上海外高橋第三發電廠2×l000MW超超臨界機組的鍋爐島采用上海鍋爐廠有限公司利用Alstom Power技術生產的直流鍋爐，其型式為1000MW超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐、一次再熱、單爐膛單切圓燃燒方式、平衡通風、全鋼構架、全懸吊結構塔式鍋爐；汽輪機島采用上海汽輪機有限公司利用西門子技術生產的汽輪機，其型式為100MW超超臨界參數、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式、八級回熱抽汽；儀控島采用西門子公司的分散控制系統（DCS）及其過程控制軟件。

      本文將以該廠1000MW超超臨界機組閉環控制中的協調、給水和汽溫控制系統為例，介紹和分析其設計思想和控制策略。

      一、閉環控制系統的整體設計與分析

      閉環控制系統主要包括協調、燃燒、給水和汽溫控制系統。其整體設計原理見圖1。

      

      l.1 協調控制系統

      協調控制系統主要包括負荷指令設定、輔機故障減負荷（RB）、頻率校正、壓力設定、鍋爐主控、汽輪機主控和熱值校正回路。它包括4種運行模式:協調控制模式（CCS）；鍋爐跟隨模式（BF）；汽輪機跟隨模式（TF）和基本模式（BASE）。

      負荷指令設定回路接受中調自動發電控制（AGC）指令，經速率限制，負荷上、下限限制和負荷指令增、減閉鎖等運算后分別送往機、爐主控等回路；頻率校正回路把頻差信號轉換為負荷偏差信號，分別疊加到鍋爐主控和汽輪機主控的指令上；壓力設定回路提供定/滑壓運行2種設定值，2種方式之間可無擾切換，滑壓值是負荷的函數f1（x）；熱值校正回路在煤種發生變化時對給煤機轉速指令進行修正以保證機組功率不變。

      1.1.1 鍋爐主控回路

      本協調控制系統為以爐跟隨為基礎的協調控制系統，即鍋爐控制壓力、汽輪機控制功率。在CCS模式時，鍋爐主控指令由以下4部分疊加而成:

      （1）基本指令:機組負荷指令+頻差信號。該指令作為鍋爐主控指令的基本值去控制燃料量，使鍋爐主控指令對應于負荷及頻率的改變有一個變化量；

      （2）機組負荷指令與頻差信號的動態補償信號。主要考慮在負荷與頻率變化時對鍋爐蓄熱量變化的基本補償；

      （3）壓力調節器輸出信號。壓力的變化代表了機爐能量的不平衡，因此需根據壓力變化相應改變燃料量以達到機爐新的平衡，該信號對負荷指令進行細調；

      （4）壓力偏差對鍋爐蓄熱的動態補償信號。不同負荷下對于同樣的壓力偏差鍋爐需補償的蓄熱量（煤量）不同，因此，應根據負荷指令和壓力偏差對鍋爐主控指令進行動態修正。

      l.1.2 汽輪機主控回路

      汽輪機主控為CCS和汽輪機數字電液控制系統（DEH）之間的接口，在CCS模式下其被調量為實際功率，給定值由3部分疊加而成:（1）機組負荷指令及其動態前饋。動態前饋是在變負荷時為充分利用機組蓄熱，通過汽輪機調門提前動作，允許汽壓有一定的波動而釋放或吸收部分蓄能，加快機組初期負荷的響應速度而采取的手段。（2）頻差信號。（3）壓力拉回回路。即經過死區特性和限幅特性的壓力偏差信號，其目的是當機前壓力偏差較小時，由鍋爐控制壓力，維持機前壓力為定值；當機前壓力偏差較大時，有可能超過鍋爐主控的調節范圍，此時汽輪機主控也參與調壓，二者共同作用可迅速使機前壓力回到設定值，加快整個響應的動態過程。

      解耦回路的設計:鍋爐側對負荷指令的響應遠慢于汽輪機側，故用多階慣性環節PTn即1/（l+Ts）n來匹配二者之間的動態特性，PTn代表從機組負荷指令變化到新蒸汽產生的動態過程。

      1.2 基于比值控制的總風量、燃料量和給水流量指令設計

      在直流爐中給水變成過熱蒸汽是一次完成的，鍋爐的蒸發量不僅決定于燃料量，同時也決定于給水流量。因此，超臨界機組的負荷控制是與給水控制和燃料量控制密切相關的；而維持燃水比又是保證過熱汽溫的基本手段；一定的風煤比是燃燒經濟性的要求。因此，總風量、燃料量指令和給水流量指令的產生均與負荷指令密不可分:

      （1）總風量指令＝風煤比函數f4（鍋爐主控指令）×氧量校正，氧量校正回路的設定值為負荷的函數f6（x）。

      （2）燃料量指令＝鍋爐主控指令+焓值調節的動態解耦，函數f3（x）是鍋爐負荷——燃燒效率的函數。

      （3）給水流量指令＝遲延的鍋爐主控指令+焓值調節器的輸出。

      （4）燃料量控制與給水控制的解耦設計:一方面，鍋爐熱負荷（燃料量）的變化相對于給水流量的變化是一個慢速過程（PTn）；另一方面，微過熱蒸汽焓的變化又是燃水比失調的迅速反映，而負荷與溫度的控制又要求保證一定的燃水比，因此，代表鍋爐熱負荷（燃料量）動態特性的多階慣性環節PTn和焓值調節的動態解耦被應用于燃料量控制與給水控制的解耦設計。

      二、給水控制系統的設計與分析

      給水控制系統包括蒸發器理論吸熱量計算、焓值控制、一級減溫器前后溫差控制、給水流量設定值計算和燃料量與給水的解耦控制等多個回路，其原理見圖2。

      2.1 蒸發器理論吸熱量計算

      蒸發器理論吸熱量＝理論給水流量×省煤器出口到分離器出口的理論焓增－蒸發器金屬蓄熱量的變化量

      理論焓增和理論給水流量分別是負荷指令的函數f1（x）和f2（x）。負荷變化時，爐膛熱負荷的變化相對于給水量的變化是一個遲延較大的對象，因此負荷指令要經多階慣性的遲延后才轉化為理論給水流量；對于來自燃料量的內擾，給水流量也有相應的變化量。

      當分離器出口蒸汽壓力變化時，蒸發器內金屬的蓄熱也將發生變化，無論是吸熱還是放熱，這部分熱量都將影響到給水的實際吸熱量，因此應從蒸發器理論吸熱量的計算中排除。

      2.2 焓值控制回路及變參數校正

      根據分離器出口微過熱蒸汽的焓能迅速判斷燃水比是否失調，因此采用微過熱蒸汽焓值調節器的指令去修正給水流量指令以保證燃水比的平衡，從而保證過熱汽溫為給定值。其中焓值設定值為負荷的函數f4（x）。在負荷變化50%-時，過熱汽溫被控對象的增益變化達5-6倍，時間常數變化也有2-3倍，因此采用變參數控制，即用代表負荷的鍋爐主控指令乘以微過熱蒸汽焓值調節器的輸出，再去調節給水流量以適應控制特性變化了的控制對象——過熱汽溫。

      2.3 一級減溫器前后溫差控制回路

      當負荷變化時，燃料量的變化導致鍋爐出口煙溫和煙氣流速發生變化，勢必影響爐膛內輻射傳熱量和煙道內對流傳熱量的變化，一、二級過熱器分別為屏式和對流式過熱器，這2種過熱器的溫度特性相反，如當負荷增加時，前者出口溫度將下降，而后者則上升，此時若減少一級減溫器的噴水流量將直接惡化二級噴水減溫的調節能力，可能導致二級過熱器出口溫度超溫，因此，溫差調節器的任務就是維持一級減溫器前后溫差為負荷的函數f3（x），并用其輸出修正焓值設定值從而改變給水流量指令以保證過熱汽溫。

      2.4 給水流量設定值計算

      給水流量設定值＝蒸發器理論吸熱量÷（省煤器出口到分離器出口的實際焓增+焓值調節器的輸出）

      省煤器出口到分離器出口的實際焓增＝焓值設定值-省煤器出口給水實際焓值

      省煤器出口給水實際焓值的作用體現在其導前控制上:當其增加時，表示給水從煙氣的吸熱量增加，即燃料量增加，因此給水流量也應迅速增加；反之，給水流量也應迅速減少。

      zui后，給水流量設定值與直流爐要求的zui小給水流量取大形成給水流量指令。

      三、過熱蒸汽減溫水控制系統設計與分析

      減溫水控制包括過熱器一、二級減溫水和再熱器事故噴水控制系統，均是基于Smith模型預估控制的單回路控制?，F以二級過熱器減溫水控制系統為例介紹其控制思想（見圖3）。

      3.1 焓值變增益校正

      當過熱蒸汽焓值變化時，為維持過熱汽溫所需的減溫水流量應有所不同。例如對于同樣的溫度偏差（+5℃），當過熱蒸汽溫度、壓力不同時其焓值也不同，此時所需要的減溫水量也不同，因此焓值校正有助于減少控制系統的振蕩，縮短過渡過程時間。

      3.2 Smith預估控制

      Smith預估器的原理是預先估計出過程在基本擾動下的動態特性，然后由預估器進行補償，力圖使被遲延了τ的被調量超前反映到調節器，使調節器提前動作。當減溫水閥動作時，二級過熱器入口的蒸汽溫度變化很快，而出口溫度變化很慢（存在純遲延τ），因此Smith預估器的作用就是要消除純遲延，使被調量是二級過熱器入口的蒸汽溫度而不是出口的蒸汽溫度。圖3為二級過熱器減溫水控制系統原理示意。      

      圖3中，e-τsGT（s）是二級過熱器出、入口溫度T2（s）和T1（s）之間的傳遞函數，即，或T2（s）=T1（S）e-τsGT（s）。

      式中：GT（s）一般為一階慣性環節。則調節器入口的被調量為：

      T1（S）[1-e-τsGT（s）]+T2（s）=T1（s）-T1（s）e-τsGT（s）+T2（s）=T1（s）。

      從式中看到，包含有純遲延環節τ的e-τs GT（s）被消除了，在動態過程中被調量由T2（s）變成了具有快速特性的對象T1（s），采用常規PID控制即可獲得良好的控制品質。而在穩態時，被調量仍然是二級過熱器出口溫度T2（s）。

      超超臨界機組是被控特性復雜多變的對象，隨著機組負荷的變化，機組的動態特性參數亦隨之大幅度變化，同時具有強烈的非線性耦合特性，再加上蓄熱系數遠比汽包爐小等因素，因此，在閉環控制系統設計中要多考慮使用比值控制、變參數控制和預估控制等*控制手段以達到更好的控制效果。