330 MW機組給水自動控制系統的優化與應用

姜烈偉

(廣東粵電集團有限公司韶關發電廠，廣東韶關512132)

330 MW機組給水自動控制系統的優化與應用

姜烈偉

(廣東粵電集團有限公司韶關發電廠，廣東韶關512132)

以某電廠330 MW機組的給水系統為研究對象，針對給水自動不能投入以及汽包虛假水位導致MFT誤動的現象，通過檢查外部測量系統以及DCS系統邏輯，找出了導致給水控制系統不能投入自動的原因：壓力補償經驗曲線和PID調節參數設置不合理、水位測量零位定義有偏差。根據以上原因分析，修正汽包水位壓力補償經驗曲線，重新校對就地汽包水位計中心，并優化PID參數。方案實施完成后，通過實際運行，給水控制系統能夠滿足不同負荷的要求，使給水自動投入率得到大幅提高，顯著提升了機組的自動化水平，同時避免了由于汽包虛假水位信號而引起的機組跳閘，保證了機組安全運行。

給水控制；虛假水位；壓力補償；安全性評價；PID；汽包

0 引言

汽包水位是鍋爐運行中的重要監控參數，它反映鍋爐蒸汽負荷與給水量之間的平衡關系，給水控制系統的正常運行是保證鍋爐和汽輪機安全運行的重要條件。給水控制系統是一個能在各種不同的工況下，均能實現給水自動控制的系統，而且從一種控制狀態到另一種控制狀態的判斷、轉換及故障檢測也由系統本身完成[1]。因此，鍋爐給水控制系統的結構越來越復雜，對其可靠性要求也越來越高。隨著鍋爐容量增大和參數提高，汽包容積相對縮小，而鍋爐蒸發受熱面的熱負荷顯著提高，加快了負荷變化時水位變化的速度，因而對給水控制提出了更高的要求。

本文以某電廠330 MW機組的給水系統為對象，通過對給水自動的問題分析，在優化汽包水位壓力補償經驗曲線的基礎上，校對就地汽包水位計中心，并重新設置了PID(Proportion Integration Differentiation)參數，于2014年8月，完成了給水自動系統的相關修改方案，運行至今，給水自動能夠滿足不同負荷的要求，消除了虛假水位現象，為機組的穩定運行提供了有力的保障。

1 系統簡介

某發電廠330 MW燃煤機組所配鍋爐為東方鍋爐廠根據引進的美國福斯特·惠勒(FOSTER WHEELER)公司技術，制造的DG1025/18.2-II10型燃煤爐，該爐為亞臨界參數、單汽包自然循環、雙拱爐膛、一次中間再熱、尾部雙煙道、露天布置、全鋼結構、全懸吊結構、固態排渣方式鍋爐。汽輪機采用由東方汽輪機有限公司制造的N330-16.67/537/537-4型亞臨界、中間再熱、高中壓合缸、雙缸雙排汽單軸布置凝汽式汽輪機；配備3臺給水泵為上海電機廠生產的型號DG600——240、級數6、揚程2 381 m、軸功率4 354 kW、轉速5 410 r/min的6 000 V電動泵。

該機組給水控制系統為三沖量給水自動調節，調節器接受的三個信號為：汽包水位、主汽流量、給水流量，給水控制系統通過調整給水泵轉速，控制鍋爐給水流量，維持汽包水位。給水主調以蒸汽流量為前饋變量，汽包水位實際值與設定值偏差進行PID調節[2]；給水主調輸出作為副調設定值，與副調反饋流量偏差進行PID閉環調節，輸出給水控制指令。

2 現狀調查

通過查閱2014年4～6月份間的DCS(Distributed Control System，分散控制系統)歷史數據和《運行操作記錄》等有關資料，得知機組負荷率只有在30%～85%區間，給水自動才能正常投入，而機組負荷DCS歷史數據顯示，4～6月間機組除了機組啟停及調峰的小部分時間外，機組的負荷率都在85%以上。圖1為4～6月給水自動投入率(自動投入率=給水調節投入自動的時間/機組并網運行的時間)的統計數據。

圖1 4～6月給水控制系統自動投入率

由圖1中數據可以計算出，給水自動投入率的月平均值為34.9%，而火力發電廠安全性評價明確規定給水自動投入率要達到95%以上，顯然，給水控制系統已經不能滿足機組安全、經濟運行的要求。

另外，在查找《設備缺陷記錄》后，繪制出導致給水控制不能投入自動的故障統計表，如表1所示。

表1 導致給水控制不能投入自動的故障

由表1中數據可以得出，引起給水控制不能投入自動的故障，每月平均為19.3次，給機組穩定運行帶來極大隱患。

通過查詢DCS歷史趨勢，發現汽包水位在高負荷時一直不正常，波動較大，最大時與實際水位相差200 mm，但是又不能退出汽包水位保護(火力發電廠安全性評價明確規定退出汽包水位保護不能超過24小時)，這在很大程度上增加了汽包水位保護誤動作的機會。在 2014年1月17日就因汽包虛假水位，水位達到+300 mm，延時5 s觸發 MFT(Main Fuel Trip，主燃料跳閘)動作(三取二信號)，導致機組跳閘。因此， 汽包水位的不正常波動，已經對機組的安全運行構成嚴重威脅。

3 分析與結論

由表1數據可以得出，DCS內部問題和外部測量系統故障占總故障的96.6%，是導致給水控制不能投入自動的主要原因[3-4]，因此，下面針對上述兩個主要問題展開分析。

3.1 外部測量系統故障分析

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根據現場設備實際情況，通過查看DCS系統邏輯，繪制汽包水位測量原理圖，如圖2所示。由圖2可以看出，引起外部測量系統故障的原因只能為：差壓變送器輸出超出允許誤差或測量零位定義有偏差。

經過現場檢查汽包水位差壓變送器，并抽取6個輸出信號點，發現差壓變送器的輸出值沒有超出允許誤差范圍；而對汽包水位的中心位置進行檢查發現，變送器的測量零位比設計值偏高了25 mm，汽包水位變送器的量程為0～7 000 kPa，因此，需要對差壓變送器的量程進行修改[5]。

3.2 DCS內部問題分析

跟蹤從現場的汽包水位測量信號到DCS的輸出信號作對比發現，在機組負荷率高于85%時，DCS輸出信號被放大了一倍多，導致汽包產生較大的虛假水位，致使給水控制退出自動[6]。因此，由圖2可知，導致虛假水位的原因為：壓力補償函數F(X)設置不合理。另外，根據現場觀察與測試，發現汽包水位產生擾動時，PID調節器調節的過程時間太長，約為420 s，所以需要優化PID參數。

圖2 汽包水位測量原理圖

4 方案提出及實施

根據以上分析，引起給水控制自動投入率偏低的原因為：壓力補償經驗曲線和PID調節參數設置不合理、水位測量零位定義有偏差，下面將對上述三方面原因提出相關解決方案并實施。

4.1 修正汽包水位壓力補償經驗曲線

汽包壓力參與汽包水位補償計算，由于為重要信號，系統設計了3 個取樣點，然后DCS系統再進行三選一。如果有壞質量或偏差大等狀況會發出報警并切除水位自動，汽包壓力切為二選一或單個正常信號，以保證汽包水位的正常監視功能，而不干預汽包水位的補償計算。

由圖2可知，壓力補償經驗曲線作為汽包水位計算公式中的分母，因此，DCS顯示汽包水位與壓力補償經驗曲線成反比，壓力補償經驗曲線既要反映汽包壓力變化時水位變化的真實性，也要防止出現虛假水位產生，所以要進行反復的修改才能達到滿意的效果；輸入模擬信號來修正壓力補償曲線，修改后的曲線要平滑，線性要好[7-9]，修正前后的壓力補償曲線參數如表2所示。

表2 修正前、后的壓力補償曲線參數

修正后的曲線更為平滑，線性更好，消除了機組高負荷時汽包產生的虛假水位，避免了由于汽包虛假水位信號而引起的機組跳閘，提高了機組運行可靠性，改善了機組變負荷性能[10-11]，曲線如圖3所示。修正后的壓力補償曲線后段，即壓力大于19.61 MPa是起到汽包壓力保護作用的，不參與給水自動調節。

圖3 修正前、后壓力補償經驗曲線圖

4.2 重新校對就地汽包水位計中心

用連通管重新校對就地汽包水位計中心位置，使DCS顯示水位與就地水位計中心線基本一致，以確定汽包水位差壓變送器的量程[12]。校對的結果的是DCS顯示水位的零位比就地水位計的零位高出25 mm，因此，將汽包水位差壓變送器的量程由(0～7 000)Pa改為(0～6 750)Pa，使DCS顯示水位的中心線相應降低25 mm。改動后DCS顯示水位與就地水位中心位置相差只有8.5 mm，達到要求。

4.3 重新優化PID參數

修正汽包水位壓力補償曲線后，分別將2臺電動給水泵投入自動，發現調節對象產生擾動到調節過程穩定的過渡時間長，調節效果不是很理想，因此，需對主、副調節器的PID參數重新優化。

通過檢查DCS邏輯，發現給水控制任務由2個調節器來完成。主調節器采用比例積分控制規律，保證水位無靜態偏差，其輸出信號、給水流量信號和蒸汽流量信號都作用到副調節器。副調節器為保證副回路的快速性也采用比例積分調節器，能消除給水流量的自發擾動，當蒸汽負荷改變時迅速調節給水流量，保證給水流量和蒸汽流量的平衡。

在整定PID控制器參數時，根據控制器的參數與系統動態性能和穩態性能之間的定性關系，采用實驗湊試的方法來調節控制器的參數。在整定內回路時，調節器參數可以設置得較小，使內回路成為快速隨動系統，外回路可以看作是一個單回路調節系統，可采用整定單回路調節系統的方法來整定外回路。首先整定比例部分，將比例系數由小調大，并觀察各次響應，直至得到反應快、超調較小的響應曲線；由于在比例控制下穩態誤差不能滿足要求，因此將已選擇的比例系數減小為原來的50%～80%，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數，使系統在保持良好動態性能的情況下，靜差得到消除，反復試湊直至得到較滿意的響應，從而確定合理的比例和積分參數[13]，優化前后參數如表3 所示。

表3 優化前后主、副調節器的PID 參數

優化PID調節器的PI參數后，調節過程的過渡時間約為280 s，調節效果良好，在保證給水泵及附屬設備可靠的前提下，控制優化顯得更為重要[14]。

5 效果檢查

經過連續1年多的運行，經歷了機組負荷從高達322.50 MW到低至96 MW及各種工況變化的考驗，給水自動投入率達到99%，滿足了火力發電廠安全性評價要求，而且也沒有發生由虛假水位觸發MFT動作的機組非計劃停運事件，提升了熱力系統的節能性，達到了節能降耗的目的[15]，為機組安全運行提供有力保障。

6 結論

本文針對330 MW機組的給水自動不能投入以及汽包虛假水位導致MFT誤動問題，優化了汽包水位壓力補償經驗曲線，并重新配置PID參數。同時校對就地汽包水位計中心，徹底解決了給水控制系統不能投入自動以及汽包水位波動大問題，滿足了火力發電廠安全性評價要求。經過實際運行，給水自動控制系統穩定可靠，能夠滿足不同負荷的要求，同時避免了由于汽包虛假水位信號而引起的機組跳閘，保證了機組安全穩定運。

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Optimization and Application of Water Supply Automatic Control System for the 330MW Unit

JIANG Liewei

(Shaoguan Power Plant, Guangdong Yudian Group Co.,Ltd.,Shaoguan 512132,China)

Taking the water supply system of a 330MW unit in a power plant as the study object, in view of the phenomena that the water supply can not be put into operation and MFT is caused by the false water level of the steam drum, by examining the external measurement system and the DCS system logic, the reason why the water supply control system can not be put into operation automatically is found through analysis. The pressure compensation experience curve and PID adjustment parameter setting are not reasonable, and the zero position of the water level measurement is biased. According to the above reasons, the experience curve of steam drum water level pressure compensation has been modified, and the local water level meter center is proofread again, and the PID parameters are optimized. After the completion of the program implementation, the water supply control system can meet the requirements of different load through the practical operation, so that automatic availability rate of water supply control system has been greatly improved, which significantly enhances the level of automation of the unit. At the same time, the unit trip caused by the false water level signal of the steam drum is avoided, which ensures the safe operation of the unit.

water supply control; the false water level; pressure compensation; safety assessment; proportion integration differentiation; the steam drum

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.03.013

2016-10-28。

TK39

A

1672-0792(2017)03-0074-05

姜烈偉(1979-)，男，高級工程師，主要從事火電機組自動化及過程控制方面的研究。