考慮汽包壓力信號的三沖量給水控制策略改進

嚴 方，曹艷華，鄧艷霞

YAN Fang, CAO Yan-hua, DENG Yan-xia

（廣西電力職業技術學院，南寧 530004）

0 引言

汽包水位是鍋爐運行的重要監控參數，反映了鍋爐蒸汽與給水量的平衡關系；機組安全運行不允許汽包水位過高或過低。汽包水位過高會影響汽水分離效果，使蒸汽帶水；汽包水位過低，會影響汽水循環，甚至干鍋。維持汽包水位是鍋爐、汽輪機安全運行所必須的。汽包水位控制系統的任務就是維持鍋爐汽包水位設定值，實現全程水位自動控制。

鍋爐給水控制系統傳統的控制算法為三沖量給水控制算法，當然也有一些比較先進的算法在研究并實踐之中[1,2,3]。某電廠機組投運后，鍋爐汽包水位波動較大，給水自動多次退出。通過歷史曲線分析以及實驗表明，運行中異常水位干擾主因來自于該煤礦煤揮發份較高，受熱面結焦掉渣嚴重，燃燒易受干擾，當然同時也伴隨有給水流量、蒸汽流量的干擾。針對以上問題我們采用增加汽包壓力微分信號、調整PID參數、采取水位壓力補償信號等多種改進措施，克服了由于省煤器純延遲環節大而導致的異常水位干擾。

1 汽包壓力對測量的影響以及修正方法

汽包爐通常會采用玻璃管水位計，也就是我們通常講的平衡容器。如果忽略平衡容器室飽和壓力誤差因素，考慮到汽包飽和壓力對水位測量誤差的影響，可以采用文獻[4]方式對汽包水位測量值進行修正。

顯然 ，也就是 ，以汽包設計飽和壓力下的比重近似處理前半部分參數。則式(1)可以簡化為：

2 汽包水位的影響因素與汽包壓力的相對關系

相對于汽包壓力對水位測量的影響而言，汽包壓力對實際水位的影響更大。影響水位的因素主要有鍋爐蒸發量.給水量、給水溫度、爐膛燃燒，同樣我們從這四個方面對汽包壓力進行分析。

式(3)表明汽包水位變化的影響因素。 表示當前時刻值， 為前一時刻計算值， 為計算周期， 為給水量， 為蒸汽流量， 為汽包內爐水總量。 為汽包(外延至省煤器)飽和水的平均密度， 為汽包的近似截面積。

2.1 給水擾動時汽包壓力、水位分析

從物質平衡的觀點來看，加大了給水量W，水位H應立即上升，但實際上并不是這樣，而是經過一段遲延，甚至先下降后再上升。這是因為給水溫度遠低于省煤器的溫度，即給水有一定的過冷度，水進入省煤器后，使一部分汽變成了水，特別是沸騰式省煤器，給水減輕了省煤器內的沸騰度，省煤器內的汽泡總容積減少，也就是汽包的整體平均密度 增加，此時汽包的飽和溫度以及飽和壓力均有所下降。

2.2 鍋爐蒸發量擾動時汽包壓力、水位分析

當蒸發量增加的時候，鍋爐給水W與蒸發量D失去平衡，此時鍋爐水位不會立即下降，反而會有上升的趨勢。這是因為蒸發量增加后，在燃燒未發生根本性變化前，單位工質吸收熱量增加，此時汽包的沸騰現象會加劇，同時汽包壓力隨之下降，也就是飽和溫度和飽和壓力相應會下降，相對而言爐水的平均密度 有下降趨勢，根據式(3)可知，汽包水位不會立即下降，有可能有上升的趨勢。蒸發量減少趨勢與之相反。

鍋爐蒸發量擾動最為典型的是當鍋爐安全門動作或負荷突增。當鍋爐安全門動作時，汽包壓力將迅速下降，一方面汽水比容增大，另一方面使飽和溫度降低，促使生成更多的蒸汽。汽水混合物體積膨脹，形成虛假高水位，但是由于負荷增大，爐水消耗增加，爐水中的湯泡逐漸逸出水面后，水位開始迅速下降，即先高后低。當安全門回座或負荷突降時，水位變化與過程相反。

2.3 燃燒擾動時汽包壓力、水位分析

當燃燒增加時，蒸發量增加，給水尚未變化，按理鍋爐水位有下降趨勢。譬如掉鍋爐大焦，這種情況相當于燃燒加強的結果，水冷壁吸熱量增加，爐水體積膨脹，汽泡增多，此時蒸發量雖然有所增加，但總體而言水位有暫時上升現象。同時汽包飽和壓力也要升高，飽和溫度相應升高，爐水中汽泡數量又將減少，水位又會下降；隨后蒸發量增加，但給水未增加時，水位又進一步下降，即水位先高后低。從實際生產中觀察，水位上升不明顯，但下降較快，事故發生10s后，雖然給水以1t.S-1的速度增加，水位仍以1.9mm.s-1的速度下降。

燃燒減弱，趨勢與之相反。燃燒減弱的典型事故案例是風機RB。以引風機RB為例，水冷壁吸熱量減少，汽泡減少，爐水體積縮小，使水位暫時下降。從實際事故中觀察，跳1臺引風機后的10s內，給水自動以2.3t.s-1的速度增加，其水位下降速率仍然高達6.5mm.s-1。在此同時鍋爐汽壓也要下降，飽和溫度相應降低，爐水中汽泡數量又將增加，并且由于燃燒減弱，蒸發量會迅速減弱，在給水量的純延遲環節下，水位又會迅速上升。

2.4 給水溫度擾動時汽包壓力、水位分析

給水溫度擾動以高加事故解列最為復雜，也最為典型。高加事故解列就是汽輪機的一二三段抽汽量突然快速為零、鍋爐給水溫度下降、鍋爐給水W＞蒸發量D的過程。在事故之初，對于鍋爐來說，發生了2個工況的變化，一個是蒸汽流量減少使得汽包飽和壓力的升高趨勢，另一個是給水溫度降低引起的爐水溫度降低。隨著事故的發展，爐水溫度降低占據主導因素，汽包水位變化將瞬時先高后低再加劇升高。

3 控制系統的改造方法

從以上分析結果以及來看，汽包飽和壓力的變化與汽水沸騰是相互影響的。為了將式(3)的水位實際變化趨勢考慮進控制回路，我們對原有控制系統做如下改造。

圖1 給水三沖量控制策略改進

如圖1所示，我們對原有給水三沖量控制系統作如下改造：

1）內環加入微分信號，用于補償省煤器的延遲。

2）水位信號如（2）式進行飽和壓力修正，飽和壓力值取汽包壓力值。

3）依據負荷值對給水流量與蒸發量關系進行修正，取代原來固有的0.9系數。

4）內環PID參數根據電泵、汽泵運行狀態分段賦值。

5）利用汽包飽和壓力微分信號對實際水位需求實施內環前饋修正。

對原有控制系統進行改造后，依據實際情況我們對原有系統PID參數進行修正。在串級控制系統中引入蒸汽流量信號作為前饋信號能較好地補償虛假水位的影響，改善負荷擾動下的汽包水位控制品質，但對于燃燒擾動以及其他綜合擾動情形下的虛假水位現象就比較困難了，因此在副調回路中加入飽和壓力水位修正前饋信號，能更全面補償虛假水位現象。

4 控制系統的改造效果

圖2 改造前綜合擾動曲線

圖3 改造后綜合擾動曲線

改造前擾動實施前提：負荷250MW，主汽壓力14.9MPa。擾動實施過程：給煤量增加6%，60S后負荷由250MW以5MW/min速率增加至270MW。

改造后擾動實施前提：負荷250MW，主汽壓力15.6MPa。擾動實施過程：給煤量增加6%，60S后負荷由250MW以5MW/min速率增加至270MW。

圖2、圖3均為爐膛燃燒擾動后的現場實測曲線，顯然控制系統改造后燃燒擾動曲線明顯要優于改造前。

5 結論

鍋爐給水全程自動是鍋爐全程自動中比較難實現的環節，由于目前常規的給水三沖量控制均采用了蒸發量作為前饋控制，控制裝置一般都具有很好的抗蒸發量擾動能力，但對于燃燒擾動很多廠的給水控制系統，尤其是省煤器比較大以及燃燒揮發份較高的煤的鍋爐系統的抗擾動能力還是較為欠缺的[5]。因此鍋爐給水全程自動的一個關鍵能力就是抗燃燒擾動。本文提出以汽包的壓力變化換算出汽包水位的實際變化，作為給水三沖量控制的內擾前饋，實踐證明該方案具有良好的抗燃燒擾動能力。

[1]Takashi Iijima,Yoshiaki Nakajima,Yasushi Nishiwaki Application of fuzzy logic conlro]system for reactor feed—water control[J].Fuzzy Sets and Systems：1995(74)：61-72.

[2]馬瑞.鍋爐汽包水位的自適應逆控制[J].科學技術與工程,2006,1060-1063.

[3]陳鐵軍,翟允,劉金鋒.一種基于QFT的鍋爐水位魯棒控制及分析[J].微計算機信息,2008,24：12-1.

[4]華志剛,潘笑,鄔菲.300MW機組鍋爐給水自動控制系統分析與改進[J].電力系統自動化.2002,26,(4)：25.

[5]何毅,曾慶忠,電廠鍋爐汽包水位波動大的原因分析及處理[J].廣西電力,2008,3.