簡(jiǎn)述S109FA燃機(jī)汽包水位和天然氣溫度控制

李以文

（杭州華電半山發(fā)電有限公司，浙江 杭州 310015）

0 引言

PID作為工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器問世至今已有近70年歷史，它因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論的其他技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合采用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也包括PI和PD控制，PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制[1]。

形成一套穩(wěn)定可靠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可使水質(zhì)、天然氣溫度等工況更加快速、準(zhǔn)確地達(dá)到目標(biāo)值。汽包水位和天然氣溫度控制是某發(fā)電廠S109FA燃機(jī)主要自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中比較典型的PID控制系統(tǒng)，下面將簡(jiǎn)述其控制原理，并分析整定方法。

1 燃機(jī)汽包水位和天然氣溫度控制系統(tǒng)介紹

1.1 汽包水位控制

高、中、低壓三個(gè)汽包水位采用單沖量和三沖量?jī)煞N調(diào)節(jié)方式，以高壓汽包水位調(diào)節(jié)為例進(jìn)行分析。在機(jī)組啟動(dòng)階段，給水流量和主汽流量等參數(shù)較低的工況下采用單沖量控制，調(diào)節(jié)器接收實(shí)際汽包水位信號(hào)并與設(shè)定值比較后計(jì)算出調(diào)節(jié)閥指令用于控制給水調(diào)節(jié)閥；當(dāng)各流量參數(shù)達(dá)到一定工況后，切換至三沖量控制，主調(diào)節(jié)器接收汽包水位設(shè)定值與實(shí)際水位比較，通過變比例固定積分時(shí)間調(diào)節(jié)，得出汽水流量的偏差值，與蒸汽流量相加（給水需求量）后作為副調(diào)的設(shè)定值，副調(diào)節(jié)器通過計(jì)算得出調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)給水流量。

單沖量與三沖量的切換條件為：（1）高壓給水流量FT5001-SEL高于71.15 t/h；（2）高壓給水和主汽流量無壞點(diǎn)；（3）高壓蒸汽流量FT5003-SEL高于71.15 t/h。這三個(gè)條件都滿足的情況下，切換到三沖量調(diào)節(jié)。

這里還要指出，為了避免汽包水位自動(dòng)出現(xiàn)較大波動(dòng)，發(fā)生如下情況時(shí)控制方式切為手動(dòng)：（1）汽包水位壞點(diǎn)；（2）調(diào)節(jié)閥指令與反饋偏差超限；（3）汽包水位設(shè)定值與實(shí)際水位偏差超限。這三個(gè)條件任意一個(gè)成立就切手動(dòng)。

此外，在控制手段上，選擇三沖量控制時(shí)，主調(diào)節(jié)器采用變比例增益控制，比例系數(shù)根據(jù)汽包水位定值與水位測(cè)量值的偏差大小變化。水位偏差大時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的比例增益增大，以減小水位的動(dòng)態(tài)偏差；水位偏差小時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的比例增益減小，以提高水位調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性[2]。

1.2 天然氣溫度控制

為保證燃?xì)廨啓C(jī)的正常燃燒和一定的經(jīng)濟(jì)性，S109FA燃機(jī)通常會(huì)將燃?xì)鉁囟瓤刂圃?85 ℃左右，它是利用性能加熱器（中壓省煤器出口的中壓給水）對(duì)燃?xì)膺M(jìn)行加熱。性能加熱器投入運(yùn)行后，DCS監(jiān)控供應(yīng)燃料溫度并給溫度控制閥（TCV-4233）發(fā)送一個(gè)控制信號(hào)，通過開關(guān)溫度控制閥TCV-4233調(diào)節(jié)流經(jīng)性能加熱器的熱水流量來調(diào)整從加熱器出口的燃料溫度，將其控制在185 ℃。當(dāng)燃?xì)鉁囟瘸^193 ℃時(shí)，控制系統(tǒng)將發(fā)出自動(dòng)停機(jī)指令。

根據(jù)圖1可以看出，燃?xì)獾臏囟瓤刂撇捎昧艘惶讍位芈稰ID控制和一套串級(jí)PID控制回路（分為兩個(gè)階段對(duì)溫度進(jìn)行控制）：通過PID1控制加熱器入口水溫與出口燃料溫度的偏差，這樣開機(jī)過程中，燃?xì)鉁囟入S著水溫的升高而升高；PID2調(diào)節(jié)器的作用是將出口天然氣溫度控制在185 ℃，其輸出為燃?xì)饧訜崴璧臒崃啃盘?hào)；PID3根據(jù)熱水的實(shí)際熱量與PID2送來的熱量需求進(jìn)行比較，計(jì)算出溫控調(diào)節(jié)閥的開度指令。進(jìn)入加熱器水的熱量Q為熱水的焓值與熱水流量的乘積，焓值與溫度和壓力有關(guān)，因此將熱量信號(hào)引入調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)際上就將引起系統(tǒng)擾動(dòng)的一個(gè)重要因素——熱水溫度也引入了系統(tǒng)，這樣在某一穩(wěn)定工況下，當(dāng)熱水溫度變化時(shí)反映到其熱量Q也會(huì)產(chǎn)生變化（也就是PID3的測(cè)量值產(chǎn)生了變化），通過PID3的調(diào)節(jié)作用使調(diào)節(jié)閥迅速動(dòng)作改變流量，實(shí)際上是熱水溫度變化時(shí)提前動(dòng)作調(diào)節(jié)閥改變熱水流量，以減小溫度變化對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動(dòng)作用。另外，圖中還引入了燃?xì)饬髁孔兓瘜?duì)熱量的補(bǔ)償信號(hào)Q1，該值為實(shí)際天然氣流量的函數(shù)（實(shí)際上就是反映機(jī)組負(fù)荷的變化對(duì)該系統(tǒng)的影響，因?yàn)闄C(jī)組負(fù)荷的變化實(shí)際上就是天然氣流量的變化）。

PID1和PID2/3的工作切換：正常運(yùn)行時(shí)，性能加熱器入口溫度通常在220 ℃左右，而PID1的夾點(diǎn)溫度設(shè)定值為15～25 ℃，若按PID1進(jìn)行控制，溫度值必定超過185 ℃，此時(shí)PID2的輸出必小于PID1輸出的開度，PID2有效。也就是說，在開機(jī)過程中加熱器入口水溫低于200 ℃時(shí)，PID1調(diào)節(jié)器起作用；而正常運(yùn)行時(shí)水溫高于200 ℃（通常在220 ℃）時(shí)，PID2調(diào)節(jié)器起作用。

2 快速整定法的工作步驟

在平時(shí)的PID參數(shù)整定中，經(jīng)常會(huì)花費(fèi)很多的時(shí)間和精力。下面簡(jiǎn)單介紹一下PID調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)快速整定法的工作步驟。

（1）被控系統(tǒng)處于“手動(dòng)”的穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）首先整定控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)PID參數(shù)：將外環(huán)的P設(shè)為最小，I最大，即把外環(huán)處于開環(huán)狀態(tài)；將內(nèi)環(huán)PID的I暫時(shí)設(shè)為最大，然后逐步增大P，此時(shí)如內(nèi)環(huán)出現(xiàn)等幅振蕩，則P為最佳臨界值，然后把P稍微減小一點(diǎn)，內(nèi)環(huán)PID調(diào)節(jié)器的P整定完畢；整定I，逐步減小I，此時(shí)如內(nèi)環(huán)反饋出現(xiàn)等幅振蕩，則I為最佳臨界值，然后把I稍微增大一點(diǎn)，內(nèi)環(huán)PID的I整定完畢。此時(shí)，內(nèi)環(huán)PID參數(shù)整定完畢。

（3）整定外環(huán)PID參數(shù)：可以先按照單閉環(huán)調(diào)節(jié)器的方法整定，先整定P，把外環(huán)的I值設(shè)為最大，P值設(shè)為最小，逐步增大P，發(fā)生小幅振蕩前的參數(shù)即為最佳參數(shù)；整定I值，外環(huán)PID的I值逐步減小，I的最佳狀態(tài)為被控對(duì)象與設(shè)定狀態(tài)之間沒有靜差，而且系統(tǒng)不產(chǎn)生大幅振蕩。至此，外環(huán)PID參數(shù)整定完畢。

3 燃機(jī)汽包水位和天然氣溫度控制的典型案例

任何一套自動(dòng)化控制系統(tǒng)，它的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)品質(zhì)對(duì)維系熱力系統(tǒng)平衡運(yùn)轉(zhuǎn)都至關(guān)重要。設(shè)置了同樣的閉環(huán)控制回路，而超調(diào)量、穩(wěn)定時(shí)間、靜差等調(diào)節(jié)品質(zhì)參數(shù)不同，對(duì)被控對(duì)象的操控和工質(zhì)參數(shù)調(diào)整效果也會(huì)截然不同。下面通過幾個(gè)調(diào)節(jié)品質(zhì)不佳的案例來進(jìn)一步認(rèn)識(shí)PID自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3.1 案例一：鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)失靈

三壓中間再熱型余熱鍋爐，汽包水位調(diào)節(jié)復(fù)雜，特別是冷爐熱機(jī)啟動(dòng)階段水位波動(dòng)變化很大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某廠機(jī)組投運(yùn)初期，因汽包水位超限引起的啟動(dòng)失敗達(dá)6次（高壓汽包水位高1次，低壓汽包水位高2次，中壓汽包水位低3次）。因此，汽包水位調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣，直接關(guān)系到鍋爐的安全運(yùn)行。

（1）虛假水位現(xiàn)象：某機(jī)組啟動(dòng)，經(jīng)歷清吹、點(diǎn)火、升速，機(jī)組升速至3 000 r/min時(shí)，高壓汽包水位由-100 mm快速升高至+288 mm跳閘值，機(jī)組跳閘，啟動(dòng)失敗。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，機(jī)組在汽機(jī)熱態(tài)下啟動(dòng)，鍋爐溫度較低。由于燃機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火后余熱鍋爐的升溫升壓較快，鍋爐內(nèi)水容積急劇膨脹，引起水位快速升高；此時(shí)高壓汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)在低流量、單沖量調(diào)節(jié)，反應(yīng)較慢，不能克服快速啟動(dòng)過程中的“虛假水位”，造成了水位迅速升高達(dá)跳閘值機(jī)組跳閘。重新調(diào)整高壓汽包水位調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)參數(shù)后，滿足機(jī)組快速啟動(dòng)要求，水位調(diào)節(jié)恢復(fù)正常。

（2）調(diào)節(jié)閥過于靈敏：某機(jī)組啟動(dòng)過程中，負(fù)荷升到50 MW，當(dāng)操作人員進(jìn)行汽機(jī)入口壓力控制（IPC IN）投入操作時(shí)，中壓旁路開度由49%快速關(guān)小，而中壓過熱器出口壓力調(diào)節(jié)閥因壓力偏差量大自動(dòng)切為手動(dòng)，中壓汽包壓力升高，水位由-30 mm突降至-100 mm。因中壓汽包壓力升高，中壓旁路壓力調(diào)節(jié)閥快速開啟，使中壓汽包水位從-100 mm快速升至+245 mm，導(dǎo)致中壓汽包水位高高而跳閘。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，中壓旁路壓力調(diào)節(jié)閥關(guān)閉速度及打開速度過快，造成中壓汽包壓力波動(dòng)過大，從而導(dǎo)致中壓汽包水位劇烈波動(dòng)。三壓中間再熱型余熱鍋爐的中壓汽包容積相對(duì)較小，水位的量程也較小，易受壓力等因素影響。因此，在保證中壓旁路快開及快關(guān)的前提下，應(yīng)盡量限制中壓旁路壓力調(diào)節(jié)閥的開/關(guān)速度，加大中過出口壓力調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)范圍，使中壓旁路壓力調(diào)節(jié)閥的開或關(guān)對(duì)中壓汽包水位的波動(dòng)影響降至最小。

3.2 案例二：鍋爐蒸汽溫度調(diào)節(jié)失靈，減溫水滯后

某機(jī)組啟動(dòng)，高壓缸進(jìn)汽完成，此時(shí)燃機(jī)排氣溫度566 ℃，高壓主蒸汽溫度552 ℃，高壓主蒸汽減溫水為自動(dòng)方式。省調(diào)要求盡快將機(jī)組的負(fù)荷帶至150 MW以上，為了盡快升負(fù)荷，值班員退出溫度匹配，同時(shí)進(jìn)行中壓缸進(jìn)汽操作。負(fù)荷上升后，燃機(jī)排氣溫度直線上升至640 ℃左右，高壓主蒸汽溫度也不斷上升。值班人員在高壓主蒸汽溫度未出現(xiàn)報(bào)警前就發(fā)現(xiàn)高壓主蒸汽溫度快速上升，且減溫水調(diào)節(jié)閥開啟速度太慢跟不上，雖然立即采取措施解除高壓主蒸汽減溫水自動(dòng)，將減溫水調(diào)節(jié)閥手動(dòng)開至100%，并抬高給水壓力至5 MPa（減溫水流量至30 t/h），但由于減溫水作用有一定的滯后，高壓主蒸汽溫度還是上升至591.2 ℃，機(jī)組快減負(fù)荷至全速空載（FSNL）。分析認(rèn)為，機(jī)組快減負(fù)荷至全速空載（FSNL）的原因，是高壓主汽減溫水自動(dòng)調(diào)節(jié)沒跟上，使高壓主蒸汽溫度超限。

3.3 案例三：IBH進(jìn)氣加熱調(diào)節(jié)閥失控

某廠#2機(jī)開機(jī)，負(fù)荷升至300 MW。在加負(fù)荷過程中，由于IBH（燃機(jī)進(jìn)氣加熱控制閥）定位器故障，IBH異常全開，最終導(dǎo)致燃機(jī)排氣溫度高跳機(jī)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，在IBH控制邏輯中，當(dāng)IBH實(shí)際開度與反饋量差異15%時(shí)，IBH將發(fā)出強(qiáng)制全開指令。

措施及建議：在不更換現(xiàn)有設(shè)備的條件下，將IBH實(shí)際開度與反饋量差異15%時(shí)全開IBH的邏輯加上延時(shí)，這樣可以避免IBH發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)全開。由于原氣動(dòng)執(zhí)行器的定位器為機(jī)械式，反饋板與之并非一體，二者配合上會(huì)有一定問題，再者機(jī)械式定位器不便于檢修調(diào)試、精度不高，因此建議對(duì)定位器進(jìn)行改造，采用FLOWSERVE的智能定位器。國(guó)內(nèi)許多電廠已完成IBH定位器改造，運(yùn)行情況良好，IBH控制閥不再發(fā)生失控全開現(xiàn)象。

4 結(jié)語

9FA燃機(jī)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過不斷修正與完善，自動(dòng)系統(tǒng)的投用率有了顯著提高。由于各自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的投用情況對(duì)于機(jī)組的穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行極其重要，希望本文的分析能使相關(guān)從業(yè)者對(duì)燃機(jī)控制系統(tǒng)有更進(jìn)一步的理解，通過不斷優(yōu)化和完善，為智慧化電廠的實(shí)現(xiàn)打好基礎(chǔ)。