超臨界直流鍋爐與亞臨界汽包鍋爐的結構和工藝過程有著顯著的不同，在進行超臨界機組協調控制和汽溫控制等諸系統設計時，必須準確把握超臨界機組的特點，才能使對運行參數穩定性要求高、過程復雜的超臨界機組處于良好的受控運行狀態。
　　
　　一、超臨界機組的特點
　　
　　（1）超臨界直流爐沒有汽包環節，給水經加熱、蒸發和變成過熱蒸汽是一次性連續完成的，隨著運行工況的不同，鍋爐將運行在亞臨界或超臨界壓力下，蒸發點會自發地在一個或多個加熱區段內移動。因此，為了保持鍋爐汽水行程中各點的溫度、濕度及水汽各區段的位置為一規定的范圍，要求燃水比、風燃比及減溫水等的調節品質相當高。
　　
　　（2）在超臨界直流爐中，由于沒有汽包，汽水容積小，所用金屬也少，鍋爐蓄能顯著減小且呈分布特性。蓄能以兩種形式存在——工質儲量和熱量儲量。工質儲量是整個鍋爐管道長度中工質總質量，它隨著壓力而變化，壓力越高，工質的比容越小，必需泵入鍋爐更多的給水量。在工質和金屬中存在一定數量的蓄熱量，它隨著負荷非線性增加。由于鍋爐的蓄質量和蓄熱量整體較小，負荷調節的靈敏性好，可實現快速啟停和調節負荷。另一方面，也因為鍋爐蓄熱量小，汽壓對被動負荷變動反映敏感，這種情況下機組變負荷性能差，保持汽壓比較困難。
　　
　　（3）在超臨界鍋爐中，各區段工質的比熱、比容變化劇烈，工質的傳熱與流動規律復雜。變壓運行時，隨著負荷的變化，工質壓力將在超臨界到亞臨界的廣泛壓力范圍內變化，隨之工質物性變化巨大，這些都使得超臨界機組表現出嚴重的非線性。具體體現為，汽水的比熱、比容、熱焓與它的溫度、壓力的關系是非線性的，傳熱特性、流量特性是非線性的。各參數間存在非相關的多元函數關系，使得受控對象的增益和時間常數等動態特性參數在負荷變化時大幅度變化。
　　
　　（4）超臨界機組采用直流鍋爐，因而不象汽包爐那樣由于汽包的存在解除了蒸汽管路與水管路及給水泵間的耦合。直流爐機組從給水泵到汽機，汽水直接關聯，使得鍋爐各參數間和汽機與鍋爐間具有強烈的耦合特性，整個受控對象是一個多輸入多輸出的多變量系統。
　　
　　二、超臨界直流爐機組控制系統的特點
　　
　　超臨界機組的發電負荷在電網中的比重正在穩步上升，電網要求超臨界機組能調峰運行，其控制策略應保證機組良好的負荷適應性和關鍵運行參數的穩定。超臨界機組與汽包爐機組的控制任務相同，即在能夠承受的限度內，機組的發電負荷對指令的響應速度zui快，同時協調鍋爐與汽輪發電機間的運行，使鍋爐的熱量輸入與電能輸出相平衡，保持鍋爐各輸入如燃料、風和水之間的匹配關系。
　　
　　為完成上述機組控制任務，機爐協調控制系統應做到:zui大限度利用蓄能;具有快速響應的發電負荷控制;發電負荷控制與鍋爐控制解耦；在所有工況下，鍋爐指令都基于汽機的能量需求，保證鍋爐與汽機相協調。直接能量平衡（DEB）控制策略在汽包鍋爐機組應用中表現出良好性能。實際上，DEB控制策略zui初是用于直流爐機組控制的，但直流爐機組DEB控制策略還需就以下問題作進一步的研究和完善。
　　
　　（1）熱量度量。基于準確熱量度量的鍋爐輸入熱量和汽機需求信號的直接平衡是DEB良好控制性能的基礎。準確的熱量信號只反映鍋爐的能量輸入，對汽機調門開度變化是解耦的。而直流爐由于蓄熱呈分布特性，無類似汽包的相對集中蓄熱，簡便的熱量度量難以求取。直流爐這一重要信號的缺失，給解除機爐間的耦合、協調鍋爐與汽機間的控制作用、發熱量校正和燃水比校正都帶來了困難。
　　
　　（2）蓄熱量小，不能滿足應快速響應的發電負荷控制的需要。控制系統應zui大限度地利用直流爐能快速改變鍋爐蒸汽負荷的能力，以補償其相對較低的蓄熱量，這在很大程度上取決于鍋爐前饋信號的選擇和形式。另一方面，應有完善的實時監視鍋爐跟蹤負荷的能力，以鍋爐實際能力為限改變機組負荷。
　　
　　（3）嚴重非線性耦合的解除。應在深入分析超臨界機組過程機理的基礎上，找出各參量間相互影響關系，減弱或消除不利的耦合。
　　
　　汽包爐機組和超臨界直流爐機組控制系統的比較列于表1。　　
　　三、超臨界機組汽溫控制系統
　　
　　為更好地理解直流鍋爐的工藝過程，將直流鍋爐簡化為如圖1所示的單管結構。　　
　　受控的給水流量在一端進入，熱量由受控的燃料量產生，沿管道長度施加到工質上，在管道的另一端，產生的超臨界狀態蒸汽輸送到汽機。減溫噴水引自進入鍋爐的總給水量，它的變化改變了減溫噴水閥前后受熱段工質流量的分配。燃燒率產生的熱量分配到水冷壁、過熱器和再熱器等受熱面上，各受熱面熱量分配比例由擺動燃燒器或煙氣擋板實現調整。
　　
　　減溫噴水閥實質上是調整工質流量在水冷壁和過熱器之間的分配比例，通常可以有額定負荷下給水量的10%用于動態分配。圖2所示為不同的工質流量分配比例對各區段工質溫度的影響。減溫噴水量的變化改變了進入省煤器和水冷壁的給水量，這一區段的熱量/水量比值隨之改變，因而區段內工質溫度發生了相應變化。但無論減溫噴水量有多大變化，zui終進入鍋爐的總給水量未改變，燃水比未改變，穩態時鍋爐出口過熱汽溫也不會改變，但減溫噴水會改變瞬態過熱汽溫。　　
　　燃燒器擺角或煙氣擋板變化只影響鍋爐內的熱量在各受熱面區段的分配，鍋爐內吸收的總熱量并未改變。擺角的改變對過熱汽溫和再熱汽溫有較為快速的效應，與此同時擺角對水冷壁出口溫度的改變接著很快就抵消了對過熱汽溫和再熱汽溫的這種影響。熱量分配的改變對工質溫度的影響如圖3所示。　　
　　進入鍋爐的燃燒率和給水量之間形成燃水比，它影響著穩態汽溫的走向，因而是zui終能保持汽溫穩定在設定值的手段，如圖4所示。　　
　　通常，鍋爐有兩級左右兩側減溫噴水，這些減溫噴水可以補償局部的熱量和工質分配的不平衡，可以用于改善汽溫調整的動態響應。整體的汽溫調整手段應是將提供快速動態響應的減溫噴水與提供穩態汽溫調整的燃水比協調起來，利用各自在汽溫調整上的優勢，獲得整體汽溫調整和響應性能的*。
　　
　　燃水比在超臨界機組汽溫調節中起著至關重要的作用。由于燃水比變化時過熱汽溫的響應延時很大，因此幾乎不能直接使用過熱汽溫作為燃水比的反饋信號。采用什么信號來更為快速和地反映燃水比的變化，從而提高汽溫調節的性能，一直是直流爐控制中研究zui為活躍的方向。處于水冷壁出口的微過熱汽溫或微過熱蒸汽焓值，因其對燃水比擾動的響應曲線斜率是單調的，響應較為快速并近似一階慣性環節，所以在直流
　　
　　爐控制中得到廣泛應用。
　　
　　燃水比、微過熱汽溫或微過熱蒸汽焓值、噴水減溫等是構成超臨界機組汽溫控制系統的重要參量和手段，它們的特性對超臨界機組汽溫控制系統的設計具有重要意義。具體分析如下。
　　
　　1.燃水比
　　
　　燃料量和給水量之間比例（燃水比）不是恒定不變的，它必須隨著負荷的改變而改變，下式可說明這一點:
　　
　　式中:
　　
　　ist——主蒸汽焓值（kJ/kg）
　　
　　ifw——給水焓值（kJ/kg）
　　
　　F——燃料量（t/h）
　　
　　W——給水量（t/h）
　　
　　Qnet——燃料低位發熱量（kJ/kg）
　　
　　η——鍋爐效率
　　
　　因為鍋爐給水溫度是隨負荷的增加而升高的，故ifw也隨之升高。機組定壓運行時，主蒸汽溫度和壓力為定值，即ist為一定值，Qnet和η可視為常數，因此燃水比F/W是隨著負荷的升高而減小的。
　　
　　另一方面，燃料量和給水量在負荷改變時按燃水比F/W并行進行調整，但二者對汽溫的動態影響是不同的。為減小負荷動態調整過程中的汽溫波動，還必須對負荷調整產生的燃料量指令和給水量指令分別設置動態校正環節。
　　
　　2.微過熱汽溫和微過熱蒸汽焓值
　　
　　微過熱汽溫在一定的過剩空氣系數下，也與鍋爐負荷密切相關。工質在爐膛中吸收的熱量分為兩大部分，分別是在鍋爐本體中以輻射吸收為主的部分和在對流過熱器中以對流吸收為主的部分。當鍋爐負荷較低時，鍋爐本體中工質的焓增較大，微過熱汽溫較高，過熱度也較大，靈敏度也較高。當鍋爐負荷較高時，送風量隨之增加，鍋爐對流部分的吸熱率增加，因此工質在對流傳熱中獲得的焓增增加，當主蒸汽溫度和壓力保持不變時，微過熱汽溫則相應下降。因此，隨著負荷升高，微過熱汽溫降低，微過熱蒸汽焓值也降低;負荷降低時，微過熱汽溫升高，微過熱蒸汽焓值也升高。
　　
　　微過熱蒸汽焓值和微過熱汽溫作為燃水比的反饋信號，二者相比，微過熱蒸汽焓值在靈敏度和線性度方面具有明顯的優勢。當負荷變化時，工質壓力將在超臨界到亞臨界的廣泛壓力范圍內變化。由水和蒸汽的熱力性質可知，熱焓-壓力-溫度間存在這樣的關系，即蒸汽的過熱度越低，熱焓-壓力-溫度間關系的非線性度越強，特別是在亞臨界壓力下飽和區附近，這種非線性度更強，如圖5所示。在過熱度低的區域，當增加或減少同等量給水量時，焓值變化的正負向數值大體相等，但微過熱汽溫的正負向變化量則明顯不等。如果微過熱汽溫低到接近飽和區，給水量擾動可引起明顯的焓值變化，但溫度變化卻很小。因此，應優先選用微過熱蒸汽焓值，以保證燃水比的調節精度和更好的調節性能。
　　當通過燃燒器擺角或其它手段改變鍋爐內各吸熱段熱量分配比例時，微過熱汽溫必然會發生改變，但由于燃水比未改變，過熱汽溫保持不變，因此控制系統中對此引起的微過熱汽溫的變動應加以補償。運行方式的變化，如高加切除，會使給水溫度有大幅度的下降，燃水比需作調整，鍋爐內各吸熱段熱量分配比例也將改變，隨即將影響到微過熱汽溫，如為經常性擾動，則應有相應的補償環節。
　　
　　微過熱汽溫和微過熱蒸汽焓值隨負荷變化而變化。當采用此反饋信號通過調整給水量來調整燃水比時，則給水調節系統外回路（給水主調）的任務就是調整微過熱汽溫或微過熱蒸汽焓值到期望的設定值，負荷變化時該設定值作相應變動。不僅如此，該設定值還需串接慣性環節進行動態校正，這是因為:
　　
　　（1）在加減負荷時，由于爐膛蓄熱的需要，加負荷時首先應增加燃料量，提高燃燒率，以先滿足爐膛蓄熱量提高的需要，然后再按校正信號增加給水量;當減負荷時，應先減燃料量，降低燃燒率，因zui初爐膛蓄熱量還要釋放出部分熱量，然后再按校正信號減少相應給水量。因此，應使微過熱汽溫或微過熱蒸汽焓值校正給水量的作用適當滯后。
　　
　　（2）負荷變化時給水溫度也相應改變。在發電量給定值變化后，給水溫度要等到汽機抽汽溫度變化再經過高壓加熱器的傳導后才發生變化。因此，微過熱汽溫或微過熱蒸汽焓值的設定值信號也應與此變化過程相適應，即通過慣性環節的動態校正，使設定值變化與實際微過熱汽溫或微過熱蒸汽焓值物理變化過程相匹配。
　　
　　3.燃水比調整與減溫噴水的協調
　　
　　燃水比調整是保持汽溫的zui終手段，但對過熱汽溫影響的遲延大;減溫噴水能較快地改變過熱汽溫，但zui終不能維持汽溫恒定。將二者協調起來，才能完善汽溫控制性能。通過將一級噴水減溫器前后溫差（△Tpds）與代表適量噴水的溫差設定值相比較，形成一級溫差偏差（△Tpdserror）。用該一級溫差偏差去修正燃水比（F/W），據此調整后的燃水比（F/W）將使一級溫差偏差（△Tpdserror）穩定在預設的溫差設定值。保持一級減溫噴水閥和減溫水量工作在適中位置，可及時響應對汽溫上下波動進行調整的需要。因通過給水量調整燃水比對汽溫的影響滯后較大，且燃水比著重于保持汽溫的長期穩定，一級溫差偏差對燃水比的校正作用相對緩慢。
　　
　　4.微過熱汽溫或微過熱蒸汽焓值調整對燃料（燃燒率）調整的解耦設計
　　
　　微過熱汽溫或微過熱蒸汽焓值調節器直接影響給水量。泵入直流鍋爐給水量的增加將導致鍋爐中原來蒸汽占據空間的減少，相應的蒸汽被驅趕到鍋爐出口，從而使機前壓力和功率都在瞬間有所增加。如果燃燒率不變，功率將逐漸回落原先的水平，機前壓力則因給水流量增加要求的給水壓力增加而逐漸回落到較原先機前壓力稍高的水平。這一調節作用引起的機前壓力和功率的短時間改變，將通過調節回路改變燃燒率，并再對微過熱蒸汽焓值形成擾動，有可能導致不穩定狀況的發生。解耦設計是將焓值調節器的輸出通過實際微分環節加入到對燃燒率的調節回路，使燃燒率不變或少改變，因此將給水量和燃燒率的相互作用減到zui小，增加了焓值調整和整個機組調整的穩定性。
　　
　　采用上述分析結果形成的燃水比部分調整的控制策略簡圖如圖6所示，該控制策略己在利港電廠2×600MW機組控制系統設計中采用。　　
　　5.汽溫的減溫噴水調節系統
　　
　　控制系統的設計通常情況下考慮得較多的是被控對象的數學特征，即其數學模型。由于這些數學特征和模型的抽象性，控制策略大都是基于數學方法的。這樣的控制策略在相當多的應用場合取得了成效。但也有一些場合采用基于被控對象和過程物理機理的控制策略，可以不需要復雜的計算和補償環節，更為簡單和有效。例如，DEB控制策略就是利用物理機理的成功范例。它采用熱量信號實現了汽機側擾動對鍋爐的解耦;利用汽機能量需求信號計算出了鍋爐側應有的熱量輸入。與其它機爐協調控制系統策略相比，DEB控制策略結構簡單，無復雜計算和補償，用單級的燃料量控制回路取代帶主汽壓控制的串級控制回路，控制性能得到很大改善。下面介紹的汽溫控制策略也是很大程度上基于物理機理，系統結構簡單，取消串級控制器，可以改善汽溫這樣的大慣性對象的控制性能。
　　
　　該汽溫控制系統基于如下的物理機理:
　　
　　（1）過熱器出口汽溫的改變量是通過過熱器進口汽溫（噴水減溫器出口汽溫）的改變量實現的，在不同的負荷或壓力下，同樣出口汽溫的改變量需要不同的進口汽溫的改變量。這兩處汽溫改變量之間存在定量關系，可以通過過熱器進口蒸汽比熱與出口蒸汽的比熱予以確定。例如:
　　
　　某一負荷下，過熱器進口蒸汽的參數為18.5MPa/470℃，其比熱為3.456，過熱器出口蒸汽的參數為18MPa/540℃，其比熱為2.907。因此，進口蒸汽焓值增加3.456kJ/kg將提高進口汽溫l℃，出口汽溫提高l℃則需出口蒸汽焓值增加2.907kJ/kg。在出口蒸汽焓值同樣增加3.456kJ/kg的情況下，出口蒸汽溫度將增加3.456/2.907=1.19℃。反之，如果要求出口汽溫改變1℃，則進口汽溫需要改變2.907/3.456=0.84℃。這一出口蒸汽比熱與進口蒸汽比熱的比值，為出口汽溫對進口汽溫要求的調整因子。
　　
　　在某一低負荷、滑壓狀態下，進口蒸汽的參數為12MPa/470℃，其比熱為2.813，出口蒸汽參數為11.8MPa/540℃，其比熱為2.591，調整因子為2.591/2.813=0.92。
　　
　　從上述例子看出，對出口汽溫的調整要求可以轉換為通過調整因子預估對進口汽溫的調整幅值。隨著壓力的增加，同樣的出口汽溫的改變量要求較大的進口汽溫的變化，調整因子隨壓力而變化。由于比熱與壓力密切相關，一些中間段的壓力沒有測點，則需通過附近的壓力測點、以設計計算書為依據實時推算相應點的壓力。
　　
　　（2）過熱器進口汽溫（噴水減溫器出口汽溫）的變化以過熱器的動態特性影響過熱器出口汽溫的動態變化。
　　
　　基于上述物理機理的汽溫控制系統原理簡圖如圖7所示。出口汽溫與其設定值的偏差（Tsp-Tout）與調整因子相乘，轉換為對進口汽溫的調整要求。出口汽溫偏差發生后，PID控制器即按轉換后對進口汽溫的調整要求進行調節，改變減溫噴水閥，改變進口汽溫Tin。進口汽溫Tin改變后，將通過實際過熱器改變出口汽溫Tout。同時從原理簡圖可知，進口汽溫通過模擬的過熱器特性PTn（多容環節）形成的PTn·Tin，在PID調節器的設定值回路與經調整因子相乘的實際出口汽溫Tout相互抵消。PID調節器的入口偏差為（K（Tsp-Tout）+PTn·Tin}-Tin，K為調整因子f（x）在某一壓力下的值。如果模擬的過熱器特性PTn與實際過熱器特性充分接近，則在整個動態調整過程中設定值回路（K（Tsp-Tout）+PTn·Tin）基本維持恒定，系統調節性能十分穩定，整個汽溫調節系統轉換為以過熱器進口汽溫（噴水減溫器出口汽溫）為對象的單回路系統。該系統從以下三個方面改善了汽溫調節的性能:　　
　　●調節對象為快速響應對象，而不再是大慣性對象;
　　
　　●變常規的汽溫串級調節為單回路調節，消除了主、副調節器之間出現相互干擾、導致汽溫調節品質不佳的誘因;
　　
　　●汽溫對負荷的變動特性不再影響閉環回路，調節器無需自整定或自適應。
　　
　　過熱器的特性PTn隨著負荷的變動會發生改變，可以通過負荷與多容環節時間常數的關系曲線實現不同負荷下過熱器的特性。其它主要擾動使得Tin對應于不同的△Tout，也可以通過類似的模擬消除其影響。過熱器特性PTn和調整因子并不總是很準確的，但由于PTn·Tinzui終能穩定到Tin，因此Tout總能穩定到其設定點。PTn和調整因子的準確性會影響汽溫調節的動態特性，可作為噴水減溫調節系統參數整定的補充手段。
　　
　　四、結束語
　　
　　超臨界機組與亞臨界汽包爐機組相比，運行參數顯著提高，工藝特性和動態特性差異大，機組的監測項目和控制策略有許多*的要求。本文的分析說明了這一點。但是，超臨界機組監測和控制技術的研發遠未令人滿意，應進行更深入的研究，以設計出性能*、適應機組不同運行方式的控制策略，保證機組的安全、經濟運行。