一、引言
對于火電機組而言，傳統(tǒng)的機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是指鍋爐燃燒率和汽機調(diào)門之間的協(xié)調(diào)，典型的協(xié)調(diào)控制主要有爐跟機的協(xié)調(diào)（CBF）和機跟爐的協(xié)調(diào)(CTF）。爐跟機或爐跟機為主導的協(xié)調(diào)控制是指汽機調(diào)門控制負荷，鍋爐燃燒率控制主蒸汽壓力；機跟爐或機跟爐為主導的協(xié)調(diào)控制是指汽機調(diào)門控制主蒸汽壓力，鍋爐燒率控制負荷。
為了能夠快速地響應(yīng)電網(wǎng)的負荷需求，機組大都采用CBF或接近CBF的協(xié)調(diào)控制方式。當有負荷變化需求時，比如要求加負荷，汽機調(diào)門快速開大（即首先利用鍋爐蓄熱快速響應(yīng)負荷），同時鍋爐燃燒率增加，及時補充被利用的機組蓄能，并維持機組能量與負荷需求間的新的平衡。以往所有的機組，汽機調(diào)門都是有節(jié)流的，即保留有一定的蓄熱能力以應(yīng)對調(diào)峰或調(diào)頻，在變負荷過程中，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)合理協(xié)調(diào)汽機調(diào)門和鍋爐燃燒率間的動作，滿足電網(wǎng)負荷需求，同時保證機組運行參數(shù)的穩(wěn)定。
但是，隨著一批600/1000MW等級的超（超）臨界火電機組的投運，機組大都全程滑壓運行，汽機調(diào)門的節(jié)流很小，電網(wǎng)快速變化的負荷需求與機組較小的蓄熱之間的矛盾越來越突出。特別是上海外高橋三廠1000MW超超臨界機組，為了保證機組最優(yōu)的經(jīng)濟性，機組在正常運行范圍內(nèi)，汽機調(diào)門始終全開。由于汽機調(diào)門全開，主蒸汽壓力不受直接控制，傳統(tǒng)的機組協(xié)調(diào)控制更是無從談起，機組變負荷時無鍋爐蓄熱可用，若不采用其他的手段，機組加減負荷的速率就是鍋爐燃燒率變化而引起機組負荷變化的速率，由于鍋爐固有的熱慣性，燃燒率變化引起機組負荷變化必定是緩慢的過程，這將無法適應(yīng)電網(wǎng)負荷快速變化的需求。
二、節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制原理
為了達到較快的變負荷性能，火電機組必須利用蓄能。既然汽機調(diào)門全開、無鍋爐蓄熱可利用，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，且不影響機組的經(jīng)濟性或者對機組經(jīng)濟運行影響最小。在上海外高橋三廠1000MW超超臨界機組上，設(shè)計了一套基于凝結(jié)水調(diào)負荷的新型節(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)快速的變負荷需求，這是一種經(jīng)濟節(jié)能的變負荷控制方式。
2.1工作原理
所謂凝結(jié)水調(diào)負荷，是指在機組變負荷時，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，暫時獲得或釋放一部分機組的負荷。
比如，機組加負荷時，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，增加汽輪機中蒸汽做功的量，使機組負荷增加。此時，除氧器水位下降，凝汽器水位上升。機組減負荷的過程相反。
凝結(jié)水調(diào)負荷技術(shù)本質(zhì)上是一種利用蓄能的技術(shù)，利用的是汽機回熱／加熱系統(tǒng)中蓄能的變化。
由于在加負荷過程中減少了機組的抽汽，而在減負荷過程中又增加了機組的抽汽，所以這種利用蓄能的技術(shù)對汽機回熱系統(tǒng)的經(jīng)濟性整體上沒有影響。
凝結(jié)水調(diào)負荷主要作用是提高變負荷初期的負荷響應(yīng)，能夠改善由于鍋爐側(cè)的滯后而產(chǎn)生的負荷響應(yīng)的延時，但機組最終的負荷響應(yīng)仍然取決于鍋爐燃燒率的變化。
2.2 能力計算
依據(jù)機組的熱平衡圖，可以計算出低加全切時理論上能夠增加的負荷。從表l的計算可見，在1000MW負荷時，切除所有低加，外高橋三廠機組能夠增加負荷53MW，這是該類型機組凝結(jié)水調(diào)負荷對負荷響應(yīng)的極限能力。

機組正常運行時，凝結(jié)水調(diào)負荷受到凝泵流量、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%，所以外高橋三廠機組在500-1000MW范圍內(nèi)運行時，凝結(jié)水調(diào)負荷的最大能力為15-30MW。
2.3特性試驗
2008年4月，在外高橋三廠7號和8號機組的多個負荷點進行了凝結(jié)水調(diào)負荷的對象特性試驗，得到了類似的特性試驗曲線。這與同類型機組的外高橋二廠的試驗結(jié)果類似。
圖1是2008年4月22日7號機組負荷850MW時，快速變化凝泵出口主調(diào)位的試驗曲線。試驗時鍋爐主控退出自動（保持煤量不變），除氧器和凝汽器水位都退出自動，凝汽器常補／危補始終全關(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)負荷的特性試驗證明了凝結(jié)水流量變化對負荷變化的有效性，也是與理論計算結(jié)果相符。當凝結(jié)水流量變化約50%時，負荷變化量是當時負荷的2.0%-2.5%，試驗結(jié)果還表明：要獲得負荷的快速變化，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)
在分析和計算了凝結(jié)水調(diào)負荷的能力，完成了凝結(jié)水調(diào)負荷的特性試驗及鍋爐燃燒率對機組負荷的特性試驗后，進行了基于凝結(jié)水調(diào)負荷的新型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計，并首先在7號機組分散控制系統(tǒng)中實施了功能組態(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)計與調(diào)試、凝泵出口調(diào)門控制策略的重新設(shè)計、鍋爐側(cè)控制策略的重新設(shè)計等幾方面。
3.1凝結(jié)水系統(tǒng)相關(guān)控制回路的重新設(shè)計與優(yōu)化調(diào)試
首先需要對除氧器、凝汽器、低加水位等回路進行一番較大的設(shè)計改進與優(yōu)化調(diào)試。在采用凝結(jié)水調(diào)負荷功能之前，凝汽器水位和除氧器水位是 2個相對獨立的水位控制回路。但采用凝結(jié)水調(diào)負荷后，在變負荷中除氧器和凝汽器必然會波動，這時若仍然僅僅根據(jù)單一水位的變化來進行水位控制將變得不可行，而且會造成系統(tǒng)中凝結(jié)水量的不平衡，危及機組安全。
根據(jù)除氧器和凝汽器容器的具體尺寸，計算出正常運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)水量變化對除氧器水位和凝汽器水位的變化關(guān)系），凝汽器常補／危補調(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，也需要對低加的常疏調(diào)門的控制回路進行改進，因為凝結(jié)水流量的大幅度的快速變化也對低加的常疏調(diào)門的控制提出了更高的要求。
凝泵低流量保護也是需要關(guān)注的問題。利用凝結(jié)水調(diào)負荷技術(shù)加負荷時首先會關(guān)凝泵出口調(diào)門，必然會引起凝結(jié)水流量低，尤其在低負荷段加負荷時，凝結(jié)水流量還更低，為了確保凝泵需要的最小安全流量，對凝泵出口調(diào)門的最小開度進行了限制，為了安全，還必須對凝泵最小流量閥進行調(diào)試，確保在低流量時能快速地打開。
3.2凝結(jié)水調(diào)負荷控制回路的設(shè)計
基本的設(shè)計思路包括：
(l）在變負荷過程中，經(jīng)智能處理的負荷偏差直接送至凝泵出口調(diào)節(jié)閥的控制回路，即把負荷需求直接轉(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，而直接控制機組負荷偏差，快速響應(yīng)負荷指令。當變負荷結(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）在變負荷過程中，當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)閥兼顧機組負荷和水位；當除氧器和凝汽器的水位偏差進一步加大，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大波動，對凝泵出口調(diào)節(jié)閥的高／低限進行了智能化的限制處理。還針對變負荷過程中負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)計優(yōu)化
凝結(jié)水調(diào)負荷功能承擔了變負荷初期的任務(wù)，改善了由于鍋爐的滯后而產(chǎn)生的負荷響應(yīng)的延時，但最終的負荷響應(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)負荷，并及時恢復(fù)凝汽器和除氧器水位。所以，對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)負荷控制策略。
1000MW機組調(diào)門全開，滑壓運行，制粉系統(tǒng)配直吹式磨煤機，客觀上存在著較大的負荷響應(yīng)延遲，應(yīng)該講比較適宜采用“機跟爐”為主的協(xié)調(diào)方式，以帶基本負荷為主，這有利于機組的穩(wěn)定經(jīng)濟運行。但是，目前的AGC（自動發(fā)電控制）調(diào)度方式對負荷的快速響應(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組安全運行的前提下，充分考慮機組負荷的快速響應(yīng)。
(1）以負荷前饋為主導，準確設(shè)置基準主控函數(shù)。鍋爐側(cè)的控制指令是以負荷前饋為主導，鍋爐指令（煤量、風量和水量）跟隨負荷指令變化而同步變化，以反饋控制作為穩(wěn)態(tài)時的偏差修正。
(2）合理加快給水流量的變化。對于直流鍋爐，給水流量的變化能快速改變機組的負荷。在鍋爐分離器出口溫度變化允許的前提下，適當提前變化給水流量，通過給水的快速響應(yīng)來提高機組負荷的響應(yīng)速度。
(3）燃燒率超調(diào)，及時補充蓄能。當凝泵出口調(diào)門快速跟隨負荷指令變化，提高變負荷初期的負荷響應(yīng)性能，并通過給水量的超前變化，機組電負荷會持續(xù)較快變化，但由于鍋爐熱負荷客觀上存在著較大的延遲，總是滯后于電負荷的變化，所以必須超調(diào)燃燒率，加快和加大熱負荷的產(chǎn)生，最終補充凝泵出口調(diào)門利用了的蓄熱和補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)試過程中，采用的提高變負荷能力的基本控制思路是：機組有變負荷需求時，首先依靠凝結(jié)水調(diào)負荷（解決變負荷前期50s的負荷響應(yīng)）、其次依靠給水快速的響應(yīng)（解決變負荷中期50-80s的負荷響應(yīng)），然后依靠鍋爐燃燒率的提高、合理的超調(diào)（解決變負荷中后期的負荷響應(yīng)），補充利用了的蓄熱，最終恢復(fù)系統(tǒng)的平衡。由于該控制技術(shù)是在國內(nèi)首次應(yīng)用，沒有經(jīng)驗可循，在調(diào)試中進行很多大膽的嘗試，調(diào)試及優(yōu)化中的主要關(guān)鍵點和難點為：(1）負荷指令如何安全、可靠、合理地送至凝泵出口調(diào)門控制回路； (2）變負荷和穩(wěn)態(tài)過程，凝結(jié)水調(diào)負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)時間的確定，如何合理地恢復(fù)機組的蓄熱。
4.2節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運行效果
經(jīng)過2008年4月底至6月中的大量變負荷試驗，新型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在7號機組獲得成功，隨后成功移植到8號機組，2臺機組的變負荷性能有了明顯的提高，在汽機調(diào)門全開的工況下，在500-1000MW負荷時，實際每分鐘負荷響應(yīng)能夠達到或超過1.5%，負荷的穩(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)負荷功能前、后的效果對比，可以清晰地看到投用凝結(jié)水調(diào)負荷功能后有了很好地負荷跟隨性能。

圖3是7號機組在本地協(xié)調(diào)方式下，負荷從850到1000MW的加負荷階段的運行曲線，從圖中可見，汽機調(diào)門始終全開，實際負荷能夠與1.5％的變負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5℃ 。

目前2臺機組在500-1000MW投用AGC方式運行，圖4是7號機組是在700-1000MWAGC方式下的實際運行曲線，變負荷速率設(shè)置為2％每分鐘。從圖4中可見，在汽機調(diào)門始終全開時，機組在AGC方式下，13min內(nèi)負荷增加了211MW（從7l8MW增加至929MW) ，實際變負荷速率達到了16.2MW/Min , 變負荷過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)的負荷需求的同時，機組的變負荷的運行經(jīng)濟性得以提高。

五、結(jié)語
(l）基于凝結(jié)水調(diào)負荷的節(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)一直正常投人運行，從未引起機組的異常動作，在保證超超臨界機組經(jīng)濟運行的同時，大大提高了機組的負荷響應(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)的火電機組協(xié)調(diào)控制方式有很大的差異，由于汽機調(diào)門全開，協(xié)調(diào)控制主要是協(xié)調(diào)鍋爐燃燒率與汽機回熱／加熱系統(tǒng)間能量平衡的關(guān)系，這在國內(nèi)尚屬首次應(yīng)用，是對突破傳統(tǒng)的機組協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計的很有意義的嘗試，并已在其他百萬等級機組中推廣，在超（超）臨界直流機組上具有廣闊的應(yīng)用前景。