一、引言
對(duì)于火電機(jī)組而言，傳統(tǒng)的機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是指鍋爐燃燒率和汽機(jī)調(diào)門之間的協(xié)調(diào)，典型的協(xié)調(diào)控制主要有爐跟機(jī)的協(xié)調(diào)（CBF）和機(jī)跟爐的協(xié)調(diào)(CTF）。爐跟機(jī)或爐跟機(jī)為主導(dǎo)的協(xié)調(diào)控制是指汽機(jī)調(diào)門控制負(fù)荷，鍋爐燃燒率控制主蒸汽壓力；機(jī)跟爐或機(jī)跟爐為主導(dǎo)的協(xié)調(diào)控制是指汽機(jī)調(diào)門控制主蒸汽壓力，鍋爐燒率控制負(fù)荷。
為了能夠快速地響應(yīng)電網(wǎng)的負(fù)荷需求，機(jī)組大都采用CBF或接近CBF的協(xié)調(diào)控制方式。當(dāng)有負(fù)荷變化需求時(shí)，比如要求加負(fù)荷，汽機(jī)調(diào)門快速開大（即首先利用鍋爐蓄熱快速響應(yīng)負(fù)荷），同時(shí)鍋爐燃燒率增加，及時(shí)補(bǔ)充被利用的機(jī)組蓄能，并維持機(jī)組能量與負(fù)荷需求間的新的平衡。以往所有的機(jī)組，汽機(jī)調(diào)門都是有節(jié)流的，即保留有一定的蓄熱能力以應(yīng)對(duì)調(diào)峰或調(diào)頻，在變負(fù)荷過(guò)程中，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)合理協(xié)調(diào)汽機(jī)調(diào)門和鍋爐燃燒率間的動(dòng)作，滿足電網(wǎng)負(fù)荷需求，同時(shí)保證機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定。
但是，隨著一批600/1000MW等級(jí)的超（超）臨界火電機(jī)組的投運(yùn)，機(jī)組大都全程滑壓運(yùn)行，汽機(jī)調(diào)門的節(jié)流很小，電網(wǎng)快速變化的負(fù)荷需求與機(jī)組較小的蓄熱之間的矛盾越來(lái)越突出。特別是上海外高橋三廠1000MW超超臨界機(jī)組，為了保證機(jī)組最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性，機(jī)組在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，汽機(jī)調(diào)門始終全開。由于汽機(jī)調(diào)門全開，主蒸汽壓力不受直接控制，傳統(tǒng)的機(jī)組協(xié)調(diào)控制更是無(wú)從談起，機(jī)組變負(fù)荷時(shí)無(wú)鍋爐蓄熱可用，若不采用其他的手段，機(jī)組加減負(fù)荷的速率就是鍋爐燃燒率變化而引起機(jī)組負(fù)荷變化的速率，由于鍋爐固有的熱慣性，燃燒率變化引起機(jī)組負(fù)荷變化必定是緩慢的過(guò)程，這將無(wú)法適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷快速變化的需求。
二、節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制原理
為了達(dá)到較快的變負(fù)荷性能，火電機(jī)組必須利用蓄能。既然汽機(jī)調(diào)門全開、無(wú)鍋爐蓄熱可利用，就需要考慮在熱力系統(tǒng)中是否還有其他蓄能可以被利用，且不影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性或者對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響最小。在上海外高橋三廠1000MW超超臨界機(jī)組上，設(shè)計(jì)了一套基于凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷的新型節(jié)能型的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，能夠在沒有任何汽機(jī)調(diào)門節(jié)流損失（調(diào)門全開）的工況下，仍然滿足電網(wǎng)快速的變負(fù)荷需求，這是一種經(jīng)濟(jì)節(jié)能的變負(fù)荷控制方式。
2.1工作原理
所謂凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷，是指在機(jī)組變負(fù)荷時(shí)，在凝汽器和除氧器允許的水位變化范圍內(nèi)，改變凝泵出口調(diào)門的開度，改變凝結(jié)水流量，從而改變抽汽量，暫時(shí)獲得或釋放一部分機(jī)組的負(fù)荷。
比如，機(jī)組加負(fù)荷時(shí)，關(guān)凝泵出口調(diào)門，減小凝結(jié)水流量，從而可以減小低加的抽汽量，增加汽輪機(jī)中蒸汽做功的量，使機(jī)組負(fù)荷增加。此時(shí)，除氧器水位下降，凝汽器水位上升。機(jī)組減負(fù)荷的過(guò)程相反。
凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷技術(shù)本質(zhì)上是一種利用蓄能的技術(shù)，利用的是汽機(jī)回?zé)幔訜嵯到y(tǒng)中蓄能的變化。
由于在加負(fù)荷過(guò)程中減少了機(jī)組的抽汽，而在減負(fù)荷過(guò)程中又增加了機(jī)組的抽汽，所以這種利用蓄能的技術(shù)對(duì)汽機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性整體上沒有影響。
凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷主要作用是提高變負(fù)荷初期的負(fù)荷響應(yīng)，能夠改善由于鍋爐側(cè)的滯后而產(chǎn)生的負(fù)荷響應(yīng)的延時(shí)，但機(jī)組最終的負(fù)荷響應(yīng)仍然取決于鍋爐燃燒率的變化。
2.2 能力計(jì)算
依據(jù)機(jī)組的熱平衡圖，可以計(jì)算出低加全切時(shí)理論上能夠增加的負(fù)荷。從表l的計(jì)算可見，在1000MW負(fù)荷時(shí)，切除所有低加，外高橋三廠機(jī)組能夠增加負(fù)荷53MW，這是該類型機(jī)組凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷對(duì)負(fù)荷響應(yīng)的極限能力。

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷受到凝泵流量、除氧器、凝汽器和加熱器水位等諸多因素的制約，能夠利用的最大凝結(jié)水流量變化為極限能力的50%-60%，所以外高橋三廠機(jī)組在500-1000MW范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷的最大能力為15-30MW。
2.3特性試驗(yàn)
2008年4月，在外高橋三廠7號(hào)和8號(hào)機(jī)組的多個(gè)負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行了凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷的對(duì)象特性試驗(yàn)，得到了類似的特性試驗(yàn)曲線。這與同類型機(jī)組的外高橋二廠的試驗(yàn)結(jié)果類似。
圖1是2008年4月22日7號(hào)機(jī)組負(fù)荷850MW時(shí)，快速變化凝泵出口主調(diào)位的試驗(yàn)曲線。試驗(yàn)時(shí)鍋爐主控退出自動(dòng)（保持煤量不變），除氧器和凝汽器水位都退出自動(dòng)，凝汽器常補(bǔ)／危補(bǔ)始終全關(guān)（保證系統(tǒng)中凝結(jié)水量不變），快速變化凝泵出口主調(diào)位從43%至30% ，約4min后恢復(fù)到43%，凝結(jié)水流量從1465t/h降至772t/h，最低瞬間為600t/h。負(fù)荷快速上升，305內(nèi)上升近14MW，最高到871MW。210s內(nèi)，凝汽器水位從688mm上升到967mm，除氧器水位從695mm下降到294mm。

凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷的特性試驗(yàn)證明了凝結(jié)水流量變化對(duì)負(fù)荷變化的有效性，也是與理論計(jì)算結(jié)果相符。當(dāng)凝結(jié)水流量變化約50%時(shí)，負(fù)荷變化量是當(dāng)時(shí)負(fù)荷的2.0%-2.5%，試驗(yàn)結(jié)果還表明：要獲得負(fù)荷的快速變化，凝結(jié)水流量需要快速變化。
三、節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
在分析和計(jì)算了凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷的能力，完成了凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷的特性試驗(yàn)及鍋爐燃燒率對(duì)機(jī)組負(fù)荷的特性試驗(yàn)后，進(jìn)行了基于凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷的新型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并首先在7號(hào)機(jī)組分散控制系統(tǒng)中實(shí)施了功能組態(tài)。
節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括凝結(jié)水系統(tǒng)相關(guān)回路的重新設(shè)計(jì)與調(diào)試、凝泵出口調(diào)門控制策略的重新設(shè)計(jì)、鍋爐側(cè)控制策略的重新設(shè)計(jì)等幾方面。
3.1凝結(jié)水系統(tǒng)相關(guān)控制回路的重新設(shè)計(jì)與優(yōu)化調(diào)試
首先需要對(duì)除氧器、凝汽器、低加水位等回路進(jìn)行一番較大的設(shè)計(jì)改進(jìn)與優(yōu)化調(diào)試。在采用凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷功能之前，凝汽器水位和除氧器水位是 2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水位控制回路。但采用凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷后，在變負(fù)荷中除氧器和凝汽器必然會(huì)波動(dòng)，這時(shí)若仍然僅僅根據(jù)單一水位的變化來(lái)進(jìn)行水位控制將變得不可行，而且會(huì)造成系統(tǒng)中凝結(jié)水量的不平衡，危及機(jī)組安全。
根據(jù)除氧器和凝汽器容器的具體尺寸，計(jì)算出正常運(yùn)行水位附近的除氧器水位和凝汽器水位間的近似折算關(guān)系（即同樣凝結(jié)水量變化對(duì)除氧器水位和凝汽器水位的變化關(guān)系），凝汽器常補(bǔ)／危補(bǔ)調(diào)節(jié)閥控制的不再是單一水位偏差，而是除氧器水位偏差與凝汽器水位偏差的加權(quán)和。
此外，也需要對(duì)低加的常疏調(diào)門的控制回路進(jìn)行改進(jìn)，因?yàn)槟Y(jié)水流量的大幅度的快速變化也對(duì)低加的常疏調(diào)門的控制提出了更高的要求。
凝泵低流量保護(hù)也是需要關(guān)注的問題。利用凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷技術(shù)加負(fù)荷時(shí)首先會(huì)關(guān)凝泵出口調(diào)門，必然會(huì)引起凝結(jié)水流量低，尤其在低負(fù)荷段加負(fù)荷時(shí)，凝結(jié)水流量還更低，為了確保凝泵需要的最小安全流量，對(duì)凝泵出口調(diào)門的最小開度進(jìn)行了限制，為了安全，還必須對(duì)凝泵最小流量閥進(jìn)行調(diào)試，確保在低流量時(shí)能快速地打開。
3.2凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷控制回路的設(shè)計(jì)
基本的設(shè)計(jì)思路包括：
(l）在變負(fù)荷過(guò)程中，經(jīng)智能處理的負(fù)荷偏差直接送至凝泵出口調(diào)節(jié)閥的控制回路，即把負(fù)荷需求直接轉(zhuǎn)化為需要的凝結(jié)水變化量，在除氧器和凝汽器的水位允許的變化范圍內(nèi)，凝泵出口調(diào)節(jié)閥不再控制水位，而直接控制機(jī)組負(fù)荷偏差，快速響應(yīng)負(fù)荷指令。當(dāng)變負(fù)荷結(jié)束，凝泵出口調(diào)節(jié)閥再平滑切換至正常的水位控制。
(2）在變負(fù)荷過(guò)程中，當(dāng)除氧器和凝汽器的水位偏差超出一定的范圍，凝泵出口調(diào)節(jié)閥兼顧機(jī)組負(fù)荷和水位；當(dāng)除氧器和凝汽器的水位偏差進(jìn)一步加大，超出允許的安全變化范圍，凝泵出口調(diào)節(jié)閥則完全恢復(fù)至控制水位，確保機(jī)組的安全。
(3）為了保證凝泵的安全流量和避免除氧器和凝汽器水位的過(guò)大波動(dòng)，對(duì)凝泵出口調(diào)節(jié)閥的高／低限進(jìn)行了智能化的限制處理。還針對(duì)變負(fù)荷過(guò)程中負(fù)荷偏差和水位偏差的方向，增加了凝泵出口調(diào)節(jié)閥的智能閉鎖功能。
在邏輯組態(tài)的具體實(shí)施中，大量采用了帶有智能判斷功能的邏輯，既保證水位安全，也保證控制及切換的平滑。
3.3鍋爐側(cè)控制策略的設(shè)計(jì)優(yōu)化
凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷功能承擔(dān)了變負(fù)荷初期的任務(wù)，改善了由于鍋爐的滯后而產(chǎn)生的負(fù)荷響應(yīng)的延時(shí)，但最終的負(fù)荷響應(yīng)仍然依賴鍋爐燃燒率的變化，鍋爐側(cè)快速合理的控制策略仍然是根本，最終響應(yīng)負(fù)荷，并及時(shí)恢復(fù)凝汽器和除氧器水位。所以，對(duì)于外高橋三廠完整的節(jié)能型協(xié)調(diào)控制策略包括了鍋爐側(cè)的智能控制策略和凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷控制策略。
1000MW機(jī)組調(diào)門全開，滑壓運(yùn)行，制粉系統(tǒng)配直吹式磨煤機(jī)，客觀上存在著較大的負(fù)荷響應(yīng)延遲，應(yīng)該講比較適宜采用“機(jī)跟爐”為主的協(xié)調(diào)方式，以帶基本負(fù)荷為主，這有利于機(jī)組的穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。但是，目前的AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）調(diào)度方式對(duì)負(fù)荷的快速響應(yīng)能力提出了較高的要求，所以鍋爐側(cè)的控制方案不得不在保證機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，充分考慮機(jī)組負(fù)荷的快速響應(yīng)。
(1）以負(fù)荷前饋為主導(dǎo)，準(zhǔn)確設(shè)置基準(zhǔn)主控函數(shù)。鍋爐側(cè)的控制指令是以負(fù)荷前饋為主導(dǎo)，鍋爐指令（煤量、風(fēng)量和水量）跟隨負(fù)荷指令變化而同步變化，以反饋控制作為穩(wěn)態(tài)時(shí)的偏差修正。
(2）合理加快給水流量的變化。對(duì)于直流鍋爐，給水流量的變化能快速改變機(jī)組的負(fù)荷。在鍋爐分離器出口溫度變化允許的前提下，適當(dāng)提前變化給水流量，通過(guò)給水的快速響應(yīng)來(lái)提高機(jī)組負(fù)荷的響應(yīng)速度。
(3）燃燒率超調(diào)，及時(shí)補(bǔ)充蓄能。當(dāng)凝泵出口調(diào)門快速跟隨負(fù)荷指令變化，提高變負(fù)荷初期的負(fù)荷響應(yīng)性能，并通過(guò)給水量的超前變化，機(jī)組電負(fù)荷會(huì)持續(xù)較快變化，但由于鍋爐熱負(fù)荷客觀上存在著較大的延遲，總是滯后于電負(fù)荷的變化，所以必須超調(diào)燃燒率，加快和加大熱負(fù)荷的產(chǎn)生，最終補(bǔ)充凝泵出口調(diào)門利用了的蓄熱和補(bǔ)充因給水量快速變化而產(chǎn)生的鍋爐蒸汽溫度的變化。
四、節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)試和優(yōu)化
4.1節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的投用
在節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程中，采用的提高變負(fù)荷能力的基本控制思路是：機(jī)組有變負(fù)荷需求時(shí)，首先依靠凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷（解決變負(fù)荷前期50s的負(fù)荷響應(yīng)）、其次依靠給水快速的響應(yīng)（解決變負(fù)荷中期50-80s的負(fù)荷響應(yīng)），然后依靠鍋爐燃燒率的提高、合理的超調(diào)（解決變負(fù)荷中后期的負(fù)荷響應(yīng)），補(bǔ)充利用了的蓄熱，最終恢復(fù)系統(tǒng)的平衡。由于該控制技術(shù)是在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用，沒有經(jīng)驗(yàn)可循，在調(diào)試中進(jìn)行很多大膽的嘗試，調(diào)試及優(yōu)化中的主要關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)為：(1）負(fù)荷指令如何安全、可靠、合理地送至凝泵出口調(diào)門控制回路； (2）變負(fù)荷和穩(wěn)態(tài)過(guò)程，凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷控制方式的合理切換； (3）鍋爐燃燒率的超調(diào)幅度和超調(diào)時(shí)間的確定，如何合理地恢復(fù)機(jī)組的蓄熱。
4.2節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果
經(jīng)過(guò)2008年4月底至6月中的大量變負(fù)荷試驗(yàn)，新型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在7號(hào)機(jī)組獲得成功，隨后成功移植到8號(hào)機(jī)組，2臺(tái)機(jī)組的變負(fù)荷性能有了明顯的提高，在汽機(jī)調(diào)門全開的工況下，在500-1000MW負(fù)荷時(shí)，實(shí)際每分鐘負(fù)荷響應(yīng)能夠達(dá)到或超過(guò)1.5%，負(fù)荷的穩(wěn)定性也很好，主要的熱力參數(shù)也都控制在良好的范圍內(nèi)。
圖2是投用凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷功能前、后的效果對(duì)比，可以清晰地看到投用凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷功能后有了很好地負(fù)荷跟隨性能。

圖3是7號(hào)機(jī)組在本地協(xié)調(diào)方式下，負(fù)荷從850到1000MW的加負(fù)荷階段的運(yùn)行曲線，從圖中可見，汽機(jī)調(diào)門始終全開，實(shí)際負(fù)荷能夠與1.5％的變負(fù)荷速率指令基本重合，且鍋爐主蒸汽溫度等的變化幅度小于正負(fù)5℃ 。

目前2臺(tái)機(jī)組在500-1000MW投用AGC方式運(yùn)行，圖4是7號(hào)機(jī)組是在700-1000MWAGC方式下的實(shí)際運(yùn)行曲線，變負(fù)荷速率設(shè)置為2％每分鐘。從圖4中可見，在汽機(jī)調(diào)門始終全開時(shí)，機(jī)組在AGC方式下，13min內(nèi)負(fù)荷增加了211MW（從7l8MW增加至929MW) ，實(shí)際變負(fù)荷速率達(dá)到了16.2MW/Min , 變負(fù)荷過(guò)程中主蒸汽溫度最高604℃，最低596℃。新型節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)投用后，在滿足了電網(wǎng)的負(fù)荷需求的同時(shí)，機(jī)組的變負(fù)荷的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性得以提高。

五、結(jié)語(yǔ)
(l）基于凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷的節(jié)能型協(xié)調(diào)控制技術(shù)在上海外高橋三廠獲得成功應(yīng)用，自2008年7月起，該控制系統(tǒng)一直正常投人運(yùn)行，從未引起機(jī)組的異常動(dòng)作，在保證超超臨界機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的同時(shí)，大大提高了機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)能力，滿足了電網(wǎng)調(diào)峰和調(diào)頻的要求。（2）新型節(jié)能型協(xié)調(diào)控制方式與傳統(tǒng)的火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制方式有很大的差異，由于汽機(jī)調(diào)門全開，協(xié)調(diào)控制主要是協(xié)調(diào)鍋爐燃燒率與汽機(jī)回?zé)幔訜嵯到y(tǒng)間能量平衡的關(guān)系，這在國(guó)內(nèi)尚屬首次應(yīng)用，是對(duì)突破傳統(tǒng)的機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計(jì)的很有意義的嘗試，并已在其他百萬(wàn)等級(jí)機(jī)組中推廣，在超（超）臨界直流機(jī)組上具有廣闊的應(yīng)用前景。