循环特性，没有汽包，在直流运行状态下汽水之间没有明显的分界点，给水从省煤器进口就被连续加热、蒸发与过热，各区段没有明显的分界点，在流程中，每一段的长度都受到燃料、给水、汽机调门开度等的扰动而变化，从而导致了机组功率、主汽压力、过热汽温等的变化，各子系统之间非线性耦合关系紧密。因此，超临界机组较亚临界机组在控制策略的设计上各子系统的联系更为紧密、复杂，自动化水平要求也较亚临界机组要高。