無(wú)旁路系統(tǒng)的循環(huán)硫化床鍋爐汽包水位控制

張來(lái)平，陳國(guó)清，陳霄峰，謝國(guó)偉

（浙江省火電建設(shè)公司，杭州 310016）

汽包水位是鍋爐運(yùn)行的重要參數(shù)之一，間接反映了鍋爐負(fù)荷與給水之間的平衡關(guān)系。當(dāng)鍋爐汽包水位過(guò)高時(shí)，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作，造成出口蒸汽中水分過(guò)多，使過(guò)熱器受熱面結(jié)垢從而被燒損，同時(shí)會(huì)使過(guò)熱汽溫產(chǎn)生急劇變化，影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性；當(dāng)汽包水位過(guò)低且負(fù)荷較大時(shí)，水的汽化速度很快，導(dǎo)致汽包內(nèi)的水位下降迅速，如不及時(shí)有效控制，就會(huì)使汽包內(nèi)的水全部汽化，甚至導(dǎo)致鍋爐損壞或爆炸。因此，鍋爐汽包水位控制是維持鍋爐安全運(yùn)行的關(guān)鍵之一。

1 存在的問(wèn)題

某發(fā)電廠2×115 MW機(jī)組采用福斯特惠勒上海有限公司生產(chǎn)的無(wú)中間再熱、固態(tài)排渣、自然循環(huán)單汽包循環(huán)流化床鍋爐（CFB）及北京ABB BAILY公司SYMPHONY控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的給水系統(tǒng)采用2臺(tái)電動(dòng)定速給水泵，三路給水設(shè)計(jì)分別是100%最大連續(xù)出力工況（MCR）流量的主給水、70%MCR流量的旁路給水、30%MCR流量的副給水，其中主、副給水調(diào)節(jié)設(shè)有自動(dòng)控制，旁路給水調(diào)節(jié)為純手動(dòng)控制。

該機(jī)組未設(shè)計(jì)旁路系統(tǒng)，采用主汽管道上的向空排汽閥及安全閥泄壓的方式來(lái)維持主蒸汽的壓力。由于這兩個(gè)閥門(mén)都安裝在主蒸汽管道上，并且距離汽包比較近，因此在機(jī)組負(fù)荷有劇烈擺動(dòng)時(shí)，如發(fā)生甩負(fù)荷、快速減負(fù)荷（RB）等情況，若通過(guò)向空排汽閥及安全閥泄壓，壓力波動(dòng)比較大，容易導(dǎo)致汽包水位脫離控制而引起鍋爐主燃料跳閘（MFT）。為了能夠很好地控制汽包水位，滿(mǎn)足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的要求，尤其在特殊工況下也能控制好汽包水位從而實(shí)現(xiàn)汽包水位的全程自動(dòng)控制，對(duì)汽包水位控制進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 汽包水位特性

2.1 汽包水位的控制值

汽包水位控制的要求就是控制給水調(diào)節(jié)盡量使給水量等于蒸汽流量，從而保證汽包水位穩(wěn)定在合適且安全的位置上，即汽包水位的“0”位（見(jiàn)圖1）。水位控制一般要求穩(wěn)定工況時(shí)在±30 mm內(nèi)，特殊工況時(shí)在±50 mm內(nèi)，跳機(jī)值一般為小于-279 mm或者大于+254 mm。

圖1 鍋爐汽包汽水的走向

2.2 給水?dāng)_動(dòng)時(shí)汽包水位的動(dòng)態(tài)特性

當(dāng)給水量增加時(shí)，汽包水位一開(kāi)始并不是立即上升，而是經(jīng)過(guò)一段慣性后才會(huì)變化，如圖2所示。這是由于給水溫度低于汽包內(nèi)的飽和水溫度，給水吸收了飽和水中的一部分熱量，使水面汽泡容積減少。當(dāng)水面下汽泡容積不再變化時(shí)，水位才會(huì)逐漸上升。

圖2 給水量擾動(dòng)下汽包水位的動(dòng)態(tài)特性

其傳遞函數(shù)可表示為：

式中：T為延遲時(shí)間；ε為響應(yīng)速度，即單位給水流量改變時(shí)水位的變化速度；H（s）為水位；W（s）為給水量；s為變量。

2.3 蒸汽擾動(dòng)時(shí)汽包水位的動(dòng)態(tài)特性

在蒸汽流量階躍擾動(dòng)作用下，汽包水位的動(dòng)態(tài)特性具有帶“虛假水位”的無(wú)自平衡能力的特點(diǎn)，如圖3所示。

當(dāng)蒸汽流量突然增加時(shí)，由于汽包壓力的下降，汽包內(nèi)的水將突然加劇沸騰，使水中汽泡容積迅速增加而呈現(xiàn)出“虛假水位”現(xiàn)象。當(dāng)虛假水位消失后，水位才會(huì)按積分規(guī)律變化，呈現(xiàn)無(wú)自平衡的特點(diǎn)。

其傳遞函數(shù)可表示為：

圖3 蒸汽流量擾動(dòng)下汽包水位的動(dòng)態(tài)特性

式中：K2為曲線H2的放大倍數(shù)；T2為曲線H2的時(shí)間常數(shù)；ε為曲線H1響應(yīng)速度，即單位蒸汽流量改變時(shí)水位的變化速度；s為變量。

2.4 無(wú)旁路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

由于該機(jī)組未設(shè)計(jì)旁路控制系統(tǒng)，在發(fā)生甩負(fù)荷時(shí)蒸汽量突然減少，造成主汽壓力迅速上升，引起啟動(dòng)排汽閥（30%MCR流量）和鍋爐安全閥動(dòng)作，向空排汽，導(dǎo)致壓力突降，引起急劇的水位波動(dòng)。而主蒸汽流量的測(cè)點(diǎn)安裝在汽機(jī)主蒸汽管道上，此時(shí)控制系統(tǒng)內(nèi)測(cè)得的蒸汽流量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際蒸汽流量，偏差比較大，導(dǎo)致控制出現(xiàn)偏差，使虛假水位現(xiàn)象更加嚴(yán)重，由于壓力過(guò)低導(dǎo)致水位迅速升高，逼近跳機(jī)值。圖4為汽機(jī)水位控制優(yōu)化前機(jī)組發(fā)生50%甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)汽包水位的變化情況。

圖4 優(yōu)化前甩50%負(fù)荷時(shí)汽包水位變化

綜上所述，CFB汽包水位動(dòng)態(tài)特性具有以下3個(gè)特點(diǎn)：

（1）具有延時(shí)性，即慣性。給水量改變后水位不會(huì)立即改變，延時(shí)時(shí)間與省煤器的形式和給水溫度有關(guān)，給水溫度越低，慣性越大。由于CFB鍋爐燃料的顆粒較大，還具有較大的熱慣性。

（2）具有“虛假水位”現(xiàn)象：負(fù)荷突然增加時(shí)，蒸發(fā)量小于給水量，水位非但沒(méi)有下降，反而迅速上升；負(fù)荷突然減少時(shí)，蒸發(fā)量小于給水量，水位不是立即上升，而是先下降然后再迅速上升。在鍋爐發(fā)生甩負(fù)荷時(shí)，虛假水位現(xiàn)象特別嚴(yán)重。如果不加以控制很可能會(huì)引起汽包水位的保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致鍋爐MFT。

（3）無(wú)自平衡能力。在單位階躍擾動(dòng)下，水位的最大變化速度ε與鍋爐的結(jié)構(gòu)和容量有關(guān)，機(jī)組容量越大，ε越大，水位越難以控制。

3 汽包水位控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)CFB的特點(diǎn)，對(duì)給水控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其控制原理如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后控制原理

3.1 增加啟動(dòng)給水調(diào)節(jié)閥與主給水調(diào)節(jié)閥之間的自動(dòng)切換

為了能夠全程進(jìn)行自動(dòng)控制，增加了采用主蒸汽流量來(lái)控制啟動(dòng)給水控制調(diào)節(jié)閥（30%MCR流量）與主給水控制調(diào)節(jié)閥（100%MCR流量）之間的自動(dòng)切換功能。當(dāng)主蒸汽流量大于15%MCR流量時(shí)，流量控制自動(dòng)從啟動(dòng)給水控制調(diào)節(jié)閥切換到主給水控制調(diào)節(jié)閥，同時(shí)水位控制也由單沖量控制切換到三沖量控制。當(dāng)主蒸汽流量小于15%MCR流量時(shí)，自動(dòng)切回單沖量控制。三沖量控制系統(tǒng)與單沖量控制系統(tǒng)之間指令互相跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)了相互之間的無(wú)擾切換。同時(shí)也設(shè)置了手動(dòng)切換按鈕，運(yùn)行人員可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)改變控制方式。

3.2 優(yōu)化PID控制參數(shù)

由于控制參數(shù)的多變性和擾動(dòng)的增大，原來(lái)單一參數(shù)的PID（比例-微分-積分）控制已滿(mǎn)足不了要求。為了能夠滿(mǎn)足全程自動(dòng)控制的要求，采用了變參數(shù)PID控制來(lái)實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)控制目標(biāo)。對(duì)單沖量控制系統(tǒng)及串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)的主控制PID參數(shù)，采用了設(shè)定值與測(cè)量值偏差的變參數(shù)PID控制，串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)的副控制器采用了給水流量及主蒸汽流量修正后的變參數(shù)PID控制。同時(shí)為了加快響應(yīng)速度，對(duì)串級(jí)三沖量的主控PID及單沖量的PID控制器采用了蒸汽流量函數(shù)f（x）模糊控制的前饋補(bǔ)償。

3.3 增加了汽包危急疏水閥的自動(dòng)控制

由于該機(jī)組采用的是定速電動(dòng)給水泵，經(jīng)過(guò)變參數(shù)優(yōu)化后的水位控制能滿(mǎn)足全程啟停的自動(dòng)控制要求。為了能夠在機(jī)組甩負(fù)荷的情況下也能自動(dòng)控制水位，并且保證汽包水位在正常范圍之內(nèi)，增加了汽包危急疏水閥的自動(dòng)控制。當(dāng)發(fā)生甩負(fù)荷時(shí)，利用汽包的熱慣性及水位的動(dòng)態(tài)特性，自動(dòng)開(kāi)啟汽包危急疏水閥，從底部排放一部分水。此時(shí)由于是從汽包底部放水，對(duì)水的汽化效果影響不大，從而能夠迅速地降低汽包水位。等汽包內(nèi)壓力及水汽化作用穩(wěn)定后，即水位降低到一定值后關(guān)閉危急疏水閥，通過(guò)正常的給水來(lái)控制汽包水位，使汽包水位能控制在正常范圍之內(nèi)。

3.4 優(yōu)化后的甩負(fù)荷試驗(yàn)

汽包水位控制優(yōu)化后，在50%甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，汽包水位控制在-200 mm到100 mm之間，并且沒(méi)有出現(xiàn)大的水位波動(dòng)，運(yùn)行人員不需對(duì)鍋爐汽包水位控制進(jìn)行任何的人工干預(yù)，自動(dòng)控制良好，達(dá)到了預(yù)期的效果。水位控制情況如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)CFB鍋爐的汽包水位特性，利用串級(jí)三沖量控制及變參數(shù)PID控制技術(shù)，采用汽包危急疏水閥自動(dòng)控制對(duì)汽包水位進(jìn)行補(bǔ)充控制，成功實(shí)現(xiàn)了鍋爐汽包水位的全程自動(dòng)控制，保證了機(jī)組在穩(wěn)定運(yùn)行及甩負(fù)荷等危急工況下也能實(shí)現(xiàn)汽包水位的自動(dòng)控制，解決了無(wú)旁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)循環(huán)硫化床鍋爐汽包水位控制的難題。

圖6 優(yōu)化后的50%甩負(fù)荷時(shí)汽包水位變化

[1]朱北恒.火電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)試驗(yàn)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[2]侯子良，劉云川，侯云巖，等.鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.