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摘 要：本文介绍了直流锅炉给水系统的结构及其特点，并且从控制原理及控制策略两个方面入手分析了超临界机组给水控制系统。通过分析各个受控对象之间的相互作用、基于中间点焓值的给水控制系统的调节过程与运行中所暴露的问题，给出相应的优化策略。基于上述进行仿真研究，通过仿真结果表明该给水控制策略能够有效提升系统的调节品质，保持主要调节参数品质优良，安全性和经济性得到了可靠的保证。
关键词：给水控制系统；超临界；直流炉；中间点焓值；仿真运行。
0 引言：
对于超临界机组给水控制系统，其主要功能包括：保持燃水比稳定、对过热蒸汽温度进行粗调、满足负荷响应，是超临界机组锅炉控制系统中较为复杂的子回路。
为保证给水控制系统能做到安全稳定、节能运行，最终能较完善地完成负荷指令响应。根据超临界直流炉给水控制系统的特点，通过分析超临界机组给水自动控制系统常用的基于中间点温度校正和基于中间点焓值校正控制两种方法的优缺点，提出了采用中间点焓值校正的给水控制策略。
1 超临界机组给水控制系统的特点：
在现代超临界机组的给水控制系统中，关键是通过控制燃水比来达到对过热汽温的控制。超临界机组锅炉给水在由液态转化为过热蒸汽的过程中在各个工段中的受热面之间没有固定的分界线，汽水分界线随着运行工况的变化而变化，从而保证合适的燃水比对超临界直流炉是至关重要的。在直流炉中，工质在机组内的循环速度上升，直接做功的蒸汽质量与机组循环工质总质量的比值很高。这就要求给水控制系统应更为严格地保持工作负荷与燃烧速率之间的关系，严格地保持燃水比的稳定。这种平衡关系不仅是稳态下的平衡，而且应保持动态下的平衡。当燃水比失调时，出口过热蒸汽温度会产生显著的变化，这将严重影响机组的安全运行。当燃水比稳定时，汽水行程中某一点工质的焓值就维持不变，进而可保持分离器出口得汽温在稳定值之内。
2 超临界机组给水控制方式比较：
给水控制的目的是确保炉膛受热面保持热量平衡，并由此来保持一定的燃水比。过热汽温对燃料量和给水量的扰动都有很大的延迟，必须要有提前反映燃料量和给水量扰动的汽温信号，这个信号就是中间点温度。
基于中间点温度与中间点焓值作为燃水比的反馈信号，二者相比，中间点焓值在灵敏度和线性度方面具有明显的优势。由水和蒸汽的热力性质可知：蒸汽的过热度越低，热焓、压力、温度间关系的非线性度越强，特别是在亚临界压力下的饱和区附近，这时非线性度更强。在过热度低的区域，当增加或减少同等给水量时，焓值变化的正负向数值大体相等，但中间点温度的正负向数变化量则明显不等。如果中间点温度低到接近饱和区，给水量的扰动可引起明显的焓值变化，但温度变化却很小。汽水分离器出口处的微过热蒸汽焓值，对燃水比扰动的响应曲线是单调的，响应近似于一阶惯性环节。
因此本文拟采用中间点焓值作为给水控制回路的给水量修正信号，选择中间点焓值有利于稳定过热汽温，并以此作为直流锅炉给水控制系统的重要修正信号。基于此方法除了对燃水比失调反映快，系统校正迅速等优点外，由于焓值代表了过热蒸汽的做功能力，随工况改变焓值的设定值不但有利于负荷控制，而且也能实现过热汽温的粗调。同时焓值的物理概念明确，用"焓增"来分析各受热面的吸热更为科学。它不仅受温度变化影响，还受压力变化影响，在低负荷压力升高时，焓值的变化明显有助于判断，进而系统能及时采取相应的措施。
3 给水控制策略的形成：
直流锅炉的协调控制系统对象结构模型可简化为一个三输入三输出系统，输入量为燃料量M(%)、汽轮机调门开度μT(%)、给水流量W(%)；输出量为机前压力PT(MPa)、机组负荷ND(MW)、分离器出口蒸汽焓值H(kJ/kg)。而超临界机组的给水控制既承担着过热蒸汽焓值控制，又与负荷控制密不可分，是超临界机组整个控制系统的核心和难点。
3.1 给水控制系统原理：
在超临界机组给水控制系统工程应用中，对一两个主要的扰动采用前馈补偿，而对其它引起被调参数变化的干扰采用反馈控制来调节，进而组成前馈-反馈复合控制系统。前馈-反馈复合控制系统综合发挥了前馈调节及时的优点和反馈控制对各种扰动因素都有抑制作用的长处。其控制原理如图2-1所示：
图2-1 前馈-反馈控制原理图
分离器湿态运行时，给水控制的任务是保证最小安全流量和维持储水罐的正常水位。分离器干态运行时，给水控制的任务是通过快速的水煤比控制和精确的汽水分离器出口微过热蒸汽焓值控制来保证水煤比稳定，进而保证过热蒸汽温度稳定。由超临界直流炉的汽水流程可知，分离器出口温度信号能够提前反应燃烧状况，并且相对容易测量，将其引入给水控制系统，能够提高系统控制的准确性和快速性，减少系统的振荡。本文拟以燃料量作为协调控制系统的主动控制量，调节负荷或机前压力；以给水量作为从动调节量来调节中间点焓值，保证燃水比。同时为了使给水温度对中间点焓值的影响为零，在PID控制器之后加入一个补偿环节，用以提前调节因给水温度变化使中间点焓值发生变化所要改变的给水量，从而避免了等到中间点焓值发生较大变化时才对给水流量进行调节。
基于上述思想所形成的超临界机组给水系统原理图如图2-2：
图2-2 给水控制系统原理图
从图2-2中看出，上述原理是根据汽水分离器出口的微过热蒸汽焓值来判别水煤比是否失调，采用微过热蒸汽的焓值作为指令修正信号以调节给水流量指令，能够保证主蒸汽温度为给定值。在机组正常运行的状态下直流锅炉的给水流量基本与锅炉的主汽流量相同，所以给水流量调节回路起到了控制锅炉的总给水平衡，并使汽水分离器出口蒸汽温度变化在一定范围内的作用。
3.2 给水控制指令：
基于上述原理，由此形成的给水指令如下：
W=f1(ND)+f2[GPID(k1ΔND+k2ΔPT)]+GPI(ΔH)
式中，ND为负荷指令；GPI、GPID为调节器算法；k1～k2为负荷——汽压分量的配比系数；f1(x)为超前指令函数； f2(x)为煤水分配函数。 由图2-3可以看出，给水指令的形成：
1、引入锅炉主控输出作为前馈量，总燃料量通过函数发生器f(x)折算出给水指令。当功率指令变化时，燃煤转化为热量需要经过较长时间，同时给水量响应也存在滞后性，为了避免由于两者变化不同步所造成的输出参数的波动，在机组锅炉主控指令后增加延迟环节以进行调整，时间设定为8s，使燃料量与给水量保持同步;
2、采用分离器出口处蒸汽焓值作为给水控制对象的修正量。当给水量或燃料量扰动时，汽水行程中各点工质焓值的动态特性相似；在锅炉的燃水比保持不变时，汽水行程中某点工质的焓值保持不变，以此来校正燃水比。中间点焓值对燃水比扰动的响应较快且近似于一阶惯性环节，响应曲线是单调的;
3、通过汽水分离器出口温度和主汽压力计算得出分离器出口焓值与负荷指令得出汽水分离器出口焓值的偏差然后进行PID运算，并引入一级减温器前后温差控制器对设计焓值进行修正；
4、负荷指令经函数发生模块，得到热量总需求，对省煤器给水流量做出修正。
4 控制仿真：
基于MATLAB/SIMULINK软件，对上述控制系统策略进行仿真，仿真系统图如图4-1所示。
图4-1 给水控制系统仿真图
将整定出的PID控制器的参数以及所需的传递函数带入到上图所示的仿真图中，进行仿真。经过调整，得出PID控制参数为：kp=3.5；1/Ti=0.00833；TD=25。
由此得出控制器模型为：
WR(s)=kp(1+1/Tis+TDs)=3.5(1+0.00833/s+25s)；
在系统启动运行时，给水量设定为986t/h；经过仿真运行，其运行图如图4-2所示：
图4-2 无扰动给水曲线
由图4-2可以看出给水指令可以维持在1030t/h上，指令曲线平稳。
在300秒时加入给水温度扰动，燃料量与负荷指令保持定值，其生成的指令曲线如图3-3所示：
图4-3 有扰动时给水指令曲线
由图可以看出在300秒时加入扰动，给水指令曲线在150秒内恢复稳定，由上述给水指令原理图所形成的给水指令稳定有效。
5 结论分析：
给水系统虽然仅仅是机组的一个子系统，但其在整个机组中发挥着非常重要的作用。它不仅要向锅炉输送合格的工质，而且担负着保证机组稳定运行的任务。
超临界锅炉在定工况下必须维持燃水比为一定数值，以保证机组的稳定运行；而在工况发生变化时，又必须使该比率按一定规律变化，以便得到稳定的控制，对超临界机组给水控制系统的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本文研究了近几年发展起来的超临界机组给水控制系统，采用了基于中间点焓值控制给水的策略，并研究了前馈-反馈控制用于改进常规PID控制器的控制策略。
由于超临界机组采用的是直流炉，给水、汽温、燃烧系统是密切相关的，应该作为整体进行控制。中间点工质的焓值在反映燃水比的变化方面具有较好的代表性，对煤水比失调的反映灵敏度高，有利于及时修正给水量。由仿真运行结果表明，该给水控制策略具有很强的有效性与实用性。
参考文献：
[1]胡武奇，忻建华，叶敏．600MW超临界锅炉基于中间点焓校正的给水控制系统．能源技术．2008，29（3）；
[2]彭小溪．超临界直流炉中间点温度运行调节探讨．华北电力技术．2007（12）；
[3]宋兆星，王玉山．600MW超临界机组给水控制系统的设计及应用．华北电力技术．2007（1）；
[4]杨凯翔．超临界机组控制特性和控制策略分析．中国电力，2007，40(7)；
[5]冯英山，龙昌悦，邓庆林等.600MW超临界机组燃水比控制失调原因分析及处理措施.黑龙江电力，2007，29(3)；
[6]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真.北京：电子工业出版社，2004.9
作者简介：
李小宁（1984-），男，汉族，内蒙古乌兰察布人，内蒙古工业大学研究生，主要研究方向为火电厂热工自动化。
关键词：给水控制系统；超临界；直流炉；中间点焓值；仿真运行。
0 引言：
对于超临界机组给水控制系统，其主要功能包括：保持燃水比稳定、对过热蒸汽温度进行粗调、满足负荷响应，是超临界机组锅炉控制系统中较为复杂的子回路。
为保证给水控制系统能做到安全稳定、节能运行，最终能较完善地完成负荷指令响应。根据超临界直流炉给水控制系统的特点，通过分析超临界机组给水自动控制系统常用的基于中间点温度校正和基于中间点焓值校正控制两种方法的优缺点，提出了采用中间点焓值校正的给水控制策略。
1 超临界机组给水控制系统的特点：
在现代超临界机组的给水控制系统中，关键是通过控制燃水比来达到对过热汽温的控制。超临界机组锅炉给水在由液态转化为过热蒸汽的过程中在各个工段中的受热面之间没有固定的分界线，汽水分界线随着运行工况的变化而变化，从而保证合适的燃水比对超临界直流炉是至关重要的。在直流炉中，工质在机组内的循环速度上升，直接做功的蒸汽质量与机组循环工质总质量的比值很高。这就要求给水控制系统应更为严格地保持工作负荷与燃烧速率之间的关系，严格地保持燃水比的稳定。这种平衡关系不仅是稳态下的平衡，而且应保持动态下的平衡。当燃水比失调时，出口过热蒸汽温度会产生显著的变化，这将严重影响机组的安全运行。当燃水比稳定时，汽水行程中某一点工质的焓值就维持不变，进而可保持分离器出口得汽温在稳定值之内。
2 超临界机组给水控制方式比较：
给水控制的目的是确保炉膛受热面保持热量平衡，并由此来保持一定的燃水比。过热汽温对燃料量和给水量的扰动都有很大的延迟，必须要有提前反映燃料量和给水量扰动的汽温信号，这个信号就是中间点温度。
基于中间点温度与中间点焓值作为燃水比的反馈信号，二者相比，中间点焓值在灵敏度和线性度方面具有明显的优势。由水和蒸汽的热力性质可知：蒸汽的过热度越低，热焓、压力、温度间关系的非线性度越强，特别是在亚临界压力下的饱和区附近，这时非线性度更强。在过热度低的区域，当增加或减少同等给水量时，焓值变化的正负向数值大体相等，但中间点温度的正负向数变化量则明显不等。如果中间点温度低到接近饱和区，给水量的扰动可引起明显的焓值变化，但温度变化却很小。汽水分离器出口处的微过热蒸汽焓值，对燃水比扰动的响应曲线是单调的，响应近似于一阶惯性环节。
因此本文拟采用中间点焓值作为给水控制回路的给水量修正信号，选择中间点焓值有利于稳定过热汽温，并以此作为直流锅炉给水控制系统的重要修正信号。基于此方法除了对燃水比失调反映快，系统校正迅速等优点外，由于焓值代表了过热蒸汽的做功能力，随工况改变焓值的设定值不但有利于负荷控制，而且也能实现过热汽温的粗调。同时焓值的物理概念明确，用"焓增"来分析各受热面的吸热更为科学。它不仅受温度变化影响，还受压力变化影响，在低负荷压力升高时，焓值的变化明显有助于判断，进而系统能及时采取相应的措施。
3 给水控制策略的形成：
直流锅炉的协调控制系统对象结构模型可简化为一个三输入三输出系统，输入量为燃料量M(%)、汽轮机调门开度μT(%)、给水流量W(%)；输出量为机前压力PT(MPa)、机组负荷ND(MW)、分离器出口蒸汽焓值H(kJ/kg)。而超临界机组的给水控制既承担着过热蒸汽焓值控制，又与负荷控制密不可分，是超临界机组整个控制系统的核心和难点。
3.1 给水控制系统原理：
在超临界机组给水控制系统工程应用中，对一两个主要的扰动采用前馈补偿，而对其它引起被调参数变化的干扰采用反馈控制来调节，进而组成前馈-反馈复合控制系统。前馈-反馈复合控制系统综合发挥了前馈调节及时的优点和反馈控制对各种扰动因素都有抑制作用的长处。其控制原理如图2-1所示：
图2-1 前馈-反馈控制原理图
分离器湿态运行时，给水控制的任务是保证最小安全流量和维持储水罐的正常水位。分离器干态运行时，给水控制的任务是通过快速的水煤比控制和精确的汽水分离器出口微过热蒸汽焓值控制来保证水煤比稳定，进而保证过热蒸汽温度稳定。由超临界直流炉的汽水流程可知，分离器出口温度信号能够提前反应燃烧状况，并且相对容易测量，将其引入给水控制系统，能够提高系统控制的准确性和快速性，减少系统的振荡。本文拟以燃料量作为协调控制系统的主动控制量，调节负荷或机前压力；以给水量作为从动调节量来调节中间点焓值，保证燃水比。同时为了使给水温度对中间点焓值的影响为零，在PID控制器之后加入一个补偿环节，用以提前调节因给水温度变化使中间点焓值发生变化所要改变的给水量，从而避免了等到中间点焓值发生较大变化时才对给水流量进行调节。
基于上述思想所形成的超临界机组给水系统原理图如图2-2：
图2-2 给水控制系统原理图
从图2-2中看出，上述原理是根据汽水分离器出口的微过热蒸汽焓值来判别水煤比是否失调，采用微过热蒸汽的焓值作为指令修正信号以调节给水流量指令，能够保证主蒸汽温度为给定值。在机组正常运行的状态下直流锅炉的给水流量基本与锅炉的主汽流量相同，所以给水流量调节回路起到了控制锅炉的总给水平衡，并使汽水分离器出口蒸汽温度变化在一定范围内的作用。
3.2 给水控制指令：
基于上述原理，由此形成的给水指令如下：
W=f1(ND)+f2[GPID(k1ΔND+k2ΔPT)]+GPI(ΔH)
式中，ND为负荷指令；GPI、GPID为调节器算法；k1～k2为负荷——汽压分量的配比系数；f1(x)为超前指令函数； f2(x)为煤水分配函数。 由图2-3可以看出，给水指令的形成：
1、引入锅炉主控输出作为前馈量，总燃料量通过函数发生器f(x)折算出给水指令。当功率指令变化时，燃煤转化为热量需要经过较长时间，同时给水量响应也存在滞后性，为了避免由于两者变化不同步所造成的输出参数的波动，在机组锅炉主控指令后增加延迟环节以进行调整，时间设定为8s，使燃料量与给水量保持同步;
2、采用分离器出口处蒸汽焓值作为给水控制对象的修正量。当给水量或燃料量扰动时，汽水行程中各点工质焓值的动态特性相似；在锅炉的燃水比保持不变时，汽水行程中某点工质的焓值保持不变，以此来校正燃水比。中间点焓值对燃水比扰动的响应较快且近似于一阶惯性环节，响应曲线是单调的;
3、通过汽水分离器出口温度和主汽压力计算得出分离器出口焓值与负荷指令得出汽水分离器出口焓值的偏差然后进行PID运算，并引入一级减温器前后温差控制器对设计焓值进行修正；
4、负荷指令经函数发生模块，得到热量总需求，对省煤器给水流量做出修正。
4 控制仿真：
基于MATLAB/SIMULINK软件，对上述控制系统策略进行仿真，仿真系统图如图4-1所示。
图4-1 给水控制系统仿真图
将整定出的PID控制器的参数以及所需的传递函数带入到上图所示的仿真图中，进行仿真。经过调整，得出PID控制参数为：kp=3.5；1/Ti=0.00833；TD=25。
由此得出控制器模型为：
WR(s)=kp(1+1/Tis+TDs)=3.5(1+0.00833/s+25s)；
在系统启动运行时，给水量设定为986t/h；经过仿真运行，其运行图如图4-2所示：
图4-2 无扰动给水曲线
由图4-2可以看出给水指令可以维持在1030t/h上，指令曲线平稳。
在300秒时加入给水温度扰动，燃料量与负荷指令保持定值，其生成的指令曲线如图3-3所示：
图4-3 有扰动时给水指令曲线
由图可以看出在300秒时加入扰动，给水指令曲线在150秒内恢复稳定，由上述给水指令原理图所形成的给水指令稳定有效。
5 结论分析：
给水系统虽然仅仅是机组的一个子系统，但其在整个机组中发挥着非常重要的作用。它不仅要向锅炉输送合格的工质，而且担负着保证机组稳定运行的任务。
超临界锅炉在定工况下必须维持燃水比为一定数值，以保证机组的稳定运行；而在工况发生变化时，又必须使该比率按一定规律变化，以便得到稳定的控制，对超临界机组给水控制系统的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本文研究了近几年发展起来的超临界机组给水控制系统，采用了基于中间点焓值控制给水的策略，并研究了前馈-反馈控制用于改进常规PID控制器的控制策略。
由于超临界机组采用的是直流炉，给水、汽温、燃烧系统是密切相关的，应该作为整体进行控制。中间点工质的焓值在反映燃水比的变化方面具有较好的代表性，对煤水比失调的反映灵敏度高，有利于及时修正给水量。由仿真运行结果表明，该给水控制策略具有很强的有效性与实用性。
参考文献：
[1]胡武奇，忻建华，叶敏．600MW超临界锅炉基于中间点焓校正的给水控制系统．能源技术．2008，29（3）；
[2]彭小溪．超临界直流炉中间点温度运行调节探讨．华北电力技术．2007（12）；
[3]宋兆星，王玉山．600MW超临界机组给水控制系统的设计及应用．华北电力技术．2007（1）；
[4]杨凯翔．超临界机组控制特性和控制策略分析．中国电力，2007，40(7)；
[5]冯英山，龙昌悦，邓庆林等.600MW超临界机组燃水比控制失调原因分析及处理措施.黑龙江电力，2007，29(3)；
[6]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真.北京：电子工业出版社，2004.9
作者简介：
李小宁（1984-），男，汉族，内蒙古乌兰察布人，内蒙古工业大学研究生，主要研究方向为火电厂热工自动化。