燃機電廠高壓汽包水位自動控制優(yōu)化淺析

阮雷鈞，趙永利，金智偉，胡方明

（1.浙江浙能長興發(fā)電有限公司，浙江 長興 313100；2.華能桐鄉(xiāng)燃機熱電有限責(zé)任公司，浙江 桐鄉(xiāng) 314513；3.杭州中興達科技有限公司，杭州 310052）

0 引言

華能桐鄉(xiāng)天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)項目位于浙江省桐鄉(xiāng)市，以給臨杭經(jīng)濟區(qū)供熱為主，發(fā)電調(diào)峰為輔。本項目新建兩套阿爾斯通E級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)一拖一多軸供熱機組，其中#1機組為抽凝機組，即一部分沒有做完功的蒸汽從汽輪機的抽汽口抽出送至熱用戶，另一部分至低壓缸繼續(xù)做功后排入凝汽器凝結(jié)成水，再回到余熱鍋爐。這種機組的電熱相互調(diào)整性比較好，但在熱負荷需求較大的情況下，不能滿足熱用戶的要求。#2機組為背壓機組，即機組中沒有低壓缸及凝汽器，在啟動過程中，通過15%容量的啟動旁路將蒸汽排入#1機組的凝汽器。當蒸汽參數(shù)滿足背壓汽輪機沖轉(zhuǎn)條件后，開始啟動背壓汽輪機，中壓缸排汽全部供給熱用戶。這種機組供熱能力明顯比抽凝機組強，所以背壓機組的經(jīng)濟性最好。另外，兩套機組的高中低壓過熱器出口均通過母管相連，交叉運行方式要比單元制機組更為靈活；旁路亦采用母管制，保證任一機組跳機時，能夠回收工質(zhì)，并且背壓機側(cè)增加一臺真空除氧器，背壓機組可以單獨運行，抽凝機不必?zé)醾溆茫挥酂徨仩t低壓汽可在背壓機單獨運行時關(guān)閉，解決了背壓機不能利用低壓汽的問題。

桐鄉(xiāng)燃機控制系統(tǒng)（TCS）采用ALSTOM CONTRO GAS控制系統(tǒng)，汽輪機、余熱鍋爐、公用系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)與輔網(wǎng)系統(tǒng)均采用美國艾默生公司的Ovation 3.5.0控制系統(tǒng)（覆蓋MCS、SCS、DEH、ETS、ECS等系統(tǒng)）。余熱鍋爐為杭州鍋爐集團股份有限公司生產(chǎn)的NG-GT13E2-R型三壓、無補燃、臥式、自然循環(huán)、鏡像布置的余熱鍋爐。余熱鍋爐各參數(shù)如下：①高壓蒸汽流量：220.6t/h；②高壓蒸汽出口壓力：7.633Mpa；③高壓蒸汽出口溫度：503.2℃；④中壓蒸汽流量：50.2 t/h；⑤中壓蒸汽出口壓力：1.28MPa；⑥中壓蒸汽出口溫度：300.4℃；⑦低壓蒸汽出口壓力：0.22MPa；⑧低壓壓蒸汽出口溫度：171.9℃。

在鍋爐啟動初期，運行人員必須密切注意汽包水位的變化，維持汽包水位在正常范圍內(nèi)。隨著溫度的上升，汽包壓力的升高，汽包液位會從啟動液位逐漸膨脹上升至接近汽包中心線。正常運行時，水位自動調(diào)節(jié)回路將通過引入蒸汽流量、給水流量和汽包水位為變量的三沖量PI運算，輸出控制信號，自動控制氣動給水調(diào)節(jié)閥的開度，改變進入省煤器的給水流量，以平衡汽水流量和補償水位的變化。在余熱爐正常運行期間，高壓給水系統(tǒng)通過高壓給水泵勺管控制給水壓力，通過上水調(diào)門控制給水流量，以此來實現(xiàn)對高壓汽包水位的調(diào)節(jié)。

桐鄉(xiāng)燃機高壓給水系統(tǒng)設(shè)計有兩臺高壓給水泵，通過對高壓給水泵勺管的調(diào)節(jié)控制高壓給水泵轉(zhuǎn)速，最終達到控制高壓汽包水位的目的。兩臺高壓給水泵互為備用，正常工況下一用一備。在整個給水控制系統(tǒng)中，高壓給水泵調(diào)節(jié)汽包水位控制設(shè)計有單沖量和三沖量兩套控制結(jié)構(gòu)。高壓給水泵液力偶合器的勺管位置變化由高壓主汽流量決定，當運行高壓給水泵勺管自動投入后，將根據(jù)當前主汽流量值自動進行調(diào)節(jié)，當高壓主蒸汽流量＜40t/h時，采用單沖量控制；當高壓主蒸汽流量＞50t/h時，采用三沖量控制。該調(diào)節(jié)器輸出為高壓給水泵勺管指令。這種控制方式產(chǎn)生的問題是在機組啟動階段，主汽流量值很小，如果高壓給水泵在自動情況下運行，那么勺管的開度可能被限制在很小的位置，此時如果汽包水位降低，給水調(diào)門會逐漸開大，但由于高壓給水泵勺管位置沒有發(fā)生變化，那么給水流量也就無法繼續(xù)增加。所以就必須將勺管自動切除，采用手動方式改變高壓給水泵勺管位置，特別在汽水品質(zhì)較差時，加強汽包排污必不可少，在蒸汽流量沒有發(fā)生改變的情況下，高壓給水泵勺管自動就無法投入運行。另外，一旦主汽流量增加，液力偶合器勺管開度會隨著流量的增加而上升，但如果此時高壓汽包水位處在比較高的情況，而中壓汽包水位處于較低的情況，那么控制的矛盾就非常突出。

圖1 高壓給水泵流量特性圖Fig.1 Flow characteristic diagram of high pressure feed pump

由于設(shè)計采用高壓給水泵控制高壓汽包水位，那么如何來協(xié)調(diào)高壓給水泵液力偶合器勺管的位置變化與高壓給水調(diào)門開度的變化是最關(guān)鍵的問題。根據(jù)現(xiàn)場運行情況，桐鄉(xiāng)燃機改變了原來的運行思路，將給水控制邏輯修改為：將高壓汽包壓力信號引入邏輯控制，同時增加液力偶合器設(shè)定塊輸出，利用高壓給水母管壓力與汽包的差壓作為高壓給水泵液力偶合器勺管調(diào)節(jié)的最終目標，并配以高壓給水調(diào)門的輔助調(diào)節(jié)，有效地解決了高壓給水泵勺管和高壓給水調(diào)門的雙重調(diào)節(jié)所帶來的不確定因素。綜合考慮節(jié)能增效與提質(zhì)增效等因素，現(xiàn)針對高壓汽包水位自動控制進行優(yōu)化，優(yōu)化后控制方案為：高壓給水泵控制高壓汽包水位，高壓給水調(diào)閥控制給水母管壓力。

1 高壓給水泵優(yōu)化后的控制方案

1）控制目的

通過改變進入汽包的給水流量來維持汽包水位為設(shè)定值。

2）高壓汽包水位信號處理

將經(jīng)過溫度、壓力補償后的3個高壓汽包水位信號進行篩選處理后，作為水位調(diào)節(jié)器的被調(diào)量。

3）給水流量信號處理

給水總流量=給水流量+高壓減溫水流量。

4）功能說明

桐鄉(xiāng)燃機高壓汽包水位的設(shè)定值采用基本設(shè)定值+偏置的方式產(chǎn)生，運行人員根據(jù)機組運行實際情況可在畫面上手動設(shè)定偏置，同時考慮手動調(diào)節(jié)時水位設(shè)定跟蹤。

在單沖量控制系統(tǒng)工作時，汽包水位控制指令由汽包水位和運行人員設(shè)定值的偏差形成。

在三沖量控制系統(tǒng)工作時，汽包水位控制指令由兩個串級的調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位偏差、給水流量和高壓主蒸汽流量3個信號形成。

當其中一臺給水泵運行且備用投入，備用高壓給水泵聯(lián)啟時，聯(lián)鎖啟動的泵勺管指令跟蹤運行泵的勺管指令。

高壓給水系統(tǒng)設(shè)置有機械式再循環(huán)閥，但是再循環(huán)流量有限，因此為了設(shè)備運行安全，當給水流量降低到一定值時，閉鎖給水泵勺管指令繼續(xù)下降。

5）強制手動

當出現(xiàn)下列情況之一時，給水泵控制強制切到手動并發(fā)出報警：①汽包水位和設(shè)定值偏差大；②勺管指令和反饋偏差大；③汽包水位信號故障；④給水流量信號故障；⑤蒸汽流量信號故障；⑥勺管反饋信號故障；⑦給水泵跳閘。

2 高壓給水調(diào)閥優(yōu)化后的控制方案

1）控制目的

通過改變調(diào)閥的開度對給水流量的節(jié)流來維持汽包壓力和泵出口壓力差為設(shè)定值。

2）給水泵出口壓力信號處理

將選擇后兩個泵出口壓力經(jīng)過慣性濾波后作為壓力調(diào)節(jié)器的被調(diào)量。

3）壓力調(diào)節(jié)器設(shè)定值信號處理

壓力調(diào)節(jié)器設(shè)定值=汽包壓力+汽包水位函數(shù)修正+運行手設(shè)偏置。將設(shè)定值經(jīng)過速率限制后進入壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)定端。在投入自動后，默認最小壓力設(shè)定值為5.8MPa，在系統(tǒng)運行一段時間后，如果可以在更低的壓力下運行，可將定值下調(diào)。

4）功能說明

高壓給水系統(tǒng)設(shè)計一個高壓給水調(diào)閥，控制高壓給水母管壓力，高壓給水調(diào)閥的開度盡可能地開大，以減小節(jié)流損失，實際運行中給水調(diào)閥根據(jù)工況變化在85%～95%區(qū)間內(nèi)運行，留有一定裕度用于緊急工況下使用。

5）強制手動

當出現(xiàn)下列情況之一時，給水泵控制強制切到手動并發(fā)出報警：①高壓給水泵出口壓力信號故障；②調(diào)閥指令和反饋偏差大。

3 鍋爐定排模式下的水位自動優(yōu)化

高壓汽包水位控制策略改造后，現(xiàn)有控制參數(shù)在日常升、降負荷期間均能夠滿足控制要求，但由于高壓汽包水位定排管徑大，排污流量無控制手段且無排污流量監(jiān)視測點，在高壓汽包排污時，對高壓汽包水位造成較大的擾動，水位控制嚴重滯后，需要運行進行手動干預(yù)，為保證給水調(diào)節(jié)全過程自動投入，后續(xù)又對控制參數(shù)和相關(guān)邏輯進行優(yōu)化。

3.1 控制參數(shù)優(yōu)化

1）減小汽包水位一階慣性時間：Ti由20→5。

2）加 強 主 調(diào)PID參數(shù)：GAIN由2～5；Ti由300～90。

3）增加主調(diào)PID控制死區(qū)：DBND由0～0.02。以上參數(shù)優(yōu)化后效果如圖2。

圖2 參數(shù)優(yōu)化后排污閥開，對汽包水位的影響Fig.2 The influence of the opening of the blowdown valve on the water level of the steam drum after parameter optimization

結(jié)合圖2可以看出，參數(shù)優(yōu)化后對設(shè)定值的擾動能夠較快的響應(yīng)，但是針對排污的響應(yīng)仍然較慢，從參數(shù)優(yōu)化方面已不能滿足調(diào)節(jié)要求。

3.2 控制邏輯優(yōu)化

結(jié)合運行人員手動操作過程，對控制邏輯進行以下優(yōu)化修改：

1）當排污閥開，且水位低于設(shè)定值20mm時，對勺管指令疊加10%總指令的前饋量，對給水流量設(shè)定疊加40t/h的前饋量。

2）當排污閥關(guān)，立刻取消所有前饋量。

3）當排污閥開，且水位高于設(shè)定值15mm時，立刻取消所有前饋量。

4）增加指令前饋變化速率限制：每秒變化10%前饋指令。

5）增加流量前饋變化速率限制：每秒變化4t/h前饋指令。

結(jié)合圖3可以看出：增加了指令前饋和流量前饋后，系統(tǒng)響應(yīng)速度變快，對排污閥開造成水位的擾動有了明顯的抑制。

圖3 增加指令前饋流量前饋的曲線Fig.3 The curve of adding command feedforward flow feedforward

4 結(jié)論

結(jié)合以上高壓汽包水位控制邏輯優(yōu)化后，記錄并對比穩(wěn)定運行工況下的各參數(shù)，詳見表1。

表1 新、舊控制方式下參數(shù)對比表Table 1 Comparison of parameters under the new and old control modes

通過對新舊控制方式下的運行參數(shù)對比發(fā)現(xiàn)，新的控制方式下調(diào)門節(jié)流損失變小。優(yōu)化控制邏輯后，高壓給水泵每小時節(jié)約用電95kW·h，按全年運行2800h，廠用電按0.6074元計算，每年可節(jié)省費用約14.5萬元。在當前節(jié)能提效的大環(huán)境下，進一步提高設(shè)備效率，減小系統(tǒng)節(jié)流損失至關(guān)重要。本文主要以調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)為主，增加流量前饋為輔，同時加入排污閥的開啟前饋等控制思路，對于燃機電廠高壓汽包水位控制等類似的過程有很好的借鑒意義。