前言
近年来我国电力工业发展迅速，大大地缩小了与*水平的差距。但目前我国火电厂中能耗高、环境污染严重的问题依然存在；为满足我国国民经济迅速发展的需要，适应愈来愈高的环保和控制污染排放的要求，发展、节能、环保的超临界火力发电机组势在必行。尤其随着我国电力工业的发展及电力结构的调整，大型超临界机组已经成为我国火电发展的方向，并将成为电网的主力机组；由于其更低的运行成本和更高的效益，在目前的电力市场中更加具有竞争力。
我国目前电力行业投产运行打赌组中亚临界、燃煤、汽包炉机组占绝大多数、其设计、主辅设备的生产、安装、调试，运行都已成熟并趋于规范化；而超临界直流炉机组目前在我国安装投产的只是极少数，如石洞口二厂、盘山电厂、伊敏电厂、神头二电厂等，上海外高桥电厂2x900mw超临界机组正在施工建设中；这些电厂基本都是全套引进的国外机组，设计及供货均以外商为主，在设计、设备选型、安装、调试及运行管理等方面，还有许多总是有待于总结、研究和改进，以形成我们自己的成熟技术。
随着河南沁北电厂一期工程600mw超临界机组作为国家引进技术国产化依托项目的开工建设，目前超临界机组已在我国的电力建设市场上占主导地位。各大主机厂积极引进先进技术，努力实现超临界机组的国产化；这就为工程的设计提出了更高的要求。
超临界机组目前在我国安装投产的只是极少数，在设计、设备选型、安装、调试及运行管理等方面，还有许多问题有待总结、研究和改进。本文仅就超临界锅炉的系统特点和控制特点进行分析和探讨。以便在工程设计过程中能够准确、全面地掌握超临界机组的控制特点，设计出高质量的控制系统，实现电厂的率、高水平和低成本运行。（涂红的内容是否可以取消？）
一、超临界机组的主要控制特点的分析
超临界直流锅炉与亚临界汽包锅炉，两种锅炉在系统组成上的水－汽转换原理和设备不同，锅炉蓄热能力不同，负荷和扰动的响应速度也不同，而zui大的区别还在于锅炉启动系统的差异。从仪表和控制的角度看，主要的区别在于直流锅炉的启动旁路系统、直流锅炉机组的协调控制的不同。另外，在锅炉蒸汽温度控制、给水流量控制等方面也与亚临界机组有着较大的区别。
1.1直流锅炉的启动旁路系统
超临界锅炉的启动旁路系统是超临界机组的重要组成部分，由于超临界锅炉没有固定的汽水分离点，在锅炉启动过程中和低负荷运行时，由于给水量有可能小于炉膛保护及维持流动所需的zui小流量，因此必须在炉膛内维持一定的工质流量以保护水冷壁不致过热超温。设置启动旁路系统使锅炉在启动、低负荷运行及停炉过程中，通过启动系统建立并维持炉膛内的zui小水流量，以保护炉膛水冷壁，同时满足机组启动及低负荷运行的要求。
1.1.1直流锅炉启动旁路系统的主要功能：
（1）维持水冷壁具有流速稳定的zui小水流量，保持锅炉启动流量和启动压力。
（2）回收、利用工质和热量。
（3）使蒸汽参数满足汽机启动过程的需要。
1.1.2直流锅炉启动系统的分类：
直流锅炉的启动系统分内置式分离器启动系统和外置式分离器启动系统两大类型。
a.外置式分离器启动系统
外置式分离器的布置位置示意见下图所示：
从上图可以看出锅炉启动过程中隔离阀关闭，给水经水冷壁后流入汽水分离器，进行汽水分离。蒸汽通过出口阀进入过热器，其余的水和汽回收。当负荷达到一定值时，锅炉转为纯直流运行，切除启动分离器。由于系统的结构特点，切除过程如运行操作不当，会造成主汽压力下降或超压、主汽温度快速下降或过热器管壁超温等。分离器的切除一般采用等焓切换方式切换，但由于操作比较复杂，锅炉出口主蒸汽温度难以控制，而不被用户接受。因此目前各家主机厂引进技术均采用内置式分离器启动系统。这里不再对外置式分离器启动系统进行深入讨论，仅就内置式分离器启动系统进行分析和探讨。
b.内置式分离器启动系统
内置式分离器启动系统的分离器与水冷壁、过热器之间的连接无任何阀门，在锅炉启、停、低负荷（30%~35%负荷以下）运行时，同汽包炉的汽包一样，起到汽水分离的作用。当转入纯直流运行后，分离器只起到一个蒸汽联箱的作用。因此目前较多采用内置式分离器启动系统，从系统构成看主要带辅助循环泵的内置式分离器启动系统、不带循环泵的内置式分离器启动系统和扩容型内置式分离器启动系统三种类型。
在超临界直流锅炉中，为适应变压运行的要求，随启动时间长短及启动频率的大小，其启动系统存在着两种运行模式的选择。在这两种启动模式中，如何确定锅炉启动系统采用那种模式，是根据机组是以带基本负荷运转为主，还是调峰运行为主以及选用的燃烧设备情况而确定zui适宜该锅炉的启动系统。
1）辅助循环泵和给水泵并联的内置式分离器启动系统
哈尔滨锅炉厂引进三井英巴技术为华润常熟电厂本生锅炉提供的启动系统为内置式分离器启动系统，其系统示意图如下所示：
锅炉启动循环系统主要由汽水分离器、贮水箱、循环泵、循环流量调节阀、水位调节阀等组成。送至省煤器的水经水冷壁加热后，进入汽水分离器，流体在汽水分离器内分离成饱和蒸汽和水。蒸汽流向过热器，水储存在贮水箱内经过循环泵和循环流量调节阀再循环至省煤器。这一阶段为循环运行，水冷壁流量=给水泵出口流量+再循环流量。当水位过高时，水位调节阀动作，水进入凝汽器。
在整个启动期间，启动系统的再循环水量与给水量之和始终保持在35%b-mcr的主汽流量。冷态和温态启动时，在锅炉点火20～30分钟后，水冷壁即出现汽水膨胀，分离器贮水箱内水位迅速上升至高水位或高高水位，此时打开通往凝汽器管道上的二只高水位调节阀及其闭锁阀，将工质排往凝汽器。在热态和极热态启动时汽水膨胀量很少，可经循环泵正常水位调节阀进行再循环。
当锅炉达到30~35%b-mcr的zui低直流工况时，将启动系统解列，进入热备用状态，系统则由再循环模式转入直流方式运行，此时通往凝汽器管路上的水位调节阀和闭锁阀全部关闭。当锅炉转入部分负荷运行进入zui低直流负荷以下时，分离器贮水箱将出现水位，这时循环泵出口的调节阀自动打开，根据贮水箱水位自动调节其开度。
2）不带循环泵的内置式分离器启动系统
东方锅炉厂与日本日立-巴布科克公司（bhk）技术合作，为华能太仓电厂等设计的本生锅炉的启动系统均是不带循环泵的循环系统启动系统，系统示意图如下：
从上图可以看出不带循环泵的启动循环系统主要由汽水分离器、分离器储水罐和储水罐水位控制阀组成。与带循环泵的循环系统相比减少了锅炉循环泵、流量调节阀及其循环泵的辅助系统部分。
在启动和低负荷阶段，通过给水泵将水送至省煤器并经水冷壁加热后，送到汽水分离器，工质在汽水分离器内分离成水和饱和蒸汽。循环运行阶段水在分离器储水罐水位控制阀的控制下，由分离器储水罐再返回冷凝器。储水罐水位控制阀可在循环运行时，应确保锅炉给水泵提供的给水量不少于保护炉膛的zui小流量，通过使汽水分离器分离出的水由储水罐回到凝汽器，从而控制汽水分离器的水位在允许范围内。当负荷达到zui低直流点，炉膛水冷壁出口呈干饱和蒸汽时锅炉转为纯直流运行方式，旁路系统退出。
在锅炉启动炉本体的冷态或热态清洗过程中，进入汽水分离器的给水进入储水罐通过启动排污阀排放至地沟，待给水品质合格后，通过疏水阀至冷凝器回收工质。
通过分析不难看出不带循环泵启动系统具有系统构成简单，运行安全、可靠，并能节约投资的优点；但不带循环泵的启动系统由于在启动时高、低压加热器及炉内的热量，要通过冷凝器来冷却，在启、停时热量有一定的损失，因此相比较带循环泵的系统而言，其热效率要低些。因此其启动时间相对于带循环泵的启动系统而言也要长一些。
3）扩容型内置式分离器启动系统
我國*台引进超临界机组上海石洞口第二電廠的锅炉启动系统即为扩容型内置式分离器启动系统，目前上海锅炉厂为山东黄岛电厂二期工程设计的2x600mw超临界机组锅炉的启动系统也是扩容型内置式分离器启动系统。系统示意如下图所示：
上示意图为苏尔寿（sulzer）直流锅炉启动系统的典型设计，该系统主要由内置式启动分离器，3a阀，即疏水控制阀aa、液位控制阀an、液位控制旁路阀anb，大气式扩容器，回收水箱，回收水泵等组成。分离器布置在炉膛水冷壁出口；在启动或低负荷运行过程中，当负荷低于35%b-mcr时，分离器的作用就相当于汽包炉的汽包，起汽水分离的作用，但与汽包不同的是分离出的水通过aa、an和anb三个阀门分别送入疏水扩容器和除氧器，进行工质和热量回收。当负荷高于35%b-mcr时，汽水分离器内只有饱和蒸汽，呈干态运行；此时内置式分离器相当于一个蒸汽联箱。系统中的3a阀是苏尔寿（sulzer）直流锅炉启动系统的核心。
在锅炉启动、炉本体的冷态或热态清洗过程中，进入汽水分离器的给水通过aa、an阀进入大气式扩容器排放至地沟，当给水品质合格后，回收水泵投入运行，回收水泵通过回收水箱的水位开关连锁，实现水泵的启、停控制，以回收工质。此时汽水分离器的水位可切换由anb阀控制，疏水至除氧器，实现工质和热量回收功能。
锅炉在湿态运行时，汽水分离器内的水位由anb阀自动控制，当汽水分离器的水位高于anb阀的调节范围时（如锅炉汽水膨胀）再由an阀、aa阀相继参与调节，以控制分离器的正常水位；当水位下降时，aa阀先行关闭，其后an阀关闭，然后anb阀调节和保持分离器正常水位。随着锅炉启动过程中燃料量的增加，锅炉的蒸汽量不断增加直至当燃料量大于35%b-mcr负荷时，汽水分离器由湿态运行逐渐转变成干态运行。此时分离器处于无水状态，aa、an、anb阀均呈关闭状态，且各自的隔离阀也联锁关闭，启动旁路系统退出系统。
1.2控制特点分析
1.2.1对于辅助循环泵和给水泵并联的启动系统，循环流量调节阀和水位调节阀启动时的过程如下图所示。
1）循环流量调节
循环流量调节的目的一是参与启动阶段的水冷壁循环，二是保持启动阶段汽水分离器正常的水位，三是保护循环泵。这样，通过以分离器的水位计算出循环流量作为给定，与实际循环水泵出口流量比较，进行pi调节。
设置高限的目的，主要是防止循环泵启动时，分离器水位下降过快。另外，当省煤器入口给水流量扰动时，通过水位微分信号，防止循环流量调节阀大范围开启而造成水位波动。
2）贮水箱水位调节
在汽水分离器水位超过上限值时水位调节阀动作，以控制分离器的水位，调节系统为单回路调节系统。
3）启动初期给水流量的控制
直流炉在全负荷范围内通过给水流量来实现水冷壁工质质量的流速。在启动初期，为了使水冷壁充分得到冷却，规定了zui低负荷限制，在给水控制回路中设置zui低给水流量限制回路。另外，由于分离器水位急剧变化，造成给水调节外扰，可能造成zui低给水量达不到要求，因此，给水控制回路中还应考虑汽水分离器水位对给水指令的补偿。
1.2.2扩容型内置式分离器启动系统
对于苏尔寿和上海锅炉厂的锅炉启动旁路系统，由于分离器分离的水分别疏往除氧器或凝汽器，因此，给水系统的控制相对简单。启动流量（35%）由给水泵保证，三个阀门的切换要求严格，以保证除氧器的安全运行。根据汽水分离器水位的高低aa、an、anb阀按顺序参与调节，以同类型锅炉－石洞口二厂的锅炉启动系统为实例，其阀位与汽水分离器水位的关系归纳如下：
在启动和停机时anb和an、aa隔离阀接受机组级启动指令，通过功能组自动开启。为了确保除氧器的安全运行，aa、an、anb隔离阀的开、关按一定的逻辑条件进行。
在启动时anb和an隔离阀接受机组级启动指令，当汽水分离器压力大于7mpa时，anb、an隔离阀自动关闭。在停机时，当汽水分离器压力低于12mpa时接受机组级停机指令，通过功能组将anb、an隔离阀自动开启。
当汽水分离器压力低于12mpa时，an隔离阀允许开启，但在启动功能组on状态-即在自启动方式，且当汽水分离器压力大于7mpa时；在锅炉负荷大于40%，且分离器出口温度高于其对应压力下的饱和温度10℃时；当汽水分离器压力大于22mpa时an隔离阀自动联锁关闭。
aa隔离阀的开关直接接受机组级指令，在启动时，当汽水分离器压力大于7mpa时自动关闭；在停机时当分离器压力低于2mpa时接受机组级指令才能开启。同样在锅炉负荷大于40%，且分离器出口温度高于其对应压力下的饱和温度10℃时，联锁关闭。
在除氧器压力低于1.1mpa，且分离器压力低于21mpa时，anb隔离阀允许开启，而当除氧器压力大于1.4mpa时，汽水分离器压力大于21mpa时，锅炉主蒸汽流量大于40%时anb隔离阀自动联锁关闭。
二、超临界机组的协调控制特点分析和探讨
超临界机组与亚临界机组控制系统的主要差别是：超临界参数的直流锅炉和亚临界参数的汽包锅炉控制之间的差别，超临界机组的协调控制特点实际上是超临界参数的直流锅炉机组的协调控制特点。机炉协调控制系统是电站控制中长期以来讨论的课题，它是将汽机，锅炉作为一个整体控制综合考虑，使锅炉能够满足汽机的用汽要求，机组能够满足电网频率的要求。
2.1控制特点分析
超临界变压运行直流锅炉，由于没有汽包，当外部负荷变化时汽压波动大，且因加热、蒸发、过热过程在各受热面没有固定的分界线，当给水或燃料扰动时，都将引起汽温的波动，因此为使锅炉有良好的调节品质，需要有高性能的控制系统。即以汽机调节对压力响应快的特点，稳定压力，克服燃料，给水流量对压力的影响，保证机组良好的特性，通过给水流量控制机组负荷，同时由燃料/水比控制燃料，稳定中间点温度。机组负荷经氧量修正控制送风量，保证氧量是锅炉控制zui重要的环节之一。
在变压运行时，调节系统通过增加燃料量和给水量来提高发电机出力，使主蒸汽压力上升。用汽机调节阀，校正发电机出力的暂态和稳态偏差或在自动频率控制方式下的负荷，从而改善机组的跟踪特性。由于某种外部干扰，使主蒸汽压力超过了规定的偏差值，还可以用汽机调节阀瞬间控制蒸汽压力。
通过分析看到直流锅炉具有以下主要特征：
由于直流锅炉是汽水一次性循环、没有汽包，因此锅炉的储热比较小，系统具有多变量特征。
直流锅炉－汽机是复杂的多输入多输出的被控对象，燃料量、给水、汽机调门开度的任一变化，均会影响机组负荷、中间点温度、压力的变化，而且燃料、汽机调门的变化又会影响到给水流量的变化及主汽压力的变化，因此对于直流炉机组的协调控制系统来说，主汽压力控制是zui基本的控制。
直流锅炉是汽水一次性循环，由于没有汽包，汽水没有固定的分界点，它随着燃料，给水流量以及汽机调门的变化而前移或者后移，而汽水分界点的移动直接影响汽水流程中加热段，蒸发段，过热段的长度，影响新蒸汽的温度，导致机前压力、负荷的变化，因此控制中间点温度是直流锅炉控制的重要环节。
由于直流锅炉的这些特征，如何选择控制量与被控量的关系，是协调控制系统控制方案的关键。
2.2控制量与被控量关系的选择
（1）被控参数压力的控制
在多个被控参数选择上首先选择汽机调门控制压力。从前面的分析已经看出，压力的变化不仅会影响到机组功率的变化，而且会影响到给水流量的变化，从而进一步影响机组负荷和温度。若利用压力对汽机响应快的特点，可以足够好地控制机组压力，克服燃料、给水扰动对机前压力的影响，从而也减少了燃料扰动对给水流量的交叉影响。
（2）被控参数温度的控制
在直流锅炉中影响中间点温度的主要因素是锅炉的燃料/水比。不难想象燃料量和给水量的变化会引起蒸汽温度相反的变化，给水流量增加，主蒸汽温度下降，需增加燃料量，这时主蒸汽温度上升。这使我们回想到汽包炉中汽化结束点是一定的，因此给水量的增加只会引起汽包水位的上升，而在直流炉中对蒸汽温度也会有一定的影响，换言之，给水量增加，使汽化点向出口端移动，过热区段缩短，因此蒸汽温度下降。如果要控制这两个参数，使之同时发生变化，并保持他们之间一定的比率，蒸汽温度的偏差可以减到zui小。二级喷水量的瞬时增加，主蒸汽温度会瞬时下降，但是在给水量不变的情况下，通过水冷壁的流量会减少，其结果使水冷壁出口温度上升，由于给水量与燃料量之间的比率维持不变，所以主蒸汽温度zui终将回到规定温度。但是对于一次循环的直流锅炉来说给水流量的变化直接影响到锅炉出口蒸汽流量的变化，对机组负荷的影响比较大。在改变负荷时必须要改变给水量，而水的增加或减少将导致中间点温度的降低或升高，控制的作用又将减少（或增加）水的增加，只有当增加的燃料反映到中间点温度的变化时，才能使给水流量满足负荷的要求。因此由给水控制温度在变负荷时不但使温度的稳定性变差，而且使机组的响应特性变慢。若由燃料控制温度，在变负荷时给水和燃料与负荷的变化方向是一致的，燃料与温度要求的变化方向也是一致的，因此采用以燃料控制中间点温度，给水控制负荷，汽机调门控制机组压力的协调控制系统的控制方案对系统的稳定性及响应性都是比较合理的。
三、结束语
通过上述对超临界机组的主要控制特点的分析，使我们对它的工艺系统和被控对象的性质有了一些粗浅的概念和认识。要深入研究完善地设计出高质量的超临界机组的控制和调节系统，使其安全、经济、地运行在*状态，还需要广泛搜集资料和深入调查研究，学习和总结国内外超临界机组控制系统的经验，优化工程设计。
[参考文献]《超临界压力600mw机组的启动和运行》王祖鑫编著，中国电力出版社，《热工自动化》华东六省一市电机工程（电力）学会编。