燃煤機組全程給水自動控制方案的設計

引言

隨著DCS控制系統技術的不斷成熟，火電廠逐步向智能化方向發展，自動控制的需求越來越突出?；谧詣踊纳a特性，在火電廠生產過程中應用自動化技術，可以很大程度上提高火電廠發電效率，節省人力資源，在此基礎上，還可以有效縮短電力生產周期，提升火電廠的生產經營效益[1]。

汽包水位作為汽包鍋爐機組運行監測的重要參數，只有維持在設定允許的范圍之內，才能保證機組的正常安全運行。汽包水位過高，會影響汽包內汽水分離器的正常運行，使得汽水分離的效果下降，蒸汽中水分過多，含鹽量增加，品質變差，致使管子容易過熱發生爆炸，嚴重時還會導致蒸汽大量帶水，過熱汽溫急劇下降，汽輪機、蒸汽管道金屬溫度劇變，發生嚴重的熱應力和熱變形，甚至發生水沖擊，導致設備損壞；汽包水位過低，將致使下降管進口帶汽、循環流動壓頭降低，嚴重時會引起水循壞的破壞，使水冷壁管超溫過熱，嚴重缺水時，還可能造成汽包干鍋和水冷壁燒損等嚴重事故[2]。

在鍋爐機組啟動過程中，給水系統處于低負荷運行，此時給水控制系統調節特性差，通常需由運行人員手動調節完成給水泵主、旁路調節閥切換與泵的并列投用，這種模式嚴重依賴運行人員的技術和操作經驗，使得切換和并列過程存在極大的不穩定性，給機組的安全生產運行帶來巨大考驗。針對這種現象，結合自動控制理論，設計了全程給水自動控制系統邏輯，實現了鍋爐機組啟動過程中給水泵的自動并列控制，極大改善了機組安全運行的可靠性。

1、給水系統工藝流程

當前，隨著發電機組裝機容量不斷增大，系統越來越復雜，技術應用呈現多樣化。給水系統的配置主要包括以下幾種形式：（1）2臺50%的汽動給水泵作為運行泵，1臺50%的電動給水泵作為啟動、備用泵；（2）2臺50%的汽動給水泵作為運行泵，1臺30%的電動給水泵作為啟動泵；（3）3臺50%的電動給水泵，其中2臺泵作為運行泵，1臺泵作為備用泵[3]。

本文研究的燃煤火力發電機組，其給水系統采用典型的配置模式，即配置3臺50%鍋爐額定容量的電動給水泵，2臺作為運行泵，1臺作為備用泵。給水系統工藝流程如圖1所示。

2、全程給水自動控制方案

2.1 主、旁路與單、三沖量的控制切換

給水系統從機組低負荷升到高負荷的過程中，經歷了主、旁路調節閥控制切換以及單、三沖量的控制切換，控制方式的切換是由給水系統被控對象特性決定的。在低負荷時，一般蒸汽參數低，機組負荷變化小，不易出現虛假水位現象，同時汽包水位的控制要求也不高，因此一般采用給水旁路調節閥調節汽包水位，給水泵維持給水差壓及單沖量給水的控制方式[4]。當機組負荷升高后，給水旁路調節回路的調節容量不夠，需要切換到主給水調節回路，同時由于水位動態特性變得復雜，汽包虛假水位現象變嚴重，為保證調節質量，給水系統從單沖量調節過渡到串級三沖量調節。

為實現電動給水泵在鍋爐機組啟動過程中的自動并列，設計了如圖2、圖3所示的控制系統主、旁路切換邏輯，包括主、旁路閥門切換與給水單、三沖量切換。

在主、旁路調節閥切換過程中，聯鎖切投需滿足的條件包括：（1）接收系統自動主、旁切換按鈕信號；（2）旁路調節及電動給水泵調節運行正常無故障；（3）接收系統當前處于旁路調節方式的信號。在比較器中引入主蒸汽流量信號，設定值選擇為鍋爐機組25%額定容量。當主蒸汽流量大于25%額定容量，同時任一臺電動給水泵處于運行狀態時，觸發主、旁路閥門切換動作，打開給水主回路電動門，關小旁路給水調節門。在自動切換過程中，維持汽包水位是首要目標，通過速率限制器調節旁路調門的開度減小指令，引入旁路調門閥位反饋與汽包水位反饋兩路信號調節速率限制器設定值。為克服旁路調門關閉過程中頻繁動作的問題，引入給水流量信號作為反饋補償，提高旁路調門的穩定性。

隨著鍋爐機組負荷的不斷升高，為了保證給水系統的安全可靠性，給水控制系統將由單沖量調節方式切換為串級三沖量調節方式。

單、三沖量切換過程中，聯鎖切投需滿足的條件包括：（1）電動給水泵調節無故障；（2）接收旁路調門全關信號；（3）接收主回路調門全開信號。設置兩個流量比較器，其中小流量比較器激活上限為40%額定容量，即主蒸汽流量大于40%額定容量時，該比較器失效。因此，當主蒸汽流量大于25%額定容量且小于40%額定容量時，選擇單沖量控制方式，通過電動給水泵液耦調節控制汽包水位，在調節過程中引入汽包水位反饋信號至手操器，及時調整輸出指令。當蒸汽流量大于40%額定容量時，滿足聯鎖保護條件后選擇三沖量給水控制方式。在電動泵液耦調節過程中，除引入汽包水位反饋信號外，還引入了蒸汽流量與給水流量信號，形成三沖量給水控制方式，使給水控制系統更加安全、穩定、可靠。

2.2 給水泵自動并列策略

隨著鍋爐機組負荷的不斷升高，單臺給水泵供水已不滿足需求，此時需要自動無擾啟動第二臺電動給水泵，實現雙泵并列運行。在并列啟動過程中，隨著待并列電動給水泵指令出力的不斷增加，運行電動給水泵指令出力逐漸減少，在給水流量平衡控制回路的作用下，最后實現兩臺電動給水泵出力相同[5]。實現兩臺電動給水泵并列運行，需要分析單臺泵及兩臺泵運行的特性，設計出滿足控制要求的邏輯。

圖4中曲線Ⅰ、Ⅱ為給水泵的性能曲線，Ⅲ為管路性能曲線，根據泵并列運行的特點，每臺泵具有相同的揚程，流量為兩臺泵流量之和，由此可得兩臺性能相同給水泵并列運行的性能曲線Ⅳ。曲線Ⅳ與Ⅲ相交于點A，A即泵并列運行工況點。過A點作水平線交泵的性能曲線于B點，B即兩臺泵在并列運行時各自的工作點。C點為每臺泵單獨工作時的運行工況點。顯然，QA=2QB，QB＜QC，HA=HB。從中可以推出QA＜2QC，即實際給水泵并列工況點確定的給水流量不等于單臺給水泵額定流量的簡單增減，因此，若以單臺給水泵額定流量為給水泵聯合運行切換策略條件，很有可能出現增加給水泵臺數導致出力不足，減少給水泵臺數導致出力過大的問題[6]。因此，須根據給水泵參數及不同運行方式下的實際工況點參數確定給水泵聯合運行的切換策略，切換邏輯判斷條件為系統給水流量范圍。

根據圖4分析相同性能給水泵聯合運行時兩臺泵運行工況點的遷移規律，假設1號給水泵正常穩定運行，此時給水泵的工況點為C，2號給水泵為待啟動狀態，此時給水泵的工況點為D。打開2號給水泵出口閥，該出口閥前后因兩臺給水泵壓頭不同而存在壓差，為此，增大2號給水泵流量，該泵工況點由D遷移至1，2，…，減小1號給水泵流量，該泵工況點由C遷移至1′，2′，…。當2號給水泵出口閥全開，壓差消失，兩臺給水泵壓頭相等，此時它們的工況點都遷移到B。

由特性曲線圖中工況點的遷移規律可知，當給水泵性能曲線較陡時，運行泵流量的減少量小于啟動泵流量的增加量，而當給水泵性能曲線較平坦時，運行泵流量的減少量大于啟動泵流量的增加量，考慮到并泵過程中要較短時間內實現啟動泵出口壓力達到母管壓力，以及平衡兩泵給水流量，實現共同參與調節汽包水位，需要依據給水系統特性設置出口閥調節速率以及運行泵與啟動泵的流量調節速率。

3、結論

（1）為實現鍋爐機組啟動過程中給水泵的自動調節運行，設計全程給水自動控制策略。在給水系統的主、旁路閥門控制切換與單、三沖量控制切換控制策略設計中，充分考慮聯鎖保護條件與運行條件，引入相關控制反饋信號對手操器以及速率限制器進行修正。對于兩臺給水泵自動并列控制策略，依據給水泵性能曲線與管路性能曲線特點進行設計。

（2）鍋爐給水全程自動控制系統的投運，使得機組具備快速平穩的主、旁路閥門切換，單、三沖量切換以及給水泵自動并列的功能，從而解決了啟機過程中給水流量波動大的問題。此外，全程給水自動控制系統的應用，提高了鍋爐機組整體的自動化水平，降低了運行人員的工作強度，擺脫了啟機過程中給水泵調節對運行人員的依賴，使機組運行更加安全穩定可靠。

審核編輯：郭婷