【正文】 十里泉電廠300MW機組汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)的應(yīng)用摘要：給水全程控制系統(tǒng)是火力發(fā)電廠單元機組協(xié)調(diào)控制中的主要子系統(tǒng)之一，針對其可靠運行直接關(guān)系到整個機組的安全問題，采用單沖量和三沖量控制系統(tǒng)有機結(jié)合的控制策略。本文應(yīng)用自動控制理論對單元機組給水的要求和特點進(jìn)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(fù)荷運行，始終保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)，而且系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差小，控制精度高，超調(diào)量小。此外還提出了在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意的幾個關(guān)鍵問題，這對單元機組給水全程控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試均具有一定的參考價值。關(guān)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(shè)開始向大容量、高參數(shù)的大型機組靠攏。但是，火電機組越大，其設(shè)備結(jié)構(gòu)就越復(fù)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(shù)，同時它還是衡量鍋爐汽水系統(tǒng)是否平衡的標(biāo)志。維持汽包水位在一定允許范圍內(nèi)，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(zhì)變壞，使過熱器管壁和氣輪機葉片結(jié)垢。嚴(yán)重時，會導(dǎo)致蒸汽帶水，造成汽輪機水沖擊而損壞設(shè)備。水位過低則會破壞水循環(huán)，嚴(yán)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(shù)的提高和容量的增大，汽包的相對容積減少，負(fù)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(tǒng)提出了更高的要求。但是，由于給水系統(tǒng)的復(fù)雜性，真正能實現(xiàn)全程給水控制火電機組還很少。因此，對全程給水控制進(jìn)行優(yōu)化，增強給水系統(tǒng)的控制效果和適應(yīng)能力成為迫切需要的問題。目前，我國將火電建設(shè)的重點放在大容量、高參數(shù)、高自動化、高效益的機組上來，因而對電廠控制設(shè)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(wǎng)商業(yè)化運營、競價上網(wǎng)的需要，以及火電機組要適應(yīng)電網(wǎng)自動發(fā)電控制(AGC)的需求，這必然要求機組各控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，因而對火電廠熱工自動化系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造已成為必然。汽包水位控制系統(tǒng)在國內(nèi)新建機組中基本都實現(xiàn)了水位全程調(diào)節(jié)，但在老機組的控制系統(tǒng)中由于存在各種客觀和主觀因素，真正實現(xiàn)鍋爐給水全程控制的機組還為數(shù)不多，大多數(shù)只實現(xiàn)了高負(fù)荷時水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的投入。這主要是因為老機組的控制儀表較落后，而當(dāng)時技術(shù)條件又不夠成熟，用于實現(xiàn)水位調(diào)節(jié)的控制設(shè)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(xiàn)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(shè)備的可靠性不高，使得當(dāng)時國內(nèi)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(shù)改造，特別是分散控制系統(tǒng)（DCS）的改造成功，已經(jīng)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(xiàn)的功能，由于 DCS 系統(tǒng)的靈活組態(tài)及計算機控制技術(shù)的優(yōu)越性已完全可以實現(xiàn)，因而實現(xiàn)對機組各控制系統(tǒng)的全程調(diào)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(fù)荷變化時均能實現(xiàn)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(fù)荷下運行時具有不同的對象特性，一般控制系統(tǒng)采用單沖量、三沖量控制等變結(jié)構(gòu)控制方案。給水系統(tǒng)一般采用經(jīng)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(diào)節(jié)系統(tǒng)，保證給水泵工作在安全區(qū)域內(nèi)。國內(nèi)機組實現(xiàn)全程給水控制考慮的方案一般是在低負(fù)荷時，用啟動調(diào)節(jié)閥控制汽包水位，調(diào)速給水泵維持給水母管壓力，采用單沖量的控制方式；高負(fù)荷時，使用調(diào)速給水泵控制汽包水位，大旁路調(diào)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(diào)節(jié)回路組成全程給水控制, 當(dāng)負(fù)荷大于30%時為三沖量,當(dāng)負(fù)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(fù)荷給水控制優(yōu)化設(shè)計，同時對高負(fù)荷階段給水泵協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行了研究，從真正意義上實現(xiàn)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(xiàn)今給水全程控制中存在的缺陷和不足。并根據(jù)給水分段式控制的原則，分別從低負(fù)荷和高負(fù)荷兩個方面入手研究其改進(jìn)方法。(2 ) 針對低負(fù)荷階段給水對象復(fù)雜、難控的現(xiàn)狀，分析了問題的形成機理。在充分利用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制的條件下，提出了以多變量解耦控制理論為基礎(chǔ)的低負(fù)荷給水控制方案，并且對單沖量給水控制提出了改進(jìn)建議和方法。(3 )對給水控制的經(jīng)濟性進(jìn)行的分析，提出了自己思考的改進(jìn)辦法。同時針對還處于手動控制的給水調(diào)節(jié)閥切換，設(shè)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(lián)合啟動的方式，鍋爐、汽輪機按照啟動曲線要求進(jìn)行滑參數(shù)啟動。具有中間再熱的單元機組多采用定壓法進(jìn)行滑參數(shù)啟動。隨著機組容量的增大、參數(shù)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(diào)節(jié)已不適應(yīng)生產(chǎn)要求，而必須在啟、停過程中也實現(xiàn)自動控制。所謂全程控制系統(tǒng)是指機組在啟停過程和正常運行時均能實現(xiàn)自動控制的系統(tǒng)。全程控制是相對常規(guī)控制系統(tǒng)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(nèi)容。常規(guī)控制系統(tǒng)一般只適用于機組帶大負(fù)荷工況下運行，在啟停過程或低負(fù)荷工況下，一般要用手動進(jìn)行控制，而全程控制系統(tǒng)能使機組在啟動、停機、不同負(fù)荷工況下自動運行。以給水控制系統(tǒng)為例，常規(guī)串級三沖量給水系統(tǒng)只能在負(fù)荷達(dá)到額定負(fù)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(tǒng)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(fù)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(guān)系。汽包水位動態(tài)特性較為復(fù)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(shè)計出“三沖量”給水控制系統(tǒng)。了解、掌握汽包水位動態(tài)特性是保證給水自動控制系統(tǒng)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(diào)節(jié)機構(gòu)所改變的控制量，給水流量擾動是來自控制側(cè)的擾動，又稱內(nèi)擾。給水流量擾動下水位的階躍響應(yīng)曲線如圖 所示。圖 給水流量階躍擾動下水位響應(yīng)曲線當(dāng)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(xiàn)為有慣性的無自平衡能力的特點。當(dāng)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(nèi)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(yīng)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(dāng)水面下汽泡容積的變化過程逐漸平衡，水位就反應(yīng)出由于汽包中儲水量的增加而逐漸上升的趨勢，最后當(dāng)水面下汽泡容積不再變化時，由于進(jìn)、出工質(zhì)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(shù)表示：式中： ε水位響應(yīng)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(shù)有關(guān)。對于蒸發(fā)量為 410t/h，參數(shù)為 10MPa、540℃的高壓爐，τ=10s，ε= ；對于容量為 670t/h，參數(shù)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(shù)的提高，水位內(nèi)擾特性的遲延時間減少，響應(yīng)速度也略有下降，對水位H的控制是有