张佳金 杨成良 任兴
青岛华丰伟业电力科技工程有限公司
Analysis of the mixed control strategy of temperature and enthalpy for HP
bypass desuperheating water
Zhang Jiajin Yang Chengliang Ren Xin
摘要:高旁控制系统是沙特延布三期5×660 MW超临界燃油机组启动及海水淡化工厂稳定供汽的重要系统，本文针对延布三期电厂发电及给海水淡化工厂供汽的特点,分析在机组启动、稳定供汽时对高旁阀出口蒸汽温度品质的要求,制定出适合本厂高旁减温水的温度、焓值混合控制策略，为同类型电厂高旁减温水控制方案提供了一定的借鉴。
关键词:温度控制 焓值控制 控制策略
Abstract: The HP bypass control system is an important system for the start-up of 5×660 MW supercritical oil-fired plant of Yanbu Phase III Power Plant, Saudi Arabia and the stable steam supply of the desalination plant. In view of the characteristics of power generation and steam supply to the seawater desalination, the requirements of the high bypass valve outlet steam temperature quality when the unit is started and stable steam supply are analyzed, and the temperature and enthalpy suitable for the high bypass desuperheating water of the plant are developed. The value-based hybrid control strategy provides a reference for The HP bypass desuperheating water control scheme of the same type of power plant.
Key words: Temperature control; enthalpy control; control strategy
1引言
沙特延布三期5×660 MW超临界燃油机组高旁控制系统不仅具有传统单元机组选择发电模式下的配合锅炉点火、升温升压，配合汽机暖机、冲转、升速、并网、带负荷，加速机组启动速度的功能；同时在选择供汽模式下也为下游斗山海水淡化工厂提供额定压力下的具有过热度的饱和蒸汽的功能。采用传统的压力控制模式能很好的达到压力控制要求，本文不再累述；而高旁阀后蒸汽温度采用传统的减温水温度控制只能适应锅炉点火启动阶段，却满足不了送往下游海水淡化工厂对高过热度的饱和蒸汽品质要求。因此通过采用温度、焓值混合控制策略对高旁减温水进行控制，能很好的解决不同工况下的高旁出口蒸汽温度品质要求，本文主要对这一控制策略进行分析说明。
2 高旁控制系统主要设备特点
沙特延布三期5×660 MW超临界燃油电厂单台机组的高旁系统设计容量为100％TMCR（2x50％）,由两个液压驱动的压力控制阀（2 x50％）及其相关的减温水控制阀组成，锅炉出口的主蒸汽不仅通过高旁系统减温减压后送往冷再，而且在供汽模式下还送往下游的海水淡化工厂的中压供汽系统。海水淡化工厂对来自高旁阀出口的蒸汽品质要求为压力23Bar、温度320℃（蒸汽过热度>20℃）。高旁减温水来自末级高加（7#）出口，两侧减温水管道上各设计装有流量计。
3 高旁减温水控制策略的分析
3.1高旁出口蒸汽温度相关的联锁保护逻辑
在锅炉点火启动初期，高旁控制逻辑给定高旁调阀一个最小开度，高旁系统开始进行暖管，此时由于高旁阀后出口蒸汽过热度极低将会闭锁减温水调阀；随着锅炉负荷增加，高旁阀出口的压力及温度将会增加，减温水调阀开始参与调节慢慢打开。在高旁阀后蒸汽升温过程中，只要不触发蒸汽过热度低低(<25℃)保护动作，减温水调阀按照阀后蒸汽温度设定值要求保持一定开度来调节；当阀后温度高高（>370℃）报警时，将快速打开减温水调阀来实现蒸汽温度减温，蒸汽温度值降低到高高报警值以下后退出减温水调阀超驰开功能；如果减温水调阀全开后，阀后蒸汽温度继续上升直至超过高高高（>380℃）报警值，则高旁调阀快速关闭退出运行及减温水调阀继续保持快开状态直到温度降低到高高高值以下，逻辑图如1。
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3.2高旁减温水采用温度、焓值混合控制策略的分析
高旁减温水控制系统的控制对象具有影响因素多、参数变化幅度大、大延时、大惯性等特点，因此提高系统抗扰动能力，在保证系统稳定的基础上，提高系统响应快速性以及控制精度，是保障高旁减温水控制系统良好运行需要解决的主要问题。
3.2.1 高旁减温水控制全部过程
按照高旁系统从启动到完全停止整个系统的控制特点，相应的将高旁减温水的控制过程分为以下几个部分，其中温度控制和焓值控制在满足条件时互相可逆，如图（2）。
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3.2.2高旁减温水切换到温度控制
高旁系统作为锅炉点火启动阶段的一部分，高旁调阀控制的主汽压力跟随压力设定值曲线使得调阀开度加大，流过高旁阀的蒸汽流量上升，但由于此阶段阀后的蒸汽焓值较低，对减温水需求量较小，高旁阀后温度上升较快，为了快速响应此阶段的控制对象，使得阀后蒸汽温度达到目标温度，直接采用温度控制器来调节高旁减温水调阀，如图3所示。温度控制器PID1的温度实际值PV1与设定值SP1直接进行比较，PID1参数设为Kp =0.025，Ki =0.0088。
同时根据下游系统所要求的减温后的蒸汽具有一定的高过热度，防止由于温度控制器PID1的超调造成某一个时刻减温水流量过大，使得阀后蒸汽过热度过低，故增加一个内部饱和温度控制器PID4来限制温度控制器PID1的输出。当高旁阀后蒸汽过热度比较高时，温度控制器PID1的输出上限为100%;当高旁阀后蒸汽过热度过低时，温度控制器PID1的输出上限为内部温度控制器PID4的输出。PID4控制器的设定值SP4根据当前高旁阀后压力对应的饱和蒸汽温度加上手动修正值计算得出，PID4参数设为Kp =0.025，Ki =0.0088。
3.2.3高旁减温水切换到焓值控制
虽然高旁减温水采用温度控制能迅速响应初始阶段提高高旁阀后的蒸汽温度，但是控制系统的稳定性较差，阀后蒸汽达到临界压力(23Bar)下控制系统的精准性更差。为了满足下游海水淡化工厂所要求的稳定压力、稳定温度、过热度高的蒸汽品质要求。根据能量平衡、能量转换和热传递原理，通过将温度控制转换为焓值控制，有效、彻底解决了温度控制的非线性问题；同时将一个大滞后的温度控制系统切换到一个快速、实时的流量控制系统，通过对减温水流量的精确控制，一定程度上也解决了温度控制的大滞后问题。
根据能量守恒定律计算出减温水需求流量:
WATT = WSTEAM · (hSTEAM - hTARGET ) / (hTARGET – hATT )
其中:
WATT : 减温水需求流量计算值
WSTEAM : 高旁调阀进口蒸汽流量，由高旁调阀开度、主蒸汽和再热蒸汽压力、温度及高旁调阀的阀体设备参数等计算出。
hATT : 减温水实际焓值,根据当前减温水温度、压力计算得出。
hSTEAM : 高旁阀入口蒸汽焓值, 根据当前蒸汽温度、压力计算得出。
hTARGET: 目标蒸汽焓值，根据下游系统要求直接给出。
在计算出的减温水流量需求值高于总需求值30%时，高旁减温水将会从温度控制切换到焓值控制，温度控制处于跟踪状态。焓值控制采用串级控制模式，主调采用温度控制，副调采用流量控制。温度控制器PID2的设定值与过程值比较计算出减温水需求流量的修正值，但此修正值受现场给定的上下限定值所限制。经过修正后的减温水需求流量作为流量控制器PID3的设定值SP3，SP3与实际测点的减温水流量PV3进行比较计算出焓值控制器的输出值。同理，为了维持阀后蒸汽较高过热度，内部温度控制器PID4也会限制焓值控制的输出指令。温度控制器PID2参数设为Kp =0.025，Ki =0.0088；副调流量控制器PID3参数设为Kp =0.025，Ki =0.0088。
在计算出的减温水流量需求值低于总需求值30%或流量测量对象故障时，将视作减温水焓值控制不可用，高旁减温水又从焓值控制切换到温度控制，焓值控制处于跟踪状态。判断切换条件的减温水需求量的值（30%）可根据现场各机组实际情况给定，原则上须避免在机组稳定运行时焓值控制和温度控制模式的来回切换。
3.2.4特殊工况下的高旁减温水控制
在单元机组处于汽机跳闸、发电机解列、甩负荷等特殊工况下，高旁调阀会迅速打开释放掉炉侧的蒸汽能量避免炉侧分离器蒸汽流通路径闭锁而引发锅炉跳闸，流过高旁调阀的高温高压蒸汽需要减温水调阀迅速打开来实现减温减压。在此过程中，如果减温水流量过大使得高旁阀后蒸汽过热度过低，触发高旁调阀过热度低低低保护关动作；如果减温水流量过小使得高旁阀后蒸汽温度太高，触发高旁调阀温度高高高保护关动作，如图（1）逻辑。为了保证喷出的减温水量即能快速实现蒸汽减温减压，而又能迅速恢复机组正常状态，减温水调阀会根据当前蒸汽温度、压力、高旁阀通流面积计算出当前调阀最小开度指令函数F(X)，触发调阀最小开度指令函数F(X)的脉冲时间根据现场实际情况给定。高旁调阀及减温水调阀恢复正常调节后，减温水调阀最小开度保护退出后过度到温度或焓值控制，控制过程需平滑无扰动。
沙特延布三期5台机组根据各自的运行工况条件及设备特点，高旁减温水通过采用这种混合控制策略，及优化相关逻辑及控制参数，精准的、快速的实现高旁减温水控制，图（4）曲线描绘了所选取的四号机组高旁减温水控制全过程。
4 结束语
本文通过对高旁减温水采用温度、焓值混合控制策略进行分析，在高压旁路控制系统中具有调节速度快、控制精度高等特点，尤其是针对减温水调节阀开度的扰动具有很好的调节效果，并由此得出以下结论：
（1）分析结果对高旁减温水控制系统具有很好的调节效果，该方法完全可以由现有组态逻辑修改搭建实现，工程上切实可行。
（2） 分析结果的适用对象不局限于高旁减温水控制系统，完全可以应用于其他低旁减温水、中低压供汽减温水系统。
参考文献
［1］段秋刚．多种控制理论在气温控制系统中的作用［Ｊ］.山西电力,2003(4):34-36
［2］夏明．超临界机组气温控制系统设计［Ｊ］.山西电力,2006(3):74-76
作者简介
张佳金 本科，工程师，青岛华丰伟业电力科技工程有限公司,266100.
杨成良 大专，调总，青岛华丰伟业电力科技工程有限公司,266100.
任兴 大专，副调总，青岛华丰伟业电力科技工程有限公司266100.