無旁路系統(tǒng)的循環(huán)硫化床鍋爐汽包水位控制

張來平，陳國清，陳霄峰，謝國偉

（浙江省火電建設(shè)公司，杭州 310016）

汽包水位是鍋爐運行的重要參數(shù)之一，間接反映了鍋爐負荷與給水之間的平衡關(guān)系。當鍋爐汽包水位過高時，會影響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作，造成出口蒸汽中水分過多，使過熱器受熱面結(jié)垢從而被燒損，同時會使過熱汽溫產(chǎn)生急劇變化，影響機組運行的經(jīng)濟性和安全性；當汽包水位過低且負荷較大時，水的汽化速度很快，導(dǎo)致汽包內(nèi)的水位下降迅速，如不及時有效控制，就會使汽包內(nèi)的水全部汽化，甚至導(dǎo)致鍋爐損壞或爆炸。因此，鍋爐汽包水位控制是維持鍋爐安全運行的關(guān)鍵之一。

1 存在的問題

某發(fā)電廠2×115 MW機組采用福斯特惠勒上海有限公司生產(chǎn)的無中間再熱、固態(tài)排渣、自然循環(huán)單汽包循環(huán)流化床鍋爐（CFB）及北京ABB BAILY公司SYMPHONY控制系統(tǒng)。設(shè)計的給水系統(tǒng)采用2臺電動定速給水泵，三路給水設(shè)計分別是100%最大連續(xù)出力工況（MCR）流量的主給水、70%MCR流量的旁路給水、30%MCR流量的副給水，其中主、副給水調(diào)節(jié)設(shè)有自動控制，旁路給水調(diào)節(jié)為純手動控制。

該機組未設(shè)計旁路系統(tǒng)，采用主汽管道上的向空排汽閥及安全閥泄壓的方式來維持主蒸汽的壓力。由于這兩個閥門都安裝在主蒸汽管道上，并且距離汽包比較近，因此在機組負荷有劇烈擺動時，如發(fā)生甩負荷、快速減負荷（RB）等情況，若通過向空排汽閥及安全閥泄壓，壓力波動比較大，容易導(dǎo)致汽包水位脫離控制而引起鍋爐主燃料跳閘（MFT）。為了能夠很好地控制汽包水位，滿足機組穩(wěn)定運行的要求，尤其在特殊工況下也能控制好汽包水位從而實現(xiàn)汽包水位的全程自動控制，對汽包水位控制進行了優(yōu)化設(shè)計。

2 汽包水位特性

2.1 汽包水位的控制值

汽包水位控制的要求就是控制給水調(diào)節(jié)盡量使給水量等于蒸汽流量，從而保證汽包水位穩(wěn)定在合適且安全的位置上，即汽包水位的“0”位（見圖1）。水位控制一般要求穩(wěn)定工況時在±30 mm內(nèi)，特殊工況時在±50 mm內(nèi)，跳機值一般為小于-279 mm或者大于+254 mm。

圖1 鍋爐汽包汽水的走向

2.2 給水擾動時汽包水位的動態(tài)特性

當給水量增加時，汽包水位一開始并不是立即上升，而是經(jīng)過一段慣性后才會變化，如圖2所示。這是由于給水溫度低于汽包內(nèi)的飽和水溫度，給水吸收了飽和水中的一部分熱量，使水面汽泡容積減少。當水面下汽泡容積不再變化時，水位才會逐漸上升。

圖2 給水量擾動下汽包水位的動態(tài)特性

其傳遞函數(shù)可表示為：

式中：T為延遲時間；ε為響應(yīng)速度，即單位給水流量改變時水位的變化速度；H（s）為水位；W（s）為給水量；s為變量。

2.3 蒸汽擾動時汽包水位的動態(tài)特性

在蒸汽流量階躍擾動作用下，汽包水位的動態(tài)特性具有帶“虛假水位”的無自平衡能力的特點，如圖3所示。

當蒸汽流量突然增加時，由于汽包壓力的下降，汽包內(nèi)的水將突然加劇沸騰，使水中汽泡容積迅速增加而呈現(xiàn)出“虛假水位”現(xiàn)象。當虛假水位消失后，水位才會按積分規(guī)律變化，呈現(xiàn)無自平衡的特點。

其傳遞函數(shù)可表示為：

圖3 蒸汽流量擾動下汽包水位的動態(tài)特性

式中：K2為曲線H2的放大倍數(shù)；T2為曲線H2的時間常數(shù)；ε為曲線H1響應(yīng)速度，即單位蒸汽流量改變時水位的變化速度；s為變量。

2.4 無旁路設(shè)計的特點

由于該機組未設(shè)計旁路控制系統(tǒng)，在發(fā)生甩負荷時蒸汽量突然減少，造成主汽壓力迅速上升，引起啟動排汽閥（30%MCR流量）和鍋爐安全閥動作，向空排汽，導(dǎo)致壓力突降，引起急劇的水位波動。而主蒸汽流量的測點安裝在汽機主蒸汽管道上，此時控制系統(tǒng)內(nèi)測得的蒸汽流量要遠遠小于實際蒸汽流量，偏差比較大，導(dǎo)致控制出現(xiàn)偏差，使虛假水位現(xiàn)象更加嚴重，由于壓力過低導(dǎo)致水位迅速升高，逼近跳機值。圖4為汽機水位控制優(yōu)化前機組發(fā)生50%甩負荷試驗時汽包水位的變化情況。

圖4 優(yōu)化前甩50%負荷時汽包水位變化

綜上所述，CFB汽包水位動態(tài)特性具有以下3個特點：

（1）具有延時性，即慣性。給水量改變后水位不會立即改變，延時時間與省煤器的形式和給水溫度有關(guān)，給水溫度越低，慣性越大。由于CFB鍋爐燃料的顆粒較大，還具有較大的熱慣性。

（2）具有“虛假水位”現(xiàn)象：負荷突然增加時，蒸發(fā)量小于給水量，水位非但沒有下降，反而迅速上升；負荷突然減少時，蒸發(fā)量小于給水量，水位不是立即上升，而是先下降然后再迅速上升。在鍋爐發(fā)生甩負荷時，虛假水位現(xiàn)象特別嚴重。如果不加以控制很可能會引起汽包水位的保護動作，導(dǎo)致鍋爐MFT。

（3）無自平衡能力。在單位階躍擾動下，水位的最大變化速度ε與鍋爐的結(jié)構(gòu)和容量有關(guān)，機組容量越大，ε越大，水位越難以控制。

3 汽包水位控制的優(yōu)化設(shè)計

針對CFB的特點，對給水控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，其控制原理如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后控制原理

3.1 增加啟動給水調(diào)節(jié)閥與主給水調(diào)節(jié)閥之間的自動切換

為了能夠全程進行自動控制，增加了采用主蒸汽流量來控制啟動給水控制調(diào)節(jié)閥（30%MCR流量）與主給水控制調(diào)節(jié)閥（100%MCR流量）之間的自動切換功能。當主蒸汽流量大于15%MCR流量時，流量控制自動從啟動給水控制調(diào)節(jié)閥切換到主給水控制調(diào)節(jié)閥，同時水位控制也由單沖量控制切換到三沖量控制。當主蒸汽流量小于15%MCR流量時，自動切回單沖量控制。三沖量控制系統(tǒng)與單沖量控制系統(tǒng)之間指令互相跟蹤，從而實現(xiàn)了相互之間的無擾切換。同時也設(shè)置了手動切換按鈕，運行人員可以根據(jù)實際運行情況來改變控制方式。

3.2 優(yōu)化PID控制參數(shù)

由于控制參數(shù)的多變性和擾動的增大，原來單一參數(shù)的PID（比例-微分-積分）控制已滿足不了要求。為了能夠滿足全程自動控制的要求，采用了變參數(shù)PID控制來實現(xiàn)全程自動控制目標。對單沖量控制系統(tǒng)及串級三沖量控制系統(tǒng)的主控制PID參數(shù)，采用了設(shè)定值與測量值偏差的變參數(shù)PID控制，串級三沖量控制系統(tǒng)的副控制器采用了給水流量及主蒸汽流量修正后的變參數(shù)PID控制。同時為了加快響應(yīng)速度，對串級三沖量的主控PID及單沖量的PID控制器采用了蒸汽流量函數(shù)f（x）模糊控制的前饋補償。

3.3 增加了汽包危急疏水閥的自動控制

由于該機組采用的是定速電動給水泵，經(jīng)過變參數(shù)優(yōu)化后的水位控制能滿足全程啟停的自動控制要求。為了能夠在機組甩負荷的情況下也能自動控制水位，并且保證汽包水位在正常范圍之內(nèi)，增加了汽包危急疏水閥的自動控制。當發(fā)生甩負荷時，利用汽包的熱慣性及水位的動態(tài)特性，自動開啟汽包危急疏水閥，從底部排放一部分水。此時由于是從汽包底部放水，對水的汽化效果影響不大，從而能夠迅速地降低汽包水位。等汽包內(nèi)壓力及水汽化作用穩(wěn)定后，即水位降低到一定值后關(guān)閉危急疏水閥，通過正常的給水來控制汽包水位，使汽包水位能控制在正常范圍之內(nèi)。

3.4 優(yōu)化后的甩負荷試驗

汽包水位控制優(yōu)化后，在50%甩負荷試驗時，汽包水位控制在-200 mm到100 mm之間，并且沒有出現(xiàn)大的水位波動，運行人員不需對鍋爐汽包水位控制進行任何的人工干預(yù)，自動控制良好，達到了預(yù)期的效果。水位控制情況如圖6所示。

4 結(jié)語

根據(jù)CFB鍋爐的汽包水位特性，利用串級三沖量控制及變參數(shù)PID控制技術(shù)，采用汽包危急疏水閥自動控制對汽包水位進行補充控制，成功實現(xiàn)了鍋爐汽包水位的全程自動控制，保證了機組在穩(wěn)定運行及甩負荷等危急工況下也能實現(xiàn)汽包水位的自動控制，解決了無旁路系統(tǒng)設(shè)計循環(huán)硫化床鍋爐汽包水位控制的難題。

圖6 優(yōu)化后的50%甩負荷時汽包水位變化

[1]朱北恒.火電廠熱工自動化系統(tǒng)試驗[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2]侯子良，劉云川，侯云巖，等.鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，2010.