【正文】 300MW 機(jī)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(jī)組協(xié)調(diào)控制中的主要子系統(tǒng)之一，針對(duì)其可靠運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)機(jī)組的安全問(wèn)題，采用單沖量和三沖量控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的控制策略。本文應(yīng)用自動(dòng)控制理論對(duì)單元機(jī)組給水的要求和特點(diǎn)進(jìn)行了全面的分析，使單元機(jī)組給水全程控制從鍋爐點(diǎn)火到機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)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(jì)時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題 ，這 對(duì)單元機(jī)組給水全程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試均具有一定的參考價(jià)值。 關(guān)鍵 詞： 單沖量；三沖量；串級(jí)；切換；跟蹤 1緒論 課題的研究背景及意義 隨著電力需求的增長(zhǎng)，以及能源和環(huán)保的要求，我國(guó)的火電建設(shè)開(kāi)始向大容量、高參數(shù)的大型機(jī)組靠攏。但是，火電機(jī)組越大，其設(shè)備結(jié)構(gòu)就 越復(fù)雜，自動(dòng)化程度要求也越高。 。 汽包水位是汽包鍋爐非常重要的運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)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(jī)安全運(yùn)行的必要條件。水位過(guò)高會(huì)影響汽水分離器的正常運(yùn)行，蒸汽品質(zhì)變壞，使過(guò)熱器管壁和氣輪機(jī)葉片結(jié)垢。嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水， 造成汽輪機(jī)水沖擊而損 壞設(shè)備。水位過(guò)低則會(huì)破壞水循環(huán)，嚴(yán)重時(shí)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(duì)容積減少， 負(fù)荷變化和其他擾動(dòng)對(duì)水位的影響將相對(duì)增大。這必將加大水位控制的難 度，從而對(duì)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(shí)現(xiàn)全程給水控制火電機(jī)組還很少。因此，對(duì)全程給水控制進(jìn) 行優(yōu)化，增強(qiáng)給水系統(tǒng)的控制效果和適應(yīng)能力成為迫切需要的問(wèn)題。 國(guó)內(nèi)外全程給水研究現(xiàn)狀 目前，我國(guó)將火電建設(shè)的重點(diǎn)放在大容量、高參數(shù)、高自動(dòng)化、高效益的機(jī) 組上來(lái)，因而對(duì)電廠控制設(shè)備可靠性的要求越來(lái)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(shí)，隨著電力行業(yè)體制改革及電網(wǎng)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的需要，以及火電機(jī)組要適應(yīng)電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制 (AGC)的需求，這必然要求機(jī)組各控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，因而對(duì)火電廠熱工自動(dòng)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(guó)內(nèi)新建機(jī)組中基本都實(shí)現(xiàn)了水位全程調(diào)節(jié)，但在老機(jī)組的控制系統(tǒng)中由于存在各種客觀和主觀因素，真正實(shí)現(xiàn)鍋爐給水全程控制的機(jī)組還為數(shù)不多，大多數(shù)只實(shí)現(xiàn)了高負(fù)荷時(shí)水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的投入。這主要是因?yàn)槔蠙C(jī)組的 控制儀表較落后，而當(dāng)時(shí)技術(shù)條件又不夠成熟，用于實(shí)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(jī)組件組裝式儀表等。因而在實(shí)現(xiàn)控制策略及控制邏輯等方面受到了限制。同時(shí)，因?yàn)榫偷乜刂圃O(shè)備的可靠性不高，使得當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)火電廠熱工自動(dòng)化水平整體較落后。 在最近幾年，通過(guò)對(duì)老機(jī)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(jī)組的自動(dòng)化水平上了一個(gè)臺(tái)階。一些在常規(guī)儀表中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，由于 DCS 系 統(tǒng)的靈活組態(tài)及計(jì)算機(jī)控制技 術(shù)的優(yōu)越性已完全可以實(shí)現(xiàn)，因而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)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(jī)組在啟、停過(guò)程中，正常運(yùn)行和負(fù)荷變化時(shí)均能實(shí)現(xiàn)鍋爐給水的自動(dòng)控制。在大型火力發(fā)電機(jī)組鍋爐給水全程控制中，由于機(jī)組在高、低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)具有不同的對(duì)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(jì)性極佳的變速給水泵，除采用液力偶合器的電動(dòng)給水泵、汽動(dòng)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(guó)內(nèi)機(jī)組實(shí)現(xiàn)全程給水控制考慮的方案一般是在低負(fù)荷時(shí)，用啟動(dòng)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(shí)，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?jī)蓚€(gè)調(diào)節(jié)回路組成全程給水控制 , 當(dāng)負(fù)荷大于 30%時(shí)為三沖量 ,當(dāng)負(fù)荷小于 30%或三沖量變送器故障時(shí)為單沖量。 課題主要研究工作 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(jì)，同時(shí)對(duì)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(shí)現(xiàn)從機(jī)組的啟動(dòng)到正常運(yùn)行，又到停爐冷卻全部過(guò)程均能自動(dòng)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(duì)象的動(dòng)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(gè)方面入手研究其改進(jìn)方法 。 (2 ) 針對(duì)低負(fù)荷階段給水對(duì)象復(fù)雜、難控的現(xiàn)狀，分析了問(wèn)題的形 成機(jī)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(duì)單沖量給水控制提出了改進(jìn)建議和方法 。 (3 )對(duì)給水控制的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行的分析，提出了自己思考的改進(jìn)辦法。 同時(shí)針對(duì)還處于手動(dòng)控制的給水調(diào)節(jié)閥切換，設(shè)計(jì)了自動(dòng)無(wú)擾切換回路。 2 給水被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 全程控制的概念 目前，大型火電單元機(jī)組都采用機(jī)、爐聯(lián)合啟動(dòng)的方式，鍋爐、汽輪機(jī)按照啟動(dòng)曲線要求進(jìn)行滑參數(shù)啟動(dòng)。具有中間再熱的單元機(jī)組多采用定壓法進(jìn)行滑參數(shù)啟動(dòng)。隨著機(jī)組容量的增大、參數(shù)的提高，在啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中需要監(jiān)視和操作的項(xiàng)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(guò)程中也實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。所謂全程控制系統(tǒng)是指機(jī)組在啟停過(guò)程和正常運(yùn)行時(shí)均能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的系統(tǒng)。全程控制是相對(duì)常規(guī)控制系統(tǒng)而言的，全程控制包括啟?？刂坪驼＿\(yùn)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(jī)組帶大負(fù)荷工況下運(yùn)行，在啟停過(guò)程或低負(fù)荷工況下，一般要用手動(dòng)進(jìn)行控制，而全程控制系統(tǒng)能使機(jī)組在啟動(dòng)、停機(jī)、不同負(fù)荷工況下自動(dòng)運(yùn)行。以給水控制系統(tǒng)為例，常規(guī)串級(jí)三沖量給水系統(tǒng)只能在負(fù)荷達(dá)到額定負(fù)荷 70%時(shí)，才能投入自動(dòng)，在此以前全部為手動(dòng)操作，而全程給水系統(tǒng)從鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)開(kāi)始便可以投入自動(dòng)。 給水控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 汽包水位是由汽包中的儲(chǔ)水量和水面下的汽泡容積決定的，因此凡是引起汽包中儲(chǔ)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(duì)象的擾動(dòng)。其中主要的 擾動(dòng)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(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指上述引起水位變化的各種擾動(dòng)與汽包水位間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。汽包水位動(dòng)態(tài)特性較為復(fù)雜，一是對(duì)汽包水位擾動(dòng)有四個(gè)來(lái)源，二是“虛假水位”問(wèn)題的存在，特別是后一個(gè)問(wèn)題使得人們?cè)O(shè)計(jì)出“三沖量”給水控制系統(tǒng)。了解、掌握汽包水位動(dòng)態(tài)特性是保證給水自動(dòng)控制系統(tǒng)順利投入的基本要求。 給水流量擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性 給水流量是調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所改變的控制量，給水流量擾動(dòng)是來(lái)自控制側(cè)的擾動(dòng)，又稱內(nèi)擾。給水流量擾動(dòng)下水位的階躍響應(yīng)曲線如圖 所 示。 圖 給水流量階躍擾動(dòng)下水位響應(yīng)曲線 當(dāng)給水流量階躍增加Δ W后，水位 H的變化如圖中曲線 H所示。水位控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性表現(xiàn)為有慣性的無(wú)自平衡能力的特點(diǎn)。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(shí)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(dòng)初期水位不會(huì)立即升高。當(dāng)水面下汽泡容積的變化過(guò)程逐漸平衡，水位就反應(yīng)出由于汽包中儲(chǔ)水量的增加而逐漸上升的趨勢(shì)，最后當(dāng)水面下汽泡容積不再變 化時(shí)，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(dòng)時(shí)，水位的變化速度， 1? .? ； τ 遲延時(shí)間， s。 ε和τ的大小和鍋爐容量及參數(shù)有關(guān)。對(duì)于蒸發(fā)量為 410t/h，參數(shù)為 10MPa、 540℃的高壓爐，τ =10s，ε = 1? . 1? ；對(duì)于容量為 670t/h，參數(shù)為 14MPa、 540℃的超高壓爐，τ =5～ 10s，ε =～ 1? . 1? 。由此可見(jiàn)，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(shí)間減少，響應(yīng)速度也略有下降，對(duì)水位 H的控制是有利的。但按鍋爐容量的增大來(lái)計(jì)算響應(yīng)速度，則得到的相對(duì)響應(yīng)速度逐漸增大，說(shuō)明隨著鍋τs)1( ε )( )( ??? sSW SHw w 爐容量和參數(shù)的提高，對(duì)水位 H控制的要求也越高。 蒸汽流量擾動(dòng)下水位的 動(dòng)態(tài)特性 蒸汽流量擾動(dòng)主要來(lái)自汽輪發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷變化，屬外部擾動(dòng)。在蒸汽流量 D擾動(dòng)下水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖 所示。當(dāng)蒸汽流量突然階躍增大時(shí)，由于汽包水位對(duì)象是無(wú)自平衡能力的，這時(shí)水位應(yīng)下降，如圖 中 H1曲線所示。但當(dāng)鍋爐蒸發(fā)量突然增加時(shí)，汽包水下面的汽泡容積也迅速增大，即鍋爐的蒸發(fā)強(qiáng)度增加，從而使水位升高，因