摘要：
火电机组汽轮机低压旁路(低旁)温度控制系统通过调节减温水流量，将低旁后蒸汽温度控制在合适的范围内。对于设置三级减温器的机组，低旁减温器后的蒸汽既不能因湿度过大导致管道冲刷，也不能因温度过高而加重三级减温的负担;对于无三级减温器的机组，低旁减温器后的蒸汽应具有合适的湿度 ，以避免蒸汽湿度过大对凝汽器管束的冲刷或蒸汽温度过高使凝汽器受到过大的热冲击。低旁系统从起动初期很少的蒸汽流量到机组甩满负荷时的最大蒸汽流量，其减温控制系统应以自动方式运行，并且具有响应快速、调节稳定、控制精确的特性。为此，在分析低旁温度典型控制策略的基础上，根据国内的低旁系统提出了采用精确前馈和可变设定点的闭环控制方案。
一、低旁温度典型控制策略
1.1 德国西门子公司控制方案(方案A)
德国西门子公司的低旁减温控制方法是根据低旁压力调节阀前的再热蒸汽压力、温度和压力调节阀开度计算需要的减温水量，由此确定低旁减温水调节阀的开度指令，低旁减温器后蒸汽温度不参与闭环控制。
上海电气公司和德国西门子公司联合成套的燃气联合循环机组采用三压再热余热锅炉，汽轮机配有高、中、低压旁路系统。其中，中压蒸汽(再热蒸汽和中压蒸汽的混合)经中压旁路(中旁)减压减温后排入凝汽器(图1) ，与常规火电机组的低旁减温系统相似，其控制策略如图2所示。
在中旁减温器中，为防止絮流和降低噪声，设置了直径相等且密布的汽流孔。由于位于减温器之后的凝汽器正常运行时的绝对压力很小(4-10kPa) ，中旁正常工作时旁路后绝对压力为0.03-1.2MPa，因此节流孔处蒸汽处于临界流动状态，使中旁蒸汽流量和减温器前压力(绝对压力)成近似线性关系。据此，由中旁后压力对应的蒸汽流量计算需要的减温水流量，由流量调节器实现减温水流量的闭环控制。
1.2 瑞士CCI公司控制方案(方案B)
某电厂超临界600MW机组采用瑞士CCI公司制造的高、低压旁路系统，并设置三级减温器。低旁系统如图3所示。图中CPI11、CPll2为再热蒸汽压力，CT611、CT612为再热蒸汽温度，PSOO1、PS002、PSOO3为低旁减温水压力开关量，CP121为低旁减温水压力变送器，CP122为低旁温度控制阀前后压差，CP101、CP102为低旁后压力，CT301、 CT302为低旁后温度。
瑞士CCI公司控制方案(图4)由低旁前蒸汽压力、温度计算蒸汽烩值，由低旁阀开度、再热蒸汽压力、温度计算低旁的蒸汽流量，根据设置的减温器后蒸汽焙值计算所需的减温水流量，由流量调节器实现减温水流量的闭环控制。但是，在低旁系统中，没有设计减温水流量测点，使得该控制策略无法实现。
1.3 德国BOPP&REUTHER公司控制方案(方案C)
国内某电厂超超临界1O00MW机组采用德国BOPP&REUTHER公司制造的65%低旁系统和控制策略(图5)。该控制策略基于能量平衡原理，由低旁压力阀开度、再热蒸汽压力和温度计算蒸汽流量，根据低旁减温后的蒸汽温度设定值、减温水压力和温度计算所需的减温水流量，该减温水流量乘以1.1的裕量系数后作为减温水流量指令;根据减温水调节阀前后压差计算得到减温水调节阀开度指令。
二、优化方案
2.1 简易前馈自动设定的闭环控制方案(方案D)
根据典型的测点配置设计的控制方案如图6所示。对于配置三级减温器的低旁系统，为了避免低旁减温器后蒸汽带水引起管道冲刷和振动，控制低旁减· 温水流量，使减温器后蒸汽保持适当的过热度。设计时，将低旁减温器后蒸汽温度设定为15℃过热度，但不高于180℃(根据最大工况计算确定)。为了提高控制系统在低旁压力阀保护性快速打开等非正常工况下的响应特性，引入低旁压力阀位置反馈和再热蒸汽压力信号，二者的乘积近似等于蒸汽流量信号，该信号直接作为温度闭环控制调节器的前馈，使减温水调节阀开度快速跟踪低旁压力调节的变化。
2.2 精确前馈自动设定闭环控制方案(方案E)
除起动初期外，低旁后压力一直小于阀前压力的0.5倍，蒸汽在低旁压力阀后处于临界流动状态。在不增设测点的条件下，可得低旁蒸汽流量为：
式中：Gs为蒸汽流量，kg/h;kv为低旁压力阀开度对应值;p1为低旁压力阀前绝对压力(100kPa);tsh为调节阀前蒸汽过热度，K 。
根据式(1) ，由低旁前压力、温度、压力阀开度计算低旁蒸汽流量，根据计算的减温器后蒸汽温度确定减温后蒸汽烩值，根据减温前后的能量平衡可得：
式中：Fs为低旁蒸汽流量，kg/h;Fw为低旁减温水流量，kg/h;h1为低旁前再热蒸汽焙值，kJ/kg;h2为低旁减温器后蒸汽烩值，kJ/kg;hw为低旁减温水焙值(取常数),kJ/kg。
图7为精确反馈计算逻辑。在图7中，根据低旁再热蒸汽流量和所需减温水流量经减温水调节阀前后压差修正来确定减温水阀的kv值及其开度指令。采用图7中精确计算的前馈信号代替简易前馈自动设定的闭环控制方案中前馈信号FF(图6) ，则得到精确前馈自动设定的闭环控制方案。
2.3 三级减温控制
300MW及以上容量机组通常设计有三级减温水调节阀，但是三级减温后无合适的温度测点用于闭环控制，因此可根据计算得到低旁蒸汽流量和调节阀的流量特性，通过函数关系确定减温水调节阀开度，应避免减温水阀开度过大使蒸汽严重带水导致凝汽器的冲刷，同时保证运行的经济性。
三、几种控制方案的对比分析
几种控制方案的对比结果见表1。
对于响应快速性，通常要求低旁压力阀快开全行程时间小于35，减温水调节阀也应快速响应。
对于动态精度，德国西门子公司控制方案、瑞士CCI公司控制方案、德国BOPP&REUTHER公司控制方案、精确前馈自动设定的闭环控制方案均设计了较为精确的蒸汽流量计算回路，由此计算得到的减温水流量指令或阀位开度指令能够获得较好的动态控制精度。由于简易前馈自动设定的闭环控制方案的前馈信号计算相对简单且精度较低，从而动态控制精度也较低。
对于稳态精度，瑞士CCI公司控制方案、德国BOPP&REUTHER公司控制方案均以阀门的理论流量特性为依据进行静态计算，并且开环控制。由于调节阀的理论流量特性与实际允许流量的偏差较大(士10%)，且存在阀门位置反馈误差及热膨胀误差等，所以蒸汽流量信号存在较大的误差。德国西门子公司控制方案中，由于减温器前节流面积一定，蒸汽压力与蒸汽流量有较好的线性关系，蒸汽压力和减温水流量信号均可以获得较高测量精度，则稳态控制精度较高。简易前馈自动设定的闭环控制方案、精确前馈自动设定的闭环控制方案均采用减温器后蒸汽温度闭环控制，温度控制精度最高。
四、结论
在300MW及以上容量机组增设低旁减温水流量信号是必要的，增设后能够提高低旁温度控制方案选择的灵活性;在没有减温水流量信号的情况下，可采用简易前馈自动设定的闭环控制方案，其控制逻辑简易明了，具有良好的快速响应特性和稳态的控制精度，该方案已在鹤壁电厂二期2只300MW机组和国电民权电厂2x600MW机组上应用，并经历了机组甩负荷试验等极端工况考验，结果表明各指标满足要求;精确前馈自动设定的闭环控制方案理论计算精确，并具有闭环控制修正功能，控制精度最高。
