給水泵最小流量再循環(huán)閥控制方法的改進(jìn)

王志強(qiáng)，李忠杰，李金鋮

(1.河北省電力研究院，石家莊 050021；2.河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司，石家莊 050400；3.河北科技大學(xué)，石家莊 050021)

超臨界機(jī)組給水泵為多級(jí)離心泵，其入口為經(jīng)過(guò)給水泵前置泵升壓的中壓給水，中壓給水接近飽和，當(dāng)給水泵低于最小流量運(yùn)行時(shí)，泵體摩擦的發(fā)熱量不能被給水帶走，使泵內(nèi)溫度升高，當(dāng)泵內(nèi)溫度超過(guò)泵所處壓力下的飽和溫度時(shí)，給水就會(huì)發(fā)生汽化，造成給水泵汽蝕。為此，在給水泵出口至除氧器之間設(shè)置再循環(huán)系統(tǒng)。給水泵再循環(huán)系統(tǒng)由再循環(huán)管、最小流量再循環(huán)閥(簡(jiǎn)稱(chēng)“再循環(huán)閥”)和再循環(huán)調(diào)節(jié)閥前、后閥門(mén)組成。當(dāng)給水泵低于最小流量運(yùn)行時(shí)，通過(guò)再循環(huán)系統(tǒng)增加給水泵的入口給水流量，保證給水泵的安全運(yùn)行；當(dāng)給水泵流量大于最小流量并有一定余量時(shí)，關(guān)閉再循環(huán)閥，以提高經(jīng)濟(jì)性。

1 給水泵的安全工作區(qū)

給水泵最小流量定值，根據(jù)各給水泵運(yùn)行特性曲線確定，給水泵必須運(yùn)行在特性曲線的安全工作區(qū)，給水泵運(yùn)行特性曲線見(jiàn)文獻(xiàn)[1]?？紤]給水泵運(yùn)行的不同工況，在給水泵投運(yùn)或機(jī)組運(yùn)行在低負(fù)荷期間，為了使泵工作在安全區(qū)，必須由再循環(huán)閥來(lái)保證流過(guò)給水泵的最小流量。[1]

2 再循環(huán)閥控制方法及存在的問(wèn)題

再循環(huán)閥的控制方法一般分為開(kāi)關(guān)式控制和連續(xù)式控制：前者通常用于小容量機(jī)組；對(duì)于大容量或超臨界機(jī)組為保證給水流量調(diào)節(jié)的穩(wěn)定及提高經(jīng)濟(jì)性，再循環(huán)閥控制應(yīng)采用連續(xù)式控制。常規(guī)的再循環(huán)閥連續(xù)控制方法有PID調(diào)節(jié)控制和單一曲線函數(shù)控制。

2.1 PID調(diào)節(jié)控制

PID調(diào)節(jié)使用單沖量、閉環(huán)反饋控制再循環(huán)閥，給水泵入口流量與設(shè)定值偏差輸入PI調(diào)節(jié)器，再循環(huán)閥為PI調(diào)節(jié)器控制對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)最小流量的連續(xù)控制。

再循環(huán)閥工作在高溫、高壓且前后壓差大的工況中，頻繁調(diào)整可能導(dǎo)致閥門(mén)故障。此控制方法為連續(xù)控制，能夠保證給水泵安全運(yùn)行，但再循環(huán)閥的頻繁調(diào)整，增加了再循環(huán)閥故障率；同時(shí)，再循環(huán)閥的開(kāi)度變化，會(huì)影響鍋爐給水流量，從而影響鍋爐給水自動(dòng)的調(diào)整，嚴(yán)重時(shí)可能造成給水自動(dòng)控制發(fā)散，影響機(jī)組運(yùn)行安全。

2.2 單一曲線函數(shù)控制

設(shè)一個(gè)單一曲線函數(shù)F(x)，由F(x)直接給出給水泵入口流量和再循環(huán)閥開(kāi)度指令的關(guān)系。采用該控制方法在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中閥門(mén)動(dòng)作頻繁，幅度較大，在閥門(mén)的開(kāi)關(guān)瞬間會(huì)引起給水流量的大幅波動(dòng)，而流量的波動(dòng)又影響閥門(mén)的動(dòng)作，既不利于給水泵的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，也會(huì)使整個(gè)給水系統(tǒng)振蕩[2]。

以FK6F32M型給水泵為例，其最大出口流量為690.35 t/h，給水泵單一函數(shù)F(x)曲線見(jiàn)圖1。

圖1 單一函數(shù)F(x)曲線

3 再循環(huán)閥控制原則

再循環(huán)閥控制的基本原則為，避免給水泵低于最小流量運(yùn)行，保證給水泵自身安全可靠運(yùn)行；流量測(cè)點(diǎn)實(shí)際使用過(guò)程中為連續(xù)變化量，且會(huì)受環(huán)境影響出現(xiàn)波動(dòng)情況，控制方法應(yīng)可以屏蔽流量小幅波動(dòng)造成的再循環(huán)閥調(diào)整，避免再循環(huán)閥開(kāi)度隨流量波動(dòng)，降低再循環(huán)閥故障率?？刂圃傺h(huán)閥調(diào)整給水泵再循環(huán)流量的同時(shí)，鍋爐給水流量隨之發(fā)生的變化，影響鍋爐給水自動(dòng)控制，再循環(huán)閥的自動(dòng)控制應(yīng)盡可能減小對(duì)鍋爐給水自動(dòng)控制的影響。

4 控制方法的改進(jìn)

4.1 回滯函數(shù)控制方法

此控制方法基于回滯函數(shù)控制再循環(huán)閥門(mén)開(kāi)度，根據(jù)給水泵的運(yùn)行安全區(qū)域，確定再循環(huán)閥的關(guān)閉和開(kāi)啟方向函數(shù)F1(x)和F2(x)，隨著再循環(huán)流量的增加，F(xiàn)1(x)給定閥門(mén)關(guān)閉方向的開(kāi)度；隨著再循環(huán)流量的減小，F(xiàn)2(x)給定閥門(mén)開(kāi)啟方向的開(kāi)度。F1(x)與F2(x)之間的間隙區(qū)域?yàn)樵傺h(huán)閥關(guān)閉與開(kāi)啟方向轉(zhuǎn)換過(guò)程中的間隙大小，在該間隙范圍的流量變動(dòng)不改變閥門(mén)開(kāi)度，相當(dāng)于給再循環(huán)閥的控制特性增加了具有非線性的間隙環(huán)節(jié)，間隙特性可消除流量測(cè)量誤差以及給水流量波動(dòng)對(duì)再循環(huán)閥控制的影響，避免再循環(huán)閥的頻繁調(diào)整，影響鍋爐給水流量，提高了給水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有利于給水自動(dòng)控制穩(wěn)定運(yùn)行；再循環(huán)閥調(diào)整次數(shù)減少，使閥門(mén)的故障率降低。間隙特性環(huán)節(jié)由F1(x)和F2(x)組成，控制曲線見(jiàn)圖2，控制的邏輯實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖3。[3]

圖2 回滯函數(shù)控制曲線

圖3 回滯函數(shù)控制方法的部分邏輯

實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)給水泵的運(yùn)行安全區(qū)域初步確定F1(x)，且F1(x)應(yīng)大于再循環(huán)閥開(kāi)啟保護(hù)特性函數(shù)(給水泵廠提供),以保證給水泵的安全運(yùn)行。給水泵設(shè)有入口流量低于190 t/h時(shí)聯(lián)開(kāi)再循環(huán)閥聯(lián)鎖，F(xiàn)1(x)對(duì)應(yīng)閥門(mén)全開(kāi)位置的流量應(yīng)大于190 t/h，并保留間隙特性所需余量，因此確定F1(x)對(duì)應(yīng)閥門(mén)全開(kāi)位置的流量220 t/h；給水泵要求流量大于400 t/h時(shí)聯(lián)關(guān)再循環(huán)閥，依次確定F1(x)對(duì)應(yīng)閥門(mén)全關(guān)位置的流量400 t/h，最終確定函數(shù)F1(x)，見(jiàn)表1。

表1 F1(x)在函數(shù)邏輯塊中的參數(shù)設(shè)置

注：x為給水泵入口流量；F1(x)為再循環(huán)閥門(mén)開(kāi)度。

F2(x)應(yīng)根據(jù)給水泵各種工況入口流量測(cè)點(diǎn)的波動(dòng)值δ(x)及F1(x)選取，可參照公式(1)確定F2(x)，以防止再循環(huán)閥頻繁調(diào)整對(duì)給水流量造成大的擾動(dòng)，同時(shí)不影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)行。

F2(x)=F1(x)+δ(x)+b(x)

歷史文化名城形成的主要影響因素是地理?xiàng)l件、政治軍事地位、經(jīng)濟(jì)發(fā)展。一定的歷史活動(dòng)總是在一定的地域上展開(kāi)的，城市的形成與發(fā)展也離不開(kāi)地理?xiàng)l件，包括山川形勝、水陸交通、土壤氣候等。政治軍事地位影響城市的等級(jí)和規(guī)模，城市規(guī)模的大小往往同城市政治行政地位的高低成正比，政治地位的升降通常也意味著城市的盛衰。經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)決定上層建筑，在歷史文化名城的形成過(guò)程中，經(jīng)濟(jì)因素是內(nèi)在的動(dòng)力。文化昌明之區(qū)，必是繁榮富庶之地。歷史文化名城盡管興衰殊途，但都必然有過(guò)一時(shí)或數(shù)代之盛，城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展為文化積累打下了深厚的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(1)

式中：δ(x)為給水泵入口流量測(cè)點(diǎn)的波動(dòng)值隨入口流量變化的函數(shù)，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量流量測(cè)點(diǎn)在各種流量下的實(shí)際波動(dòng)值得到；b(x)為給水泵入口流量波動(dòng)時(shí)，保證再循環(huán)閥不作調(diào)整的安全余量函數(shù)，設(shè)置中隨給水泵入口流量而增加，與泵的額定流量成比例，可根據(jù)泵的運(yùn)行情況修改參數(shù)。最終確定的函數(shù)F2(x)，見(jiàn)表2。

表2 F2(x)在函數(shù)邏輯塊中的參數(shù)設(shè)置

4.2 增大單一函數(shù)曲線死區(qū)

在單一線性函數(shù)控制方法的基礎(chǔ)上，增大流量變量的相應(yīng)死區(qū)，以避免流量波動(dòng)引起再循環(huán)調(diào)門(mén)頻繁調(diào)整，減少給水流量的波動(dòng)。

采用單一曲線函數(shù)F(x)，增大流量變量的死區(qū)a，相當(dāng)于將函數(shù)F(x)左右平移，形成兩條新的曲線F(x+a)、F(x-a)，假設(shè)流量為x1，閥門(mén)開(kāi)度為F(x1)，當(dāng)流量在死區(qū)范圍內(nèi)(x1-a和x1+a之間)波動(dòng)時(shí)，閥門(mén)開(kāi)度始終保持為F(x1)；當(dāng)流量大于x1+a并持續(xù)增大時(shí)，閥門(mén)開(kāi)度按F(x-a)曲線調(diào)整；若流量小于x1-a并持續(xù)降低時(shí)，閥門(mén)開(kāi)度按F(x+a)曲線調(diào)整，控制曲線見(jiàn)圖4。

圖4 增大死區(qū)的單一函數(shù)曲線

由于死區(qū)的影響，降低了系統(tǒng)的跟蹤精度。另外，當(dāng)系統(tǒng)輸入端存在較小擾動(dòng)信號(hào)時(shí)，可以減小擾動(dòng)信號(hào)的影響。此方法控制邏輯簡(jiǎn)單，參數(shù)設(shè)置方便。

給水泵的再循環(huán)閥控制單一函數(shù),根據(jù)各給水泵的運(yùn)行特性曲線選取，也可根據(jù)給水泵運(yùn)行說(shuō)明書(shū)中給定的再循環(huán)閥參數(shù)增加一定安全余量設(shè)置。

死區(qū)的選擇應(yīng)根據(jù)給水泵入口流量測(cè)點(diǎn)的波動(dòng)情況，取各種工況流量波動(dòng)最大值。

5 改進(jìn)方法的應(yīng)用及效果

單一曲線函數(shù)增大死區(qū)控制方法參數(shù)設(shè)置見(jiàn)圖4?；販瘮?shù)控制方法參數(shù)設(shè)置見(jiàn)圖2。2種改進(jìn)的再循環(huán)閥控制方法在汽動(dòng)給水泵中應(yīng)用效果見(jiàn)圖5、圖6。2種改進(jìn)的給水泵再循環(huán)閥控制方法均能實(shí)現(xiàn)再循環(huán)閥自動(dòng)控制，給水泵入口流量小于200 t/h或大于400 t/h時(shí)，再循環(huán)流量分別保持最小流量發(fā)的全開(kāi)或全關(guān)狀態(tài)；當(dāng)給水泵入口流量在200～400 t/h時(shí)，2種控制方法分別根據(jù)自身函數(shù)調(diào)整，回滯函數(shù)組成的非線性間隙區(qū)間及單一曲線函數(shù)的死區(qū)均能良好控制再循環(huán)閥不受給水泵入口流量小幅波動(dòng)及環(huán)境干擾的影響，再循環(huán)閥開(kāi)度無(wú)波動(dòng)現(xiàn)象。

再循環(huán)閥調(diào)整過(guò)程中對(duì)鍋爐給水自動(dòng)干擾較PID控制方法及單一函數(shù)控制方法有明顯改善；2種控制方法能適應(yīng)機(jī)組正常運(yùn)行，啟、停機(jī)及負(fù)荷、給水流量大幅波動(dòng)時(shí)的極端工況，確保給水泵的安全運(yùn)行。

圖5 增大死區(qū)的單一函數(shù)流量閥門(mén)開(kāi)度控制曲線

圖6 回滯函數(shù)流量閥門(mén)開(kāi)度控制曲線

給水泵廠家要求再循環(huán)閥全開(kāi)情況下，入口流量大于400 t/h時(shí)全關(guān)再循環(huán)閥，在自動(dòng)控制中再循環(huán)閥全關(guān)時(shí)對(duì)應(yīng)的流量點(diǎn)可以相應(yīng)減小，以不超出泵的安全工作區(qū)域?yàn)橄蕖?/p>

減小再循環(huán)全關(guān)時(shí)對(duì)應(yīng)的流量點(diǎn)可以減小對(duì)應(yīng)泵入口流量的再循環(huán)流量，有利于提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，但這樣會(huì)使調(diào)整函數(shù)斜率的絕對(duì)值增加，對(duì)應(yīng)流量變化再循環(huán)閥開(kāi)度調(diào)整量增加，對(duì)鍋爐給水自動(dòng)影響加大，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)性能，在保證鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定和不超出泵的安全工作區(qū)域的基礎(chǔ)上，降低再循環(huán)閥全關(guān)時(shí)對(duì)應(yīng)的流量點(diǎn)，以提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

6 結(jié)束語(yǔ)

單一曲線函數(shù)增大死區(qū)控制方法參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單，但單一死區(qū)設(shè)置缺乏靈活性，不能根據(jù)流量變化改變調(diào)節(jié)死區(qū)；回滯函數(shù)控制方法參數(shù)設(shè)置較單一曲線函數(shù)增大死區(qū)控制方法復(fù)雜，但調(diào)節(jié)過(guò)程中可以根據(jù)流量變化設(shè)置不同的死區(qū)。對(duì)于某些流量測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的波動(dòng)量隨實(shí)際流量的變化而變化，這時(shí)，設(shè)置非線性的死區(qū)提高了調(diào)節(jié)的靈活性和精度。

對(duì)于流量波動(dòng)值不隨流量變化的給水泵流量測(cè)點(diǎn)建議采用單一曲線函數(shù)增大死區(qū)控制方法，可以簡(jiǎn)化邏輯；相反，則采用回滯函數(shù)控制方法，以適應(yīng)流量測(cè)點(diǎn)波動(dòng)值的變化，提高控制的精度。2種控制方法在調(diào)節(jié)再循環(huán)閥的過(guò)程中仍會(huì)造成給水泵入口流量變化，影響鍋爐給水流量，但較PID控制方法及單一函數(shù)控制方法有明顯改善。應(yīng)用過(guò)程中，在保證鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定和不超出泵的安全工作區(qū)域的情況下，減小再循環(huán)閥全關(guān)時(shí)對(duì)應(yīng)的流量點(diǎn)可以減小對(duì)應(yīng)泵入口流量的再循環(huán)流量，有利于提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

[1] 賴(lài)加良，戈黎紅.超臨界機(jī)組給水泵最小流量控制方法的改進(jìn)[J].發(fā)電設(shè)備，2009(5):358-360.

[2] 孫 津，汪 蓉，金國(guó)強(qiáng).回滯函數(shù)法在防止給水泵汽蝕中的應(yīng)用[J].熱力發(fā)電，2009,38(12):95-97.

[3] 胡壽松.自動(dòng)控制理論[M].北京：北京科學(xué)出版社，2004.

本文責(zé)任編輯：王洪娟