母管制給水系統(tǒng)壓力控制優(yōu)化實踐

李如飛，郭 軍

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司能源環(huán)保部，安徽馬鞍山 243000）

引言

馬鋼南區(qū)有6 臺220 t/h 高溫高壓鍋爐和4 臺總裝機容量230 MW 汽輪發(fā)電機組，鍋爐給水系統(tǒng)采用母管制方式，由6 臺給水泵組成，其中#1、#5 給水泵為調(diào)速泵（其余為定速泵，無調(diào)節(jié)功能），#1 給水泵調(diào)速方式為液力偶合器調(diào)速、#5 給水泵為變頻調(diào)速（圖1 所示）。給水泵向冷給水母管供水，給水從冷給水母管出來后進(jìn)入4臺汽機的高壓加熱器進(jìn)行加熱，加熱后的給水又進(jìn)入熱給水母管，后分別經(jīng)過6臺鍋爐的給水調(diào)整門進(jìn)入鍋爐。

圖1 給水系統(tǒng)總圖

#1、#5給水泵參數(shù)如表1。

表1 #1、#5給水泵參數(shù)

1 實際運行中存在的問題

給水母管壓力沒有設(shè)計自動控制功能，正常生產(chǎn)時，5 臺鍋爐和4 臺汽輪機運行，給水系統(tǒng)中定速給水泵和調(diào)速給水泵都有投入運轉(zhuǎn)，運行人員來只能憑經(jīng)驗調(diào)整給水母管壓力，勞動強度大，容易產(chǎn)生監(jiān)盤疲勞，極易出現(xiàn)超調(diào)、欠調(diào)、調(diào)節(jié)不及時等現(xiàn)象，鍋爐汽包水位波動大，影響機組穩(wěn)定運行。

手動操作時，給水母管壓力難以維持在理想的范圍內(nèi)，一般壓力值較高、波動大，平均在14 MPa左右（13～15 MPa 波動運行）。從安全角度考慮，給水母管壓力高有利于鍋爐安全運行，但給水管道閥門節(jié)流損失大，給水泵的電耗明顯增加，不利于節(jié)能降耗。而給水母管壓力低，可能會造成鍋爐斷水的嚴(yán)重事故。

母管制給水系統(tǒng)中，給水母管壓力與鍋爐負(fù)荷存在相互影響、特別是在鍋爐負(fù)荷升降過程中。如果母管給水壓力波動大，必定會嚴(yán)重影響進(jìn)入鍋爐的給水流量，從而嚴(yán)重影響所有鍋爐的汽包水位穩(wěn)定；另一方面，由于鍋爐摻燒高爐、焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐煤氣，外部煤氣供應(yīng)量經(jīng)常大幅波動，鍋爐負(fù)荷隨之變化，鍋爐負(fù)荷的變化會使進(jìn)入鍋爐的給水流量發(fā)生變化，鍋爐給水流量的變化又會影響給水母管的壓力，而且等到給水母管壓力變化后再由運行人員進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時間上已經(jīng)滯后，威脅鍋爐運行安全或造成電能的浪費。

如果只有一臺調(diào)速給水泵來進(jìn)行給水母管壓力自動控制調(diào)整，滿足不了給水母管壓力變化的需求，只能兩臺調(diào)速給水泵同時進(jìn)行調(diào)整，而兩臺調(diào)速泵的特性完全不同，極易引起振蕩，存在很多技術(shù)難題，常規(guī)的自動控制方案無法實現(xiàn)。

2 技術(shù)改造方案

通過調(diào)速給水泵調(diào)節(jié)特性試驗，掌握給水母管壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)每個相關(guān)的工藝特征，然后將給水系統(tǒng)等相關(guān)控制信號接入控制系統(tǒng)，采用先進(jìn)的多變量復(fù)合平衡協(xié)調(diào)控制策略，能夠自動控制調(diào)速給水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實現(xiàn)給水母管壓力的自動控制。

針對鍋爐給水母管系統(tǒng)存在的系統(tǒng)復(fù)雜、運行工況變化、擾動因素多且難以建立精確數(shù)學(xué)模型的特點，進(jìn)行以下工作：

（1）研究給水母管壓力協(xié)調(diào)控制技術(shù)，制訂適應(yīng)現(xiàn)場工藝工況的協(xié)調(diào)控制策略。通過多次試驗，實現(xiàn)了多變量復(fù)合平衡協(xié)調(diào)控制技術(shù)，解決了兩臺調(diào)速給水泵性能不同等造成的問題，實現(xiàn)對給水母管系統(tǒng)的智能協(xié)調(diào)控制。

（2）開發(fā)專用智能給水母管壓力協(xié)調(diào)控制軟件，編制相應(yīng)控制程序，實現(xiàn)給水母管壓力的長期自動控制。

（3）控制參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，在實現(xiàn)給水母管壓力智能協(xié)調(diào)控制方案及相關(guān)軟件后，通過調(diào)整優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，實時將給水母管系統(tǒng)保持在最優(yōu)狀態(tài)。

（4）給水母管壓力協(xié)調(diào)控制作為給水母管壓力調(diào)節(jié)的核心，其安全性是至關(guān)重要的，主要包括硬件系統(tǒng)安全策略和軟件程序安全策略［1］。

3 具體技術(shù)路線

3.1 特性試驗

對#1 給水泵的出口壓力、電動機電流、液力偶合器勺管開度，#5 給水泵的出口壓力，電動機電流、變頻器轉(zhuǎn)速，給水母管上個相關(guān)壓力測點等參數(shù)進(jìn)行特性試驗。鍋爐負(fù)荷變化對給水系統(tǒng)的影響以及各參數(shù)之間的關(guān)系試驗，有助于自動控制參數(shù)的優(yōu)化完善。

3.2 系統(tǒng)建立

將給水系統(tǒng)相關(guān)信號以硬接線方式接入至給水母管壓力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，有助于在同一平臺上可靠實現(xiàn)自動控制方案。

3.3 前饋控制

（1）將鍋爐總負(fù)荷信號接入給水母管壓力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)，有助于實現(xiàn)鍋爐總負(fù)荷前饋控制，及時消除負(fù)荷變化對給水母管壓力的影響。

（2）將鍋爐摻燒煤氣總量接入給水母管壓力協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)，實現(xiàn)給水系統(tǒng)快速響應(yīng)（圖2所示）。

圖2 給水母管壓力協(xié)調(diào)控制原理

3.4 自動控制方案

（1）采用多變量復(fù)合平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實現(xiàn)對給水母管壓力自動控制［2］。

（2）設(shè)計鍋爐總負(fù)荷前饋系統(tǒng)，將鍋爐總負(fù)荷作為控制系統(tǒng)前饋。

（3）設(shè)計鍋爐摻燒煤氣總量急劇變化快速響應(yīng)模塊。

（4）設(shè)計復(fù)合控制器系統(tǒng)，無論給水母管系統(tǒng)中只有#1 給水泵運行，還是只有#5 給水泵運行，或者#1、#5 給水泵都在運行，都能夠?qū)崿F(xiàn)給水泵完美調(diào)速效果。

（5）設(shè)計平衡模塊控制器系統(tǒng)，克服給水泵不同開度區(qū)間，特性不同的缺點。

（6）設(shè)計給水泵快速響應(yīng)控制系統(tǒng)，如果一臺調(diào)速給水泵開度達(dá)到上下限，則另一臺調(diào)速給水泵立即啟用快速響應(yīng)功能，加快調(diào)節(jié)，保持給水母管壓力穩(wěn)定。

3.5 控制參數(shù)調(diào)整優(yōu)化

（1）通過調(diào)整鍋爐總負(fù)荷、總煤氣量等前饋相關(guān)參數(shù)，達(dá)到鍋爐運行狀態(tài)變化時及時進(jìn)行調(diào)整，穩(wěn)定給水母管壓力［3］。在鍋爐負(fù)荷較大范圍變化情況下，給水母管壓力最大動態(tài)偏差控制±0.2 MPa以內(nèi)。

（2）調(diào)整#1、#5 給水泵相關(guān)的參數(shù)控制，在鍋爐負(fù)荷基本穩(wěn)定情況下，實現(xiàn)控制最優(yōu)化，給水母管壓力最大動態(tài)偏差控制在±0.1 MPa以內(nèi)。

（3）調(diào)整給水母管壓力設(shè)定值，根據(jù)機組運行方式的不同，將給水母管壓力設(shè)定值進(jìn)行微調(diào)。五爐四機運行時，給水母管壓力設(shè)定為13 MPa；四爐三機運行時，給水母管壓力設(shè)定為13.1 MPa。

（4）依據(jù)#1、#5 給水泵自身特性及安全高效的運行區(qū)間，合理調(diào)整#1、#5 給水泵的運行上下限數(shù)據(jù)，保證給水泵的穩(wěn)定節(jié)能運行和給水母管壓力穩(wěn)定。

4 實施效果

通過該技術(shù)方案的實施，完成了給水母管壓力控制系統(tǒng)優(yōu)化，給水母管壓力實現(xiàn)了穩(wěn)定運行，大大減輕了運行人員的操作量，杜絕了運行中的安全隱患。以前給水母管壓力一般在13～15 MPa 之間波動運行，給水電耗在5.8～6.3 kWh/t；實施了該系統(tǒng)后，給水母管壓力穩(wěn)定在13～13.1 MPa，給水電耗穩(wěn)定降低到5.55 kWh/t左右。

給水泵電耗平均下降約0.5 kWh/t，按照1 000 t/h 的給水流量來計算，每年可以節(jié)約電費為（電價按0.6元/kWh計算）：

0.5 ×1 000×24×365×0.6=262.8萬元