一、超臨界直流鍋爐給水控制的特點(diǎn)

超臨界直流鍋爐沒(méi)有汽包，工質(zhì)通過(guò)蒸發(fā)受熱面過(guò)程中全部轉(zhuǎn)換為蒸汽，即循環(huán)倍率為1，且無(wú)固定的飽和蒸汽與過(guò)熱蒸汽的分界點(diǎn)，整個(gè)行程的流動(dòng)阻力均由給水泵克服。

負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，超臨界直流爐無(wú)汽包，蓄熱能力小，導(dǎo)致主汽壓力變化延遲很小，且幅度較大，但主汽溫度變化較小，所以超臨界機(jī)組較亞臨界機(jī)組更適合變壓運(yùn)行。

直流鍋爐的一次性通過(guò)特性使得工質(zhì)流和能量流相互耦合，從而在各個(gè)控制回路，如給水、汽溫及負(fù)荷控制回路之間存在著很強(qiáng)的非線性耦合，機(jī)爐之間相互關(guān)聯(lián)性強(qiáng)。因此變負(fù)荷過(guò)程中，不能單獨(dú)改變?nèi)紵驶蛘呓o水流量，給水量與燃料量必須以一定的比例協(xié)調(diào)動(dòng)作，即在不同的負(fù)荷下要保持一定的煤水比。

過(guò)熱汽溫對(duì)給水流量和燃料量的擾動(dòng)具有很大的滯后性，這樣就必須有一個(gè)信號(hào)能夠迅速反映出燃料量和給水流量的變化，防止煤水比失調(diào)導(dǎo)致機(jī)組超溫或者主汽溫度急劇下降，我們一般選取分離器出口溫度或者焓值作為這個(gè)表征量。分離器出口的工質(zhì)處于微過(guò)熱狀態(tài)，在燃料量或給水流量擾動(dòng)的情況下，微過(guò)熱汽溫變化的滯后性遠(yuǎn)小于過(guò)熱汽溫。微過(guò)熱點(diǎn)前包括有各種類(lèi)型的受熱面，工質(zhì)在該點(diǎn)前的焓增占總焓增3/4左右，此比例在燃水比及其他工況發(fā)生較大變化時(shí)變化并不大。同時(shí)，中間點(diǎn)選在兩級(jí)減溫器之前，基本不受減溫水流量變化的影響，即使發(fā)生減溫水量大幅度變化，按省煤器入口水量＝給水泵入口流量－減溫水量，中間點(diǎn)送出的調(diào)節(jié)信號(hào)仍保證正確的調(diào)節(jié)方向。因此，通過(guò)控制微過(guò)熱點(diǎn)的汽溫(或焓值)，以間接控制出口汽溫，是比較好的一個(gè)控制策略。

二、汽水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

超臨界直流爐啟動(dòng)直至滿負(fù)荷過(guò)程中要經(jīng)歷濕態(tài)－干態(tài)、亞臨界－超臨界運(yùn)行工況的轉(zhuǎn)換，汽水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性隨負(fù)荷變化存在很大的差異，具有很強(qiáng)的非線性和變參數(shù)特性。

機(jī)組負(fù)荷＜30%時(shí)，超臨界鍋爐濕態(tài)運(yùn)行，此時(shí)鍋爐的動(dòng)態(tài)特性類(lèi)似于汽包鍋爐，給水流量的變化主要影響的是汽水分離器液位，而燃料量的變化主要影響汽水分離器出口蒸汽流量和壓力。

機(jī)組負(fù)荷＞30%時(shí)，超臨界鍋爐處于干態(tài)運(yùn)行，汽水分離器僅僅是作為蒸汽流動(dòng)的通道。系統(tǒng)處于亞臨界壓力工況時(shí)，鍋爐的動(dòng)態(tài)特性類(lèi)似于亞臨界直流鍋爐，蒸汽的飽和與過(guò)熱之間并沒(méi)有一個(gè)固定的分界點(diǎn)，給水和燃燒的擾動(dòng)將導(dǎo)致主蒸汽溫度、壓力和流量同時(shí)變化，各參數(shù)相互之間的耦合程度遠(yuǎn)大于汽包鍋爐。煤水比控制中間點(diǎn)焓（或溫度），減溫水作為輔助調(diào)整措施。

亞臨界－超臨界轉(zhuǎn)變過(guò)程中，由于臨界壓力工況點(diǎn)附近存在著最大比熱容區(qū)，工質(zhì)定壓比熱容變得很大，工質(zhì)溫度隨焓值的變化很不敏感，因此機(jī)組亞臨界－超臨界轉(zhuǎn)變過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性差異非常顯著。當(dāng)系統(tǒng)處于超臨界壓力工況時(shí),工質(zhì)的熱力學(xué)特性較為均勻，鍋爐的汽水行程可看作一個(gè)單相區(qū)，此時(shí)其動(dòng)態(tài)特性類(lèi)似于過(guò)熱器。

三、超臨界機(jī)組給水控制策略

1）濕態(tài)運(yùn)行工況下的給水控制

直流爐在濕態(tài)工況下類(lèi)似于汽包爐，分離器水位是機(jī)組濕態(tài)時(shí)給水的最終控制目標(biāo)。它決定著汽水分離器汽水分離的效果是否良好，控制分離器水位在最佳范圍內(nèi)是鍋爐濕態(tài)時(shí)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。如果分離器水位過(guò)高，則不能保證汽水分離器能夠達(dá)到良好的分離效果，很可能造成過(guò)熱器帶水，汽溫下跌，甚至汽輪機(jī)進(jìn)水等嚴(yán)重事故。相反，若分離器水位過(guò)低，也是達(dá)不到良好的汽水分離效果，可能造成下降管內(nèi)鍋水含汽，影響爐水泵出力，省煤器最小流量可能就得不到保證。

濕態(tài)工況下分離器水位控制主要通過(guò)給水泵轉(zhuǎn)速、給水泵再循環(huán)調(diào)整門(mén)和給水旁路調(diào)整門(mén)改變給水流量來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生汽水膨脹時(shí)，由溢流調(diào)節(jié)閥門(mén)輔助控制分離器水位，如果在鍋爐熱態(tài)沖洗時(shí)，可以增加溢流調(diào)節(jié)閥門(mén)的偏置加大外排。一般分離器水容積很小，水位的慣性就很小，為我們的控制提出了更高的要求。以某電廠超臨界機(jī)組為例，省煤器、分離器、啟動(dòng)系統(tǒng)與爐膛水冷壁總的水容積為216.57m3，分離器水容積為11.27m3，占總水容積的5.2％，由此可見(jiàn)汽水分離器容積非常小，工質(zhì)不平衡時(shí)分離器水位變化快，溢流調(diào)整門(mén)為液動(dòng)門(mén)，開(kāi)關(guān)相對(duì)快些，基本可以適應(yīng)分離器快速的水位變化。

濕態(tài)工況下，如需提高主汽溫度，給水控制需增加給水流量，增加溢流調(diào)節(jié)閥門(mén)的偏置加大外排，并適當(dāng)增加燃料量，從而增大蒸汽的流量，這種情況下，汽溫上升快，而壓力則會(huì)上升很慢或者下降。如需提高主汽壓力，給水控制措施則與上述方案相反。由于點(diǎn)火初期水質(zhì)一般不合格，外排爐水均不回收，所以加大外排增加主汽溫度，將造成工質(zhì)和熱量的巨大浪費(fèi)。因此，濕態(tài)工況時(shí)，在維持分離器水位穩(wěn)定的情況下，主要靠高旁調(diào)節(jié)主汽壓力，適當(dāng)開(kāi)大溢流調(diào)整門(mén)，在壓力調(diào)節(jié)的同時(shí)，主汽溫度也是穩(wěn)定上升。

2）干態(tài)運(yùn)行工況下的給水控制

機(jī)組轉(zhuǎn)干態(tài)后，給水控制主要調(diào)節(jié)煤水比控制中間點(diǎn)的焓值（或溫度），最終達(dá)到控制主汽溫度的目的。給水控制如圖1所示，此控制策略有如下特點(diǎn)：鍋爐主控指令信號(hào)經(jīng)動(dòng)態(tài)延時(shí)塊F(t)后給出省煤器入口給水流量指令的基本值；汽水分離器出口溫度是汽水分離器壓力的函數(shù)，該信號(hào)作為給水控制系統(tǒng)的第一級(jí)修正，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷確定的一級(jí)減溫器前后溫差作為給水控制系統(tǒng)的第二級(jí)修正。因?yàn)橐粶p前后溫差也間接反映了燃水比的變化，溫差偏大，說(shuō)明中間點(diǎn)的焓值偏高，引入此信號(hào)的目的是：將過(guò)熱器的噴水流量控制在規(guī)定范圍內(nèi)，使噴水減溫在任何工況下均保持有可調(diào)節(jié)余地。有些機(jī)組也將過(guò)熱器的總噴水流量與給水流量的比值作為給水控制系統(tǒng)的第二級(jí)修正信號(hào)。

給水流量控制系統(tǒng)

在穩(wěn)定的工況下，煤水比主要受到燃料發(fā)熱量、給水溫度、鍋爐受熱面結(jié)焦情況等因素的影響。中間點(diǎn)的焓值主要與爐內(nèi)輻射換熱有關(guān)，主汽系統(tǒng)一般由頂棚過(guò)熱器，尾部包墻過(guò)熱器、屏過(guò)和末過(guò)組成，故主汽溫度呈現(xiàn)出很強(qiáng)的半輻射半對(duì)流換熱特性。

對(duì)于直流鍋爐，當(dāng)煤水比失調(diào)時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響主汽溫度。直流鍋爐中主給水流量等于省煤器入口流量和減溫水量之和，負(fù)荷不變，如果主汽溫度升高，減溫水量增加，省煤器入口流量會(huì)相應(yīng)地減少，從而加劇了煤水比的失調(diào)程度，因此對(duì)于直流鍋爐，必須用保持燃水比作為維持過(guò)熱器出口汽溫的主要粗調(diào)手段，用噴水減溫作為細(xì)調(diào)手段。

首先我們分析一下負(fù)荷穩(wěn)定的情況下的給水控制。負(fù)荷穩(wěn)定，則中間點(diǎn)的焓值我們可以認(rèn)為是一個(gè)定值。如果給水溫度下降，為了維持負(fù)荷以及中間點(diǎn)的焓值不變，則需增加煤量，煤水比下降，負(fù)荷和中間點(diǎn)焓值穩(wěn)定。但由于燃料量增加爐內(nèi)輻射換熱增強(qiáng)，爐膛出口溫度升高，過(guò)熱器的輻射換熱和對(duì)流換熱得到加強(qiáng)，主汽溫度必然升高，如果不加以控制甚至?xí)霈F(xiàn)超溫。此時(shí)應(yīng)該適當(dāng)減小中間的焓值的設(shè)定值。同樣，當(dāng)燃料的發(fā)熱量下降時(shí)，燃料量會(huì)逐漸增加，以維持負(fù)荷不變，穩(wěn)定后主汽溫度會(huì)上升，所以也應(yīng)該適當(dāng)?shù)臏p小中間點(diǎn)溫度的設(shè)定值。鍋爐受熱面結(jié)焦也是同樣的給水控制方式。

其次，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，我們以AGC試驗(yàn)為例。給水流量對(duì)中間點(diǎn)的焓值控制比燃料量對(duì)其控制要更靈敏一些。AGC試驗(yàn)升負(fù)荷時(shí)，首先增加燃料量，為了維持煤水比，如果同時(shí)大量增加給水流量，則中間點(diǎn)的焓值會(huì)下降很快，從而引起主汽溫度的下降，所以水量的增加需有一定的延時(shí)，避免主汽溫度的大幅度波動(dòng)。如果機(jī)組發(fā)生大的負(fù)荷波動(dòng)，如RB動(dòng)作，給水的控制動(dòng)作的方向雖然都是向某一穩(wěn)定的煤水比而逐漸減少給水量，但區(qū)別就是給水量減少的速度。通過(guò)對(duì)多臺(tái)機(jī)組的試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)中間點(diǎn)溫度的變化率的變化趨勢(shì)對(duì)給水量變化速度的快慢最為敏感。所以中間點(diǎn)溫度變化率的快慢就應(yīng)該是給水變化快慢的主要依據(jù)，在調(diào)節(jié)時(shí)根據(jù)中間點(diǎn)溫度的變化快慢來(lái)改變給水量變化的快慢。只要能穩(wěn)定中間點(diǎn)汽溫的波動(dòng)幅度，主再汽溫也就能維持住了。