協(xié)調(diào)式汽包水位控制方案

孫海翠，溫榮斌，孫 漾，周夢(mèng)婕

（1．華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

0 引言

余熱鍋爐作為聯(lián)合循環(huán)機(jī)組重要的動(dòng)力設(shè)備，其任務(wù)是供給合格穩(wěn)定的蒸汽。汽包水位關(guān)系到汽水分離的效果和生成蒸汽的質(zhì)量，是影響鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要參數(shù)。汽包水位的不恰當(dāng)會(huì)影響汽水分離裝置的正常工作。水位過(guò)高，汽水分離器產(chǎn)生的蒸汽含水多，蒸汽品質(zhì)受到影響，并使得過(guò)熱器設(shè)備受到帶水蒸汽影響而容易結(jié)垢，影響設(shè)備使用效果和使用壽命。而水位不足，則會(huì)破壞合理的汽水循環(huán)，影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性能。嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)引起管壁的破裂，甚至造成汽包的損壞，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全有效運(yùn)行。

汽包水位控制也是實(shí)現(xiàn)整個(gè)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組自啟停功能的一個(gè)關(guān)鍵。隨著電廠自動(dòng)化控制水平需求的提升，一個(gè)全程自動(dòng)聯(lián)鎖、自動(dòng)調(diào)節(jié)，盡量減少操作人員的干預(yù)，具備自適應(yīng)、自調(diào)整的先進(jìn)電廠成為人們追求的目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)機(jī)組自啟停、全程自調(diào)節(jié)功能，汽包水位控制回路需要實(shí)現(xiàn)從啟機(jī)前準(zhǔn)備至滿負(fù)荷的全程自動(dòng)控制，且需要滿足控制的高穩(wěn)定性和可靠性，這對(duì)汽包水位控制的自適應(yīng)性能提出了很高的要求。

1 汽包水位控制的難點(diǎn)

汽包水位控制的難點(diǎn)如下：

1）汽包水位變化頻繁且快速

鍋爐設(shè)備需要快速適應(yīng)負(fù)荷的需求，使得汽包水位的變化頻繁且快速。這就對(duì)汽包水位控制的快速性、穩(wěn)定性提出了較高的要求，汽包水位控制地稍有不濟(jì)，將會(huì)造成汽包滿水或干燒等事故，嚴(yán)重威脅著機(jī)組的安全。

2）“虛假”水位

汽包虛假水位產(chǎn)生于汽包內(nèi)壓力突降或激增的狀況，由于壓力的快速變化帶來(lái)爐水熱量的超速反應(yīng)，使汽包內(nèi)的水位出現(xiàn)氣泡的大量增加或體積的驟縮，使實(shí)際水位的測(cè)量偏離真實(shí)值，給水位控制回路帶來(lái)許多干擾，影響了調(diào)節(jié)回路的正常工作。

而虛假水位的產(chǎn)生，常發(fā)生在鍋爐運(yùn)行狀況突變的時(shí)刻，例如燃燒不穩(wěn)定，安全閥動(dòng)作，機(jī)組負(fù)荷快速變化等。這些不穩(wěn)定工況加劇了汽水循環(huán)的復(fù)雜性，使汽包內(nèi)的壓力隨之產(chǎn)生較大變化，并且汽包內(nèi)工質(zhì)的性質(zhì)隨之發(fā)生較大變化，水位的變化極不穩(wěn)定，且虛假的水位指示加大了控制回路運(yùn)行的難度。

“虛假”水位現(xiàn)象[1,2]的存在使水位控制系統(tǒng)必須針對(duì)特殊情況做出智能的判斷，以有效地應(yīng)對(duì)由于“虛假”水位的存在所引起的控制偏差。

3）汽包水位參量的復(fù)雜特性

汽包水位參量受多種因素的影響，是聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽水循環(huán)系統(tǒng)重要的控制參數(shù)。它所具有的大滯后性、多變量交叉影響性、強(qiáng)耦合性以及非線性等特征，使汽包水位參量的測(cè)量和控制難度不小。

4）控制參數(shù)的自適應(yīng)性

隨著先進(jìn)控制方法的推進(jìn)，對(duì)汽包水位控制回路的逐步優(yōu)化，如三沖量水位控制系統(tǒng)的引入，有效地提高了水位控制的穩(wěn)定性、快速性和抗干擾能力，但因系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀況的復(fù)雜性，其PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)KP、KI、KD的實(shí)時(shí)適應(yīng)與優(yōu)化成為水位控制系統(tǒng)優(yōu)化的重點(diǎn)與難點(diǎn)[3,4]。

2 汽包水位控制的方法

汽包水位控制的方法有單沖量水位控制系統(tǒng)、雙沖量水位控制系統(tǒng)和三沖量水位控制系統(tǒng)[5-8]。

1）單沖量水位控制系統(tǒng)

汽包水位單沖量水位控制系統(tǒng)以汽包水位信號(hào)作為反饋量，給水流量作為被控量，構(gòu)成單回路反饋控制系統(tǒng)。此控制方式利用水位測(cè)量信號(hào)與設(shè)定值的偏差信號(hào)去調(diào)節(jié)給水調(diào)節(jié)閥，以改變給水流量，達(dá)到控制汽包水位的目的。該方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反應(yīng)迅速，適用于負(fù)荷穩(wěn)定，水位變化不大的情況。

采用單沖量水位控制系統(tǒng)無(wú)法應(yīng)對(duì)汽包虛假水位現(xiàn)象，例如當(dāng)機(jī)組負(fù)荷急劇減少時(shí)，汽包虛假水位會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)減少工況，而此時(shí)的汽包水位控制回路響應(yīng)控制器的需求增加給水量的供應(yīng)，造成錯(cuò)誤的反應(yīng)，破壞了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，帶來(lái)機(jī)組安全運(yùn)行的隱患。

圖1 汽包水位工藝系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of drum water level process system

2）雙沖量水位控制系統(tǒng)

單沖量水位控制系統(tǒng)無(wú)法應(yīng)對(duì)汽包假水位現(xiàn)象，因此在原控制回路中引入蒸汽流量參數(shù)作為流量控制器的前饋信號(hào)。該蒸汽流量信號(hào)能快速反應(yīng)由蒸汽蒸發(fā)而影響的汽包水位的變化量，起到提前影響控制回路的作用。

根據(jù)物質(zhì)平衡定律，確保給水量與蒸汽蒸發(fā)量相互協(xié)調(diào)，以保證汽包水位基本位置不變。為了控制汽包水位在設(shè)定值，協(xié)調(diào)考慮兩個(gè)參數(shù)，即汽包水位和蒸汽流量，以使得調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)做出正確的動(dòng)作。

此時(shí)，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷急劇減少時(shí)，汽包虛假水位出現(xiàn)暫態(tài)減少。此時(shí)的汽包水位控制回路減少給水量的供應(yīng)，使得控制回路的響應(yīng)與場(chǎng)景需求相匹配，有效地處理了虛假水位帶來(lái)的控制偏差，取得較好的效果。

3）三沖量水位控制系統(tǒng)[9,10]

汽包水位不僅受到蒸汽流量的影響，還與給水流量擾動(dòng)密切相關(guān)。為了提高水位控制系統(tǒng)的抗擾能力以及快速響應(yīng)性能，引入給水流量參量，由該參數(shù)組建的副回路在控制過(guò)程中負(fù)責(zé)粗調(diào)，而水位控制回路，即主回路負(fù)責(zé)細(xì)調(diào)，兩回路協(xié)調(diào)配合，不僅提高了系統(tǒng)的工作頻率，改善了系統(tǒng)的控制質(zhì)量，還使系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。

3 協(xié)調(diào)式汽包水位控制方案

常規(guī)汽包水位控制方案中，采用單沖量與三沖量相結(jié)合的方式。在低負(fù)荷工況下，采用單沖量控制；在高負(fù)荷工況下，采用三沖量控制。本文提出一種協(xié)調(diào)式汽包水位控制方法，該方法強(qiáng)調(diào)，在控制邏輯按照傳統(tǒng)方式設(shè)定切換外，汽包水位控制從參數(shù)角度分兩步穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)，即采用給水泵變頻調(diào)節(jié)泵出口母管壓力，即輸送的給水壓力，給水調(diào)節(jié)閥全程控制在壓力穩(wěn)定狀況的汽包水位。

協(xié)調(diào)式汽包水位控制實(shí)現(xiàn)的工藝系統(tǒng)框圖如圖1。給水經(jīng)給水泵獲取動(dòng)力后，經(jīng)過(guò)給水調(diào)節(jié)閥被送入換熱系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽送入汽輪機(jī)做功。

圖2 協(xié)調(diào)式汽包水位控制給水調(diào)節(jié)閥邏輯圖Fig.2 Logic diagram of water supply regulating valve for coordinated steam drum water level control

隨著變頻設(shè)備的日趨成熟，其高效能的各種表現(xiàn)愈來(lái)愈被人們所重視。給水系統(tǒng)中給水泵的變頻配置也趨于常態(tài)，人們?cè)谧非笃浣档凸?，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的同時(shí)，也十分看好其良好的控制性能。

常規(guī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的汽包水位控制系統(tǒng)在低負(fù)荷工況下，采用給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)水位，給水泵工頻運(yùn)行模式；在高負(fù)荷工況下，采用給水泵切變頻運(yùn)行模式，給水泵調(diào)節(jié)汽包水位，給水調(diào)節(jié)閥全開(kāi)。

該種控制方式不易于維持給水母管的壓力，而使整個(gè)給水系統(tǒng)壓力變化較大且頻繁。而壓力的頻繁變化對(duì)給水的穩(wěn)定控制帶來(lái)不利影響，這不僅加劇了汽包虛假水位現(xiàn)象而且整個(gè)控制系統(tǒng)的頻繁變動(dòng)使控制參數(shù)的響應(yīng)等難以適從，控制穩(wěn)定性欠佳。

本系統(tǒng)做了改進(jìn)，采用的控制方式為通過(guò)改變高壓給水泵頻率，以維持高壓給水泵出口母管壓力，通過(guò)改變給水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，以維持高壓汽包水位。水位控制與壓力控制協(xié)調(diào)進(jìn)行，水位控制為在一定壓力控制范圍內(nèi)的后續(xù)控制，壓力控制為跟隨前端壓力（即，汽包壓力）條件下的控制，兩者有機(jī)結(jié)合，協(xié)同進(jìn)行。這種控制方法可以有效地緩解汽包虛假水位現(xiàn)象，提高控制的穩(wěn)定性。另外從節(jié)能角度考慮，由于變頻泵的全程投入，其節(jié)能效果依然顯著。

圖3 協(xié)調(diào)式汽包水位控制給水泵邏輯圖Fig.3 Logic diagram of the coordinated drum water level control feed pump

協(xié)調(diào)式汽包水位控制邏輯圖如圖2和圖3。該控制方案中，壓力和液位兩個(gè)控制參數(shù)的協(xié)調(diào)通過(guò)壓力控制回路的壓力設(shè)定值實(shí)現(xiàn)。壓力控制回路中，高壓給水泵出口母管壓力的設(shè)定值采用基本設(shè)定值+偏置的方式產(chǎn)生，基本設(shè)定值為高壓汽包壓力+1.3MPa，高壓省煤器出口給水溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力+0.5MPa，在此基礎(chǔ)之上運(yùn)行人員可手動(dòng)設(shè)定偏置。

協(xié)調(diào)式汽包水位控制還在以下事項(xiàng)做了重點(diǎn)處理：

1）檢測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確性

檢測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確性是自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的前提和關(guān)鍵。汽包水位控制系統(tǒng)涉及的主要檢測(cè)信號(hào)包括汽包水位、蒸汽流量、給水流量。機(jī)組在全負(fù)荷運(yùn)行階段中，鍋爐運(yùn)行工況復(fù)雜，鍋爐從啟動(dòng)到正常運(yùn)行或者從正常運(yùn)行到停爐，其蒸汽參數(shù)的變化巨大，汽包水位、蒸汽流量、給水流量測(cè)量準(zhǔn)確性必然會(huì)受到嚴(yán)重的影響。

為了補(bǔ)償由于工質(zhì)溫度、壓力變化而引起的檢測(cè)參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)分別配置汽包水位、蒸汽流量、給水流量的溫度及壓力補(bǔ)償檢測(cè)信號(hào)，用于汽包水位全程控制過(guò)程中檢測(cè)信號(hào)的補(bǔ)償，以提高檢測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確性[11-15]。

2）控制方式

圖4 高壓汽包水位控制曲線圖（1） Fig.4 Control curve of water level of high pressure steam drum（1）

圖5 高壓汽包水位控制曲線圖（2）Fig.5 Control curve of water level in high pressure steam drum（2）

協(xié)調(diào)式汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)置單沖量水位控制和三沖量水位控制兩種控制方式。在低負(fù)荷工況下，當(dāng)高壓主蒸汽流量＜25%（可調(diào)整）時(shí)，由于蒸汽流量和給水流量的測(cè)量誤差較大，采用單沖量控制；當(dāng)高壓主蒸汽流量＞30%（可調(diào)整）時(shí)，采用三沖量控制，即在給水流量反饋控制回路的基礎(chǔ)上，引入高壓主蒸汽流量前饋信號(hào)形成的前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。該控制回路包含了給水流量控制回路和汽包水位控制回路。該種單沖量和三沖量切換的控制回路，從控制的角度提高了水位控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

4 驗(yàn)證結(jié)果及分析

采用協(xié)調(diào)式汽包水位控制方案進(jìn)行聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽包水位控制，實(shí)測(cè)高壓汽包水位控制曲線如圖4和圖5。

從圖4可以看出，當(dāng)啟動(dòng)高壓汽包水位自動(dòng)控制后，實(shí)際汽包水位（即紅色曲線所示）高度跟蹤高壓汽包水位設(shè)定值（即黃色曲線所示），控制穩(wěn)定。圖5顯示出，采用協(xié)調(diào)式汽包水位控制方案下，高壓汽包壓力（即橙色曲線所示）穩(wěn)定，有利于促進(jìn)汽包水位控制的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文前述中明晰了汽包水位參量在聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中的重要地位，其控制的水平和效果成為整個(gè)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證。而汽包水位控制的難點(diǎn)又絕大部分由其自身的復(fù)雜性所造成，除了從純控制的角度改進(jìn)，如三沖量控制的引進(jìn)以及控制算法的優(yōu)化等來(lái)改進(jìn)汽包水位控制的性能外，本文從優(yōu)化穩(wěn)定控制參量的角度，提出一種協(xié)調(diào)式汽包水位控制方案。所謂參量協(xié)調(diào)式，即控制參量分步控制，壓力、液位協(xié)同控制，保證壓力的前提下，調(diào)節(jié)水位。這種協(xié)調(diào)控制方法，可以從根本上改善汽包水位虛假，和汽包水位參量的復(fù)雜所帶來(lái)水位控制難題，有效地提高了汽包水位控制的質(zhì)量。