火力發(fā)電廠給水泵再循環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)化研究

蘇晉朔州煤矸石發(fā)電有限公司 陶 丁 西安熱工研究院有限公司 郝德鋒

在火力發(fā)電廠中，水資源一直處于導(dǎo)向地位，但是隨著水資源的不斷使用或浪費，可用的水資源在逐漸減少，因此，絕大部分火力發(fā)電廠面臨著水資源嚴(yán)重短缺的現(xiàn)狀，這種情況又對火力發(fā)電廠的發(fā)展有了一定的負(fù)面影響。為保證火力發(fā)電廠對國家的經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮一定的積極影響，國內(nèi)許多相關(guān)企業(yè)陸續(xù)引入技術(shù)以保證水資源的富足。

在火力發(fā)電廠的運轉(zhuǎn)中，給水泵是構(gòu)成以安全可靠為基礎(chǔ)運行機組的給水系統(tǒng)的一部分，因此，為保證機組在不同時間階段以及負(fù)荷不一的情況下，所制定的策略必須以可靠性、低耗能性為原則。但因現(xiàn)場操作人員的技術(shù)與認(rèn)知不統(tǒng)一，造成制定相關(guān)策略時埋下潛在的風(fēng)險，這將直接影響給水泵是否能正常運轉(zhuǎn)。另外，由于低負(fù)荷狀態(tài)下給水泵再循環(huán)閥門被操作人員手動打開，在一定程度上造成了能源的浪費。因此，就以上給水再循環(huán)系統(tǒng)存在的種種問題，需要對給水再循環(huán)系統(tǒng)進行全面研究分析，旨在解決給水再循環(huán)系統(tǒng)中出現(xiàn)的種種問題。

文章就國內(nèi)某一火力發(fā)電廠的事故問題進行分析，并進一步提出優(yōu)化策略，旨在為之后的研究具有一定的啟發(fā)。

1 給水系統(tǒng)運行中存在的問題分析

某火力發(fā)電廠機組的循環(huán)水泵控制系統(tǒng)，是與主設(shè)備配套的早期產(chǎn)品，利用繼電器組成控制邏輯，實現(xiàn)循環(huán)水泵的起、?？刂萍皥缶δ埽脺囟瓤刂蒲b置和記錄儀表完成泵和電機溫度的監(jiān)控，回路設(shè)計復(fù)雜[1]。

該火力發(fā)電廠的控制循環(huán)系統(tǒng)當(dāng)中，循環(huán)水泵將水塔水池里的冷水打到汽輪機的凝汽器，經(jīng)過凝汽器后冷水變成熱水，熱水被送到晾水塔冷卻，然后存在水池里等待下一個循環(huán)。循環(huán)水泵系統(tǒng)有功率為2850千瓦的水泵兩臺，配有功率為3200千瓦的驅(qū)動電機兩臺。輔助設(shè)備有循環(huán)泵潤滑油泵四臺、軸封泵兩臺、出口門等各種水門八臺、加熱器兩臺、冷卻風(fēng)機兩臺和電磁閥兩臺，需要控制的設(shè)備共有二十二臺。其中，軸封泵和潤滑油泵是循環(huán)泵的輔機，冷卻風(fēng)機和加熱器是潤滑油泵的輔機，其他各種水門構(gòu)成管網(wǎng)的閥門。

在2013年十月份中旬，該火力發(fā)電廠因其汽動給水泵再循環(huán)閥自動控制系統(tǒng)不正常；又因機組操作人員技術(shù)掌握不佳、操作時機把握不好；與此同時，水系統(tǒng)機組在低負(fù)荷運行時，其內(nèi)部閥門未能最大限度開啟，導(dǎo)致水系統(tǒng)受到一定的干擾，由此造成了機組停機事件。該次機組停機事件開端，鍋爐內(nèi)燃燒工況發(fā)生突變，導(dǎo)致汽包水位出現(xiàn)80毫米上升的較大波動。

為改善水位突變這一情況，兩臺汽動給水泵在PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制下迅速使轉(zhuǎn)速降低，從而達(dá)到降低水位這一目的，但這種PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)致使給水前置泵中水流量小于規(guī)定值導(dǎo)致主要給水流量下降；之后，因操作人員對上述問題干預(yù)不成功，導(dǎo)致隨后汽包水位又迅速出現(xiàn)近四百毫米下降變動，最終出現(xiàn)了機組跳閘這一狀況。

以上問題，是國內(nèi)大多數(shù)火力發(fā)電廠經(jīng)常出現(xiàn)的事故，同時也指明了如今大范圍火力發(fā)電廠所共同面對的技術(shù)難題—給水泵再循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化改善。

2 原因分析

在給水泵運行過程中，其負(fù)荷一般受機組負(fù)荷的影響。在機組開啟、閉合以及在低負(fù)荷量運轉(zhuǎn)時，由于給水泵中水流量流速較低，致使水泵被摩擦產(chǎn)生的熱量無法及時散失，從而機組產(chǎn)生汽化現(xiàn)象（又稱汽濁），導(dǎo)致機組運轉(zhuǎn)可靠性下降。因此，為杜絕上述狀況的發(fā)生，需要設(shè)置給水再循環(huán)系統(tǒng)于除氧器箱口與給水泵出口之間。為保證在不同轉(zhuǎn)速下給水泵都能工作在最小流量以上，謹(jǐn)防水泵汽蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)，需要對給水泵再循環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)的問題進行原因分析[2]。

在國內(nèi)各大火力發(fā)電廠內(nèi)，PID 自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)一般是首選的給水泵再循環(huán)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，給水泵轉(zhuǎn)速函數(shù)影響著調(diào)節(jié)器固定值的設(shè)定。其中，控制量為給水泵實時水流量與規(guī)定值之間的差量，從而使給水泵再循環(huán)閥門的開度能得以有效調(diào)節(jié)。在出廠調(diào)節(jié)期間，由于對規(guī)定值未能進行合適選取，導(dǎo)致PID 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能進行正常運作。

由于給水再循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部存在諸多問題，導(dǎo)致機組停機事件時有發(fā)生。由于汽包水位短時間內(nèi)快速升高，鍋爐內(nèi)部給水系統(tǒng)應(yīng)該使給水泵轉(zhuǎn)速降低，有效保障給水泵水流量能在極短延時內(nèi)降低到規(guī)定值以及給水泵再循環(huán)閥門能最大限度開啟，但由于閥門全開啟，致使鍋爐給水流量快速降低以及汽包水位的下降，最終觸發(fā)了主燃料跳閘。通過研究表明，PID 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能正常投運的原因主要有以下幾條：

當(dāng)給水再循環(huán)閥門開啟及閉合剎那，一般會發(fā)生給水泵再循環(huán)閥門跳躍的狀況。導(dǎo)致該現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因，是閥門開啟剎那給水泵內(nèi)流水量猛然增加，該流量相較于轉(zhuǎn)速函數(shù)，顯然是大于所規(guī)定的數(shù)值，之后閥門又通過調(diào)節(jié)器突然關(guān)閉、給水量小于所規(guī)定的數(shù)值。當(dāng)閥門開啟、閉合操作重復(fù)多次時，將對閥門造成嚴(yán)重?fù)p壞。

給水泵再循環(huán)閥門超馳打開至最大限度（100%）時，將較大幅度擾動給水系統(tǒng)的可靠性。在以往的給水再循環(huán)系統(tǒng)控制策略中，以低給水量時自動響應(yīng)PID 調(diào)節(jié)器的最大限度控制為核心，其目的在于將再循環(huán)閥門最大限度（100%）打開。機組在低負(fù)荷運行情況下，其給水流量顯然很低，此時如果將給水再循環(huán)閥門最大限度打開，將直接導(dǎo)致除氧器中流入大量經(jīng)過再循環(huán)閥門的給水，致使外部給水量大幅度降低，難以滿足鍋爐上水量的需求。

給水泵再循環(huán)閥門最大限度開啟與PID 自動調(diào)節(jié)策略在時間上未能實現(xiàn)高度配合。以往所制定的給水泵再循環(huán)控制策略的目的為：給水泵中水流量低于規(guī)定值時，PID 自動調(diào)節(jié)器打開給水泵再循環(huán)閥門。當(dāng)系統(tǒng)受到較大干擾時，PID 調(diào)節(jié)器控制給水量，使之低于再循環(huán)超馳開啟所規(guī)定的數(shù)值，以便于閥門能最大限度開啟，這種情況導(dǎo)致再循環(huán)閥門超馳開啟相較于PID 自動調(diào)節(jié)動作較快，使得PID 自動調(diào)節(jié)器動作失常[3]。

在原有的給水再循環(huán)控制策略中，當(dāng)PID 自動調(diào)節(jié)器輸出小信號時，會對給水系統(tǒng)造成一定的影響。當(dāng)給水泵再循環(huán)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)在壓差較大的情況下，閥門開度過小則易引起自身損壞的現(xiàn)象?；诖艘蛩兀瑱C組運行時閥門開度不得低于規(guī)定的定值，因此需要消除PID 自動調(diào)節(jié)器所輸出的調(diào)節(jié)器的影響。

未能將給水泵的轉(zhuǎn)速與規(guī)定的最小流量函數(shù)間的關(guān)系處理恰當(dāng)，導(dǎo)致無法正確反映給水泵的實時狀態(tài)。

由于之前的技術(shù)及其設(shè)計水平的限制，未能將多個流量變送器應(yīng)用于給水流量測量。

變送器由自動切換至手動時沒能考慮一定范圍的延時，導(dǎo)致正常運轉(zhuǎn)過程中變送器無故退出運行，以至于當(dāng)系統(tǒng)受到較大的擾動時，變送器測量值或許發(fā)生超出量程以及瞬間異?，F(xiàn)象，若此時將自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換為手動調(diào)節(jié)，對操作人員的生命安全將造成一定的風(fēng)險。

上述幾項是導(dǎo)致原有控制系統(tǒng)無法正常投運的原因，也是造成該火力發(fā)電廠機組停機的導(dǎo)火索。

3 水泵再循環(huán)控制系統(tǒng)不同控制策略的對比

為使給水系統(tǒng)能夠可靠運作，需要在熱控系統(tǒng)中引入給水再循環(huán)系統(tǒng)[4-5]。該項系統(tǒng)經(jīng)歷了時間的推敲，如今逐漸趨于三個類別：第一類是規(guī)定值啟閉開環(huán)控制系統(tǒng)，第二類是同滯函數(shù)開環(huán)控制系統(tǒng)，第三類是PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在前文的敘述中，PID 控制策略已為讀者所理解，因此后文不再多加贅述。下文將對前兩種控制系統(tǒng)加以介紹并進行優(yōu)缺點對比。

3.1 規(guī)定值啟閉開環(huán)控制系統(tǒng)

給水泵再循環(huán)規(guī)定值啟閉的開環(huán)控制系統(tǒng)的工作機理可概括為以下：當(dāng)給水量高于所規(guī)定的數(shù)值時，給水泵再循環(huán)閥門閉合；反之，其最大限度開啟。其規(guī)范值的設(shè)定一般受給水泵最大轉(zhuǎn)速的影響。在機組低負(fù)荷運轉(zhuǎn)這一情況下，給水泵具有較低的轉(zhuǎn)速，則最小給水水流量明顯偏小，此時規(guī)定值的設(shè)定應(yīng)當(dāng)偏高。為此，在機組低負(fù)荷運轉(zhuǎn)時，操作人員為防止能源的浪費應(yīng)該提前打開再循環(huán)閥門，但這會增加其操作風(fēng)險。

3.2 回滯函數(shù)開環(huán)控制系統(tǒng)

同滯函數(shù)開環(huán)控制系統(tǒng)是一種比較基本的給水泵再循環(huán)控制策略，與前述控制系統(tǒng)相同，該系統(tǒng)亦不能使給水泵的優(yōu)勢最大限度發(fā)揮出來，也不能降低在給水水流量較小的情況下再循環(huán)閥門受損的程度。

3.3 三種給水泵再循環(huán)閥控制策略優(yōu)劣比較

前兩類控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定均是按照給水泵額定轉(zhuǎn)速為邊界條件的。當(dāng)機組處于低負(fù)荷運行或深度調(diào)峰的狀態(tài)時，規(guī)范值的設(shè)定一般都偏高，若前兩類控制策略處于自動運轉(zhuǎn)的狀態(tài)，則致使給水泵再循環(huán)閥門將反復(fù)啟閉，這在影響給水控制的正常運作的同時，對閥門的損害程度將大幅度上升，最為關(guān)鍵的是能源被浪費。基于以上劣勢，一般新型機組大多不選取前兩種控制策略。為此，應(yīng)運而生的PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)能有效改善傳統(tǒng)控制策略劣勢，逐漸被大型機組所采納。

4 給水泵再循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略

正如上文所述，PID 系統(tǒng)雖能改善以往的劣勢，但仍然無法實現(xiàn)全面化自動控制，為此需要對給水泵循環(huán)系統(tǒng)進行更加規(guī)范的優(yōu)化。

4.1 PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)優(yōu)化系統(tǒng)

本策略的主要控制要點在于：當(dāng)給水泵滿足安全運行的基礎(chǔ)上，給水泵再循環(huán)閥門的開啟次數(shù)應(yīng)該盡量偏低。這種控制要點能有效減少再循環(huán)閥門對主給水的影響。同時，該策略能有效提高系統(tǒng)安全性，也避免了再循環(huán)閥門的啟閉導(dǎo)致的能源浪費以及對給水系統(tǒng)造成的擾動。

其控制步驟如下：當(dāng)給水前置泵流量高于最小流量的規(guī)定倍數(shù)時，由PID 調(diào)節(jié)器直接進行控制；在給水前置泵流量進一步降低到超馳打開定值并經(jīng)過十秒的延時后，給水再循環(huán)閥門將以50%的超馳開啟；當(dāng)給水前置泵水流量嚴(yán)重告急時，保護動作將給水再循環(huán)閥門最大限度開啟。

本控制策略是根據(jù)水泵的轉(zhuǎn)速從而確定以上三層次的流量控制規(guī)定值，這種操作能保證給水泵可靠運作的同時，也能對給水泵的安全有所保障，另外能夠降低機組低負(fù)荷運轉(zhuǎn)時的耗能。

其具體實現(xiàn)主要包括以下環(huán)節(jié)：死區(qū)控制設(shè)計入PID 定值回路。因在調(diào)節(jié)器輸出值低于15%時給水泵再循環(huán)閥門處于閉合狀態(tài)，當(dāng)閥門打開時其輸出值瞬間高于15%，如果此時對定值回路沒能進行有效控制，閥門將在開啟和閉合間反復(fù)跳躍，從而對給水泵極易造成損壞，從而對給水系統(tǒng)造成影響；在給水前置泵運行時，將再循環(huán)閥門控制回路加入其中；為保證控制系統(tǒng)能全程高效運作，杜絕短時間干擾造成自動退出這一現(xiàn)象，需要將一定延時考慮在內(nèi)。

4.2 PID 閉環(huán)優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制效果

PID 優(yōu)化系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)控制策略劣勢，提高了給水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能以及安全性能，另外能有效降低操作人員的干預(yù)。此外，在優(yōu)化后的PID 系統(tǒng)中，由于相關(guān)規(guī)范值的設(shè)定需要貼合給水泵轉(zhuǎn)速函數(shù)，因此能使給水系統(tǒng)運行范圍得以擴大化，其表現(xiàn)在調(diào)節(jié)器輸出值高于15%時再循環(huán)閥門無需開啟，只需其輸出值低于50%時再循環(huán)閥門開啟，從而有效降低能耗。

綜上，本文就某一火力發(fā)電廠的事故問題進行原因分析，并就傳統(tǒng)的三種控制系統(tǒng)加以比較，從而提出了最為先進的PID 控制系統(tǒng)策略。PID 優(yōu)化控制策略經(jīng)驗證是可靠且低耗的，在未來的發(fā)展中將會有越來越多的火力發(fā)電廠將之應(yīng)用于實踐，其前景亦是可觀的。