超超临界机组热量信号构造研究

1 热量信号构造
1.1 水冷壁金属的蓄热量
    炉膛中热能的转换过程为燃料燃烧释放的热能传递给水冷壁金属管壁，再由金属管壁将热量传递给水，并将水加热蒸发的过程。热能的转换过程中，由于水冷壁的热容性，一部分热量存储在金属及介质中，成为水冷壁蓄热[l]。直接能量平衡(DEB)控制中，该蓄热量主要表现在燃烧系统对象特性的动态响应时间上：
          
式中： q_js为水冷壁金属的蓄热量，kJ；G_js为水冷壁金属总质量，kg; C_js为水冷壁金属的比热容，kJ/(kg·℃);  饱和温度随压力的变化率，℃／MPa。
1.2 水冷壁总的吸热量
    煤燃烧释放的热量被锅炉受热面吸收，由于锅炉的各个受热面在炉膛的位置不同，因此其吸收的热量也不同，从某电厂得到的数据表明，水冷壁的吸热比例在直流负荷范围内占55 %~65%[2]。由于水冷壁吸热量的变化主要取决于变压运行中参数的变化和水煤比的调节，低负荷时水冷壁工作在亚临界压力范围，需要吸收更多的蒸发热量，吸热比例的变化大致为10%；进入超临界压力范围运行后，水冷壁工质比热容随压力和温度升高逐渐减小，尽管蒸汽流量增加，总吸热比例呈下降趋势，吸热比例的变化大致为3％。
    根据能量守恒原理，水冷壁动态热平衡方程为：Q_sdt+h₀D_kdt= h₁D_kdt+dq_js       (2) 
式中，Q_s为单位时间内水冷壁吸热量，kJ/s;D0为锅炉给水流量，kg/S;D_k为水冷壁出口蒸汽流量，kg/s;h₀为锅炉给水(省煤器出口焓值，kJ/kg; h₁为水冷壁出口工质焙值，kJ/kg。
    正常情况下，锅炉给水流量与水冷壁出口蒸汽流量相同，即Dk=D0，则有： 
    Q_sdt=(h₁-h₀)D₀dt+dq_js       (3)
    从式(3)可以看出，单位时间内水冷壁吸热量是水冷壁中工质吸热量和水冷壁金属蓄热量之和。
1.3 热量信号的确定
    设Q为单位时间内的煤燃烧总放热量，f(x)为在不同负荷下水冷壁的吸热比例，由式(4): 
      Q=Qs/f(x)              (4) 
可以确定机组的热量信号。
    图1是某超超临界1000MW机组锅炉在不同负荷下水冷壁的吸热比例。
          
    拉格朗日插值公式为：
     
式中：x为负荷，MW; y为x负荷时水冷壁所占的吸热比例，其函数关系y=f(x)。利用拉格朗日插值法[3]和过n+1个不同点从(x₀，y₀)，从(x₁, y₁)，从(x₂，y₂)，…，M_n(x_n，y_n)的n次代数，L_n(x)近似地代替y=f(x)。点M₁, M₂，…，Mn所代表的数值从图1中可以确定：
    y＝f(x)=L,(x)＝-0.0002x+0.6838       (6) 
由式（1）~式（6）可确定机组的热量信号Q。
2  热量信号的验证
    热量信号仅反映了燃烧率的变化（内扰），而未反映负荷的变化（外扰）。当燃烧率扰动时，Q应成正比例变化；当汽轮机耗汽量变化时，只要进入炉膛的燃料量不变，Q就不变化。否则，就失去了热量信号代替实际燃烧的意义。
        
    以某电厂超超临界1000 MW机组锅炉为例，给出燃料量阶跃扰动和汽轮机调节汽阀阶跃扰动的情况（图 2）。图2(a)中，由D和2条曲线叠加得出Q曲线，其中D为蒸汽流量，p_b为汽水分离器出口压力，Q与燃料量B成正比例变化。在图2(b)中，D和2条曲线叠加后，互相抵消，得出Q不随D的变化而变化，是一条与坐标轴重合的水平线。          
    图2中，D和的配合，满足了热量信号只代表燃料量和反映燃烧率内扰的要求。
            
    在机组负荷扰动试验中，本文计算方法所得热量信号与DEB热量信号的对比见图3。图3中机组负荷升、降速率为35MW/min，测出不同负荷下锅炉给水（省煤器出口）焓值h₀；水冷壁出口工质焓值hl；水冷壁出口蒸汽流量。根据水冷壁蓄热公式，计算出水冷壁金属的蓄热量，利用式（4）确定不同负荷下的计算热量信号。         
    从图 3 可以看出，本文计算方法所得热量信号与DEB 热量信号不仅具有很好的吻合和相同的变化趋势，而且比 DEB 热量信号更具有超前变化趋势，能够更快地反映燃料的变化，对机组的控制非常有利。
3  仿真试验
    利用本文的计算热量信号设计协调控制系统，图4为在100％负荷下功率设定值15MW阶跃变化时主蒸汽压力的系统仿真结果。从图4可以看出，DEB的主蒸汽压力波动较大且恢复时间较长，而本文的热量系统具有较短的上升时间，能够迅速使主蒸汽压力稳定。图5为在100％负荷下主蒸汽压设定值1MPa阶跃变化时功率系统仿真结果。从图5可见，DEB的功率具有较大的动态偏差，本文的热量系统按设定值变化的被控量能迅速跟踪其设定值，且没有超调和振荡。
            
4 结论
    本文提出了利用水冷壁吸热量，产生高性能的反映系统变化的构造热量信号并用于机组负荷协调控制系统。仿真结果表明，采用本文方法构造的热量信号可使机组协调控制系统能够快速地响应机组实发电功率指令的变化，维持主蒸汽压力的稳定，提高了机组负荷的跟踪性熊，并且系统结构简单，易于实现。