1. 對超臨界機組控制系統的討論
隨著電力系統的發展，600MW超臨界機組已經成為我國電力行業的主力機組，但由于超臨界機組的直流運行特性、變參數的運行方式、多變量的控制特點，與亞臨界汽包爐比較在控制上具有很大的特殊性，因此對超臨界機組的運行方式和控制策略應進行必要的討論。
超臨界機組的運行特性
1.1. 超臨界火電機組的技術特點
1.1.1. 超臨界火電機組的參數、容量及效率
超臨界機組是指過熱器出口主蒸汽壓力超過22.129Mpa。目前運行的超臨界機組運行壓力均為24Mpa~25Mpa, 理論上認為,在水的狀態參數達到臨界點時(壓力22.129、溫度374.℃),水完全汽化會在一瞬間完成,即在臨界點時飽和水和飽和蒸汽之間不再有汽、水共存的二相區存在,二者的參數不再有區別。由于在臨界參數下汽水密度相等，因此在超臨界壓力下無法維持自然循環即不能采用汽包鍋爐，直流鍋爐成為唯一型式。
提高蒸汽參數并與發展大容量機組相結合是提高常規火電廠效率及降低單位容量造價最有效的途徑。與同容量亞臨界火電機組的熱效率相比,在理論上采用超臨界參數可提高效率2%～2.5%,采用超超臨界參數可提高4%～5%。目前,世界上先進的超臨界機組效率已達到47%～49%。
1.1.2. 超臨界機組的啟動特點
超臨界鍋爐與亞臨界自然循環鍋爐的結構和工作原理不同，啟動方法也有較大的差異，超臨界鍋爐與自然循環鍋爐相比，有以下的啟動特點：
設置專門的啟動旁路系統
直流鍋爐的啟動特點是在鍋爐點火前就必須不間斷的向鍋爐進水，建立足夠的啟動流量，以保證給水連續不斷的強制流經受熱面，使其得到冷卻。
一般高參數大容量的直流鍋爐都采用單元制系統，在單元制系統啟動中，汽輪機要求暖機、沖轉的蒸汽在相應的進汽壓力下具有50℃以上的熱度，其目的是防止低溫蒸汽送入汽輪機后凝結，造成汽輪機的水沖擊，因此直流爐需要設置專門的啟動旁路系統來排除這些不合格的工質。
配置汽水分離器和疏水回收系統
超臨界機組運行在正常范圍內，鍋爐給水靠給水泵壓頭直接流過省煤器、水冷壁和過熱器，直流運行狀態的負荷從鍋爐滿負荷到直流最小負荷，直流最小負荷一般為25%~45%。
低于該直流最小負荷，給水流量要保持恒定。例如在20%負荷時，最小流量為30%意味著在水冷壁出口有20%的飽和蒸汽和10%的飽和水，這種汽水混合物必須在水冷壁出口處分離，干飽和蒸汽被送入過熱器，因而在低負荷時超臨界鍋爐需要汽水分離器和疏水回收系統，疏水回收系統是超臨界鍋爐在低負荷工作時必需的另一個系統，它的作用是使鍋爐安全可靠的啟動及其熱損失最小。
啟動前鍋爐要建立啟動壓力和啟動流量
啟動壓力是指直流鍋爐在啟動過程中水冷壁中工質具有的壓力，啟動壓力升高。汽水體積質量差減小，鍋爐水動力特性穩定，工質膨脹小，并且易于控制膨脹過程，但啟動壓力越高對屏式過熱器和再熱過熱器的保護越不利。啟動流量是指直流鍋爐在啟動過程鍋爐的給水流量。
1.1.3. 置式汽水分離器的控制方式
超臨界機組具有外置式啟動分離器和內置式啟動分離器。本文僅就內置式啟動分離器進行討論。
內置式啟動分離器在濕態和干態的控制是不相同的，而且隨著壓力的升高，濕干態的轉換是內置式汽水分離器的一個顯著特點。
內置式汽水分離器的濕態運行
如前所述，鍋爐負荷小于35%時，超臨界鍋爐運行在最小水冷壁流量，所產生的蒸汽要小于最小水冷壁流量，汽水分離器濕態運行，汽水分離器中多余的飽和水通過汽水分離器液位控制系統控制排出。
內置式汽水分離器的干態運行
當鍋爐負荷大于35%以上時，鍋爐產生的蒸汽大于最小水冷壁流量，過熱蒸汽通過汽水分離器，此時汽水分離器為干式運行方式，汽水分離器出口溫度由煤水比控制，即由汽水分離器濕態時的液位控制轉為溫度控制。
汽水分離器濕干態運行轉換
在濕態運行過程中鍋爐的控制參數是分離器的水位和維持啟動給水流量，在干態運行過程中鍋爐的控制參數是溫度控制和煤水比控制，在濕干態轉換中可能會發生蒸汽溫度的變化，故在此轉換過程中必須要保證蒸汽溫度的穩定。
1.2. 超臨界機組控制系統概述
作為實現機組安全經濟運行目標的有效手段,自動控制系統在機組安全運行所起的作用日益重要,其功能也日益復雜,擔負著機組主、輔機的參數控制、回路調節、聯鎖保護、順序控制、參數顯示、異常報警、性能計算、趨勢記錄和報表輸出的功能,已從輔助運行人員監控機組運行發展到實現不同程度的設備啟停功能、程控和聯鎖保護的綜合體系,成為大型火電機組運行必不可少的組成部分。經過幾十年的發展,目前超臨界發電技術已經相當成熟,其控制系統從總體上來說與常規亞臨界發電機組相比并沒有本質的區別。但就超臨界機組本身來說，其直流爐的運行方式、大范圍的變壓控制，使超臨界機組具有特殊的控制特點和難點。
1.2.1. 超臨界機組控制中存在的問題
1.1 機、爐之間耦合嚴重,常規的控制系統難以達到高的控制效果，超臨界機組難點之一在于非線性耦合。
由于直流鍋爐在汽水流程上的一次性循環特性，沒有汽包這類參數集中的儲能元件，在直流運行狀態汽水之間沒有一個明確的分界點，給水從省煤器進口就被連續加熱、蒸發與過熱，根據水、濕蒸汽與過熱蒸汽物理性能的差異，可以劃分為加熱段、蒸發段與過熱段三大部分，在流程中每一段的長度都受到燃料、給水、汽機調門開度的擾動而變化，從而導致了功率、壓力、溫度的變化。
1.2.2. 汽機擾動對鍋爐的耦合特性
直流鍋爐汽水一次性循環特性，使超臨界鍋爐動態特性受末端阻力的影響遠比鍋筒式鍋爐大。當汽機主汽閥開度發生變化，影響了機組的功率,同時也直接影響了鍋爐出口末端阻力特性,改變了鍋爐的被控特性,由于沒有汽包的緩沖，汽機側對直流鍋爐的影響遠大于對汽包鍋爐的影響。其特性不但影響了鍋爐的出口壓力，而且由于壓力的變化引起了給水流量的變化，延長了鍋爐側汽水流程的加熱段，導致了溫度的變化。
1.2.2.1. 鍋爐燃料擾動對壓力、溫度、功率的影響
燃料發生變化時，由于加熱段和蒸發段縮短，鍋爐儲水量減少，在燃燒率擾動后經過一個較短的延遲蒸汽量會向增加的方向變化，當燃燒率增加時，一開始由于加熱段蒸發段的縮短而使蒸發量增加，也使壓力、功率、溫度增加。
1.2.2.2. 給水擾動對壓力、溫度、功率的影響
當給水流量擾動時，由于加熱段、蒸發段延長而推出一部分蒸汽，因此開始壓力和功率是增加的，但由于過熱段縮短使汽溫下降，最后雖然蒸汽流量增加但壓力和功率還是下降，汽溫經過一段時間的延遲后單調下降，最后穩定在一個較低的溫度上
1.2.2.3. 被控參數之間的耦合關聯
在直流鍋爐中，壓力控制是最重要的被控對象，因為壓力的變化不僅影響機組負荷的變化，還會影響給水流量的變化，從而導致對溫度的影響。
從上面的分析可以看出，直流鍋爐的一次循環特性，使機組的主要控制參數功率、壓力、溫度均受到了汽機調門開度、燃料量、給水量的影響。從而也說明直流鍋爐是一個三輸入/三輸出相互耦合關聯及強的被控特性。
1.2.2.4. 強烈的非線性是超臨界機組又一主要特征
超臨界機組采用超臨界參數的蒸汽,其機組的運行方式采用滑參數運行，機組在大范圍的變負荷運行中，壓力運行在10MPa~25MPa.之間。超臨界機組實際運行在超臨界和亞臨界兩種工況下，在亞臨界運行工況給水具有加熱段、蒸發段與過熱段三大部分，在超臨界運行工況汽水的密度相同，水在瞬間轉化為蒸汽，因此在超臨界運行方式和亞臨界運行方式機組具有完全不同的控制特性，是復雜多變的被控對象。
1.3. 超臨界機組的控制策略
從上面的分析中已經看到，超臨界機組是以汽水一次循環為特征的直流鍋爐，是具有三輸入/三輸出的強耦合、非線性、多參數的被控對象。接下來討論采用怎樣的控制策略實現對超臨界機組的控制。
對于具有內置式啟動分離器的超臨界機組，具有干式和濕式兩種運行方式。在啟動過程鍋爐建立最小工作流量，蒸汽流量小于最小給水流量，鍋爐運行在濕式方式，此時機組控制給水流量，利用疏水控制啟動分離器水位，啟動分離器出口溫度處于飽和溫度，此時直流鍋爐的運行方式與汽包鍋爐基本相同。控制策略基本是燃燒系統定燃料控制、給水系統定流量控制、啟動分離器控制水位、溫度采用噴水控制。
當鍋爐蒸汽流量大于最小流量，啟動分離器內飽和水全部轉為飽和蒸汽，直流鍋爐運行在干式方式，即直流控制方式。此時鍋爐以煤水比控制溫度、燃燒控制壓力。我們討論的超臨界直流鍋爐的控制策略主要討論鍋爐處于直流方式的控制方案。
假如直流鍋爐處在定壓力控制方式，那末對于直流鍋爐機組負荷、壓力、溫度三個過程變量中就具有兩個穩定點，一個是壓力，另一個是溫度。因為壓力一定分離器出口的微過熱溫度也就確定了。在機組負荷變化過程中對壓力和溫度的控制應該是定值控制。
在鍋爐變壓力運行時，機組負荷、壓力、溫度是三個變化的控制量，在負荷發生變化時，壓力的控制根據負荷按照預定的滑壓曲線控制，分離器出口溫度按照分離器出口壓力的飽和溫度加上微過熱度控制。
協調控制系統建立方案時應該以變負荷、變壓力、變溫度的控制特征考慮控制策略。
1.3.1. 系統設計中應考慮的問題：
1.3.1.1. 在前面的分析中已經提出，壓力控制是直流鍋爐控制系統的關鍵環節，壓力的變化對機組的外特性來說將影響機組的負荷，對內特性來說將影響鍋爐的溫度。因此無論協調控制系統采用機跟爐為基礎還是采用爐跟機為基礎的協調方式，均應考慮汽機調門變化和鍋爐燃燒變化對壓力的動態響應，協調鍋爐與汽機的控制。
1.3.1.2. 在直流鍋爐中采用煤水比控制溫度，在超臨界機組中仍應采用煤水比的控制方案，一般來說煤水比控制的溫度的選擇應以控制特性快為主要考慮依據。目前對內置式啟動分離器的超臨界直流鍋爐一般取分離器出口溫度。在超臨界狀態下由于汽水轉換可以在瞬間完成，蒸汽的熱容量很大，此時的溫度控制性能很好，溫度控制穩定。但在濕干態轉換過程中溫度變化很大，系統設計應考慮濕干態轉換過程中溫度的控制。
1.3.1.3. 對于直吹式制粉系統來說，燃燒過程對壓力、溫度影響較慢，系統設計應考慮煤水的時間協調。
1.3.1.4. 超臨界直流鍋爐機組是強耦合、多參數、非線性的控制對象，在系統控制中，應盡可能的保證機組的穩定性。在目前鍋爐的運行中多數不能達到設計煤種的運行要求，并且煤種的變化多樣，因此在眾多的系統設計中考慮了BTU修正。
在汽包爐中，通常用熱量信號修正燃料的熱值，這種方法主要考慮了鍋爐熱量信號的整定使熱量信號僅代表燃料的變化，不反映汽機調門外擾的變化，這種修正較好的利用了直吹式給煤機燃料可以直接測量的優勢，燃燒控制系統可以較快的克服燃料側的擾動，同時熱量信號又可以在線對燃料的熱值進行修正。
直流鍋爐蓄能較小無法得到類似于汽包鍋爐的熱量信號，因此在直流爐中BTU修正中最多的是采用蒸汽流量對熱值的修正，考慮的基本點是根據設計煤種的熱值，所燃燒的煤量應該產生的熱量與實際煤種產生的熱量的偏差對燃料進行補償。這種BTU修正的方法在實際應用中往往造成系統的不穩定。燃料回路作為控制系統的內環應盡快克服燃料的擾動，其控制目的是在穩定的負荷工況下保證壓力或負荷的穩定，任何汽機側的外擾不應該構成對燃料的擾動。如果以蒸汽流量修正燃料量，當汽機調門發生擾動（如一次調頻）使蒸汽流量發生變化，必然導致燃料的變化，使燃料控制系統不能穩定的運行。因此在系統中可以考慮用設計煤種的熱值與實際煤種的熱值對燃料進行修正，電廠應每天對燃料取樣熱值通知運行，運行人員根據燃燒的產地煤輸入燃料熱值 ，保證燃燒控制的穩定。
1.3.1.5. 超臨界機組是高參數、大容量的被控對象，機組的變負荷率應滿足鍋爐的運行要求。目前制造廠對超臨界直流鍋爐的變負荷率限制在1%/分。在滿足機組負荷變化率的要求下，為穩定機組壓力，對超臨界機組來說以機跟爐為基礎的協調控制系統不失是一個好的控制方案。
1.3.1.6. 對于DCS系統控制的大型機組來說，控制系統必須要完成機組的穩定負荷控制、變負荷控制、主要輔機故障工況下的快速減負荷控制。因此機組指令控制系統必須適時監視風、水、煤系統的運行狀況，一旦檢測到機組主要輔機出現跳閘，控制系統必須要以特定的控制方式，特定的機組負荷變化率，特定的機組目標負荷發出快速減負荷指令，適時的控制機組的負荷、壓力、溫度，完成RUNBACK功能。
在直流鍋爐中，事故處理情況下必須要考慮分離器出口溫度，這就必須考慮在事故工況下有合適的煤水比。系統設計必須要以適當的控制方案保證煤水比的控制。在超臨界直流鍋爐中，最典型的設計是實測的燃料量信號實現煤水比的控制。比起用鍋爐指令實現煤水比控制來說，這種設計的主特點是在任何燃料的擾動都反映到煤水比的控制。
