600MW機(jī)組汽包水位波動分析與控制優(yōu)化

【摘要】本文主要介紹臺山電廠600MW亞臨界機(jī)組在鍋爐低氮燃燒器改造后，汽包水位異常波動的原因分析與處理手段，指出西門子單級三沖量水位自動調(diào)節(jié)方案中的缺陷，從控制策略優(yōu)化角度出發(fā)，由原有單級三沖量控制策略改為串級三沖量控制策略，控制器應(yīng)用變參數(shù)設(shè)置，來適應(yīng)不同負(fù)荷段汽包水位調(diào)節(jié)要求。并且增加汽動給水泵自動并、退泵聯(lián)鎖邏輯，使機(jī)組在低負(fù)荷階段，由單汽泵進(jìn)行汽包水位控制，提高汽包水位控制效果。對汽包水位控制調(diào)節(jié)有一定借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】汽包水位；三沖量；自動并、退泵；控制參數(shù)

背景

臺山電廠一期5X600MW為亞臨界機(jī)組，鍋爐型式：上海鍋爐廠制造亞臨界一次中間再熱強(qiáng)制循環(huán)汽包爐；鍋爐給水系統(tǒng)配置兩臺50%容量汽動給水泵，一臺30%容量電動給水泵。1號機(jī)組在2013年初進(jìn)行脫硝改造，更換低氮燃燒器，增加噴氨脫硝裝置。在2013年10月，1號機(jī)組投入?yún)f(xié)調(diào)方式運(yùn)行，機(jī)組負(fù)荷350MW，汽包水位突然波動上升90mm，給水自動調(diào)節(jié)與運(yùn)行人員手動干預(yù)互相作用下，汽包水位低保護(hù)動作，鍋爐MFT，機(jī)組跳閘。

1、事件經(jīng)過介紹與原因分析

2013年10月13日23時(shí)33分，#1機(jī)組協(xié)調(diào)方式運(yùn)行，負(fù)荷350MW，B、C、D、E磨運(yùn)行，A、B汽泵運(yùn)行且投自動，電泵停運(yùn)，A汽泵再循環(huán)門投自動且在全關(guān)位，B汽泵再循環(huán)門手動，開度在28%。汽包水位9mm，主蒸汽流量870噸/小時(shí)，主給水流量812噸/小時(shí)。

1）23時(shí)39分24秒，#1機(jī)組協(xié)調(diào)方式運(yùn)行，負(fù)荷從350MW降至320MW，目標(biāo)負(fù)荷300MW，運(yùn)行手動停運(yùn)1B磨。23時(shí)39分30秒爐膛負(fù)壓波動至-505Pa。

2）23時(shí)43分11秒，汽包水位出現(xiàn)波動，從+10mm快速上升至+90mm，1A、1B汽泵在自動方式下降低轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)水位。1A泵轉(zhuǎn)速由4012轉(zhuǎn)/分降至3928轉(zhuǎn)/分，1B泵轉(zhuǎn)速由4035轉(zhuǎn)/分降至3903轉(zhuǎn)/分，1A汽泵再循環(huán)門開度為0%，1B汽泵在循環(huán)門31.6%，1A汽泵入口流量361噸/小時(shí)，1B汽泵入口流量降至362噸/小時(shí)，主給水流量降至445噸/小時(shí)，主蒸汽流量887噸/小時(shí)，汽包水位在調(diào)節(jié)作用下快速回落。

3）23時(shí)43分15秒，1B汽泵入口流量降至335噸/小時(shí)，達(dá)到再循環(huán)門邏輯設(shè)定的快開值（低于340噸/小時(shí)）而全開；23時(shí)43分20秒，1A汽泵入口流量339噸/小時(shí)，再循環(huán)門全開，汽包水位快速下降。

4）23時(shí)43分32秒，運(yùn)行人員手動關(guān)閉1A、1B汽泵再循環(huán)門，23時(shí)44分24秒，將1B汽泵再循環(huán)門關(guān)至47%開度并保持；23時(shí)45分10秒1A再循環(huán)門關(guān)至0%。在運(yùn)行人員關(guān)閉再循環(huán)期間，23時(shí)44分10秒，汽包水位降至-212mm。在給水自動調(diào)節(jié)指令下快速增加汽泵轉(zhuǎn)速，汽包水位開始回升。在調(diào)節(jié)過程中，1B汽泵指令與轉(zhuǎn)速存在明顯偏差，轉(zhuǎn)速未明顯增加（后續(xù)檢查發(fā)現(xiàn)1B小機(jī)低調(diào)閥第四個(gè)閥碟存在缺陷）；1A汽泵指令與轉(zhuǎn)速也存在一定偏差，經(jīng)分析是由于汽包水位偏低，給水自動指令處于快速調(diào)節(jié)狀態(tài)，指令快速增加，1A泵轉(zhuǎn)速也在增加，與指令之間存在正常滯后。

5）23時(shí)45分21秒，汽包水位至-157mm，1A汽泵轉(zhuǎn)速4394轉(zhuǎn)/分；1B汽泵轉(zhuǎn)速4260轉(zhuǎn)/分，兩臺汽泵轉(zhuǎn)速存在偏差，但出口壓力均為14MPa且較穩(wěn)定，未發(fā)生搶水工況。運(yùn)行人員手動開大1B汽泵再循環(huán)門，至23時(shí)46分37秒全開1B汽泵再循環(huán)門。

6）23時(shí)46分30秒，汽包水位回升至-13mm。23時(shí)46分31秒，運(yùn)行人員手動開大1A汽泵再循環(huán)門，23時(shí)46分47秒，開至32%開度。此時(shí)主給水流量888噸/小時(shí)，主蒸汽流量953噸/小時(shí)，23時(shí)46分30秒至47分21秒期間，汽包水位從-13mm至13mm，變化平緩。

7）23時(shí)47分10秒，給水流量833噸/小時(shí)，蒸汽流量919噸/小時(shí)，運(yùn)行手動關(guān)閉1A汽泵再循環(huán)門，至23時(shí)47分34秒全關(guān)，同時(shí)運(yùn)行人員手動關(guān)閉1B汽泵再循環(huán)門，從100%開度關(guān)至89%開度并保持。

8）23時(shí)47分34秒，汽包水位開始快速上升，23時(shí)48分08秒汽包水位達(dá)到139mm，1B汽泵轉(zhuǎn)速指令3213轉(zhuǎn)/分，實(shí)際轉(zhuǎn)速4183轉(zhuǎn)/分，因轉(zhuǎn)速指令與實(shí)際轉(zhuǎn)速偏差大于1000轉(zhuǎn)/分切至手動；1A汽泵23時(shí)48分13秒指令3077轉(zhuǎn)/分，實(shí)際轉(zhuǎn)速3969轉(zhuǎn)/分，因指令低于下限3080轉(zhuǎn)/分，跳至MEH本地控制。23時(shí)48分23秒汽包水位最高升至192mm。

9）23時(shí)49分09秒，1B汽泵轉(zhuǎn)速指令3213轉(zhuǎn)/分，實(shí)際轉(zhuǎn)速3901轉(zhuǎn)/分，主汽流量886噸/小時(shí)，給水流量203噸/小時(shí)，汽包水位0mm，重新投入1B汽泵自動控制。

10）23時(shí)49分27秒，因1A汽泵轉(zhuǎn)速低于3080轉(zhuǎn)/分，不滿足切至DCS控制條件，只能在MEH系統(tǒng)進(jìn)行手動操作。隨著1A汽泵入口流量低于340噸/小時(shí)，1A汽泵再循環(huán)門再次全開，因1A汽泵出口壓力低于給水壓力，此時(shí)1A汽泵處于不出力狀態(tài)。

11）23時(shí)49分30秒，汽包水位-144mm，運(yùn)行人員手動提升1B汽泵轉(zhuǎn)速，23時(shí)50分15秒，1B汽泵轉(zhuǎn)速指令至4597轉(zhuǎn)/分，實(shí)際轉(zhuǎn)速4189轉(zhuǎn)/分。運(yùn)行人員手動全關(guān)1B汽泵再循環(huán)門，啟動電泵，快速增加勺管指令至75%，手動停運(yùn)1C磨和1C爐水泵。

12）23時(shí)50分12秒，運(yùn)行將汽機(jī)主控切至手動開大汽機(jī)調(diào)門，汽機(jī)主控由53%開啟至64%。23時(shí)50分22秒，1B汽泵轉(zhuǎn)速4195轉(zhuǎn)/分，汽包水位-252mm，23時(shí)50分44秒回升至-195mm后再快速下降。

13）23時(shí)51分19秒，汽包水位降低至-300mm，鍋爐MFT，機(jī)組跳閘。

1.1通過上述事件經(jīng)過對其原因分析如下：

1.1.1汽包水位擾動原因

23時(shí)39分24秒，1B給煤機(jī)停運(yùn)，此時(shí)爐膛負(fù)壓發(fā)生-500Pa的波動，總給煤量下降至96噸/小時(shí)后恢復(fù)至116噸/小時(shí)，隨即發(fā)生了汽包水位上升至90mm。判斷此次汽包水位快速上升是由于制粉系統(tǒng)停運(yùn)后爐膛熱負(fù)荷降低，受熱面吸熱降低導(dǎo)致水位上升。通過查閱曲線，啟停磨、燃燒器擺角調(diào)整期間汽包水位均有不同程度的波動。

1.1.2給水自動控制指令導(dǎo)致汽泵再循環(huán)門快開

汽包水位屬于變增益的自動調(diào)節(jié)，當(dāng)水位偏差大時(shí)，輸出調(diào)節(jié)指令速度將加快。由于事發(fā)時(shí)處于低負(fù)荷工況，再加上水位偏差較大，兩者因素的疊加造成給水指令快速調(diào)節(jié)過程中，給水流量快速變化，致給水流量迅速下降至再循環(huán)門快開值。

同時(shí)流量低快開再循環(huán)定值偏高，在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行工況下容易達(dá)到快開值。

1.1.3水位調(diào)節(jié)過程汽泵指令和實(shí)際轉(zhuǎn)速偏差大

1B小機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速偏差大，實(shí)際轉(zhuǎn)速在B小機(jī)低壓調(diào)門開度為58%-80%時(shí)轉(zhuǎn)速不變化。B小機(jī)低壓調(diào)門的一根閥梁上共布置了5個(gè)閥碟，開度范圍分別為2-20mm，20-40mm，40-59.5mm，59.5-76.5mm，76.5-94mm。低壓調(diào)門上第四個(gè)開啟的閥門的開度百分度范圍為63.3%-81.4%，與B小機(jī)相對調(diào)門開度恒定轉(zhuǎn)速時(shí)的調(diào)門開度相符，判斷B小機(jī)低壓調(diào)門第四開啟的閥碟存在缺陷。

電廠原給水控制是西門子提供的單級三沖量控制策略，即水位偏差、主給水流量及主蒸汽流量三者提供給水泵PID控制器的入口偏差進(jìn)行給水泵的轉(zhuǎn)速控制。在單級三沖量的給水控制系統(tǒng)中，蒸汽流量與給水流量的偏差經(jīng)過一個(gè)微分環(huán)節(jié)，與水位偏差相加并且考慮兩臺汽泵的流量平衡以后送入給水泵PID控制器，從而計(jì)算得出給水泵轉(zhuǎn)速?？刂圃韴D（一）如下：

（圖一）汽包水位調(diào)節(jié)控制原理圖

通過上圖可以看出，該種給水控制策略給水泵轉(zhuǎn)速PID控制器的PID參數(shù)對水位的調(diào)節(jié)具有非常重要的作用，PID參數(shù)整定的優(yōu)劣，直接影響水位在受到某種擾動后波動時(shí)回調(diào)的深度以及再次穩(wěn)定所需要的時(shí)間。同時(shí)，由上圖也可看出，K1-K4參數(shù)的整定也會對水位調(diào)節(jié)起到一定的作用，K3參數(shù)的強(qiáng)弱反映出該控制系統(tǒng)對水位偏差調(diào)節(jié)的強(qiáng)弱程度，K1、K2、K4參數(shù)反映出該控制系統(tǒng)對給水及蒸汽流量擾動所調(diào)節(jié)的力度。

從調(diào)節(jié)優(yōu)化及控制策略適應(yīng)性角度出發(fā)，決定對給水控制策略進(jìn)行優(yōu)化。改原單級三沖量給水控制為串級三沖量給水控制；增加自動并、退泵方式減少運(yùn)行人員手動干預(yù)；對汽泵再循環(huán)最小流量調(diào)節(jié)閥控制策略進(jìn)行優(yōu)化。

2、給水控制策略介紹與優(yōu)化

2.1串級三沖量給水控制增加到原汽泵轉(zhuǎn)速控制入口，控制策略主要從以下幾點(diǎn)考慮：

2.1.1新增加的給水控制回路分為蒸汽流量小于等于30%負(fù)荷的汽包水位調(diào)節(jié)回路和蒸汽流量大于30%負(fù)荷的汽包水位調(diào)節(jié)回路；

2.1.2蒸汽流量在30%以下時(shí)，通過汽包水位/主給水電動門前后差壓控制器和泵入口流量調(diào)節(jié)器控制汽包水位；

2.1.3蒸汽流量小于25%時(shí)，電泵給水旁路調(diào)節(jié)門開度小于95%時(shí)，電泵通過勺管控制給水旁路門前后差壓；

2.1.4蒸汽流量小于30%且電泵給水旁路調(diào)節(jié)門開度大于95%時(shí)，電泵通過勺管控制汽包水位；

2.1.5蒸汽流量大于30%時(shí)，通過汽包水位控制器、給水流量控制器和泵入口流量調(diào)節(jié)器控制汽包水位；

2.1.6保證不同負(fù)荷段的汽包水位控制品質(zhì)，汽包水位控制器和給水流量控制器及給水泵入口流量控制器均采用變參數(shù)控制：汽包水位控制器P、I參數(shù)根據(jù)蒸汽流量大小、汽包水位偏差大小和給水溫度高低綜合計(jì)算得到；給水流量控制器P參數(shù)根據(jù)蒸汽流量大小和給水泵投入自動的臺數(shù)綜合計(jì)算得到；給水泵入口流量控制器根據(jù)泵入口流量的大小實(shí)現(xiàn)變參數(shù)控制。

2.2汽動給水泵自動并、退泵控制邏輯

2.2.1汽動給水泵沖轉(zhuǎn)完成，給水泵轉(zhuǎn)速大于2800r/min，MEH投入遙控方式后，可通過給水泵并/退泵順控操作面板，投入自動并泵功能，實(shí)現(xiàn)自動提升汽泵轉(zhuǎn)速，當(dāng)給水泵出口壓力、給水泵入口流量與在運(yùn)的給水泵平衡，給水泵轉(zhuǎn)速與設(shè)定值偏差小于設(shè)定值后，自動投入給水泵自動完成給水泵并列功能。

2.2.2兩臺給水泵并列運(yùn)行時(shí)或僅有一臺給水泵向鍋爐供水時(shí)，可通過給水泵并/退泵順控操作面板，投入自動退泵功能：實(shí)現(xiàn)自動投入給水泵再循環(huán)門自動、自動降低給水泵轉(zhuǎn)速至2850r/min以下完成給水泵解列功能。

2.2.3給水泵出力提升或降低過程中，給水泵轉(zhuǎn)速提升/下降速率同時(shí)受汽包水位偏差、給水流量偏差、泵入口流量偏差和泵轉(zhuǎn)速偏差的限制，當(dāng)不利于給水系統(tǒng)穩(wěn)定和安全的偏差擴(kuò)大時(shí)，并/退泵速率自動降低，最低可降至0速率。

2.2.4為實(shí)現(xiàn)在給水系統(tǒng)滿足機(jī)組升降負(fù)荷，保持汽包水位穩(wěn)定的前提下達(dá)到一定的節(jié)能功能，系統(tǒng)設(shè)有根據(jù)機(jī)組負(fù)荷高低自動啟動并/退泵功能組的功能：當(dāng)順控聯(lián)鎖開關(guān)投入、機(jī)組負(fù)荷大于320MW并持續(xù)300秒以上，聯(lián)鎖啟動并泵功能組；當(dāng)順控聯(lián)鎖開關(guān)投入、機(jī)組負(fù)荷小于280MW并持續(xù)300秒以上，聯(lián)鎖啟動退泵功能組。

給水泵并泵子組邏輯：

并泵允許與條件：另一臺泵并/退泵功能組不運(yùn)行；本泵入口流量質(zhì)量ok；本泵出口壓力質(zhì)量ok；汽包水位質(zhì)量ok；本給水泵已投遙控；本給水泵已投遙控；本給水泵轉(zhuǎn)速大于2800r/min。并泵完成與標(biāo)志：泵入口流量與最大入口流量偏差小于10t/h；泵出口壓力與最大出口壓力偏差小于0.2MPa；給水泵轉(zhuǎn)速偏差小于60r/min；本給水泵已投自動。

自動啟動條件：機(jī)組負(fù)荷大于320MW持續(xù)300秒。

順控中斷或條件：任意給水泵跳閘；RB發(fā)生。

步序1指令：投入本泵再循環(huán)門自動；開本泵出口電動門；本給水泵切手動。

步序1完成：再循環(huán)門自動；出口電動門已開；本給水泵在手動狀態(tài)。

步序2指令：本給水泵出口壓力大于已運(yùn)行給水泵最大出口壓力-0.8MPa時(shí)，以1200r/min的基礎(chǔ)速率提升給水泵轉(zhuǎn)速，但升速過程受限于給水泵轉(zhuǎn)速指令偏差，給水泵轉(zhuǎn)速指令。

步序2完成：本給水泵出口壓力大于最大出口壓力-0.8MPa。

步序3指令：以400r/min的基礎(chǔ)速率提升給水泵轉(zhuǎn)速。

步序3完成：本給水泵出口壓力大于最大出口壓力-0.2MPa；本泵入口流量大于最大出口流量-10t/h；給水泵轉(zhuǎn)速偏差小于60r/min。

步序4指令：投入本給水泵自動。

步序4完成：本給水泵自動已投入。

給水泵退泵子組邏輯：

退泵允許與條件：本給水泵退泵子組不運(yùn)行；另一臺給水泵并泵子組不運(yùn)行；另一臺給水泵退泵子組不運(yùn)行；本給水泵泵入口流量質(zhì)量ok；本給水泵泵出口壓力質(zhì)量ok；汽包水位質(zhì)量ok；本給水泵已投遙控。

退泵完成標(biāo)志：本給水泵轉(zhuǎn)速小于2850r/min。

退泵自動啟動條件：機(jī)組負(fù)荷小于280MW持續(xù)300秒；

退泵中斷或條件：鍋爐MFT；任意給水泵跳閘；RB發(fā)生。

步序1指令：投入本泵再循環(huán)門自動；本給水泵切手動。

步序1完成：本泵再循環(huán)門已投自動；本給水泵在手動狀態(tài)。

步序2指令：以400r/min的基礎(chǔ)速率降本給水泵轉(zhuǎn)速。

步序2完成：本給水泵出口壓力小于最大出口壓力-0.8MPa。

步序3指令：以1200r/min的基礎(chǔ)速率降本給水泵轉(zhuǎn)速。

步序3完成：本給水泵轉(zhuǎn)速小于2850r/min。

2.3給水泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥邏輯優(yōu)化

每臺給水泵分別增加一套根據(jù)給水泵入口流量進(jìn)行函數(shù)定位的再循環(huán)門開度控制邏輯，新增邏輯與原邏輯可通過工程師站切換。新增的給水泵控制邏輯如圖（二）所示。當(dāng)切換開關(guān)SW切為1，再循環(huán)門投入自動后，通過PI控制器跟蹤回路接入新的再循環(huán)門控制指令。新增邏輯有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）為了使再循環(huán)門控制方式從手動到自動方式切換后對給水系統(tǒng)擾動小，系統(tǒng)設(shè)有自動偏置控制回路，系統(tǒng)切到手動后，自動計(jì)算手動指令與自動指令偏差，并寄存為手動偏置值，當(dāng)系統(tǒng)投入自動后，手動偏置值以預(yù)定速率（10%/min）過渡到0%。2）為實(shí)現(xiàn)給水泵既安全又節(jié)能的運(yùn)行，再循環(huán)門開度設(shè)定具有給水泵轉(zhuǎn)速修正給水泵入口流量的功能，實(shí)現(xiàn)給水泵轉(zhuǎn)速低再循環(huán)門開的入口流量閥值小、給水泵轉(zhuǎn)速高再循環(huán)門開的入口流量閥值大的功能。3）為減少低負(fù)荷段給水泵再循環(huán)門反復(fù)開關(guān)波動，控制指令具有快開、慢關(guān)功能，通過指令輸出后的速率塊實(shí)現(xiàn)，開門速率不限制，關(guān)門速率從100%開度到0開度需要十分鐘。

再循環(huán)門開度函數(shù)和泵轉(zhuǎn)速對流量的校正函數(shù)確定如下：

3、試驗(yàn)情況

3.1控制策略優(yōu)化后進(jìn)行汽包水位擾動試驗(yàn)，共進(jìn)行幅度為±50mm的水位擾動試驗(yàn)4次，根據(jù)相應(yīng)的曲線，進(jìn)行PID參數(shù)適當(dāng)調(diào)整，使系統(tǒng)響應(yīng)滿足實(shí)際運(yùn)行要求。3.2給水泵組自動并、退泵試驗(yàn)，A泵連續(xù)進(jìn)行并、退泵試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中，對給水泵再循環(huán)門開度系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)修改，防止再循環(huán)門開度過大發(fā)生給水泵搶水，試驗(yàn)成功，B泵進(jìn)行同樣試驗(yàn)。

4、總結(jié)

臺山電廠通過對600MW亞臨界汽包水位控制策略優(yōu)化及給水泵自動并、退泵功能實(shí)現(xiàn)，有效提高了汽包水位控制水平，達(dá)到了保證機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

康二紅，男，1979--，陜西華縣，職稱，維護(hù)部熱工主管，學(xué)歷，本科，研究方向：熱工專業(yè)管理。