【正文】 十里泉電廠300MW機組汽包鍋爐給水控制系統的應用摘要：給水全程控制系統是火力發(fā)電廠單元機組協調控制中的主要子系統之一，針對其可靠運行直接關系到整個機組的安全問題，采用單沖量和三沖量控制系統有機結合的控制策略。本文應用自動控制理論對單元機組給水的要求和特點進行了全面的分析，使單元機組給水全程控制從鍋爐點火到機組滿負荷運行，始終保持汽包水位在允許的范圍內，而且系統穩(wěn)態(tài)誤差小，控制精度高，超調量小。此外還提出了在系統設計時應注意的幾個關鍵問題，這對單元機組給水全程控制系統的設計和調試均具有一定的參考價值。關鍵詞：單沖量；三沖量；串級；切換；跟蹤 1緒論隨著電力需求的增長，以及能源和環(huán)保的要求，我國的火電建設開始向大容量、高參數的大型機組靠攏。但是，火電機組越大，其設備結構就越復雜，自動化程度要求也越高。汽包水位是汽包鍋爐非常重要的運行參數，同時它還是衡量鍋爐汽水系統是否平衡的標志。維持汽包水位在一定允許范圍內，是保證鍋爐和汽輪機安全運行的必要條件。水位過高會影響汽水分離器的正常運行，蒸汽品質變壞，使過熱器管壁和氣輪機葉片結垢。嚴重時，會導致蒸汽帶水，造成汽輪機水沖擊而損壞設備。水位過低則會破壞水循環(huán)，嚴重時將引起水冷壁管道破裂。因此，汽包水位控制一直受到很高的重視。另一方面，隨著鍋爐參數的提高和容量的增大，汽包的相對容積減少，負荷變化和其他擾動對水位的影響將相對增大。這必將加大水位控制的難度，從而對水位控制系統提出了更高的要求。但是，由于給水系統的復雜性，真正能實現全程給水控制火電機組還很少。因此，對全程給水控制進行優(yōu)化，增強給水系統的控制效果和適應能力成為迫切需要的問題。目前，我國將火電建設的重點放在大容量、高參數、高自動化、高效益的機組上來，因而對電廠控制設備可靠性的要求越來越高，控制策略也向高精度、高效率、高穩(wěn)定性的方向發(fā)展。同時，隨著電力行業(yè)體制改革及電網商業(yè)化運營、競價上網的需要，以及火電機組要適應電網自動發(fā)電控制(AGC)的需求，這必然要求機組各控制系統實現自動調節(jié)，因而對火電廠熱工自動化系統進行技術改造已成為必然。汽包水位控制系統在國內新建機組中基本都實現了水位全程調節(jié)，但在老機組的控制系統中由于存在各種客觀和主觀因素，真正實現鍋爐給水全程控制的機組還為數不多，大多數只實現了高負荷時水位自動調節(jié)系統的投入。這主要是因為老機組的控制儀表較落后，而當時技術條件又不夠成熟，用于實現水位調節(jié)的控制設備多為一些組件組裝儀表，如西安儀表廠的 MZⅢ系列組裝儀表、上海 FOXBORO 公司的 SPEC200 微機組件組裝式儀表等。因而在實現控制策略及控制邏輯等方面受到了限制。同時，因為就地控制設備的可靠性不高，使得當時國內火電廠熱工自動化水平整體較落后。在最近幾年，通過對老機組的技術改造，特別是分散控制系統（DCS）的改造成功，已經使機組的自動化水平上了一個臺階。一些在常規(guī)儀表中無法實現的功能，由于 DCS 系統的靈活組態(tài)及計算機控制技術的優(yōu)越性已完全可以實現，因而實現對機組各控制系統的全程調節(jié)已完全成為可能。鍋爐給水全程控制，是指機組在啟、停過程中，正常運行和負荷變化時均能實現鍋爐給水的自動控制。在大型火力發(fā)電機組鍋爐給水全程控制中，由于機組在高、低負荷下運行時具有不同的對象特性，一般控制系統采用單沖量、三沖量控制等變結構控制方案。給水系統一般采用經濟性極佳的變速給水泵，除采用液力偶合器的電動給水泵、汽動給水泵外，還需要采用一套調節(jié)系統，保證給水泵工作在安全區(qū)域內。國內機組實現全程給水控制考慮的方案一般是在低負荷時，用啟動調節(jié)閥控制汽包水位，調速給水泵維持給水母管壓力，采用單沖量的控制方式；高負荷時，使用調速給水泵控制汽包水位，大旁路調節(jié)閥維持給水壓力，采用三沖量的控制方式。它由單沖量和三沖量兩個調節(jié)回路組成全程給水控制, 當負荷大于30%時為三沖量,當負荷小于 30%或三沖量變送器故障時為單沖量。本文圍繞給水控制優(yōu)化這一主題，立足于低負荷給水控制優(yōu)化設計，同時對高負荷階段給水泵協調控制方法進行了研究，從真正意義上實現從機組的啟動到正常運行，又到停爐冷卻全部過程均能自動控制。本論文主要作了以下幾方面的研究工作:(I )深入分析給水對象的動態(tài)特性，闡述了現今給水全程控制中存在的缺陷和不足。并根據給水分段式控制的原則，分別從低負荷和高負荷兩個方面入手研究其改進方法。(2 ) 針對低負荷階段給水對象復雜、難控的現狀，分析了問題的形成機理。在充分利用PID調節(jié)器進行控制的條件下，提出了以多變量解耦控制理論為基礎的低負荷給水控制方案，并且對單沖量給水控制提出了改進建議和方法。(3 )對給水控制的經濟性進行的分析，提出了自己思考的改進辦法。同時針對還處于手動控制的給水調節(jié)閥切換，設計了自動無擾切換回路。2 給水被控對象的動態(tài)特性 全程控制的概念目前，大型火電單元機組都采用機、爐聯合啟動的方式，鍋爐、汽輪機按照啟動曲線要求進行滑參數啟動。具有中間再熱的單元機組多采用定壓法進行滑參數啟動。隨著機組容量的增大、參數的提高，在啟動和停機過程中需要監(jiān)視和操作的項目增多，操作的頻率也增高，采用人工調節(jié)已不適應生產要求，而必須在啟、停過程中也實現自動控制。所謂全程控制系統是指機組在啟停過程和正常運行時均能實現自動控制的系統。全程控制是相對常規(guī)控制系統而言的，全程控制包括啟停控制和正常運行工況下控制兩方面的內容。常規(guī)控制系統一般只適用于機組帶大負荷工況下運行，在啟停過程或低負荷工況下，一般要用手動進行控制，而全程控制系統能使機組在啟動、停機、不同負荷工況下自動運行。以給水控制系統為例，常規(guī)串級三沖量給水系統只能在負荷達到額定負荷 70%時，才能投入自動，在此以前全部為手動操作，而全程給水系統從鍋爐點火啟動開始便可以投入自動。 給水控制對象的動態(tài)特性汽包水位是由汽包中的儲水量和水面下的汽泡容積決定的，因此凡是引起汽包中儲水量變化和水面下的汽泡容積變化的各種因素都是給水控制對象的擾動。其中主要的擾動有：給水流量W、鍋爐蒸發(fā)量D、汽包壓力Pb、爐膛熱負荷等。給水控制對象的動態(tài)特性是指上述引起水位變化的各種擾動與汽包水位間的動態(tài)關系。汽包水位動態(tài)特性較為復雜，一是對汽包水位擾動有四個來源，二是“虛假水位”問題的存在，特別是后一個問題使得人們設計出“三沖量”給水控制系統。了解、掌握汽包水位動態(tài)特性是保證給水自動控制系統順利投入的基本要求。 給水流量擾動下水位的動態(tài)特性給水流量是調節(jié)機構所改變的控制量，給水流量擾動是來自控制側的擾動，又稱內擾。給水流量擾動下水位的階躍響應曲線如圖 所示。圖 給水流量階躍擾動下水位響應曲線當給水流量階躍增加ΔW后，水位H的變化如圖中曲線H所示。水位控制對象的動態(tài)特性表現為有慣性的無自平衡能力的特點。當給水流量突然增加后，給水流量雖然大于蒸汽流量，但由于給水溫度低于汽包內飽和水的溫度，給水吸收了原有飽和水中的部分熱量使水面下汽泡容積減少，實際水位響應曲線可視為由H1和H2兩條曲線疊加而成，所以擾動初期水位不會立即升高。當水面下汽泡容積的變化過程逐漸平衡，水位就反應出由于汽包中儲水量的增加而逐漸上升的趨勢，最后當水面下汽泡容積不再變化時，由于進、出工質流量不平衡，水位將以一定的速度直線上升。這種特性可由下列近似傳遞函數表示：式中： ε水位響應速度，即單位給水量擾動時，水位的變化速度，；τ 遲延時間，s。ε和τ的大小和鍋爐容量及參數有關。對于蒸發(fā)量為 410t/h，參數為 10MPa、540℃的高壓爐，τ=10s，ε= ；對于容量為 670t/h，參數為 14MPa、540℃的超高壓爐，τ=5～10s，ε=～ 。由此可見，隨著鍋爐容量的增大和參數的提高，水位內擾特性的遲延時間減少，響應速度也略有下降，對水位H的控制是有