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【运维之道】超临界直流炉CCS解析
2025-01-09122

一、引言
超临界直流炉在现代电力工业中扮演着极为重要的角色，其高效、低污染排放等特点使其广泛应用。而协调控制系统（CCS）是确保超临界直流炉稳定、高效运行的关键技术。CCS 能够协调锅炉与汽机之间的能量平衡与负荷响应，以适应电网负荷变化需求并维持机组稳定运行状态。
二、超临界直流炉工作原理及特性
超临界直流炉没有汽包，水在给水泵的作用下一次性通过锅炉受热面，在超临界压力下直接被加热成过热蒸汽。其受热面布置与亚临界汽包炉有很大差异，工质在炉内的流动特性和传热特性更为复杂。由于没有汽包的缓冲作用，系统的蓄热能力较小，这使得机组在负荷变化时，蒸汽参数的波动更为敏感，对控制系统的要求更高。例如，当负荷快速增加时，燃料量、给水量和送风量都需要快速且精准地调整，否则会导致蒸汽压力、温度等参数偏离正常范围，影响机组安全与经济性。
三、CCS 的组成结构与功能模块
（一）负荷指令处理模块
此模块接收来自电网调度的负荷指令信号，并根据机组的运行状态（如机组最大/最小负荷限制、设备故障状态等）对负荷指令进行处理与修正。例如，当机组某个主要辅机（如风机）发生故障时，负荷指令处理模块会根据故障情况限制机组的最大负荷指令，以确保机组在安全运行的前提下，尽可能地满足电网的负荷需求。
（二）锅炉主控模块
锅炉主控主要根据经过处理的负荷指令、机组实际功率、主蒸汽压力等信号来控制锅炉的燃料量、给水量等主要输入量。它通过调节燃料量来维持主蒸汽压力的稳定，同时协调给水量与燃料量的比例关系，以保证汽水流程的正常运行。例如，当主蒸汽压力降低时，锅炉主控模块会增加燃料量的指令输出，同时相应地调整给水量，以适应燃料量的变化，确保汽水转换过程的平衡。
（三）汽机主控模块
汽机主控负责控制汽机的进汽量，从而调节机组的功率输出。它接收负荷指令处理模块的功率指令，并根据机组的实际运行情况（如汽机的蒸汽流量、压力等参数）来控制汽机调节阀的开度。在机组负荷变化时，汽机主控与锅炉主控相互配合，汽机通过改变进汽量快速响应负荷变化的初期需求，而锅炉则逐步调整燃料量和给水量来维持蒸汽参数的稳定并满足长期负荷需求。
（四）子控制系统
包括燃料控制系统、给水控制系统、风烟控制系统等。燃料控制系统精确控制进入锅炉的燃料量，根据锅炉主控指令调整给煤机、磨煤机等设备的运行；给水控制系统根据锅炉负荷、蒸汽参数等调节给水泵的转速或调节阀开度，确保给水量与蒸汽量匹配；风烟控制系统则控制送风机、引风机等设备，维持炉膛内合适的风量与负压，保证燃烧过程的稳定与高效。
四、CCS 的控制策略与算法
（一）负荷前馈控制
为了提高机组对负荷指令的响应速度，CCS 采用负荷前馈控制策略。即将负荷指令信号直接作用于锅炉和汽机的控制输入端，使锅炉和汽机提前动作。例如，当接收到负荷增加指令时，汽机前馈控制会迅速打开汽机调节阀，增加进汽量，使机组功率快速上升；同时，锅炉前馈控制会增加燃料量和给水量指令，以满足后续蒸汽量增加的需求。
（二）串级控制
在一些重要的控制回路中，如主蒸汽压力控制、给水流量控制等，采用串级控制结构。以主蒸汽压力控制为例，主控制器根据负荷指令和实际主蒸汽压力的偏差输出一个压力校正信号，副控制器则根据这个校正信号和蒸汽流量等测量值来控制燃料量。串级控制能够有效地克服内、外扰动对被控参数的影响，提高控制精度和稳定性。
（三）动态补偿与解耦控制
由于超临界直流炉的锅炉与汽机之间存在强烈的耦合关系，CCS 采用动态补偿与解耦控制算法。例如，通过设计解耦矩阵，将锅炉与汽机之间相互影响的参数进行解耦处理，使锅炉和汽机能够相对独立地进行控制，避免在负荷变化过程中因耦合作用导致的系统不稳定。同时，动态补偿环节能够根据机组不同工况下的动态特性，对控制信号进行动态修正，进一步提高控制品质。
五、CCS 在不同工况下的应用与调整
（一）机组启动阶段
在启动过程中，CCS 需要按照特定的启动曲线控制机组的升温、升压和升负荷过程。此时，锅炉和汽机的控制参数与正常运行时有很大不同。例如，在冷态启动初期，给水流量需要维持在较低水平以保护受热面，随着机组升温，给水流量逐渐增加；燃料量的投入也需要根据炉膛温度、蒸汽压力等参数缓慢增加，CCS 要精确协调这些过程，确保启动过程的安全、平稳。
（二）变负荷工况
当机组负荷变化时，CCS 根据负荷变化速率和幅度调整控制策略。对于小幅度、缓慢的负荷变化，主要依靠锅炉和汽机的常规控制回路进行调节；而对于大幅度、快速的负荷变化，则充分发挥负荷前馈、动态补偿等控制功能，同时密切关注蒸汽参数的变化，及时调整燃料量、给水量和风量的配比，防止蒸汽参数超限或机组运行不稳定。
（三）故障工况
当机组发生故障（如给水泵跳闸、风机故障等）时，CCS 会迅速切换到故障处理模式。例如，给水泵跳闸时，CCS 会立即启动备用给水泵，并根据当前机组运行状态调整燃料量和汽机负荷，以维持最低限度的安全运行，同时向运行人员发出报警信息，以便进行后续的故障排查与处理。
六、总结与展望
超临界直流炉 CCS 是一个复杂而精密的控制系统，通过对负荷指令的合理处理、锅炉与汽机的协调控制以及多种先进控制策略与算法的应用，实现了机组在不同工况下的稳定、高效运行。随着电力工业的不断发展，对超临界直流炉的性能要求将进一步提高，CCS 也将不断地优化与创新。未来，可能会在智能化控制、多目标优化控制等方面取得更大的突破，进一步提升超临界直流炉机组的经济性、可靠性和灵活性，以更好地适应智能电网的发展需求并推动电力工业的可持续发展。


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