论文导读：火电站直流锅炉给水控制系统主要用来满足机组运行需要，以维持燃烧稳定及保证锅炉经济安全运行。天津北疆发电厂2×1000MW机组锅炉为超超临界直流循环锅炉，给水控制系统设计包括锅炉运行所需燃料所对应的给水以及由中性点温度控制偏置维持锅炉干态运行的控制系统,本文对给水控制系统各部分进行分析论述，并给出控制功能的DCS实现。直流锅炉不同于汽包锅炉，由于带有汽包，主汽温度扰动不大，直流锅炉不带有汽包，煤量与给水偏差过大会直接影响主汽温度变化过大，极大地增加了锅炉爆管的可能性，在锅炉干态运行的条件下，给水控制的任务就是要保持进入分离器的蒸汽具有合适的过热度。
关键词：超超临界，直流锅炉，给水控制
0 引言
火电站直流锅炉给水控制系统主要用来满足机组运行需要，以维持燃烧稳定及保证锅炉经济安全运行。论文参考网。天津北疆发电厂2×1000MW机组锅炉为超超临界直流循环锅炉，给水控制系统设计包括锅炉运行所需燃料所对应的给水以及由中性点温度控制偏置维持锅炉干态运行的控制系统,本文对给水控制系统各部分进行分析论述，并给出控制功能的DCS实现。
1给水控制的特点
直流锅炉不同于汽包锅炉，由于带有汽包，主汽温度扰动不大，直流锅炉不带有汽包，煤量与给水偏差过大会直接影响主汽温度变化过大，极大地增加了锅炉爆管的可能性，在锅炉干态运行的条件下，给水控制的任务就是要保持进入分离器的蒸汽具有合适的过热度。一方面要维持分离器的干态运行，防止其返回湿态；另一方面又要控制好分离器出口蒸汽的过热度，以防止过热器超温。当机组工况发生变化，尤其是给水流量或燃烧率等扰动时，锅炉的蒸发段和过热段受热面将随之发生变化，可能引起蒸汽温度剧烈变化，危及机组安全运行。因此，研究直流锅炉变工况时汽温特性，改善控制策略，对于机组的经济运行提出了更高的要求。
在汽包锅炉中给水流量的变化，仅影响汽包水位，而在燃料量变化时又仅仅改变蒸汽压力和流量，因此锅炉给水量、燃料量、汽温控制等都是相对独立的，亦即：给水→水位；燃料→产汽量及汽压；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，当给水量或燃料量变化时都会引起蒸发量、汽温和汽压的同步变化，相互有牵制，关系密切，这样给控制系统的设计和调整增加了灵活性，也增添了复杂性。随着超超临界机组蒸汽压力的升高，直流锅炉中间点汽温（通常取启动分离器出口汽温）和过热器出口汽温控制点的温度变动惯性增加（亦即比热增加），时间常数和延迟时间相应增大，在燃料或给水量扰动时，超超临界锅炉的蒸汽温度变化具有更大惯性。
在超超临界机组起动和低负荷（小于最低直流负荷）运行期间，必须投入启动系统，因此也增加了锅炉启动系统对控制的要求。对于直流炉来讲，为了确保水冷壁在低负荷时有效的冷却，通过水冷壁的流量不能小于某个值，即最低直流负荷。当机组启动和停炉时，启动系统投入使用，由于启动系统要经历不同的运行状态（湿态和干态），故须采用不同的控制方式（湿态和干态）且能平稳自动地切换。
在锅炉点火以前，循环泵启动系统投运；分离器水位由控制锅炉母管给水流量来实现。此时给水旁路调节阀控制分离器水位，循环泵出口调节阀控制给水流量，并有循环泵进出口差压保护回路。锅炉点火后，省煤器入口的给水流量保持在某个最小常数值；当燃料量逐渐增加时，随之产生的蒸汽量也增加，从分离器下降管返回的水量逐渐减小，锅炉给水流量逐渐增加，以保证省煤器入口的给水流量保持在某个最小常数值，分离器入口湿蒸汽的焓值增加。当分离器入口蒸汽逐渐达到饱和状态，蒸汽流入分离器，此时没有水可分离，锅炉给水流量等于省煤器入口的给水流量，但仍保持在某个最小常数值。此时给水调节切换到给水流量控制。随着燃烧率继续增加，在分离器中的蒸汽慢慢地过热。分离器出口实际温度仍低于设定值（由锅炉主控指令经函数发生器产生），温度控制还未起作用。所以此时增加的燃烧率不是用来产生新的蒸汽，而是用来提高直流锅炉运行方式所需的蒸汽蓄热。当分离器出口的蒸汽温度达到设定值，进一步增加燃烧率，给水量也相应增加，锅炉开始由定压运行转入滑压运行。汽温信号通过选大器，温度控制系统投入运行，分离器出口的蒸汽温度由“煤水比”控制。当锅炉主蒸汽流量增加至40%BMCR，锅炉转入干态运行。在干态自动方式时，循环泵自动停，随即暖管系统投入运行，启动系统暖管调节阀控制分离器下降管水位。
从以上几点可知，超超临界锅炉给水系统更难于控制，情况更复杂了一些。在规定的运行工况下，必须维持某些比例常数，而在变工况下必须使这些比例按一定规律变化，而在启动和低负荷时，要求更大幅度地改变这些比例，以得到宽范围领域的自动控制。为此，必须设计更完善的给水闭环控制系统，在启动工况更多的采用变参数变定值技术，所有控制功能应在前馈技术的基础上完成，并连续地校正控制系统的增益。
2给水控制系统的工作原理
给水控制的总体思路是以燃水比为基础，利用分离器出口蒸汽焓值和一级过热器两端的温度变化进行修正，计算得到总的给水量需求。实现这一思路的方法为考虑省煤器出口到分离器出口这一段的焓值变化，计算出这一段总的焓增和单位工质的焓增，从而计算出给水量的需求。根据锅炉主控指令以及锅炉设计参数计算出一级过热器入口单位工质设计焓值和省煤器出口单位工质设计焓值，两者相减得到设计单位工质焓增。根据锅炉主控指令以及锅炉设计参数计算出相应锅炉负荷下设计蒸汽流量和减温喷水流量，两者相减得到设计给水流量需求。设计单位工质焓增和设计给水流量需求两者的乘积即为设计总焓增。以上计算均考虑其蓄热迟延时间。利用饱和温度变化率乘以水冷壁管的金属质量的热容量来计算得到金属部件所吸收的热量，设计总焓增减去金属部件所吸收的热量得到设计有效焓增。
饱和温度按照IFC-97 公式计算：
为减少计算负荷，分离器出口过热蒸汽的焓采用下面的简单拟合公式：
h = 2022.7 +1.6675T + 2.9593×10−4T2 −1.2690×109 P / T2.7984 −1.0185×1023 P2 / T8.3077
（适用范围：0～40MPa，273.15～1073.15K），省煤器出口不饱和水的焓采用下式拟合：
h = 130.06 + 0.947711× t1.2521 + P × (0.7234 − 9.2384×10−10 × t3.6606 )
（适用范围：10～40MPa，160～250℃）。
其中：h —— 焓，KJ/Kg
P，p —— 压力，MPa
P* —— 基准压力，MPa
T —— 温度，K（℃＋273）
T* —— 基准温度，1K
t —— 温度，℃
3给水控制系统的DCS实现
由锅炉主控指令以及锅炉设计参数计算出分离器出口单位工质设计焓值，同时考虑一级过热减温要求分离器出口增减的蒸汽焓，得到分离器出口蒸汽焓设定值，实现方式是利用△T 控制器。论文参考网。△T 控制器设定值为根据一级减温器出口温度和设计温降推算出一级减温器前温度（原理类似一级减温主回路设定值的生成），测量值端为实际的一级减温器前温度，若设定值比实测值大，说明一级减温器前温度偏低，需增加分离器出口蒸汽焓。论文参考网。经过一级过热减温器两端的温度降修正的分离器出口蒸汽焓设定值进入焓值调节器与实际的蒸汽焓进行偏差运算，输出作为省煤器出口到分离器出口单位工质焓增的修正值。修正的分离器出口蒸汽焓设定值减去省煤器出口实际焓值得到省煤器出口到分离器出口单位工质焓增的基本值，基本值与修正值之和作为单位工质在此段内的最终焓增。为防止焓值调节器工作时低于本生点，需对焓值调节器的输出进行限制，同时也利用省煤器流量裕度对△T调节器输出进行限制，两者限制值随锅炉负荷变化而变化。将焓值控制器的输出送到锅炉主控回路中作为其前馈，以减少燃料和给水间的影响。为保证给水流量总是超过本生流量和循环流量，对给水流量设定进行最小值限制。防止储水箱水位和给水控制系统间的相互影响，将循环水流量的实际微分信号引入到给水流量需求生成回路中，当循环水流量呈增加趋势时，适当减少给水流量需求，这样就可减少两者间的影响，当锅炉停运或循环水调节阀关闭时，取消此前馈信号。本设计方案对锅炉侧采用水跟煤的控制方案，即用燃料量校正主汽压力的稳态偏差，燃料量改变时，根据一个函数发生器改变给水流量设定值，以粗调水煤比，用主给水流量校正中间点温度的稳态偏差。逻辑原理如下图
下列情况下锅炉给水主控强制手动：
汽水分离器出口温度坏质量
锅炉给水流量信号故障
小汽机均手动
电泵耦合器投自动
在实现给水控制的系统中，Ovation系统是EMERSON公司开发的一套集过程控制和企业管理一体的新一代集散控制系统(DCS)，功能强大。系统主要功能块新型PID控制器，功能如图4所示。
图4：新型功能块示意图
此功能块与传统PID控制算法相比有如下特点:对微分作用的算法做了改进;在串级组态方式时，当遇到限制值时，禁止增加和禁止减少信号，防止主回路出现积分饱和;显著提高了控制器在饱和状态时对控制偏差信号方向突然变化的响应时间，既可执行无相互影响的PID控制算法，也可执行有相互影响的经典的PID控制算法;具有快速饱和恢复选择的功能等。形成的给水控制逻辑如下图：
4给水控制系统运行中的问题及改进措施
给水控制系统在电泵与汽泵负荷转移以及并泵过程中容易引起给水流量大幅波动。由于直流锅炉不象汽包炉那样有汽包缓冲，给水流量的波动会直接影响汽温、汽压和负荷的稳定。为了稳定机组的运行，切换过程必须十分缓慢地进行，运行人员劳动强度较大。这主要是控制系统自动分配转速控制指令的结果。为此，可对系统进行两点改进：一是以泵出口压力和给水母管压力的差值作为逻辑信号。当其差值大于零时，泵就开始带负荷。当差压小于零时,泵未带负荷，限制器VL起作用,其转速指令的变化对处于自动状态的泵指令基本不产生影响,运行人员可以较快地手动调整待并泵的转速,使之较快地带上负荷。处于自动状态的给水泵能在不受手动泵转速变化干扰的条件下控制好给水流量。一旦泵出口逆止门开启，泵带上负荷，限制器就不起限制作用，运行泵分享调节器输出的自动控制指令，共同完成给水调节任务。二是在取消限制作用的瞬间，对副调节器的输出进行一次跟踪计算。跟踪计算就是要使副调节器的输出指令与和取消限制之前的各泵实际转速指令相适应，以防止取消限制器可能产生的扰动。
总之，超超临界机组与相同容量的亚临界汽包炉相比，自动化系统的规模，即所需的自动控制和仪表装置大致相同，但超超临界锅炉的给水控制更为复杂一些，要求自控设计人员与锅炉设计人员配合，了解直流锅炉运行特点，运用更先进的控制理论和更完美的控制策略。
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