【正文】 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)時應(yīng)注意的幾個關(guān)鍵問題，這對單元機(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值。但是，火電機(jī)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。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。嚴(yán)重時，會導(dǎo)致蒸汽帶水，造成汽輪機(jī)水沖擊而損壞設(shè)備。因此，汽包水位控制一直受到很高的重視。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。因此，對全程給水控制進(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題。同時，隨著電力行業(yè)體制改革及電網(wǎng)商業(yè)化運(yùn)營、競價上網(wǎng)的需要，以及火電機(jī)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(jī)組各控制系統(tǒng)實(shí)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。這主要是因?yàn)槔蠙C(jī)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(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。同時，因?yàn)榫偷乜刂圃O(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。一些在常規(guī)儀表中無法實(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)對機(jī)組各控制系統(tǒng)的全程調(diào)節(jié)已完全成為可能。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。國內(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，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。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(shí)現(xiàn)從機(jī)組的啟動到正常運(yùn)行，又到停爐冷卻全部過程均能自動控制。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。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。同時針對還處于手動控制的給水調(diào)節(jié)閥切換，設(shè)計(jì)了自動無擾切換回路。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。所謂全程控制系統(tǒng)是指機(jī)組在啟停過程和正常運(yùn)行時均能實(shí)現(xiàn)自動控制的系統(tǒng)。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(jī)組在啟動、停機(jī)、不同負(fù)荷工況下自動運(yùn)行。 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。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。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階躍響應(yīng)曲線如圖 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(diǎn)。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。ε和τ的大小和鍋爐容量及參數(shù)有關(guān)。由此可見，隨著鍋爐容量的增大1?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 的控制是有利的。 蒸汽流量擾動下水位的動態(tài)特性 蒸汽流量擾動主要來自汽輪發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷變化，屬外部擾動。當(dāng)蒸汽流量突然階躍增大時，由于汽包水位對象是無自平衡能力的，這時水位應(yīng)下降，如圖 中H1曲線所示。實(shí)際的水位變化曲線H 則為H1 和H2的合成。這是因?yàn)樵谪?fù)荷變化的初期階段，水面下汽泡的體積變化很快，它對水位的變化起主要影響作用的緣故，因此水位隨汽泡體積增大而上升。蒸汽流量擾動下的水位響應(yīng)特性可用下述近似傳遞函數(shù)表示：式中：T H2曲線的時間常數(shù)；K H2曲線的放大系數(shù)；εH1曲線的響應(yīng)速度。sTSDHWε 1)(2???圖 蒸汽流量階躍擾動下水位響應(yīng)曲線 爐膛熱負(fù)荷擾動下水位的動態(tài)特性當(dāng)燃料量擾動時，例如燃料量增加使?fàn)t膛熱負(fù)荷增強(qiáng)，從而使鍋爐蒸發(fā)強(qiáng)度增大。隨著爐膛熱負(fù)荷的增大，鍋爐出口壓力提高，蒸汽流量也相應(yīng)增加，這樣蒸汽流量大于給水流量，水位應(yīng)該下降。燃料量擾動下的水位階躍響應(yīng)曲線如圖 所示，由圖可以看出，這種擾動下的“虛假水位”現(xiàn)象不太嚴(yán)重，這是因?yàn)檎羝髁吭黾拥耐瑫r汽壓也增大了，因而使汽泡體積的增加比蒸汽流量擾動時要小，從而使水位上升幅度較小。圖 燃燒量擾動下的水位特性對汽包水位的第四種擾動是汽包壓力的變化，汽包壓力對汽包水位的影響是通過汽包內(nèi)部汽水系統(tǒng)在壓力升高時“自凝結(jié)過程” 和壓力降低時的“自蒸發(fā)”過程起作用的。蒸汽流量D 、燃料量B 和汽包壓力Pb擾動作為外部擾動，會造成水位波動。所以在給水控制系統(tǒng)里常常引入 D、B 信號作為前饋信號，以改善外部擾動時的控制品質(zhì)，而這也是目前大型鍋爐給水控制系統(tǒng)采用三沖量或多沖量的根本原因。為了實(shí)現(xiàn)全程自動控制，要求這些測量信號能夠自動地進(jìn)行壓力、溫度校正。按參數(shù)變化范圍和要求的校正精度不同，可建立不同的數(shù)學(xué)模型，因而可設(shè)計(jì)出不同的自動校正方案。通?？梢圆捎靡韵聝煞N壓力校正的方法。就是在水位差壓變送器后引入校正回路，圖 表示單容平衡容器的測量系統(tǒng)。密度 與環(huán)境溫度有關(guān)，一般可a?取 50℃時水的密度。而飽和水和飽和汽的密度a? a?和 均為為汽包壓力 Pb 的函數(shù)，即Gs )(basaPf??G?所以式（31 ）可以改寫為 （3)(baPfHh??2） 按照式（32 ） ，可以設(shè)計(jì)出水位壓力自動校正線路，如圖 所示。件 f 1（ x） 、f 2（x）分別模擬式（32）中的 f a（P b）和 f b（P b） 。從圖 中曲線可以看出， － 與 P b 的關(guān)系在較大范圍內(nèi)可近似地認(rèn)為是線性關(guān)a?s系即 bsaPk39。1)(??)(39。H?bsa21)(則式（3l）可改寫為 (33))(21bPfkh???按式（33 ）可設(shè)計(jì)出較為簡便的水位自動校正線路，如圖 所示。圖 水位壓力自動校正線路之一 圖 密度與汽包壓力的關(guān)系曲線圖 水位壓力自動校正線路之二 圖 采用雙室平衡容器的水位測量系統(tǒng) 和壓力自動校正回路這種測量裝置中，水位表達(dá)式為 (34)sGPh????H 為正壓取壓管管口水位到負(fù)壓管水平的中心線之間的距離，式（ 34）中沒有式（31）中的 a－s 項(xiàng)，故 a 隨溫度變化的影響消除了。這種噴嘴基本上是按定壓運(yùn)行額定工況參數(shù)設(shè)計(jì)，在該參數(shù)下運(yùn)行時，測量精度是較高的。當(dāng)被測過熱蒸汽的壓力和溫度偏離設(shè)計(jì)值時，蒸汽的密度變化很大，這就會給流量測量造成誤差，所以要進(jìn)行壓力和溫度的校正。按（3－5）式可設(shè)計(jì)出過熱蒸汽流量信號的壓力，溫度自動校正線路如圖 所示。實(shí)驗(yàn)證明，這種方法是準(zhǔn)確和行之有效的，線路結(jié)構(gòu)如圖 所示。若給水壓力為 不變，給水溫度在 100～290℃范圍內(nèi)變化時，給水流量的測量誤差為 13%。若給水溫度變化不大，則不必對給水流量測量信號進(jìn)行校正?，F(xiàn)代大型單元機(jī)組都采用變速泵來控制給水流量。大于 300MW 的單元機(jī)組多采用汽動變速泵做主給水泵，再設(shè)置多臺電動變速泵做啟動給水泵并作為系統(tǒng)的備用泵使用。 圖 給水泵安全工作特性示意圖變速給水泵的安全工作區(qū)可在泵的安全工作特性示意圖中看到，如圖 所示。若泵的工作點(diǎn)在上限特性之外，則給水流量太小，將使泵的冷卻水量不夠而引起泵的汽蝕，甚至震動；若泵工作在下限特性之外，則泵的流量太大，將使泵的工作效率變 圖 用 P1 代替蒸汽流量測量校正線路 圖 給水流量信號溫度校正線路低。因此，采用變速泵的給水全程控制系統(tǒng)，在控制給水流量過程中，必須保證泵的工作點(diǎn)落在安全區(qū)域內(nèi)。為防止出現(xiàn)這種情況，最有效的措施是增加低負(fù)荷時給水泵的流量。隨著機(jī)組負(fù)荷的逐漸增大，給水流量也會逐漸增大，當(dāng)流量高于某一值時，再循環(huán)門將自動關(guān)閉。當(dāng)鍋爐負(fù)荷升到某一程度，即給水流量較大時，如果安全工作區(qū)較窄，則工作點(diǎn)可能會移到下限特性曲線之外，因此，需要采取措施加以防止。如圖 所示。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增大，給水流量要求為 W2 時，如果水泵仍在 a1 轉(zhuǎn)速運(yùn)行下去，通過開大給水閥門來增大給水流量，則工作點(diǎn)將沿 n1 曲線由 a1 點(diǎn)移到 c 點(diǎn)，落到水泵安全工作區(qū)外，這是不允許的。 另外，給水泵有最低轉(zhuǎn)速 nmin 的要求，這樣在水泵已接近 nmin 時就不能以繼續(xù)降低轉(zhuǎn)速的方式來調(diào)節(jié)給水量，這就需要改變上水道阻力（即設(shè)置給水調(diào)解閥）的方式，使泵工作在安全區(qū)內(nèi)。 總之，采用變速泵構(gòu)成全程給水自動控制系統(tǒng)時，應(yīng)包括以下三個子系統(tǒng)：（1） 給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。（2） 給水泵最小流量控制系統(tǒng)。（3） 給水泵出口壓力控制系統(tǒng)。 給水流量的測量裝置的切換問題在全程控制中給水流量測量信號的準(zhǔn)確性與壓力、溫度的校正精度有關(guān)，但主要取決于高、低負(fù)荷時流量測量的精度。圖