1000 MW超超臨界機組給水泵自動并泵邏輯設(shè)計及應(yīng)用

楊小龍，于國強，史毅越，殳建軍，胡尊民

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 21000)

0 引言

給水控制是大型超超臨界火電機組的核心控制之一，該控制是否穩(wěn)定、合理直接影響機組的運行安全。目前的超臨界機組通常配備2臺50%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)的汽動給水泵(以下簡稱汽泵)，汽泵并泵過程會直接影響給水的穩(wěn)定。國內(nèi)大型機組大多采用手動并泵的控制策略，對運行人員要求較高且需要監(jiān)測的參數(shù)較多，在并泵過程中容易引起給水的大幅波動，對機組的安全運行造成較大隱患［1－6］。國內(nèi)某些設(shè)計有自動并泵邏輯的電廠在并泵過程中往往只考慮汽泵的壓差和轉(zhuǎn)速，沒有充分關(guān)注并泵過程中2臺泵的流量調(diào)勻過程。

本文對汽泵并泵邏輯進行了分析與優(yōu)化，并在某1000 MW超超臨界二次再熱機組上進行了組態(tài)、調(diào)整和試驗。

1 機組系統(tǒng)配置

華電句容電廠#3超超臨界1 000 MW火電機組采用哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的單爐膛、二次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼結(jié)構(gòu)直流爐，型號為 HG－2733/33.6/605/6223/623－YM1，配有 6 套中速磨煤機制粉系統(tǒng)。汽輪機為上海汽輪機廠生產(chǎn)的超臨界、二次中間再熱、單軸、凝汽式汽輪機，型號為N1050－33/605/620/620。旁路采用西門子公司的高、中、低壓旁路三級串聯(lián)布置，高壓旁路(以下簡稱高旁)的容量為100%BMCR，中壓旁路(以下簡稱中旁)的容量為100%BMCR+高旁減溫水流量，低壓旁路(以下簡稱低旁)的容量為100%BMCR+高旁減溫水流量+中旁減溫水流量。

鍋爐給水系統(tǒng)采用單元制，機組給水系統(tǒng)配置50%BMCR的汽泵(2臺)、前置泵、啟動系統(tǒng)、主給水管路電動門組、通流量為30%BMCR的主給水旁路調(diào)節(jié)閥組及雙列高壓加熱器，其中鍋爐啟動系統(tǒng)主要由爐水泵、汽水分離器、分離器疏水箱、大氣式擴容器、分離器疏水箱液位控制閥(WDC閥)等設(shè)備組成。汽泵額定轉(zhuǎn)速為5 600 r/min，正常遙控調(diào)速范圍為2850～5600 r/min。

2 自動并泵過程

大部分電站的并泵過程依托運行人員手動操作，是否順利完全取決于運行人員運行水平。在并泵過程中，機組總給水流量、每臺汽泵的轉(zhuǎn)速和流量等參數(shù)都需依靠運行人員的監(jiān)視。在手動操作過程中，可能出現(xiàn)壓力、流量波動，造成主蒸汽(以下簡稱主汽)壓力和主汽溫度控制的振蕩，對機組的安全運行造成不利影響。

自動并泵控制的關(guān)鍵在于并泵前備用泵壓力的控制、并泵過程中主給水流量的控制以及并泵后2臺泵流量平衡的分配。一個順利的并泵過程如下：在并泵前，主泵處于真自動控制狀態(tài)(即給水自動控制狀態(tài))，并入泵緩慢升轉(zhuǎn)速直至泵出口壓力略低于給水管道母管壓力，這樣可避免并泵過程中出現(xiàn)搶水現(xiàn)象;在并泵初期待并泵并不出水，隨著轉(zhuǎn)速的升高而逐漸出水，此時需要維持總給水流量不發(fā)生大的波動，出水逐漸過渡到待并泵;出水后，需要平衡2臺泵的流量以及出口壓力。在并泵過程中，待并泵出水后，其配置的再循環(huán)閥需要逐漸自動關(guān)閉以保證給水流量的穩(wěn)定性，同時要注意把給水流量控制在合理范圍內(nèi)。

3 自動并泵邏輯設(shè)計

3.1 自動并泵條件

(1)給水流量大于30%BMCR給水流量;

(2)主泵處于遙控狀態(tài)且給水自動投入;

(3)待并入泵出口閥門全關(guān);

(4)相關(guān)測點正常;

(5)機組處于干態(tài)運行(即汽水分離器內(nèi)為過熱蒸汽且鍋爐產(chǎn)生的蒸汽流量大于水冷壁最小流量);

這是寫給其表兄兼老師葉中孚的信(據(jù)《中峰集》卷四《送葉中孚序》，董氏小時曾從表兄葉中孚學(xué)《易》，兩人處在師友之間)，文詞十分幽默。他對自己的道德品行極為自信，認(rèn)為自己是潔身自好的人，即使是爛醉如泥，還可參與祭祀天地。而對葉中孚由于世風(fēng)日壞從而對朋友的潔身自守產(chǎn)生的懷疑，以為是疑非所當(dāng)疑。文中用了“斬關(guān)而責(zé)穿窬”、“濫醉猶可祀天地”之語，詼諧生動，體現(xiàn)了朋友的親密無間關(guān)系。這讓我們看到董氏也并總不是一個一本正經(jīng)板著面孔說教的經(jīng)師，他也還有抒發(fā)其性靈的時候。

(6)機組處于汽機跟蹤(TF)模式運行。

給水指令由當(dāng)前熱負荷產(chǎn)生，保證機組水煤比;機組處于TF運行模式可確保并泵過程中的安全和穩(wěn)定。

3.2 并泵邏輯策略優(yōu)化設(shè)計

在并泵過程中主要考慮以下3個問題：汽泵的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、給水的穩(wěn)定控制以及汽泵流量的平衡分配。

(1)并泵操作前提。機組當(dāng)前給水流量大于30%BMCR給水流量且汽泵投入遙控，保證并泵過程中2臺泵的轉(zhuǎn)速指令不會到遙控下限(2 850 r/min)，防止汽泵控制切入到本地控制方式。

(2)機組在并泵前一般需要負荷穩(wěn)定，以保證機組在并泵過程當(dāng)中安全運行。在全自動并泵時，需要投入給水自動，以處理并泵過程中給水流量的擾動。

(3)在并泵過程中，需要評判待并入泵的實際出力。由于汽泵一般不設(shè)置泵出口流量測點，一般采用2種方式計算汽泵出口流量。

1)在汽泵出口或再循環(huán)管道上加裝流量測點。該方式是最直接的，然而涉及到管道開孔、儀表安裝、后期維護、測點的冗余配置等問題，經(jīng)濟性不高。

2)引入汽泵出口流量公式進行計算。每臺泵入口一般布置3個孔板流量測點，每臺泵出口布置1個壓力測點，引入以下公式來表征汽泵出口流量

式中：qm，in為汽泵入口流量;μ為再循環(huán)閥開度;pout為汽泵出口壓力;pdea為除氧器內(nèi)部壓力;Ck為沿程阻力修正系數(shù)，按照試驗可取 0.8～1.2，這里取1.0;f(μ)汽泵最小流量函數(shù)。

引入流量測點主要有2個作用：待并泵過程初期表征待并入泵已經(jīng)出力后，可以執(zhí)行投入流量調(diào)平回路;在并泵后期(即流量調(diào)平步驟)，調(diào)勻兩泵出力，達到兩泵出力的平衡。

3.3 邏輯功能實現(xiàn)

3.3.1 自動并泵順序控制邏輯

為了實現(xiàn)一鍵自動并泵的功能，需按照各個設(shè)備的特點設(shè)計順序控制(以下簡稱順控)邏輯，如圖1所示。在并泵過程中最重要的是待并泵壓力的提升以及流量的調(diào)勻，在提升待并泵轉(zhuǎn)速以及流量調(diào)平步驟需要盡量減小對給水的擾動，保證鍋爐運行安全運行安全。

3.3.2 給水流量調(diào)平功能

給水調(diào)平回路作是并泵中的關(guān)鍵一環(huán)，這里采用單閉環(huán)方式實現(xiàn)此功能。由式(1)能夠估算汽泵的實際出水量，采用閉環(huán)回路調(diào)整指令偏置，如圖2所示。此過程不宜過快，以保證機組給水流量不發(fā)生大的擾動為佳。在給水流量調(diào)平過程中，除了保證雙泵出力需要逐漸相同外，還需關(guān)注給水主控的變化。由于在調(diào)平過程中機組給水指令還可能變化，需要保證實際給水流量跟隨給水指令。另外，還需要加上異常狀況處理邏輯，譬如并泵過程中實際給水流量與給水指令偏差較大時，順控自動退出并切除待并入泵(B泵)真自動，僅僅靠運行泵來恢復(fù)給水流量，設(shè)計邏輯如圖3所示。值得注意的是，在流量調(diào)平回路步驟中，給水流量調(diào)平回路需要在待并泵出口電動閥全開的情況下進行;為保證待并泵不搶水，需要保證在流量調(diào)平時，待并泵出口壓力略低于給水母管壓力，在并泵過程進行到此步驟時需要運行人員進一步確認(rèn)是否可以投入此功能。

圖1 并泵順控步驟Fig.1 Steps of pump paralleling sequence control

3.3.3 再循環(huán)閥的閉環(huán)控制

再循環(huán)調(diào)節(jié)閥采用雙折線開環(huán)控制方案，以達到升轉(zhuǎn)速時緩關(guān)、降轉(zhuǎn)速時速開的效果，可靠地避免汽泵發(fā)生汽蝕。最小流量閥指令直接由流量換算而來［7－9］，控制邏輯如圖4 所示。

圖2 給水調(diào)平回路中的指令偏置產(chǎn)生回路Fig.2 Balancing bias loop in flow balancing loop

圖3 給水調(diào)平回路中的令偏置分配回路Fig.3 Balancing bias distribution loop in flow balancing loop

4 實際并泵試驗

圖4 再循環(huán)閥雙折線控制曲線Fig.4 Recycling valve double-line controlling curve

2018－11－25 T 14：42：04開始并泵試驗，機組處于TF運行模式，機組負荷為450 MW，主汽溫度為592℃，主汽壓力為14.31 MPa。待并泵已經(jīng)投入遙控，出口給水閥關(guān)閉，再循環(huán)閥開度為100%。A泵投入真自動，給水流量為1 300 t/h。運行人員開始投入B泵，按照順控邏輯：首先投入B泵的再循環(huán)調(diào)閥自動，順控啟動一段時間后，自動提升B泵轉(zhuǎn)速;當(dāng) B泵出口壓力和給水母管壓力偏差在－0.2～0.2 MPa之間并穩(wěn)定后，打開B泵出口電動閥并逐漸關(guān)閉B泵再循環(huán)閥，直至出口電動閥完全打開;若A，B泵的出口流量仍然相差很大，要把2臺泵出口出力調(diào)至平衡，這時需要手動投入給水流量調(diào)平回路;投入后，給水流量調(diào)平回路會產(chǎn)生作用，直至兩泵出口流量相等，并泵成功。并泵過程轉(zhuǎn)速和給水流量如圖5所示。

圖5 并泵過程中給水流量曲線(2018-11-25)Fig.5 Feedwater flow during ump paralleling(2018-11-25)

整個并泵過程持續(xù)試驗23 min，并泵過程中B泵升速正常，A泵運行正常，給水系統(tǒng)調(diào)節(jié)平穩(wěn)未出現(xiàn)流量突變，滿足正常要求，試驗前后的重要參數(shù)見表1。

表1 并泵前、后的重要參數(shù)Tab.1 Main parameters before and after pump paralleling

5 后期優(yōu)化空間

在并泵過程中也出現(xiàn)了一些問題。

(1)并泵初期，待并泵在升轉(zhuǎn)速、升壓階段并無出力。考慮到自平衡回路問題，若不閉鎖自動泵轉(zhuǎn)速，使給水PID處于TF狀態(tài)，會使給水受到極大的擾動;然而閉鎖自動泵轉(zhuǎn)速又無法抑制給水內(nèi)擾。這里是比較矛盾的地方，現(xiàn)階段只能閉鎖自動泵轉(zhuǎn)速，后續(xù)仍需要優(yōu)化設(shè)計。

(2)由于式(1)的計算不是很精準(zhǔn)，會在給水調(diào)平步驟中對給水造成擾動，如果條件允許建議在每臺汽泵再循環(huán)管路上加裝流量測點或是直接在汽泵出口處加裝流量測點，會更精準(zhǔn)。

6 結(jié)束語

由試驗結(jié)果可以看到，機組的自動并泵過程需要根據(jù)機組的相關(guān)參數(shù)和所處的工況確定。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在并泵過程中宜使機組處于TF運行模式，給水控制的調(diào)節(jié)需要放緩，相應(yīng)抗擾動能力也需要適當(dāng)減低，可根據(jù)不同機組的給水控制做進一步的優(yōu)化。

在某電廠的自動并泵過程中，給水流量未發(fā)生大幅度的波動現(xiàn)象，動態(tài)偏差控制在合理的范圍內(nèi)，有效提高了機組的自動化水平和運行可靠性，減小了運行人員操作量，具有一定的工業(yè)應(yīng)用價值。