一、引言
對于火電機組而言，傳統的機組協調控制系統是指鍋爐燃燒率和汽機調門之間的協調，典型的協調控制主要有爐跟機的協調（CBF）和機跟爐的協調(CTF）。爐跟機或爐跟機為主導的協調控制是指汽機調門控制負荷，鍋爐燃燒率控制主蒸汽壓力；機跟爐或機跟爐為主導的協調控制是指汽機調門控制主蒸汽壓力，鍋爐燒率控制負荷。
為了能夠快速地響應電網的負荷需求，機組大都采用CBF或接近CBF的協調控制方式。當有負荷變化需求時，比如要求加負荷，汽機調門快速開大（即首先利用鍋爐蓄熱快速響應負荷），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，汽機調門都是有節流的，即保留有一定的蓄熱能力以應對調峰或調頻，在變負荷過程中，協調控制系統合理協調汽機調門和鍋爐燃燒率間的動作，滿足電網負荷需求，同時保證機組運行參數的穩定。
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，汽機調門的節流很小，電網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，為了保證機組最優的經濟性，機組在正常運行范圍內，汽機調門始終全開。由于汽機調門全開，主蒸汽壓力不受直接控制，傳統的機組協調控制更是無從談起，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，這將無法適應電網負荷快速變化的需求。
二、節能型協調控制系統的控制原理
為了達到較快的變負荷性能，火電機組必須利用蓄能。既然汽機調門全開、無鍋爐蓄熱可利用，就需要考慮在熱力系統中是否還有其他蓄能可以被利用，且不影響機組的經濟性或者對機組經濟運行影響最小。在上海外高橋三廠1000MW超超臨界機組上，設計了一套基于凝結水調負荷的新型節能型的協調控制系統，能夠在沒有任何汽機調門節流損失（調門全開）的工況下，仍然滿足電網快速的變負荷需求，這是一種經濟節能的變負荷控制方式。
2.1工作原理
所謂凝結水調負荷，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，改變凝泵出口調門的開度，改變凝結水流量，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，關凝泵出口調門，減小凝結水流量，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。
凝結水調負荷技術本質上是一種利用蓄能的技術，利用的是汽機回熱／加熱系統中蓄能的變化。
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對汽機回熱系統的經濟性整體上沒有影響。
凝結水調負荷主要作用是提高變負荷初期的負荷響應，能夠改善由于鍋爐側的滯后而產生的負荷響應的延時，但機組最終的負荷響應仍然取決于鍋爐燃燒率的變化。
2.2 能力計算
依據機組的熱平衡圖，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水調負荷對負荷響應的極限能力。

機組正常運行時，凝結水調負荷受到凝泵流量、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范圍內運行時，凝結水調負荷的最大能力為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水調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（保證系統中凝結水量不變），快速變化凝泵出口主調位從43%至30% ，約4min后恢復到43%，凝結水流量從1465t/h降至772t/h，最低瞬間為600t/h。負荷快速上升，305內上升近14MW，最高到871MW。210s內，凝汽器水位從688mm上升到967mm，除氧器水位從695mm下降到294mm。

凝結水調負荷的特性試驗證明了凝結水流量變化對負荷變化的有效性，也是與理論計算結果相符。當凝結水流量變化約50%時，負荷變化量是當時負荷的2.0%-2.5%，試驗結果還表明：要獲得負荷的快速變化，凝結水流量需要快速變化。
三、節能型協調控制系統的關鍵技術
在分析和計算了凝結水調負荷的能力，完成了凝結水調負荷的特性試驗及鍋爐燃燒率對機組負荷的特性試驗后，進行了基于凝結水調負荷的新型協調控制系統的設計，并首先在7號機組分散控制系統中實施了功能組態。
節能型協調控制系統的關鍵技術主要包括凝結水系統相關回路的重新設計與調試、凝泵出口調門控制策略的重新設計、鍋爐側控制策略的重新設計等幾方面。
3.1凝結水系統相關控制回路的重新設計與優化調試
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計改進與優化調試。在采用凝結水調負荷功能之前，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。但采用凝結水調負荷后，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，而且會造成系統中凝結水量的不平衡，危及機組安全。
根據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系（即同樣凝結水量變化對除氧器水位和凝汽器水位的變化關系），凝汽器常補／危補調節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和。
此外，也需要對低加的常疏調門的控制回路進行改進，因為凝結水流量的大幅度的快速變化也對低加的常疏調門的控制提出了更高的要求。
凝泵低流量保護也是需要關注的問題。利用凝結水調負荷技術加負荷時首先會關凝泵出口調門，必然會引起凝結水流量低，尤其在低負荷段加負荷時，凝結水流量還更低，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試，確保在低流量時能快速地打開。
3.2凝結水調負荷控制回路的設計
基本的設計思路包括：
(l）在變負荷過程中，經智能處理的負荷偏差直接送至凝泵出口調節閥的控制回路，即把負荷需求直接轉化為需要的凝結水變化量，在除氧器和凝汽器的水位允許的變化范圍內，凝泵出口調節閥不再控制水位，而直接控制機組負荷偏差，快速響應負荷指令。當變負荷結束，凝泵出口調節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，凝泵出口調節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，凝泵出口調節閥則完全恢復至控制水位，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，對凝泵出口調節閥的高／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，增加了凝泵出口調節閥的智能閉鎖功能。
在邏輯組態的具體實施中，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鍋爐側控制策略的設計優化
凝結水調負荷功能承擔了變負荷初期的任務，改善了由于鍋爐的滯后而產生的負荷響應的延時，但最終的負荷響應仍然依賴鍋爐燃燒率的變化，鍋爐側快速合理的控制策略仍然是根本，最終響應負荷，并及時恢復凝汽器和除氧器水位。所以，對于外高橋三廠完整的節能型協調控制策略包括了鍋爐側的智能控制策略和凝結水調負荷控制策略。
1000MW機組調門全開，滑壓運行，制粉系統配直吹式磨煤機，客觀上存在著較大的負荷響應延遲，應該講比較適宜采用“機跟爐”為主的協調方式，以帶基本負荷為主，這有利于機組的穩定經濟運行。但是，目前的AGC（自動發電控制）調度方式對負荷的快速響應能力提出了較高的要求，所以鍋爐側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。
(1）以負荷前饋為主導，準確設置基準主控函數。鍋爐側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，以反饋控制作為穩態時的偏差修正。
(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來提高機組負荷的響應速度。
(3）燃燒率超調，及時補充蓄能。當凝泵出口調門快速跟隨負荷指令變化，提高變負荷初期的負荷響應性能，并通過給水量的超前變化，機組電負荷會持續較快變化，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，所以必須超調燃燒率，加快和加大熱負荷的產生，最終補充凝泵出口調門利用了的蓄熱和補充因給水量快速變化而產生的鍋爐蒸汽溫度的變化。
四、節能型協調控制系統的調試和優化
4.1節能型協調控制系統的投用
在節能型協調控制系統的調試過程中，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，首先依靠凝結水調負荷（解決變負荷前期50s的負荷響應）、其次依靠給水快速的響應（解決變負荷中期50-80s的負荷響應），然后依靠鍋爐燃燒率的提高、合理的超調（解決變負荷中后期的負荷響應），補充利用了的蓄熱，最終恢復系統的平衡。由于該控制技術是在國內首次應用，沒有經驗可循，在調試中進行很多大膽的嘗試，調試及優化中的主要關鍵點和難點為：(1）負荷指令如何安全、可靠、合理地送至凝泵出口調門控制回路； (2）變負荷和穩態過程，凝結水調負荷控制方式的合理切換； (3）鍋爐燃燒率的超調幅度和超調時間的確定，如何合理地恢復機組的蓄熱。
4.2節能型協調控制系統的運行效果
經過2008年4月底至6月中的大量變負荷試驗，新型協調控制系統在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，在汽機調門全開的工況下，在500-1000MW負荷時，實際每分鐘負荷響應能夠達到或超過1.5%，負荷的穩定性也很好，主要的熱力參數也都控制在良好的范圍內。
圖2是投用凝結水調負荷功能前、后的效果對比，可以清晰地看到投用凝結水調負荷功能后有了很好地負荷跟隨性能。

圖3是7號機組在本地協調方式下，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，變負荷速率設置為2％每分鐘。從圖4中可見，在汽機調門始終全開時，機組在AGC方式下，13min內負荷增加了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℃。新型節能型協調控制系統投用后，在滿足了電網的負荷需求的同時，機組的變負荷的運行經濟性得以提高。

五、結語
(l）基于凝結水調負荷的節能型協調控制技術在上海外高橋三廠獲得成功應用，自2008年7月起，該控制系統一直正常投人運行，從未引起機組的異常動作，在保證超超臨界機組經濟運行的同時，大大提高了機組的負荷響應能力，滿足了電網調峰和調頻的要求。（2）新型節能型協調控制方式與傳統的火電機組協調控制方式有很大的差異，由于汽機調門全開，協調控制主要是協調鍋爐燃燒率與汽機回熱／加熱系統間能量平衡的關系，這在國內尚屬首次應用，是對突破傳統的機組協調控制策略設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用前景。