簡述S109FA燃機汽包水位和天然氣溫度控制

李以文

（杭州華電半山發電有限公司，浙江 杭州 310015）

0 引言

PID作為工程實際中應用最為廣泛的調節器問世至今已有近70年歷史，它因結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型，控制理論的其他技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合采用PID控制技術。PID控制，實際中也包括PI和PD控制，PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制[1]。

形成一套穩定可靠的自動化控制系統，可使水質、天然氣溫度等工況更加快速、準確地達到目標值。汽包水位和天然氣溫度控制是某發電廠S109FA燃機主要自動調節系統中比較典型的PID控制系統，下面將簡述其控制原理，并分析整定方法。

1 燃機汽包水位和天然氣溫度控制系統介紹

1.1 汽包水位控制

高、中、低壓三個汽包水位采用單沖量和三沖量兩種調節方式，以高壓汽包水位調節為例進行分析。在機組啟動階段，給水流量和主汽流量等參數較低的工況下采用單沖量控制，調節器接收實際汽包水位信號并與設定值比較后計算出調節閥指令用于控制給水調節閥；當各流量參數達到一定工況后，切換至三沖量控制，主調節器接收汽包水位設定值與實際水位比較，通過變比例固定積分時間調節，得出汽水流量的偏差值，與蒸汽流量相加（給水需求量）后作為副調的設定值，副調節器通過計算得出調節閥開度調節給水流量。

單沖量與三沖量的切換條件為：（1）高壓給水流量FT5001-SEL高于71.15 t/h；（2）高壓給水和主汽流量無壞點；（3）高壓蒸汽流量FT5003-SEL高于71.15 t/h。這三個條件都滿足的情況下，切換到三沖量調節。

這里還要指出，為了避免汽包水位自動出現較大波動，發生如下情況時控制方式切為手動：（1）汽包水位壞點；（2）調節閥指令與反饋偏差超限；（3）汽包水位設定值與實際水位偏差超限。這三個條件任意一個成立就切手動。

此外，在控制手段上，選擇三沖量控制時，主調節器采用變比例增益控制，比例系數根據汽包水位定值與水位測量值的偏差大小變化。水位偏差大時，調節系統的比例增益增大，以減小水位的動態偏差；水位偏差小時，調節系統的比例增益減小，以提高水位調節的穩定性[2]。

1.2 天然氣溫度控制

為保證燃氣輪機的正常燃燒和一定的經濟性，S109FA燃機通常會將燃氣溫度控制在185 ℃左右，它是利用性能加熱器（中壓省煤器出口的中壓給水）對燃氣進行加熱。性能加熱器投入運行后，DCS監控供應燃料溫度并給溫度控制閥（TCV-4233）發送一個控制信號，通過開關溫度控制閥TCV-4233調節流經性能加熱器的熱水流量來調整從加熱器出口的燃料溫度，將其控制在185 ℃。當燃氣溫度超過193 ℃時，控制系統將發出自動停機指令。

根據圖1可以看出，燃氣的溫度控制采用了一套單回路PID控制和一套串級PID控制回路（分為兩個階段對溫度進行控制）：通過PID1控制加熱器入口水溫與出口燃料溫度的偏差，這樣開機過程中，燃氣溫度隨著水溫的升高而升高；PID2調節器的作用是將出口天然氣溫度控制在185 ℃，其輸出為燃氣加熱所需的熱量信號；PID3根據熱水的實際熱量與PID2送來的熱量需求進行比較，計算出溫控調節閥的開度指令。進入加熱器水的熱量Q為熱水的焓值與熱水流量的乘積，焓值與溫度和壓力有關，因此將熱量信號引入調節系統實際上就將引起系統擾動的一個重要因素——熱水溫度也引入了系統，這樣在某一穩定工況下，當熱水溫度變化時反映到其熱量Q也會產生變化（也就是PID3的測量值產生了變化），通過PID3的調節作用使調節閥迅速動作改變流量，實際上是熱水溫度變化時提前動作調節閥改變熱水流量，以減小溫度變化對系統產生的擾動作用。另外，圖中還引入了燃氣流量變化對熱量的補償信號Q1，該值為實際天然氣流量的函數（實際上就是反映機組負荷的變化對該系統的影響，因為機組負荷的變化實際上就是天然氣流量的變化）。

PID1和PID2/3的工作切換：正常運行時，性能加熱器入口溫度通常在220 ℃左右，而PID1的夾點溫度設定值為15～25 ℃，若按PID1進行控制，溫度值必定超過185 ℃，此時PID2的輸出必小于PID1輸出的開度，PID2有效。也就是說，在開機過程中加熱器入口水溫低于200 ℃時，PID1調節器起作用；而正常運行時水溫高于200 ℃（通常在220 ℃）時，PID2調節器起作用。

2 快速整定法的工作步驟

在平時的PID參數整定中，經常會花費很多的時間和精力。下面簡單介紹一下PID調節器最佳參數快速整定法的工作步驟。

（1）被控系統處于“手動”的穩定狀態。

（2）首先整定控制系統內環PID參數：將外環的P設為最小，I最大，即把外環處于開環狀態；將內環PID的I暫時設為最大，然后逐步增大P，此時如內環出現等幅振蕩，則P為最佳臨界值，然后把P稍微減小一點，內環PID調節器的P整定完畢；整定I，逐步減小I，此時如內環反饋出現等幅振蕩，則I為最佳臨界值，然后把I稍微增大一點，內環PID的I整定完畢。此時，內環PID參數整定完畢。

（3）整定外環PID參數：可以先按照單閉環調節器的方法整定，先整定P，把外環的I值設為最大，P值設為最小，逐步增大P，發生小幅振蕩前的參數即為最佳參數；整定I值，外環PID的I值逐步減小，I的最佳狀態為被控對象與設定狀態之間沒有靜差，而且系統不產生大幅振蕩。至此，外環PID參數整定完畢。

3 燃機汽包水位和天然氣溫度控制的典型案例

任何一套自動化控制系統，它的閉環控制調節品質對維系熱力系統平衡運轉都至關重要。設置了同樣的閉環控制回路，而超調量、穩定時間、靜差等調節品質參數不同，對被控對象的操控和工質參數調整效果也會截然不同。下面通過幾個調節品質不佳的案例來進一步認識PID自動調節。

3.1 案例一：鍋爐汽包水位調節失靈

三壓中間再熱型余熱鍋爐，汽包水位調節復雜，特別是冷爐熱機啟動階段水位波動變化很大。據統計，某廠機組投運初期，因汽包水位超限引起的啟動失敗達6次（高壓汽包水位高1次，低壓汽包水位高2次，中壓汽包水位低3次）。因此，汽包水位調節品質的優劣，直接關系到鍋爐的安全運行。

（1）虛假水位現象：某機組啟動，經歷清吹、點火、升速，機組升速至3 000 r/min時，高壓汽包水位由-100 mm快速升高至+288 mm跳閘值，機組跳閘，啟動失敗。經檢查發現，機組在汽機熱態下啟動，鍋爐溫度較低。由于燃機啟動點火后余熱鍋爐的升溫升壓較快，鍋爐內水容積急劇膨脹，引起水位快速升高；此時高壓汽包水位自動調節在低流量、單沖量調節，反應較慢，不能克服快速啟動過程中的“虛假水位”，造成了水位迅速升高達跳閘值機組跳閘。重新調整高壓汽包水位調節閥的調節參數后，滿足機組快速啟動要求，水位調節恢復正常。

（2）調節閥過于靈敏：某機組啟動過程中，負荷升到50 MW，當操作人員進行汽機入口壓力控制（IPC IN）投入操作時，中壓旁路開度由49%快速關小，而中壓過熱器出口壓力調節閥因壓力偏差量大自動切為手動，中壓汽包壓力升高，水位由-30 mm突降至-100 mm。因中壓汽包壓力升高，中壓旁路壓力調節閥快速開啟，使中壓汽包水位從-100 mm快速升至+245 mm，導致中壓汽包水位高高而跳閘。經檢查發現，中壓旁路壓力調節閥關閉速度及打開速度過快，造成中壓汽包壓力波動過大，從而導致中壓汽包水位劇烈波動。三壓中間再熱型余熱鍋爐的中壓汽包容積相對較小，水位的量程也較小，易受壓力等因素影響。因此，在保證中壓旁路快開及快關的前提下，應盡量限制中壓旁路壓力調節閥的開/關速度，加大中過出口壓力調節閥的自動調節范圍，使中壓旁路壓力調節閥的開或關對中壓汽包水位的波動影響降至最小。

3.2 案例二：鍋爐蒸汽溫度調節失靈，減溫水滯后

某機組啟動，高壓缸進汽完成，此時燃機排氣溫度566 ℃，高壓主蒸汽溫度552 ℃，高壓主蒸汽減溫水為自動方式。省調要求盡快將機組的負荷帶至150 MW以上，為了盡快升負荷，值班員退出溫度匹配，同時進行中壓缸進汽操作。負荷上升后，燃機排氣溫度直線上升至640 ℃左右，高壓主蒸汽溫度也不斷上升。值班人員在高壓主蒸汽溫度未出現報警前就發現高壓主蒸汽溫度快速上升，且減溫水調節閥開啟速度太慢跟不上，雖然立即采取措施解除高壓主蒸汽減溫水自動，將減溫水調節閥手動開至100%，并抬高給水壓力至5 MPa（減溫水流量至30 t/h），但由于減溫水作用有一定的滯后，高壓主蒸汽溫度還是上升至591.2 ℃，機組快減負荷至全速空載（FSNL）。分析認為，機組快減負荷至全速空載（FSNL）的原因，是高壓主汽減溫水自動調節沒跟上，使高壓主蒸汽溫度超限。

3.3 案例三：IBH進氣加熱調節閥失控

某廠#2機開機，負荷升至300 MW。在加負荷過程中，由于IBH（燃機進氣加熱控制閥）定位器故障，IBH異常全開，最終導致燃機排氣溫度高跳機。經檢查發現，在IBH控制邏輯中，當IBH實際開度與反饋量差異15%時，IBH將發出強制全開指令。

措施及建議：在不更換現有設備的條件下，將IBH實際開度與反饋量差異15%時全開IBH的邏輯加上延時，這樣可以避免IBH發生故障時自動全開。由于原氣動執行器的定位器為機械式，反饋板與之并非一體，二者配合上會有一定問題，再者機械式定位器不便于檢修調試、精度不高，因此建議對定位器進行改造，采用FLOWSERVE的智能定位器。國內許多電廠已完成IBH定位器改造，運行情況良好，IBH控制閥不再發生失控全開現象。

4 結語

9FA燃機在國內已經有很多年的運行經驗，經過不斷修正與完善，自動系統的投用率有了顯著提高。由于各自動調節系統的投用情況對于機組的穩定經濟運行極其重要，希望本文的分析能使相關從業者對燃機控制系統有更進一步的理解，通過不斷優化和完善，為智慧化電廠的實現打好基礎。