燃煤機組全程給水自動控制系統(tǒng)分析

王成文 段明源 韓磊

摘 要：為解決燃煤機組啟機過程中，人工模式下給水流量調(diào)節(jié)耗時長，操作復(fù)雜，十分依賴運行人員操作經(jīng)驗及技術(shù)的問題，設(shè)計了燃煤機組全程給水自動控制方案?，F(xiàn)對該控制方案進行詳細(xì)分析，研究實現(xiàn)不同功能所需的控制策略，具體包括主、旁路調(diào)節(jié)閥的切換，單、三沖量的切換以及給水泵自動并列。通過詳細(xì)的分析研究，確立控制策略設(shè)計的思想，為不可投自動等緊急情況下的人工操作提供了經(jīng)驗和指導(dǎo)思想，從而能更好地保證機組的長時間安全可靠、穩(wěn)定高效運行。

關(guān)鍵詞：燃煤機組;給水泵;并列;自動

中圖分類號：TK321 ?文獻標(biāo)志碼：A ?文章編號：1671-0797（2022）09-0014-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.004

0 ? ?引言

隨著DCS控制系統(tǒng)技術(shù)的不斷成熟，火電廠逐步向智能化方向發(fā)展，自動控制的需求越來越突出?；谧詣踊纳a(chǎn)特性，在火電廠生產(chǎn)過程中應(yīng)用自動化技術(shù)，可以很大程度上提高火電廠發(fā)電效率，節(jié)省人力資源，在此基礎(chǔ)上，還可以有效縮短電力生產(chǎn)周期，提升火電廠的生產(chǎn)經(jīng)營效益[1]。

汽包水位作為汽包鍋爐機組運行監(jiān)測的重要參數(shù)，只有維持在設(shè)定允許的范圍之內(nèi)，才能保證機組的正常安全運行。汽包水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離器的正常運行，使得汽水分離的效果下降，蒸汽中水分過多，含鹽量增加，品質(zhì)變差，致使管子容易過熱發(fā)生爆炸，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致蒸汽大量帶水，過熱汽溫急劇下降，汽輪機、蒸汽管道金屬溫度劇變，發(fā)生嚴(yán)重的熱應(yīng)力和熱變形，甚至發(fā)生水沖擊，導(dǎo)致設(shè)備損壞;汽包水位過低，將致使下降管進口帶汽、循環(huán)流動壓頭降低，嚴(yán)重時會引起水循壞的破壞，使水冷壁管超溫過熱，嚴(yán)重缺水時，還可能造成汽包干鍋和水冷壁燒損等嚴(yán)重事故[2]。

在鍋爐機組啟動過程中，給水系統(tǒng)處于低負(fù)荷運行，此時給水控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性差，通常需由運行人員手動調(diào)節(jié)完成給水泵主、旁路調(diào)節(jié)閥切換與泵的并列投用。這種模式嚴(yán)重依賴運行人員的技術(shù)和操作經(jīng)驗，使得切換和并列過程存在極大的不穩(wěn)定性，給機組的安全生產(chǎn)運行帶來巨大考驗。針對這種現(xiàn)象，結(jié)合自動控制理論，設(shè)計了全程給水自動控制系統(tǒng)邏輯，實現(xiàn)了鍋爐機組啟動過程中給水泵的自動并列控制，極大改善了機組安全運行的可靠性。

1 ? ?給水系統(tǒng)工藝流程

當(dāng)前，隨著發(fā)電機組裝機容量不斷增大，系統(tǒng)越來越復(fù)雜，技術(shù)應(yīng)用呈現(xiàn)多樣化。給水系統(tǒng)的配置主要包括以下幾種形式：（1）2臺50%的汽動給水泵作為運行泵，1臺50%的電動給水泵作為啟動、備用泵;（2）2臺50%的汽動給水泵作為運行泵，1臺30%的電動給水泵作為啟動泵;（3）3臺50%的電動給水泵，其中2臺泵作為運行泵，1臺泵作為備用泵[3]。

本文研究的燃煤火力發(fā)電機組，其給水系統(tǒng)采用典型的配置模式，即配置3臺50%鍋爐額定容量的電動給水泵，2臺作為運行泵，1臺作為備用泵。給水系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

2 ? ?全程給水自動控制方案

2.1 ? ?主、旁路與單、三沖量的控制切換

給水系統(tǒng)從機組低負(fù)荷升到高負(fù)荷的過程中，經(jīng)歷了主、旁路調(diào)節(jié)閥控制切換以及單、三沖量的控制切換，控制方式的切換是由給水系統(tǒng)被控對象特性決定的。在低負(fù)荷時，一般蒸汽參數(shù)低，機組負(fù)荷變化小，不易出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象，同時汽包水位的控制要求也不高，因此一般采用給水旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)汽包水位，給水泵維持給水差壓及單沖量給水的控制方式[4]。當(dāng)機組負(fù)荷升高后，給水旁路調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)容量不夠，需要切換到主給水調(diào)節(jié)回路，同時由于水位動態(tài)特性變得復(fù)雜，汽包虛假水位現(xiàn)象變嚴(yán)重，為保證調(diào)節(jié)質(zhì)量，給水系統(tǒng)從單沖量調(diào)節(jié)過渡到串級三沖量調(diào)節(jié)。

為實現(xiàn)電動給水泵在鍋爐機組啟動過程中的自動并列，設(shè)計了如圖2、圖3所示的控制系統(tǒng)主、旁路切換邏輯，包括主、旁路閥門切換與給水單、三沖量切換。

在主、旁路調(diào)節(jié)閥切換過程中，聯(lián)鎖切投需滿足的條件包括：（1）接收系統(tǒng)自動主、旁切換按鈕信號;（2）旁路調(diào)節(jié)及電動給水泵調(diào)節(jié)運行正常無故障;（3）接收系統(tǒng)當(dāng)前處于旁路調(diào)節(jié)方式的信號。在比較器中引入主蒸汽流量信號，設(shè)定值選擇為鍋爐機組25%額定容量。當(dāng)主蒸汽流量大于25%額定容量，同時任一臺電動給水泵處于運行狀態(tài)時，觸發(fā)主、旁路閥門切換動作，打開給水主回路電動門，關(guān)小旁路給水調(diào)節(jié)門。在自動切換過程中，維持汽包水位是首要目標(biāo)，通過速率限制器調(diào)節(jié)旁路調(diào)門的開度減小指令，引入旁路調(diào)門閥位反饋與汽包水位反饋兩路信號調(diào)節(jié)速率限制器設(shè)定值。為克服旁路調(diào)門關(guān)閉過程中頻繁動作的問題，引入給水流量信號作為反饋補償，提高旁路調(diào)門的穩(wěn)定性。

隨著鍋爐機組負(fù)荷的不斷升高，為了保證給水系統(tǒng)的安全可靠性，給水控制系統(tǒng)將由單沖量調(diào)節(jié)方式切換為串級三沖量調(diào)節(jié)方式。

單、三沖量切換過程中，聯(lián)鎖切投需滿足的條件包括：（1）電動給水泵調(diào)節(jié)無故障;（2）接收旁路調(diào)門全關(guān)信號;（3）接收主回路調(diào)門全開信號。設(shè)置兩個流量比較器，其中小流量比較器激活上限為40%額定容量，即主蒸汽流量大于40%額定容量時，該比較器失效。因此，當(dāng)主蒸汽流量大于25%額定容量且小于40%額定容量時，選擇單沖量控制方式，通過電動給水泵液耦調(diào)節(jié)控制汽包水位，在調(diào)節(jié)過程中引入汽包水位反饋信號至手操器，及時調(diào)整輸出指令。當(dāng)蒸汽流量大于40%額定容量時，滿足聯(lián)鎖保護條件后選擇三沖量給水控制方式。在電動泵液耦調(diào)節(jié)過程中，除引入汽包水位反饋信號外，還引入了蒸汽流量與給水流量信號，形成三沖量給水控制方式，使給水控制系統(tǒng)更加安全、穩(wěn)定、可靠。

2.2 ? ?給水泵自動并列策略

隨著鍋爐機組負(fù)荷的不斷升高，單臺給水泵供水已不滿足需求，此時需要自動無擾啟動第二臺電動給水泵，實現(xiàn)雙泵并列運行。在并列啟動過程中，隨著待并列電動給水泵指令出力的不斷增加，運行電動給水泵指令出力逐漸減少，在給水流量平衡控制回路的作用下，最后實現(xiàn)兩臺電動給水泵出力相同[5]。實現(xiàn)兩臺電動給水泵并列運行，需要分析單臺泵及兩臺泵運行的特性，設(shè)計出滿足控制要求的邏輯。

圖4中曲線Ⅰ、Ⅱ為給水泵的性能曲線，Ⅲ為管路性能曲線，根據(jù)泵并列運行的特點，每臺泵具有相同的揚程，流量為兩臺泵流量之和，由此可得兩臺性能相同的給水泵并列運行的性能曲線Ⅳ。曲線Ⅳ與Ⅲ相交于點A，A即泵并列運行工況點。過A點作水平線交泵的性能曲線于B點，B即兩臺泵在并列運行時各自的工作點。C點為每臺泵單獨工作時的運行工況點。顯然，QA=2QB，QB