給水泵最小流量再循環閥控制方法的改進

王志強，李忠杰，李金鋮

(1.河北省電力研究院，石家莊 050021；2.河北西柏坡發電有限責任公司，石家莊 050400；3.河北科技大學，石家莊 050021)

超臨界機組給水泵為多級離心泵，其入口為經過給水泵前置泵升壓的中壓給水，中壓給水接近飽和，當給水泵低于最小流量運行時，泵體摩擦的發熱量不能被給水帶走，使泵內溫度升高，當泵內溫度超過泵所處壓力下的飽和溫度時，給水就會發生汽化，造成給水泵汽蝕。為此，在給水泵出口至除氧器之間設置再循環系統。給水泵再循環系統由再循環管、最小流量再循環閥(簡稱“再循環閥”)和再循環調節閥前、后閥門組成。當給水泵低于最小流量運行時，通過再循環系統增加給水泵的入口給水流量，保證給水泵的安全運行；當給水泵流量大于最小流量并有一定余量時，關閉再循環閥，以提高經濟性。

1 給水泵的安全工作區

給水泵最小流量定值，根據各給水泵運行特性曲線確定，給水泵必須運行在特性曲線的安全工作區，給水泵運行特性曲線見文獻[1]。考慮給水泵運行的不同工況，在給水泵投運或機組運行在低負荷期間，為了使泵工作在安全區，必須由再循環閥來保證流過給水泵的最小流量。[1]

2 再循環閥控制方法及存在的問題

再循環閥的控制方法一般分為開關式控制和連續式控制：前者通常用于小容量機組；對于大容量或超臨界機組為保證給水流量調節的穩定及提高經濟性，再循環閥控制應采用連續式控制。常規的再循環閥連續控制方法有PID調節控制和單一曲線函數控制。

2.1 PID調節控制

PID調節使用單沖量、閉環反饋控制再循環閥，給水泵入口流量與設定值偏差輸入PI調節器，再循環閥為PI調節器控制對象，從而實現最小流量的連續控制。

再循環閥工作在高溫、高壓且前后壓差大的工況中，頻繁調整可能導致閥門故障。此控制方法為連續控制，能夠保證給水泵安全運行，但再循環閥的頻繁調整，增加了再循環閥故障率；同時，再循環閥的開度變化，會影響鍋爐給水流量，從而影響鍋爐給水自動的調整，嚴重時可能造成給水自動控制發散，影響機組運行安全。

2.2 單一曲線函數控制

設一個單一曲線函數F(x)，由F(x)直接給出給水泵入口流量和再循環閥開度指令的關系。采用該控制方法在機組運行過程中閥門動作頻繁，幅度較大，在閥門的開關瞬間會引起給水流量的大幅波動，而流量的波動又影響閥門的動作，既不利于給水泵的安全經濟運行，也會使整個給水系統振蕩[2]。

以FK6F32M型給水泵為例，其最大出口流量為690.35 t/h，給水泵單一函數F(x)曲線見圖1。

圖1 單一函數F(x)曲線

3 再循環閥控制原則

再循環閥控制的基本原則為，避免給水泵低于最小流量運行，保證給水泵自身安全可靠運行；流量測點實際使用過程中為連續變化量，且會受環境影響出現波動情況，控制方法應可以屏蔽流量小幅波動造成的再循環閥調整，避免再循環閥開度隨流量波動，降低再循環閥故障率。控制再循環閥調整給水泵再循環流量的同時，鍋爐給水流量隨之發生的變化，影響鍋爐給水自動控制，再循環閥的自動控制應盡可能減小對鍋爐給水自動控制的影響。

4 控制方法的改進

4.1 回滯函數控制方法

此控制方法基于回滯函數控制再循環閥門開度，根據給水泵的運行安全區域，確定再循環閥的關閉和開啟方向函數F1(x)和F2(x)，隨著再循環流量的增加，F1(x)給定閥門關閉方向的開度；隨著再循環流量的減小，F2(x)給定閥門開啟方向的開度。F1(x)與F2(x)之間的間隙區域為再循環閥關閉與開啟方向轉換過程中的間隙大小，在該間隙范圍的流量變動不改變閥門開度，相當于給再循環閥的控制特性增加了具有非線性的間隙環節，間隙特性可消除流量測量誤差以及給水流量波動對再循環閥控制的影響，避免再循環閥的頻繁調整，影響鍋爐給水流量，提高了給水系統的穩定性，有利于給水自動控制穩定運行；再循環閥調整次數減少，使閥門的故障率降低。間隙特性環節由F1(x)和F2(x)組成，控制曲線見圖2，控制的邏輯實現，見圖3。[3]

圖2 回滯函數控制曲線

圖3 回滯函數控制方法的部分邏輯

實際應用中，根據給水泵的運行安全區域初步確定F1(x)，且F1(x)應大于再循環閥開啟保護特性函數(給水泵廠提供),以保證給水泵的安全運行。給水泵設有入口流量低于190 t/h時聯開再循環閥聯鎖，F1(x)對應閥門全開位置的流量應大于190 t/h，并保留間隙特性所需余量，因此確定F1(x)對應閥門全開位置的流量220 t/h；給水泵要求流量大于400 t/h時聯關再循環閥，依次確定F1(x)對應閥門全關位置的流量400 t/h，最終確定函數F1(x)，見表1。

表1 F1(x)在函數邏輯塊中的參數設置

注：x為給水泵入口流量；F1(x)為再循環閥門開度。

F2(x)應根據給水泵各種工況入口流量測點的波動值δ(x)及F1(x)選取，可參照公式(1)確定F2(x)，以防止再循環閥頻繁調整對給水流量造成大的擾動，同時不影響機組經濟行。

F2(x)=F1(x)+δ(x)+b(x)

歷史文化名城形成的主要影響因素是地理條件、政治軍事地位、經濟發展。一定的歷史活動總是在一定的地域上展開的，城市的形成與發展也離不開地理條件，包括山川形勝、水陸交通、土壤氣候等。政治軍事地位影響城市的等級和規模，城市規模的大小往往同城市政治行政地位的高低成正比，政治地位的升降通常也意味著城市的盛衰。經濟基礎決定上層建筑，在歷史文化名城的形成過程中，經濟因素是內在的動力。文化昌明之區，必是繁榮富庶之地。歷史文化名城盡管興衰殊途，但都必然有過一時或數代之盛，城市經濟的發展為文化積累打下了深厚的物質基礎。

(1)

式中：δ(x)為給水泵入口流量測點的波動值隨入口流量變化的函數，應通過試驗測量流量測點在各種流量下的實際波動值得到；b(x)為給水泵入口流量波動時，保證再循環閥不作調整的安全余量函數，設置中隨給水泵入口流量而增加，與泵的額定流量成比例，可根據泵的運行情況修改參數。最終確定的函數F2(x)，見表2。

表2 F2(x)在函數邏輯塊中的參數設置

4.2 增大單一函數曲線死區

在單一線性函數控制方法的基礎上，增大流量變量的相應死區，以避免流量波動引起再循環調門頻繁調整，減少給水流量的波動。

采用單一曲線函數F(x)，增大流量變量的死區a，相當于將函數F(x)左右平移，形成兩條新的曲線F(x+a)、F(x-a)，假設流量為x1，閥門開度為F(x1)，當流量在死區范圍內(x1-a和x1+a之間)波動時，閥門開度始終保持為F(x1)；當流量大于x1+a并持續增大時，閥門開度按F(x-a)曲線調整；若流量小于x1-a并持續降低時，閥門開度按F(x+a)曲線調整，控制曲線見圖4。

圖4 增大死區的單一函數曲線

由于死區的影響，降低了系統的跟蹤精度。另外，當系統輸入端存在較小擾動信號時，可以減小擾動信號的影響。此方法控制邏輯簡單，參數設置方便。

給水泵的再循環閥控制單一函數,根據各給水泵的運行特性曲線選取，也可根據給水泵運行說明書中給定的再循環閥參數增加一定安全余量設置。

死區的選擇應根據給水泵入口流量測點的波動情況，取各種工況流量波動最大值。

5 改進方法的應用及效果

單一曲線函數增大死區控制方法參數設置見圖4。回滯函數控制方法參數設置見圖2。2種改進的再循環閥控制方法在汽動給水泵中應用效果見圖5、圖6。2種改進的給水泵再循環閥控制方法均能實現再循環閥自動控制，給水泵入口流量小于200 t/h或大于400 t/h時，再循環流量分別保持最小流量發的全開或全關狀態；當給水泵入口流量在200～400 t/h時，2種控制方法分別根據自身函數調整，回滯函數組成的非線性間隙區間及單一曲線函數的死區均能良好控制再循環閥不受給水泵入口流量小幅波動及環境干擾的影響，再循環閥開度無波動現象。

再循環閥調整過程中對鍋爐給水自動干擾較PID控制方法及單一函數控制方法有明顯改善；2種控制方法能適應機組正常運行，啟、停機及負荷、給水流量大幅波動時的極端工況，確保給水泵的安全運行。

圖5 增大死區的單一函數流量閥門開度控制曲線

圖6 回滯函數流量閥門開度控制曲線

給水泵廠家要求再循環閥全開情況下，入口流量大于400 t/h時全關再循環閥，在自動控制中再循環閥全關時對應的流量點可以相應減小，以不超出泵的安全工作區域為限。

減小再循環全關時對應的流量點可以減小對應泵入口流量的再循環流量，有利于提高機組經濟性，但這樣會使調整函數斜率的絕對值增加，對應流量變化再循環閥開度調整量增加，對鍋爐給水自動影響加大，實際應用中可以根據鍋爐給水自動調節性能，在保證鍋爐給水自動調節穩定和不超出泵的安全工作區域的基礎上，降低再循環閥全關時對應的流量點，以提高機組經濟性。

6 結束語

單一曲線函數增大死區控制方法參數設置簡單，但單一死區設置缺乏靈活性，不能根據流量變化改變調節死區；回滯函數控制方法參數設置較單一曲線函數增大死區控制方法復雜，但調節過程中可以根據流量變化設置不同的死區。對于某些流量測點，測點的波動量隨實際流量的變化而變化，這時，設置非線性的死區提高了調節的靈活性和精度。

對于流量波動值不隨流量變化的給水泵流量測點建議采用單一曲線函數增大死區控制方法，可以簡化邏輯；相反，則采用回滯函數控制方法，以適應流量測點波動值的變化，提高控制的精度。2種控制方法在調節再循環閥的過程中仍會造成給水泵入口流量變化，影響鍋爐給水流量，但較PID控制方法及單一函數控制方法有明顯改善。應用過程中，在保證鍋爐給水自動調節穩定和不超出泵的安全工作區域的情況下，減小再循環閥全關時對應的流量點可以減小對應泵入口流量的再循環流量，有利于提高機組經濟性。

[1] 賴加良，戈黎紅.超臨界機組給水泵最小流量控制方法的改進[J].發電設備，2009(5):358-360.

[2] 孫 津，汪 蓉，金國強.回滯函數法在防止給水泵汽蝕中的應用[J].熱力發電，2009,38(12):95-97.

[3] 胡壽松.自動控制理論[M].北京：北京科學出版社，2004.

本文責任編輯：王洪娟