高加液位穩(wěn)定性改良方法

龍開(kāi)靚， 吳佳焱

（國(guó)家電投江西電力工程有限公司， 江西 南昌 330000）

0 引言

國(guó)家電投集團(tuán)電力工程有限公司負(fù)責(zé)承接新電公司2X700MW 超超臨界機(jī)組日常維護(hù)及等級(jí)檢修工作，單臺(tái)機(jī)組三臺(tái)高壓加熱器是鍋爐給水系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。回?zé)峒訜崞骼闷啓C(jī)抽汽加熱給水或凝結(jié)水，提高了熱力循環(huán)的平均吸熱溫度，是現(xiàn)代火電機(jī)組提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要設(shè)備，其運(yùn)行狀況直接影響整個(gè)機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性[1-4]。加熱器運(yùn)行狀況主要表現(xiàn)在加熱器端、抽氣壓損、散熱損失、加熱器故障停運(yùn)、疏水系統(tǒng)故障、旁路管道泄漏等方面[5]。

現(xiàn)有文獻(xiàn)中存在大量解決加熱器端差以及抽氣壓損導(dǎo)致機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性下降的相關(guān)研究，柏靜儒等[6，7]采用等效焓降法研究了某1000MW 二次再熱機(jī)組加熱器端差和抽汽壓損對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響；徐鴻等[8]建立了加熱器上端差對(duì)煤耗率影響的通用強(qiáng)度矩陣模型， 并對(duì)某600MW 機(jī)組的典型工況進(jìn)行了計(jì)算。

在機(jī)組實(shí)際工況下， 還存在高溫加熱器液位測(cè)點(diǎn)異常、抽氣電動(dòng)門(mén)、疏水調(diào)節(jié)門(mén)故障等問(wèn)題。 這些問(wèn)題導(dǎo)致的機(jī)組非停，也會(huì)嚴(yán)重影響運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

本文以國(guó)家電投集團(tuán)新昌發(fā)電分公司#1 700WM 超超臨界機(jī)組為研究對(duì)象， 收集了近幾年因?yàn)楦邏杭訜崞饕何还收嫌绊憴C(jī)組運(yùn)行的詳細(xì)數(shù)據(jù)， 根據(jù)日常維護(hù)積累的大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，首先排除了硬件上存在的影響因素。 而后， 采用自適應(yīng)遺傳算法進(jìn)一步優(yōu)化了高壓加熱器液位的跟蹤控制算法參數(shù)，有效提高了該設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 高壓加熱器結(jié)構(gòu)分析與造成液位異常的原因及影響

如圖1 所示，加熱器內(nèi)部主要分為三個(gè)部分：蒸汽冷卻段、凝結(jié)段、疏水冷卻段。 蒸汽冷卻段是利用汽輪機(jī)抽氣來(lái)提高給水溫度，使離開(kāi)加熱器的給水溫度升高，接近或略超過(guò)對(duì)應(yīng)抽汽壓力下的飽和溫度。 凝結(jié)段利用蒸汽冷凝釋放出的潛熱以加熱給水。 疏水冷卻段可以將離開(kāi)凝結(jié)段的疏水余熱傳遞給進(jìn)入加熱器的給水。

圖1 加熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the internal structure of the heater

新昌#1 機(jī)組高加液位測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)采用二點(diǎn)取樣設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)存在因單一測(cè)點(diǎn)液位波動(dòng)， 即導(dǎo)致整體液位出現(xiàn)較大偏差的明顯缺陷， 除此以外， 疏水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制PID 算法參數(shù)，因?yàn)榻?jīng)年累月運(yùn)行，工況已發(fā)生改變，調(diào)門(mén)線(xiàn)性不佳，PID 自動(dòng)調(diào)節(jié)能力明顯下降，導(dǎo)致閥門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程緩慢，液位跟蹤效果不佳，整體跟蹤反饋曲線(xiàn)出現(xiàn)，明顯波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)造成超限報(bào)警。如果任何一臺(tái)高壓加熱器水位控制不好， 將會(huì)導(dǎo)致高壓加熱器在運(yùn)行過(guò)程中解列（不參與給水加熱），那么水位和壓力必將受到影響，如果高加水位過(guò)高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)進(jìn)水。

通過(guò)整理新昌電廠(chǎng)、分宜電廠(chǎng)、景德鎮(zhèn)電廠(chǎng)2018 年整年水位控制系統(tǒng)故障和液位測(cè)點(diǎn)波動(dòng)的出現(xiàn)次數(shù)，可知同類(lèi)型電廠(chǎng)高加水位控制波動(dòng)偏差超出±50mm 次數(shù)為38.5 次。 而我廠(chǎng)高加水位控制偏差超出±50mm 故障項(xiàng)目次數(shù)為76 次， 如果我們能夠?qū)⒖刂葡到y(tǒng)故障次數(shù)降至37.5 次，即由原來(lái)的平均每月6.33 次，降至3.11 次，才能夠達(dá)到同類(lèi)電廠(chǎng)的平均水平。

2 高加液位穩(wěn)定性改良的具體實(shí)施方案

2.1 硬件部分

首先，取消精度低、受高溫影響故障率較高，可靠性較差的磁翻板液位計(jì)；其二，在保留原始差壓變送器的情況下，新增一套電接點(diǎn)水位計(jì)，使高加液位由二取中變?yōu)槿≈心Ｊ健?/p>

通過(guò)上述硬件改造，克服了因液位計(jì)自身原因，造成的液位偏差， 且將原先二取中間值計(jì)算方式變成三取中間值，可有效解決水位單點(diǎn)跳變導(dǎo)致偏差過(guò)大的問(wèn)題。

2.2 控制參數(shù)整定部分

首先，對(duì)疏水閥開(kāi)關(guān)形成進(jìn)行重新整定；其二，對(duì)DCS邏輯組態(tài)中的閥門(mén)自動(dòng)調(diào)節(jié)PID 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整定。

如圖2 所示，引入水位PID 自動(dòng)控制仿真演示系統(tǒng)，從DCS 中，獲取對(duì)應(yīng)PID 調(diào)節(jié)方程，使用自適應(yīng)遺傳算法，在上述仿真系統(tǒng)中，對(duì)PID 控制參數(shù)進(jìn)行離線(xiàn)優(yōu)化，并使用Simulink 仿真軟件， 對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行理論結(jié)果驗(yàn)證。 最后將優(yōu)化后的參數(shù)，代入實(shí)際系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)際工況調(diào)整，完成高加液位PID 自動(dòng)控制參數(shù)整定。

圖2 水位PID 自動(dòng)控制仿真演示系統(tǒng)Fig.2 Water level PID automatic control simulation demonstration system

（1） 自適應(yīng)遺傳算法簡(jiǎn)介。 遺傳算法 （genetic algorithm，GA）是一種進(jìn)化算法，它的主要思路是模仿達(dá)爾文進(jìn)化論中“物競(jìng)天擇、適者生存”的演化方法，按照人類(lèi)的要求制定選擇規(guī)則，然后模擬大自然優(yōu)勝劣汰的方式，使其在隨機(jī)種群中自然的進(jìn)化繁衍，最終存活下來(lái)的個(gè)體即為該種群的優(yōu)勢(shì)個(gè)體。在遺傳算法中，通常會(huì)將所需要解決的問(wèn)題進(jìn)行參數(shù)編碼，以染色體的方式表示，再以選擇、交叉、變異等運(yùn)算將各染色體進(jìn)行迭代，以此方法來(lái)使各種群染色體中的信息得到交換，產(chǎn)生新的個(gè)體和基因組合，最終得到符合人類(lèi)所設(shè)置的規(guī)則的優(yōu)勢(shì)個(gè)體及其染色體組合。本文所使用的自適應(yīng)遺傳算法，實(shí)際上就是經(jīng)典遺傳算法的一種改進(jìn)版本，其通過(guò)對(duì)遺傳參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，極大程度的提高了算法的收斂能力和速度。以仿真軟件為測(cè)試平臺(tái)，PID 控制參數(shù)為優(yōu)化對(duì)象，進(jìn)行參數(shù)整定。

（2）Simulink 仿真。 將優(yōu)化后的PID 控制方程及其參數(shù)，使用Simulink 仿真建模的方法進(jìn)行驗(yàn)證。從下圖可以看出，在進(jìn)行水位調(diào)整時(shí)，參數(shù)修改前反饋曲線(xiàn)的波動(dòng)明顯更加強(qiáng)烈，而使用優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行控制的水位，反饋曲線(xiàn)穩(wěn)定更加迅速。 圖3 為Simulink 仿真輸出的反饋曲線(xiàn)示意圖。

圖3 水位調(diào)整波動(dòng)反饋曲線(xiàn)Fig.3 Water level adjustment fluctuation feedback curve

（3） 實(shí)際工況下參數(shù)整定。2019 年6 月1 日，1# 汽 輪 機(jī) 重新啟動(dòng)，待機(jī)組帶負(fù)荷后，小組成員對(duì)原有的疏水閥PID 參數(shù)進(jìn)行了修改，并人工給與一定的水位擾動(dòng)，來(lái)驗(yàn)證閥門(mén)的動(dòng)作線(xiàn)性及水位的跟蹤變化情況，圖4為小組成員當(dāng)時(shí)記錄下的疏水閥PID 參數(shù)以及微調(diào)后對(duì)應(yīng)的水位曲線(xiàn)。

圖4 實(shí)際工況下參數(shù)微調(diào)過(guò)程圖Fig.4 Process chart of parameter finetuning under actual working conditions

最終， 通過(guò)小組成員們，不斷的實(shí)驗(yàn)調(diào)整，實(shí)際水位在人工擾動(dòng)的情況下，均可及時(shí)實(shí)現(xiàn)液位跟蹤。

3 高加液位穩(wěn)定性改良方法優(yōu)勢(shì)

（1）通過(guò)系統(tǒng)排查，合理升級(jí)硬件，有效避免了因?yàn)樵O(shè)備自身問(wèn)題導(dǎo)致的液位跳變、數(shù)值不準(zhǔn)等導(dǎo)致的故障。徹底根除了因底層采樣不確，引發(fā)的機(jī)組停機(jī)。

（2）科學(xué)的閥門(mén)自動(dòng)調(diào)節(jié)PID 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整定。使用高適應(yīng)性的改良遺傳算法配合液位仿真系統(tǒng)對(duì)閥門(mén)自動(dòng)調(diào)節(jié)PID 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整定，確保方案可移植，可行性的前提下，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)參數(shù)的精準(zhǔn)優(yōu)化，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)重復(fù)調(diào)試，確保了對(duì)實(shí)際工況的匹配。

4 高加液位穩(wěn)定性改良的實(shí)施過(guò)程及成果簡(jiǎn)介

4.1 實(shí)施過(guò)程

（1）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。 新昌電廠(chǎng)#1 機(jī)組高加水位設(shè)計(jì)三套，其中二套為差壓變送器測(cè)量方式， 量點(diǎn)液位容易因單點(diǎn)故障導(dǎo)致液位波動(dòng)，無(wú)法做到保護(hù)3 取2 的安全穩(wěn)定，如圖5 所示；另外一套水位計(jì)采用磁翻板遠(yuǎn)傳液位計(jì)，磁翻板液位計(jì)精度低、受高溫影響故障率較高，可靠性較差。

由調(diào)查結(jié)果可以得出，高加液位測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)采用2 點(diǎn)取樣設(shè)計(jì)，一旦單點(diǎn)液位劇烈或壞點(diǎn)情況，系統(tǒng)只能被迫選擇另一點(diǎn)液位情況，勢(shì)必會(huì)對(duì)高加整體液位情況有較大影響。

圖5 磁翻板液位計(jì)Fig.5 Magnetic level indicator

小組成員通過(guò)做高加正常疏水閥的調(diào)門(mén)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比PID 參數(shù)設(shè)置情況， 發(fā)現(xiàn)人工給予水位一定的擾動(dòng)時(shí)，正常疏水閥動(dòng)作緩慢，會(huì)使水位出現(xiàn)一定的超調(diào)或振幅現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)水位超調(diào)有一定的影響。

由調(diào)查結(jié)果可以得出， 高加正常疏水閥門(mén)只要有小幅的波動(dòng)，整個(gè)水位就會(huì)出現(xiàn)大幅的震蕩，說(shuō)明整個(gè)疏水閥的閥門(mén)線(xiàn)性不佳，水位容易因閥門(mén)波動(dòng)而劇烈波動(dòng)。

（2）硬件改造。如圖6 所示，1# 汽輪機(jī)計(jì)劃停機(jī)小修，小組成員對(duì)原有的磁翻板液位計(jì)進(jìn)行了拆除， 并按初始計(jì)劃新增電接點(diǎn)液位計(jì)。

圖6 磁翻板液位計(jì)拆除改裝示意圖Fig.6 Schematic diagram of disassembly and modification of magnetic flap level gauge

（3）軟件改造。如圖7、8 所示，小組成員對(duì)原有的液位DCS 邏輯畫(huà)面進(jìn)行了修正。

圖7 DCS 操作畫(huà)面修改示意圖Fig.7 DCS operation screen modification diagram

圖8 DCS 邏輯畫(huà)面修改示意圖Fig.8 Schematic diagram of DCS logic screen modification

4.2 項(xiàng)目成果

#1 機(jī)組新增高加水位測(cè)點(diǎn)后以及整定高加疏水調(diào)節(jié)閥PID 參數(shù)后， 高加水位測(cè)量準(zhǔn)確，高加水位自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)良好， 數(shù)據(jù)明顯優(yōu)于改造前， 高加水位控制波動(dòng)范圍在改造前經(jīng)常超過(guò)±50mm， 改造后水位控制波動(dòng)范圍基本上能夠控制在±50mm 之內(nèi)， 高加水位波動(dòng)過(guò)大次數(shù)由原來(lái)每月6.33 次成功降至2.2 次。

5 結(jié)束語(yǔ)

該方法為高加液位故障頻發(fā)導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定的發(fā)電廠(chǎng)家，提供了一個(gè)有效、可行的解決方案，通過(guò)軟硬件結(jié)合的整改方法， 極大降低了由于高加水位波動(dòng)過(guò)大導(dǎo)致的缺陷次數(shù)。有效改善了機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境，提高了運(yùn)行穩(wěn)定性。