CN112648606A - 二次再热超超临界锅炉汽温协同控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二次再热超超临界锅炉的汽温协同控制系统及其实现方法。该系统通过喷水减温器、分隔烟道挡板和摆动燃烧器等不同汽温控制设备的优化组合来协同控制二次再热超超临界塔式直流锅炉的过热蒸汽和一、二次再热蒸汽温度，确保了整个锅炉汽温控制系统具有良好的控制一致性和安全可靠性，并通过采用可调整自适应脉冲回路改善了烟气档板和摆动燃烧器的调节特性和控制精度。

Description

二次再热超超临界锅炉汽温协同控制系统
技术领域
本发明涉及一种大型电站锅炉汽温控制方法，尤其涉及一种二次再热超超临界锅炉 的汽温协同控制系统及其实现方法。
背景技术
为了提高大容量火力发电机组的经济性，通常可采用中间再热的方法来提高热力循 环的平均吸热温度，降低热耗；减少汽轮机低压末级叶片排气湿度，延长末级叶片寿命。理论上再热级数越多热力循环效率更高，在同等条件下，采用二次再热比一次再热的机 组热效率可提高1.43～1.6％左右。但二次再热机组的主机设备和热力系统的投资明显增加，运行控制也更为复杂。虽然从上世纪60年代起国外已经有50余台二次再热超(超) 临界机组投入运行[1]，但从技术经济性综合考虑，其中绝大多数的超(超)临界机组仍都 采用的是一次再热。截止目前，国内已投运的数百台超(超)临界机组也大部分采用的 是一次再热形式[2]-[4]。
随着燃料成本和环保压力的不断提高，近年来国际上又开始重视对二次再热机组的 研发和应用[5][6]。欧盟、美国和日本的700℃及以上参数的先进超超临界机组都选择了二 次再热作为其研究方向之一。我国成立了产学研用联盟共同开展700℃高效清洁燃煤火力 发电机组的基础研发[7]，并启动了超600℃二次再热燃煤超超临界机组的应用示范。
从技术经济性的角度综合考虑，在较高的超临界参数下采用二次再热方式更为合理。 而国外二次再热超超临界机组的发展也经历了一个先高后低再重新认识的马鞍型过程， 现有的大部分二次再热机组都建成于上世纪60～70年代。据不完全统计，全世界至少有 52台二次再热超(超)临界机组投入运行。其中德国共有11台二次再热超(超)临界机组，其中1台机组为燃油和天然气锅炉，8台机组为燃煤锅炉，另外两台机组燃料情况不 明；美国共投运23台二次再热超(超)临界机组，其中5台为燃油锅炉，2台为燃油和 燃气锅炉，其它16台为燃煤锅炉，但美国二次再热机组的投运时间均较早；日本共投运 13台二次再热超(超)临界机组，其中11台机组为燃重油锅炉，2台机组为燃天然气锅 炉；另外丹麦分别有两台二次再热超超临界机组；1台为燃煤/燃油锅炉，1台为燃气锅炉。 这其中近二十年新投运的二次再热机组数量较少，仅有1989年投运的日本中部电力公司 川越电站2台700MW燃气二次再热机组(31MPa/566℃/566℃/566℃)[4]，以及丹麦分 别在1997和1998年投运的两台415MW热电联产机组(290bar/582℃/580℃/580℃)， 即
Figure BDA0002749242020000021
电厂№3燃气二次再热机组和Nordjyllands电厂№3燃煤/燃油二次再热机组。
毫无疑问，二次再热锅炉是整个超超临界机组中最为复杂的一个热工对象，其蒸汽 温度、压力等重要热工参数不仅关系到锅炉的运行安全，也直接影响到整个机组的经济性。而随着锅炉设计参数的不断提高，其额定运行参数与现有的成熟金属材料允许使用 极限之间的裕量已越来越小。国内正在研发的二次再热超超临界机组，其蒸汽压力初参 数达31MPa～35MPa，过热和一次、二次再热蒸汽温度可达到605℃/620℃/620℃[7]，已 趋近现有成熟金属材料的极限应用温度。因此，在锅炉金属材料未发生大的变化前提下， 锅炉的运行控制就成为超600℃二次再热超超临界锅炉设计和应用的关键技术问题之一。
与以往采用一次再热的大容量电站锅炉一样，二次再热超超临界锅炉实现汽温控制 的手段也有多种，包括摆动燃烧器、分隔烟道档板、烟气再循环、过燃风和蒸汽旁路、 表面式汽汽交换器等等，但最为可靠和有效的方法仍是在锅炉各段受热面之间设置喷水 减温器，通过喷水来调节过热蒸汽和一、二次再热蒸汽的温度[8][9]。
对超超临界直流锅炉，其过热汽温可以采用燃水比进行粗调，多级喷水作为细调[10]； 而为了提高机组的经济性，再热汽温则多设计采用烟气侧的摆动燃烧器、分隔烟道档板 或烟气再循环等作为其主要调节方式，将再热喷水设计作为微调或事故应急手段。通常， 上述蒸汽侧和烟气侧的两类再热汽温调节手段均设计为独立的调节回路[11]，从运行控制 的角度看都是以一种调节手段对应完成一个汽温被控参数的控制，而通过设定值偏置等 方法来实现作为备用或事故应急手段的另外一种调节回路的投入，二者一般不能同时投 入自动控制。
由于摆动燃烧器和分隔烟道档板同时影响过热和再热器的热负荷分配，而且随着大 容量电站锅炉炉膛尺寸的增大，这两种控制设备的驱动力矩和动作迟滞、回差也就更大， 其控制效果和可靠性偏低。实际运行中常因调节品质不佳和易卡涩等原因被弃之不用， 喷水仍是最可靠的一种再热汽温调节手段，其优化控制方案的研究也比较深入[12]-[21]。
国外已投运的二次再热超超机组中，燃油和燃气锅炉居多。其采用烟气侧来进行再 热汽温控制相对比较容易。如日本川越电站三菱重工公司生产的二次再热超超临界锅炉 为双烟道布置型式、八角双切圆燃烧，采用了四通道分隔烟道挡板和烟气再循环联合控制的再热汽温调节方式[15]，在锅炉结构设计时考虑了各个汽温控制手段的独立设置，因此其调节回路也可以保持相对独立；除川越电厂所采用的尾部四烟道结构外，经检索发现，中国专利ZL201010603076.5也公开了一种通过采用尾部三烟道方式调节锅炉再热汽温的方法，均是通过改变不同分置受热面的吸热比例来实现一、二次再热汽温的控制，但 相对于双烟道布置的锅炉而言，塔式布置的单烟道锅炉采用烟道档板调温方式的应用实 例较为少见，中国专利ZL201110085966.6和ZL201210335374.X提出了一种采用分隔烟道 结构的塔式锅炉的设计[25][26]。而欧洲采用塔式布置的燃煤二次再热机组多为燃烧褐煤机组，一般均以喷水作为主要的再热汽温调节手段[9]，如丹麦Nordjyllands电厂3号机组为塔式直流锅炉、四角切圆燃烧，再热汽温调节方式为喷水减温+烟气再循环，烟气再循 环主要在燃烧重油时投用，这种采用再热喷水作为主要调节手段的方法与国内的设计理 念差异较大。
由于增加了二次再热，锅炉的热负荷分配发生了很大的变化，其过热和再热蒸汽的 吸热比例将由原来的85％:15％变为约70％:30％，机组负荷、压力、以及过热汽温和一、二次再热汽温等被控对象间的耦合更加复杂，其控制系统设计与锅炉型式、参数的关联 也更为紧密。在整个锅炉受热面布置时就必须综合考虑不同的调节方式和不同负荷情况 下过热和一、二次再热等各部分受热面吸热比例的动态变化。
通过分析总结目前国内外塔式和双烟道布置的一、二次再热锅炉摆动燃烧器、分隔 烟道档板等再热汽温控制方式所存在的主要问题和现有的改进方法[22]-[29]，综合考虑定压 和滑压方式下锅炉再热汽温喷水调节对单元机组热循环效率的影响，以及烟气侧调温所 造成的锅炉各受热面吸热比例变化等因素，本发明针对国内自主研发的二次再热超超临 界锅炉的结构特点[30][31]，提出了一种更加灵活合理和经济有效的二次再热超超临界锅炉 汽温协同控制系统。
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发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提出一种针对二次再热超超临界塔 式直流锅炉过热汽温和一、二次再热汽温被控对象之间的强耦合、强关联特性，以及烟道档板和摆动燃烧器等烟气侧再热汽温调节手段迟延大、回差大、易卡涩、可靠性较低 的缺点，有效改善二次再热超超临界锅炉汽温调节可靠性和控制品质的方法。本发明的 技术方案具体是由以下方法和步骤实现的：
在二次再热超超临界塔式直流锅炉的自动控制系统8中设计了一个汽温协同控制系 统20，可以通过锅炉燃烧、给水控制回路以及摆动燃烧器、烟气分割挡板、喷水调节阀等汽温调节设备的优化组合模式来分别实现过热汽温104、一次再热汽温105和二次再热汽温106被控对象的协同控制；汽温协同控制系统20包括协同指令形成回路21和协同 模式切换逻辑回路22，其控制输出和控制逻辑分别作用于控制分隔烟道调节挡板(1)开 度的调节子回路一(11)、控制摆动燃烧器(2)倾角的调节子回路二(12)、控制各台 给煤机/磨煤机组(3)给煤量的调节子回路三(13)、控制锅炉过热蒸汽喷水调节阀(4) 开度的调节子回路四(14)、控制一次再热蒸汽喷水调节阀(5)开度的调节子回路五(15)、 控制二次再热蒸汽喷水调节阀(6)开度的调节子回路六(16)；锅炉自动控制系统(8) 中还设计有机炉协调控制系统(10)、锅炉燃水比校正回路(17)以及锅炉给水流量调 节回路(18)和控制锅炉负荷的锅炉燃烧主调节回路(19)；，从而完成上述汽温控制 设备及其优化组合模式的协同控制，其功能具体是由以下方法和步骤实现的：
1.1.在调节子回路11、12、13、14、15、16、17、18中均设计有协同指令形成回路21的协同指令子回路211、212、213、214、215、216、217、218和分别置于上述各调节子回 路中的标准输出指令组态模块210，从而分别实现上述各调节子回路的协同控制功能；
1.2.协同指令形成回路21采用了标准输出指令组态模块210的设计，包括置于各调节子 回路11、12、13、14、15、16、17、18中的设定值偏置31；协同前馈信号32、闭锁加 45、闭锁减46、迫升33、43、迫降34、44指令；以及调节子回路11、12协同超驰指令 组态模块221、222的协同置位指令36、37、38和控制逻辑输入47、48、49；
1.3.协同指令子回路211、212、213、214、215、216、217、218根据由机组分散控制系统DCS得到的过程测点和中间计算点，分别完成不同协同逻辑的计算处理，并通过1.2. 所述的标准输出指令组态模块210和协同超驰指令组态模块221、222作用于相应的调节 子回路11、12、13、14、15、16、17；
1.4.协同指令子回路211、212、213、214、215、216、217、218设计分为分级协同模式201、平行协同模式202和交叉协同模式203，从而使得两种或两种以上的汽温控制设备 及其调节子回路可以同时参与过热器出口汽温104、一次再热器出口汽温105或二次再热 器出口汽温106的协同控制，或实现过热器出口汽温104、一次再热器出口汽温105及二 次再热器出口汽温106调节子回路的动态解耦；
1.5.分级协同模式201是指将两种汽温控制设备设计为正常时由其中一个的调节子回路作 为主要调节子回路负责控制过热汽温104、一次再热汽温105或二次再热汽温106以保持 其运行设定值，另外一个备用调节回路则在过热汽温104、一次再热汽温105或二次再热 汽温106的控制偏差超过协同指令子回路211、212、213、214、215、216、217、218计 算出的阈值时，才投入进行调节；分级协同模式201是通过对应调节子回路的设定值偏 置31或协同前馈信号32的可调整死区实现的，当主要调节子回路退出自动状态时，备 用调节子回路将无扰切换成为主要调节子回路；
1.6.平行协同模式202是指将两种或两种以上的汽温控制设备设计为同时承担过热器出口 汽温104、一次再热器出口汽温105或二次再热器出口汽温106的控制，且其中一种调节 子回路置于自动状态时，另外一种调节子回路可处于协同状态，从而能够在调节汽温的 同时确保二次再热超超临界锅炉的运行经济性，平行协同模式202可以通过相应的协同 指令子回路211、212、213、214、215、216、217、218中的协同前馈信号32、闭锁加45、闭锁减46、迫升33、34、迫降34、44方式实现；
1.7.交叉协同模式203是指在承担过热汽温104、一次再热汽温105或二次再热汽温106 控制功能的调节子回路中，设计了与承担另外一种汽温被控对象104或105或106控制 功能的调节子回路间的关联，交叉协同模式203也是通过协同控制子逻辑回路211、212、213、214、215、216、217、218中的协同前馈32、输出保持45和46、闭锁加45、闭锁 减46、迫升33、34、迫降34、44功能来实现的；
1.8.除常规调节子回路设计中的自动和手动状态之外，汽温协同控制系统20设计有协同 状态；协同状态由协同模式切换逻辑回路22生成，并分别输出到调节子回路11、12、15、 16、17、18的手自动方式切换逻辑或软操作器界面；上述调节子回路11、12、15、16、 17、18设计为平行协同模式202时，同时只能有一个调节子回路处于自动状态，但另外 一个调节子回路可处于协同状态；当另外的一个调节子回路切换至自动状态时，原处于 自动状态的调节子回路将自动切换为协同状态；运行操作人员也可以通过软操作器界面 将原处于手动状态的调节子回路置为协同状态，或将处于协同状态的调节子回路切至手 动状态。
2.1.其中，过热器出口汽温104的控制由燃水比校正回路17和喷水调节子回路14协同完 成；其中锅炉给水流量调节回路18和锅炉燃烧调节回路19接受机炉协调控制系统10的 指令并由锅炉燃水比校正回路17根据锅炉蒸发受热面焓差或中间点温度对其进行校正， 从而实现过热汽温的粗调；锅炉燃水比校正回路17还包括一个协同指令子回路217，该回路设计为交叉协同模式203，可以根据过热、一次和二次再热汽温的温差或出入口焓差对锅炉燃水比校正回路17的控制输出进行限幅、闭锁或动态迫升、迫降校正；
2.2.在2.1.的燃水比粗调基础上，过热器出口汽温104由调节子回路四14自动控制，其中 调节子回路四14还包括一个协同指令子回路214，在锅炉大幅度变负荷或事故工况下， 可对调节子回路四14的输出实施超驰控制，其优先级仅低于锅炉保护逻辑产生的联锁指 令；
2.3.一次再热器出口汽温105各调节子回路的协同指令子回路211与212、215采用平行 协同模式202和分级协同模式201；正常时其出口温度平均值由调节子回路一11控制；同时调节子回路二可以采用协同状态参与其正常调节；当调节子回路一11和调节子回路二12处于手动状态时，锅炉一次再热汽温105还可以由调节子回路五15自动控制，通 过协同指令子回路215的标准输出指令210，实现汽温设定值偏置的自动修正和两侧汽温 偏差的协同控制，调节子回路三13也可由汽温协同控制系统20的协同指令子回路213 参与一次再热器出口汽温的调节，从而实现锅炉的燃烧优化调整；
2.4.二次再热器出口汽温106设计为由调节子回路一11或调节子回路二12自动控制，其 协同指令子回路211或212根据一次再热汽温主要调节子回路设计为可选择交叉协同模 式203或平行协同模式202，即二次再热器出口汽温106的主要调节子回路将根据一次再 热器出口汽温的主要调节子回路输出进行动态解耦，该功能是通过对应协同指令子回路 中的闭锁加45、闭锁减46指令实现的；当调节子回路一11或调节子回路二12均为手动或协同状态时，锅炉二次再热器出口汽温还可由调节子回路六16进行控制，并可以通过 协同指令子回路216实现汽温设定值偏置的自动修正和两侧汽温偏差的协同控制。
3.1.所设计的汽温协同控制系统20还包括调节子回路三13的协同指令子回路213，该回 路设计为交叉协同模式203，可通过机组负荷、锅炉中间点温度及蒸发受热面出口蒸汽焓 值107、锅炉下部蒸发受热面出口联箱蒸汽焓101、以及摆动燃烧器2倾角偏差的大小， 对不同给煤机3的调节子回路三13的输出进行限幅和偏置，改变不同燃烧喷嘴的负荷， 从而实现整个锅炉燃烧调节回路19的优化调整。
4.1.当相应调节子回路被置于协同状态时，其调节子回路中的调节器62可置于激活或跟 踪状态，并接受协同指令形成回路21的标准输出指令组态模块210的控制指令，当调节 器62为自动状态时，标准输出指令210将对调节器62输出进行单向或双向校正；当其设计为强制跟踪时，调节器62的输出将实时跟踪标准输出指令组态模块210的相应输出，以实现调节子回路重新投入自动时的无扰切换。
5.1.二次再热超超临界锅炉汽温协同控制系统由机组分散控制系统DCS得到的过程测点 和中间计算点，包括：机组负荷100、汽机机前压力110、锅炉给水流量107及锅炉给水 焓118、锅炉中间点温度107及蒸发受热面出口蒸汽焓值117、锅炉下部蒸发受热面出口联箱蒸汽焓101、一次和二次再热器入口蒸汽温度102、103、过热器、一次再热器、二 次再热器喷水阀后导前汽温114、115、116、锅炉总燃料量及各给煤机煤量信号109，以 及上述测点和中间计算点的变化率信号。
6.1.协同指令子回路211、212、213中的迫升33、34或迫降34、44逻辑均设计为与协同 置位逻辑36、37、38、48相同的自适应脉冲输出回路形式，并可以通过一个置位速率37和可调整脉冲时间38进行自适应调整，以实现分隔烟道调节挡板1和控制摆动燃烧器2 的平滑控制。
本发明的有益效果是：⑴通过采用塔式直流锅炉分隔烟道档板、摆动燃烧器和微量 喷水等多种汽温控制设备组合协同控制的方法，提高了二次再热超超临界锅炉再热汽温 控制的经济性、可靠性和灵活性；⑵提出了一种符合二次再热超超临界锅炉特点的燃水比动态校正方案；⑶通过采用具有自适应可调整脉冲的控制回路设计，提高了烟道档板 和摆动燃烧器等调节方式的控制平滑性；⑷通过不同层燃烧器负荷与摆动燃烧器倾角控 制的协同，在有效控制汽温的同时，提高了锅炉的燃烧效率；⑸汽温协同控制策略采用 标准化设计，可以在现有的单元机组分散控制系统中组态实现，调整方法简捷明了。
附图说明
图1是本发明的二次再热超超临界锅炉汽温协同控制系统的过程与仪表P&ID图；
图2是本发明的二次再热超超临界锅炉汽温协同控制系统的功能方框FBD图；
图3是本发明的二次再热超超临界锅炉汽温协同控制系统实施例的控制原理图；
图4是采用本发明的汽温协同控制系统协同子回路实施例的控制组态SAMA图。
具体实施方式
下面结合附图1～附图4来对本发明的实施例作详细说明，实施例在本发明的技术方案基础上给出了具体的系统结构和实现方法，但本发明保护范围不限于本实施例。
某电厂2×1000MW燃煤二次再热超超临界机组的设计参数为31MPa/600℃/610℃/610℃，锅炉采用塔式布置型式、中速磨直吹式制粉系统。其汽温协同控制系统的过程与仪表图(P&ID)如附图1所示：在塔式直流锅炉垂直烟道上部设计有分隔的烟道，分别 布置了一、二次低温再热器受热面，并在炉膛烟道出口安装有分隔烟道调节挡板1；锅炉 炉膛四角分别布置有一组摆动燃烧器2，采用高级复合式空气分级燃烧的摆动燃烧器2共 布置有六层24只可调节负荷的燃烧器组，每层的燃烧器组包括对应的燃料喷嘴和风门挡 板，分别与一台磨煤机组的给粉和送风管路相对应，层燃烧器的负荷可由对应的给煤机3 进行调节；过热器设计有二级喷水减温器及其喷水调节阀4；一次再热、二次再热器管路 中分别布置有事故和微量喷水减温器及其喷水调节阀5和6。
考虑到二次再热超超临界锅炉在滑压和不同负荷工况下的运行特性，除首次在塔式 直流锅炉中设计采用了分隔烟道挡板调节方式之外，还采用了本发明的技术方案，通过燃水比校正、摆动燃烧器、分隔烟道挡板、层燃烧器负荷偏置和再热微量喷水等汽温控 制设备的优化组合形式来实现二次再热超超临界锅炉汽温的协同控制。即在二次再热超 超临界锅炉的自动控制系统8中设计有锅炉汽温协同控制系统20，以及分别控制分隔烟 道调节挡板1开度的调节子回路一11、控制摆动燃烧器2倾角的调节子回路二12、控制 各个层燃烧器组3负荷的给煤机调节子回路三13、控制锅炉过热蒸汽喷水调节阀4开度 的调节子回路四14、控制一次再热蒸汽喷水调节阀5开度的调节子回路五15、控制二次 再热喷水调节阀6开度的调节子回路六16；锅炉自动控制系统8中还设计有锅炉燃水比 校正回路17、以及锅炉给水流量调节回路18和控制所有层燃烧器组负荷的锅炉燃烧主调 节回路19。
汽温协同控制系统20设计有协同指令形成回路21、自适应脉冲输出回路和协同模式切换逻辑回路22，其标准输出指令210包括迫升、迫降、闭锁增、闭锁减、双向闭锁 和连锁置位，分别作用于燃水比校正回路17和上述各调节子回路一～六11、12、13、14、 15、16、17、18，采用锅炉汽温控制设备的优化组合来灵活地实现二次再热超超临界锅 炉蒸汽温度的协同控制，附图2给出了该汽温协同控制系统的功能方框图。
附图3给出了在本实施例中调节子回路协同指令形成回路21和自适应脉冲输出回路 22的实现方法，各调节子回路的协同指令子回路(211、212、213、214、215、216、217、218)均可以通过采用DCS组态实现的标准输出指令210来实现分级协同模式201、平行 协同模式202、交叉协同模式203等不同的协同控制功能。
在本实施例中，过热汽温和常规一次再热超超临界塔式直流锅炉一样，也由燃水比 进行基准调节，也就是通常所说的粗调。并采用了现有技术的二次再热机组DBC直接能质平衡协调控制系统[27][28]计算产生的燃水比动态校正信号，该信号针对二次再热超超临界锅炉再热蒸汽部分吸热比例显著增加的特点，在协调控制系统10形成的机组负荷指令001和锅炉输入指令003基础上，考虑了各受热面吸热比例变化的动态补偿。在燃水比动 态校正信号基础上，本实施例在燃水比校正调节器的出口还增加了一个协同指令形成回 路21，当一次或二次再热器出口汽温超过设定阈值时，该回路21将闭锁燃水比校正信号 向扩大温度偏差的方向动作；同时，在变负荷工况下，也会闭锁其朝扩大过热器、再热 器出口汽温偏差的方向动作。当汽温越限且变化速率过大时，该回路21还会对燃水比校 正信号施加一个反向迫升或迫降的抑制作用，迫升或迫降值由一次和二次再热器出、入 口焓差与其设计值的偏差计算而得，以避免锅炉超温。
一次和二次再热器出、入口焓差分别由机组分散控制系统测得的压力和温度102、105；103、106求得。为了减少管道压降，再热管道中无流量测量装置，因此，本实施例 在再热器出入口焓差的计算中忽略了抽气流量的动态变化，以过热蒸汽流量和设计抽汽 量之差代替再热蒸汽流量，也可以通过中压汽轮机的压比信号对再热蒸汽流量的变化进 行进一步的修正。给水焓118由机组分散控制系统测得的压力和温度计算而得，并通过 锅炉蒸发受热面出口联箱焓101，中间点温度107及压力计算出蒸发受热面出口蒸汽焓值 117，从而计算出蒸发受热面蒸汽的焓增变化。实际焓增与以机组负荷100和锅炉设计煤 量相关的设计焓增的差值将形成协同指令形成回路21的修正曲线，该曲线可以通过仿真 计算获得，也可以通过现场试验进行整定。
采用本发明给出的技术方案，正常情况下协同指令形成回路21的输出不会影响燃水 比校正信号的变化，因此不会对过热汽温104的控制产生影响，保持了燃水比校正和过热汽温控制间的单一性。在燃水比校正的基础上，过热汽温104由两级喷水调节阀进行 控制。各级汽温调节回路都设计为独立控制，从而最大程度减少两侧出口汽温间的偏差。
在本实施例中，一次再热汽温105和二次再热汽温106均采用平行协同模式，摆动燃烧器12作为一、二次再热汽温的主要控制手段，由分隔烟气挡板11作为再热汽温的 协同调节手段。因此，调节子回路12的过程变量为一次再热汽温的平均值，调节子回路 11的过程变量为一、二次再热汽温的偏差；再热微量喷水和层燃烧器分别采用分级协同 模式；调节子回路12的输出将通过协同指令子回路212分别作用于各层燃烧器对应的给 煤机3和二次风门挡板，根据锅炉负荷及摆动燃烧器的倾角对各层燃烧器负荷施加偏置 和单项限幅；由于锅炉高温再热器趋前布置，强化了辐射传热，当再热汽温出现超温时， 该分级协同指令子回路还能够对上面层的燃烧器负荷进行动态迫降。
锅炉还设计有由调节子回路15控制的一级再热汽温微量/事故喷水调节阀5。正常时 该调节子回路将作为一次、二次再热汽温的分级协同调节手段，其设定值为在调节子回路11之上增加了一个偏置，即当汽温比运行正常值高出3～5℃时，一次再热喷水才作为 事故喷水投入。在本实施例中，调节子回路15的协同指令形成回路21设计了一次再热 汽温的微分校正功能，即当汽温变化速率超过阈值时，将通过迫升回路快速开启事故喷 水调节阀，即能防止再热蒸汽超温，也能避免控制分隔烟气挡板的调节子回路11由于偏 差大而过调。在MFT/FCB/RB时，该微分作用被闭锁，事故喷水调节阀将由超驰回路置 于全关。
当调节子回路11被切为手动，而调节子回路处于自动时，其温度设定点的偏置将由 协同指令形成回路21自动置为0，这时，喷水将切换为一次再热汽温的主要调节手段。
而控制燃烧器摆角的调节子回路12的过程变量218由一、二次再热汽温出口汽温偏 差计算而得。即调节子回路12设计为仅当一、二次再热汽温的偏差为同向时，摆动燃烧器的倾角才会进行调整，并且通过协同指令子回路212保证了超温方向的有效闭锁。一、 二次再热汽温的偏差还可以根据实际运行情况通过偏置设定进行调整。在层燃烧器投入 协同控制时，汽温偏差还可以根据协同指令子回路213进行校正，即正常时，可由层燃 烧器负荷偏置来调节再热汽温，仅当汽温偏差超过一定值时，摆动燃烧器才参与调节汽 温，这时摆动燃烧器倾角可采用具有模糊控制功能的自适应脉冲方式。
由于二次再热超超临界直流锅炉的过热汽温以及一、二次再热汽温本身存在强关联， 而且烟气侧的汽温调节均会不同程度地影响到各个汽温被控对象，因此以往一次再热锅 炉中通常采用的用其中一种控制设备及设计相对独立调节回路的方式，已经无法很好地 满足二次再热锅炉汽温控制的需要。本发明在保持传统调节子回路设计方案的基础上，通过各调节子回路间的协同控制作用，有效地实现了多耦合控制对象间的交叉补偿。同 时可以根据调节子回路的实际工作状态，灵活地实现设计为主辅协同作用和分级协同功 能的不同控制设备的协同和切换。针对分隔烟道挡板及摆动燃烧器等被控对象本身存在 的迟延大、回差大的难题，设计采用了具有自适应能力的脉冲调节方式，提高了调节子 回路的控制品质。
本实施例的全部控制方案均可在机组分散控制系统DCS中采用标准控制算法组态实现，物理意义明晰，现场调试、调整便捷明了。

Claims (12)

1.一种二次再热超超临界锅炉汽温协同控制系统，其中锅炉过热和一、二次再热蒸汽系统的主要工艺流程及汽温控制设备包括：炉膛垂直烟道上部分置了一次和二次低温再热受热面的分隔烟道及其分隔烟道调节挡板(1)；布置于锅炉炉膛四角的倾角可调摆动燃烧器(2)，每个燃烧器包括对应的复合低NOx燃料器喷嘴和风门挡板，可通过对应的给煤机/磨煤机组(3)调节各层燃烧器喷嘴的入炉煤量；过热器和一次再热、二次再热器管路中分别布置有喷水减温器及其喷水调节阀(4)、(5)、(6)；在锅炉自动控制系统(8)中分别设计有控制分隔烟道调节挡板(1)开度的调节子回路一(11)、控制摆动燃烧器(2)倾角的调节子回路二(12)、控制各台给煤机/磨煤机组(3)给煤量的调节子回路三(13)、控制锅炉过热蒸汽喷水调节阀(4)开度的调节子回路四(14)、控制一次再热蒸汽喷水调节阀(5)开度的调节子回路五(15)、控制二次再热蒸汽喷水调节阀(6)开度的调节子回路六(16)；锅炉自动控制系统(8)中还设计有机炉协调控制系统(10)、锅炉燃水比校正回路(17)以及锅炉给水流量调节回路(18)和控制锅炉负荷的锅炉燃烧主调节回路(19)；其特征在于：锅炉自动控制系统(8)中还设计有一个汽温协同控制系统(20)，可以通过上述控制回路及其汽温调节设备的优化组合模式来分别实现过热汽温(104)、一次再热汽温(105)和二次再热汽温(106)被控对象的协同控制；汽温协同控制系统(20)包括协同指令形成回路(21)和协同模式切换逻辑回路(22)，其控制输出和控制逻辑分别作用于上述调节子回路一～六(11、12、13、14、15、16)和燃水比校正回路(17)，从而完成上述汽温控制设备及其优化组合模式的协同控制，其功能具体是由以下方法和步骤实现的：
1.1.在调节子回路(11、12、13、14、15、16、17、18)中均设计有协同指令形成回路(21)的协同指令子回路(211、212、213、214、215、216、217、218)和分别置于上述各调节子回路中的标准输出指令组态模块(210)，从而分别实现上述各调节子回路的协同控制功能；
1.2.协同指令形成回路(21)标准输出指令组态模块(210)包括置于各调节子回路(11、12、13、14、15、16、17、18)中的设定值偏置(31)；协同前馈信号(32)、闭锁加(45)、闭锁减(46)、迫升(33、43)、迫降(34、44)指令；以及调节子回路(11、12)协同超驰指令组态模块(221、222)的协同置位指令((36、37、38)和控制逻辑输入(47、48、49)；
1.3.协同指令子回路(211、212、213、214、215、216、217、218)将根据由机组分散控制系统DCS得到的过程测点和中间计算点，分别完成不同协同逻辑的计算处理，并通过1.2.所述的标准输出指令组态模块(210)和协同超驰指令组态模块(221、222)作用于相应的调节子回路(11、12、13、14、15、16、17)；
1.4.协同指令子回路(211、212、213、214、215、216、217、218)又设计分为分级协同模式(201)、平行协同模式(202)和交叉协同模式(203)，从而使得两种或两种以上的汽温控制设备及其调节子回路可以同时参与过热器出口汽温(104)、一次再热器出口汽温(105)或二次再热器出口汽温(106)的协同控制，或实现过热器出口汽温(104)、一次再热器出口汽温(105)及二次再热器出口汽温(106)调节子回路的动态解耦。
2.如权利要求1所述的一种二次再热超超临界锅炉汽温协同控制系统，其特征在于：所述的分级协同模式(201)是指将两种汽温控制设备设计为正常时由其中一个的调节子回路作为主要调节子回路负责控制过热汽温(104)、一次再热汽温(105)或二次再热汽温(106)以保持其运行设定值，另外一个备用调节回路则在过热汽温(104)、一次再热汽温(105)或二次再热汽温(106)的控制偏差超过协同指令子回路(211、212、213、214、215、216、217、218)计算出的阈值时，才投入进行调节；分级协同模式(201)是通过对应调节子回路的设定值偏置(31)或协同前馈信号(32)的可调整死区实现的，当主要调节子回路退出自动状态时，备用调节子回路将无扰切换成为主要调节子回路。
3.如权利要求1所述的一种二次再热超超临界锅炉汽温协同控制系统，其特征在于：所述的平行协同模式(202)是指将两种或两种以上的汽温控制设备设计为同时承担过热器出口汽温(104)、一次再热器出口汽温(105)或二次再热器出口汽温(106)的控制，且其中一种调节子回路置于自动状态时，另外一种调节子回路可处于协同状态，从而能够在调节汽温的同时确保二次再热超超临界锅炉的运行经济性，平行协同模式(202)可以通过相应的协同指令子回路(211、212、213、214、215、216、217、218)中的协同前馈信号(32)、闭锁加(45)、闭锁减(46)、迫升(33、34)、迫降(34、44)方式实现。
4.如权利要求1所述的一种二次再热超超临界锅炉汽温协同控制系统，其特征在于：所述的交叉协同模式(203)是指在承担过热汽温(104)、一次再热汽温(105)或二次再热汽温(106)控制功能的调节子回路中，设计了与承担另外一种汽温被控对象(104或105或106)控制功能的调节子回路间的关联，交叉协同模式(203)也是通过协同控制子逻辑回路(211、212、213、214、215、216、217、218)中的协同前馈(32)、输出保持(45和46)、闭锁加(45)、闭锁减(46)、迫升(33、34)、迫降(34、44)功能来实现的。
5.如权利要求1所述的一种二次再热超超临界锅炉汽温协同控制系统，其特征在于：除常规调节子回路中设计的自动和手动状态之外，汽温协同控制系统(20)设计有协同状态；协同状态由协同模式切换逻辑回路(22)生成，并分别输出到调节子回路(11、12、15、16、17、18)的手自动方式切换逻辑或软操作器界面；上述调节子回路(11、12、15、16、17、18)设计为平行协同模式(202)时，同时只能有一个调节子回路处于自动状态，但另外一个调节子回路可处于协同状态；当另外的一个调节子回路切换至自动状态时，原处于自动状态的调节子回路将自动切换为协同状态；运行操作人员也可以通过软操作器界面将原处于手动状态的调节子回路置为协同状态，或将处于协同状态的调节子回路切至手动状态。
6.如权利要求1所述的一种二次再热超超临界锅炉汽温协同控制系统，其特征在于：所述的过热汽温控制设备的优化组合模式及汽温协同控制功能具体是由以下步骤实现的：
6.1.过热器出口汽温(104)的控制由燃水比校正回路(17)和喷水调节子回路(14)协同完成；其中锅炉给水流量调节回路(18)和锅炉燃烧调节回路(19)接受机炉协调控制系统(10)的指令并由锅炉燃水比校正回路(17)根据锅炉蒸发受热面焓差或中间点温度对其进行校正，从而实现过热汽温的粗调；锅炉燃水比校正回路(17)还包括一个协同指令子回路(217)，该回路设计为交叉协同模式(203)，可以根据过热、一次和二次再热汽温的温差或出入口焓差对锅炉燃水比校正回路(17)的控制输出进行限幅、闭锁或动态迫升、迫降校正；
6.2.在6.1.的燃水比粗调基础上，过热器出口汽温(104)由调节子回路四(14)自动控制，其中调节子回路四(14)还包括一个协同指令子回路(214)，在锅炉大幅度变负荷或事故工况下，可对调节子回路四(14)的输出实施超驰控制，其优先级仅低于锅炉保护逻辑产生的联锁指令。
7.如权利要求1所述的一种二次再热超超临界锅炉汽温协同控制系统，其特征在于：所述的一次再热汽温控制设备的优化组合模式及汽温协同控制功能具体是由以下步骤实现的：一次再热器出口汽温(105)各调节子回路的协同指令子回路(211)与(212)、(215)采用平行协同模式(202)和分级协同模式(201)；正常时其出口温度平均值由调节子回路一(11)控制；同时调节子回路二可以采用协同状态参与其正常调节；当调节子回路一(11)和调节子回路二(12)处于手动状态时，锅炉一次再热汽温(105)还可以由调节子回路五(15)自动控制，通过协同指令子回路(215)的标准输出指令(210)，实现汽温设定值偏置的自动修正和两侧汽温偏差的协同控制，调节子回路三(13)也可由汽温协同控制系统(20)的协同指令子回路(213)参与一次再热器出口汽温的调节，从而实现锅炉的燃烧优化调整。
8.如权利要求1所述的一种二次再热超超临界锅炉汽温协同控制系统，其特征在于：所述的二次再热汽温控制设备的优化组合模式及汽温协同控制功能具体是由以下步骤实现的：二次再热器出口汽温(106)设计为由调节子回路一(11)或调节子回路二(12)自动控制，其协同指令子回路(211或212)根据一次再热汽温主要调节子回路设计为可选择交叉协同模式(203)或平行协同模式(202)，即二次再热器出口汽温(106)的主要调节子回路将根据一次再热器出口汽温的主要调节子回路输出进行动态解耦，该功能是通过对应协同指令子回路中的闭锁加(45)、闭锁减(46)指令实现的；当调节子回路一(11)或调节子回路二(12)均为手动或协同状态时，锅炉二次再热器出口汽温还可由调节子回路六(16)进行控制，并可以通过协同指令子回路(216)实现汽温设定值偏置的自动修正和两侧汽温偏差的协同控制。
9.如权利要求1所述的一种二次再热超超临界锅炉汽温协同控制系统，其特征在于：所述的汽温协同控制系统(20)还包括调节子回路三(13)的协同指令子回路(213)，该回路设计为交叉协同模式(203)，可通过机组负荷、锅炉中间点温度及蒸发受热面出口蒸汽焓值(107)、锅炉下部蒸发受热面出口联箱蒸汽焓(101)、以及摆动燃烧器(2)倾角偏差的大小，对不同给煤机(3)的调节子回路三(13)的输出进行限幅和偏置，改变不同燃烧喷嘴的负荷，从而实现整个锅炉燃烧调节回路(19)的优化调整。
10.如权利要求1所述的一种二次再热超超临界锅炉汽温协同控制系统，其特征在于：当相应调节子回路被置于协同状态时，其调节子回路中的调节器(62)可置于激活或跟踪状态，并接受协同指令形成回路(21)的标准输出指令组态模块(210)的控制指令，当调节器(62)为自动状态时，标准输出指令(210)将对调节器(62)输出进行单向或双向校正；当其设计为强制跟踪时，调节器(62)的输出将实时跟踪标准输出指令组态模块(210)的相应输出，以实现调节子回路重新投入自动时的无扰切换。
11.如权利要求1所述的一种二次再热超超临界锅炉汽温协同控制系统，其特征在于：步骤1.3所述的由机组分散控制系统DCS得到的过程测点和中间计算点包括：机组负荷(100)、汽机机前压力(110)、锅炉给水流量(107)及锅炉给水焓(118)、锅炉中间点温度(107)及蒸发受热面出口蒸汽焓值(117)、锅炉下部蒸发受热面出口联箱蒸汽焓(101)、一次和二次再热器入口蒸汽温度(102、103)、过热器、一次再热器、二次再热器喷水阀后导前汽温(114、115、116)、锅炉总燃料量及各给煤机煤量信号(109)，以及上述测点和中间计算点的变化率信号。
12.如权利要求1所述的一种二次再热超超临界锅炉汽温协同控制系统，其特征在于：协同指令子回路(211、212、213)中的迫升(33、34)或迫降(34、44)逻辑均可以设计为与协同置位逻辑(36、37、38、48)相同的自适应脉冲输出回路形式，并可以通过一个置位速率(37)和可调整脉冲时间(38)进行自适应调整，以实现分隔烟道调节挡板(1)和控制摆动燃烧器(2)的平滑控制。
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