考慮汽包壓力信號(hào)的三沖量給水控制策略改進(jìn)

嚴(yán) 方，曹艷華，鄧艷霞

YAN Fang, CAO Yan-hua, DENG Yan-xia

（廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530004）

0 引言

汽包水位是鍋爐運(yùn)行的重要監(jiān)控參數(shù)，反映了鍋爐蒸汽與給水量的平衡關(guān)系；機(jī)組安全運(yùn)行不允許汽包水位過高或過低。汽包水位過高會(huì)影響汽水分離效果，使蒸汽帶水；汽包水位過低，會(huì)影響汽水循環(huán)，甚至干鍋。維持汽包水位是鍋爐、汽輪機(jī)安全運(yùn)行所必須的。汽包水位控制系統(tǒng)的任務(wù)就是維持鍋爐汽包水位設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)全程水位自動(dòng)控制。

鍋爐給水控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的控制算法為三沖量給水控制算法，當(dāng)然也有一些比較先進(jìn)的算法在研究并實(shí)踐之中[1,2,3]。某電廠機(jī)組投運(yùn)后，鍋爐汽包水位波動(dòng)較大，給水自動(dòng)多次退出。通過歷史曲線分析以及實(shí)驗(yàn)表明，運(yùn)行中異常水位干擾主因來自于該煤礦煤揮發(fā)份較高，受熱面結(jié)焦掉渣嚴(yán)重，燃燒易受干擾，當(dāng)然同時(shí)也伴隨有給水流量、蒸汽流量的干擾。針對(duì)以上問題我們采用增加汽包壓力微分信號(hào)、調(diào)整PID參數(shù)、采取水位壓力補(bǔ)償信號(hào)等多種改進(jìn)措施，克服了由于省煤器純延遲環(huán)節(jié)大而導(dǎo)致的異常水位干擾。

1 汽包壓力對(duì)測(cè)量的影響以及修正方法

汽包爐通常會(huì)采用玻璃管水位計(jì)，也就是我們通常講的平衡容器。如果忽略平衡容器室飽和壓力誤差因素，考慮到汽包飽和壓力對(duì)水位測(cè)量誤差的影響，可以采用文獻(xiàn)[4]方式對(duì)汽包水位測(cè)量值進(jìn)行修正。

顯然 ，也就是 ，以汽包設(shè)計(jì)飽和壓力下的比重近似處理前半部分參數(shù)。則式(1)可以簡(jiǎn)化為：

2 汽包水位的影響因素與汽包壓力的相對(duì)關(guān)系

相對(duì)于汽包壓力對(duì)水位測(cè)量的影響而言，汽包壓力對(duì)實(shí)際水位的影響更大。影響水位的因素主要有鍋爐蒸發(fā)量.給水量、給水溫度、爐膛燃燒，同樣我們從這四個(gè)方面對(duì)汽包壓力進(jìn)行分析。

式(3)表明汽包水位變化的影響因素。 表示當(dāng)前時(shí)刻值， 為前一時(shí)刻計(jì)算值， 為計(jì)算周期， 為給水量， 為蒸汽流量， 為汽包內(nèi)爐水總量。 為汽包(外延至省煤器)飽和水的平均密度， 為汽包的近似截面積。

2.1 給水?dāng)_動(dòng)時(shí)汽包壓力、水位分析

從物質(zhì)平衡的觀點(diǎn)來看，加大了給水量W，水位H應(yīng)立即上升，但實(shí)際上并不是這樣，而是經(jīng)過一段遲延，甚至先下降后再上升。這是因?yàn)榻o水溫度遠(yuǎn)低于省煤器的溫度，即給水有一定的過冷度，水進(jìn)入省煤器后，使一部分汽變成了水，特別是沸騰式省煤器，給水減輕了省煤器內(nèi)的沸騰度，省煤器內(nèi)的汽泡總?cè)莘e減少，也就是汽包的整體平均密度 增加，此時(shí)汽包的飽和溫度以及飽和壓力均有所下降。

2.2 鍋爐蒸發(fā)量擾動(dòng)時(shí)汽包壓力、水位分析

當(dāng)蒸發(fā)量增加的時(shí)候，鍋爐給水W與蒸發(fā)量D失去平衡，此時(shí)鍋爐水位不會(huì)立即下降，反而會(huì)有上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)檎舭l(fā)量增加后，在燃燒未發(fā)生根本性變化前，單位工質(zhì)吸收熱量增加，此時(shí)汽包的沸騰現(xiàn)象會(huì)加劇，同時(shí)汽包壓力隨之下降，也就是飽和溫度和飽和壓力相應(yīng)會(huì)下降，相對(duì)而言爐水的平均密度 有下降趨勢(shì)，根據(jù)式(3)可知，汽包水位不會(huì)立即下降，有可能有上升的趨勢(shì)。蒸發(fā)量減少趨勢(shì)與之相反。

鍋爐蒸發(fā)量擾動(dòng)最為典型的是當(dāng)鍋爐安全門動(dòng)作或負(fù)荷突增。當(dāng)鍋爐安全門動(dòng)作時(shí)，汽包壓力將迅速下降，一方面汽水比容增大，另一方面使飽和溫度降低，促使生成更多的蒸汽。汽水混合物體積膨脹，形成虛假高水位，但是由于負(fù)荷增大，爐水消耗增加，爐水中的湯泡逐漸逸出水面后，水位開始迅速下降，即先高后低。當(dāng)安全門回座或負(fù)荷突降時(shí)，水位變化與過程相反。

2.3 燃燒擾動(dòng)時(shí)汽包壓力、水位分析

當(dāng)燃燒增加時(shí)，蒸發(fā)量增加，給水尚未變化，按理鍋爐水位有下降趨勢(shì)。譬如掉鍋爐大焦，這種情況相當(dāng)于燃燒加強(qiáng)的結(jié)果，水冷壁吸熱量增加，爐水體積膨脹，汽泡增多，此時(shí)蒸發(fā)量雖然有所增加，但總體而言水位有暫時(shí)上升現(xiàn)象。同時(shí)汽包飽和壓力也要升高，飽和溫度相應(yīng)升高，爐水中汽泡數(shù)量又將減少，水位又會(huì)下降；隨后蒸發(fā)量增加，但給水未增加時(shí)，水位又進(jìn)一步下降，即水位先高后低。從實(shí)際生產(chǎn)中觀察，水位上升不明顯，但下降較快，事故發(fā)生10s后，雖然給水以1t.S-1的速度增加，水位仍以1.9mm.s-1的速度下降。

燃燒減弱，趨勢(shì)與之相反。燃燒減弱的典型事故案例是風(fēng)機(jī)RB。以引風(fēng)機(jī)RB為例，水冷壁吸熱量減少，汽泡減少，爐水體積縮小，使水位暫時(shí)下降。從實(shí)際事故中觀察，跳1臺(tái)引風(fēng)機(jī)后的10s內(nèi)，給水自動(dòng)以2.3t.s-1的速度增加，其水位下降速率仍然高達(dá)6.5mm.s-1。在此同時(shí)鍋爐汽壓也要下降，飽和溫度相應(yīng)降低，爐水中汽泡數(shù)量又將增加，并且由于燃燒減弱，蒸發(fā)量會(huì)迅速減弱，在給水量的純延遲環(huán)節(jié)下，水位又會(huì)迅速上升。

2.4 給水溫度擾動(dòng)時(shí)汽包壓力、水位分析

給水溫度擾動(dòng)以高加事故解列最為復(fù)雜，也最為典型。高加事故解列就是汽輪機(jī)的一二三段抽汽量突然快速為零、鍋爐給水溫度下降、鍋爐給水W＞蒸發(fā)量D的過程。在事故之初，對(duì)于鍋爐來說，發(fā)生了2個(gè)工況的變化，一個(gè)是蒸汽流量減少使得汽包飽和壓力的升高趨勢(shì)，另一個(gè)是給水溫度降低引起的爐水溫度降低。隨著事故的發(fā)展，爐水溫度降低占據(jù)主導(dǎo)因素，汽包水位變化將瞬時(shí)先高后低再加劇升高。

3 控制系統(tǒng)的改造方法

從以上分析結(jié)果以及來看，汽包飽和壓力的變化與汽水沸騰是相互影響的。為了將式(3)的水位實(shí)際變化趨勢(shì)考慮進(jìn)控制回路，我們對(duì)原有控制系統(tǒng)做如下改造。

圖1 給水三沖量控制策略改進(jìn)

如圖1所示，我們對(duì)原有給水三沖量控制系統(tǒng)作如下改造：

1）內(nèi)環(huán)加入微分信號(hào)，用于補(bǔ)償省煤器的延遲。

2）水位信號(hào)如（2）式進(jìn)行飽和壓力修正，飽和壓力值取汽包壓力值。

3）依據(jù)負(fù)荷值對(duì)給水流量與蒸發(fā)量關(guān)系進(jìn)行修正，取代原來固有的0.9系數(shù)。

4）內(nèi)環(huán)PID參數(shù)根據(jù)電泵、汽泵運(yùn)行狀態(tài)分段賦值。

5）利用汽包飽和壓力微分信號(hào)對(duì)實(shí)際水位需求實(shí)施內(nèi)環(huán)前饋修正。

對(duì)原有控制系統(tǒng)進(jìn)行改造后，依據(jù)實(shí)際情況我們對(duì)原有系統(tǒng)PID參數(shù)進(jìn)行修正。在串級(jí)控制系統(tǒng)中引入蒸汽流量信號(hào)作為前饋信號(hào)能較好地補(bǔ)償虛假水位的影響，改善負(fù)荷擾動(dòng)下的汽包水位控制品質(zhì)，但對(duì)于燃燒擾動(dòng)以及其他綜合擾動(dòng)情形下的虛假水位現(xiàn)象就比較困難了，因此在副調(diào)回路中加入飽和壓力水位修正前饋信號(hào)，能更全面補(bǔ)償虛假水位現(xiàn)象。

4 控制系統(tǒng)的改造效果

圖2 改造前綜合擾動(dòng)曲線

圖3 改造后綜合擾動(dòng)曲線

改造前擾動(dòng)實(shí)施前提：負(fù)荷250MW，主汽壓力14.9MPa。擾動(dòng)實(shí)施過程：給煤量增加6%，60S后負(fù)荷由250MW以5MW/min速率增加至270MW。

改造后擾動(dòng)實(shí)施前提：負(fù)荷250MW，主汽壓力15.6MPa。擾動(dòng)實(shí)施過程：給煤量增加6%，60S后負(fù)荷由250MW以5MW/min速率增加至270MW。

圖2、圖3均為爐膛燃燒擾動(dòng)后的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線，顯然控制系統(tǒng)改造后燃燒擾動(dòng)曲線明顯要優(yōu)于改造前。

5 結(jié)論

鍋爐給水全程自動(dòng)是鍋爐全程自動(dòng)中比較難實(shí)現(xiàn)的環(huán)節(jié)，由于目前常規(guī)的給水三沖量控制均采用了蒸發(fā)量作為前饋控制，控制裝置一般都具有很好的抗蒸發(fā)量擾動(dòng)能力，但對(duì)于燃燒擾動(dòng)很多廠的給水控制系統(tǒng)，尤其是省煤器比較大以及燃燒揮發(fā)份較高的煤的鍋爐系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力還是較為欠缺的[5]。因此鍋爐給水全程自動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵能力就是抗燃燒擾動(dòng)。本文提出以汽包的壓力變化換算出汽包水位的實(shí)際變化，作為給水三沖量控制的內(nèi)擾前饋，實(shí)踐證明該方案具有良好的抗燃燒擾動(dòng)能力。

[1]Takashi Iijima,Yoshiaki Nakajima,Yasushi Nishiwaki Application of fuzzy logic conlro]system for reactor feed—water control[J].Fuzzy Sets and Systems：1995(74)：61-72.

[2]馬瑞.鍋爐汽包水位的自適應(yīng)逆控制[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2006,1060-1063.

[3]陳鐵軍,翟允,劉金鋒.一種基于QFT的鍋爐水位魯棒控制及分析[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,24：12-1.

[4]華志剛,潘笑,鄔菲.300MW機(jī)組鍋爐給水自動(dòng)控制系統(tǒng)分析與改進(jìn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化.2002,26,(4)：25.

[5]何毅,曾慶忠,電廠鍋爐汽包水位波動(dòng)大的原因分析及處理[J].廣西電力,2008,3.