600 MW燃煤機組給水泵自動并退過程控制策略

白永剛， 莊 偉， 孫 惠， 丁 剛， 冷玉柱

(1. 內蒙古岱海發電有限責任公司， 內蒙古烏蘭察布 012000；2. 上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240)

給水泵自動并退控制是實現燃煤機組全程給水以及機組自啟?？刂葡到y(APS)的重要環節，以往由于給水泵并退操作只在機組啟停階段進行，專門針對給水泵自動并退控制的研究較少；隨著APS、深度調峰等在燃煤火電機組中的進一步應用，給水泵自動并退控制也引起了更多的關注。大容量機組給水泵手動并泵操作復雜，易造成汽包水位、鍋爐給水質量流量大幅波動，嚴重影響機組的安全運行，而實現自動并泵功能對減輕運行人員的勞動強度，提高機組的自動化水平及可靠性，具有切實的意義。運行人員只需在分布式控制系統(DCS)畫面點擊“并泵” 和“確認”按鈕，程序將按照設定方案，自動執行并泵過程中涉及的所有操作。

1 設備概況

某電廠二期為2臺600 MW機組，汽輪機型號為N600-16.67/538/538，亞臨界、單軸、三缸四排汽、一次中間再熱、反動式、直接空冷凝汽式汽輪機。該機組額定功率為600 MW，最大連續蒸發量(BMCR)工況功率為634 MW，閥門全開工況功率為655 MW。

給水系統配置3臺50%BMCR容量的電動給水泵，正常運行中2臺運行，1臺備用。給水泵采用FK4E39M型臥式電動給水泵，額定體積流量為1 306 m3/h，出口壓力為22.47 MPa，額定轉速為5 635 r/min。

2 給水泵并退過程的特點

該電廠二期600 MW機組給水系統見圖1。

1—1號給水泵再循環流量測點； 2—1號給水泵最小流量調節閥； 3—1號給水泵最小流量調節閥前電動閥； 4—1號給水泵出口電動閥；5—1號給水泵出口逆止閥； 6—1號給水泵出口流量測點； 7—1號給水泵出口壓力測點； 8—1號給水泵勺管；9—1號給水泵；10—1號給水泵入口流量測點；11—2號給水泵再循環流量測點；12—2號給水泵最小流量調節閥；13—2號給水泵最小流量調節閥前電動閥；14—2號給水泵出口電動閥；15—2號給水泵出口逆止閥；16—2號給水泵出口流量測點；17—2號給水泵出口壓力測點；18—2號給水泵勺管；19—2號給水泵；20—2號給水泵入口流量測點。

圖1 給水系統總圖

機組啟動及低負荷運行時，1臺給水泵運行，待負荷約為330 MW時并入第2臺給水泵；機組高負荷(機組負荷>400 MW)運行時，2臺給水泵并列運行，1臺給水泵備用，待負荷降至370 MW左右時退出第2臺給水泵，保持單泵運行的模式。

2.1 并泵過程

機組帶負荷至330 MW左右時，運行人員開始啟動第2臺給水泵(給水泵熱備時除外)，待給水泵各項參數穩定后，緩慢增加給水泵的勺管直至待并泵與運行泵出力一致(2臺給水泵的入口給水質量流量偏差≤30 t/h，且給水泵出口壓力偏差≤0.1 MPa)。并泵的過程可以細化為以下2個階段：

(1) 待并泵出力前，即給水泵出口母管壓力-待并泵出口壓力>1 MPa，待并泵還未真實出水，其出口逆止閥關閉，給水泵最小流量調節閥及調節閥前電動閥均保持全開狀態。此時，運行人員或并泵程序將以較快的速度增加待并泵的勺管開度至40%，在升速過程中，當給水泵出口母管壓力-待并泵的出口壓力<2 MPa時，開出口電動閥，然后繼續升速直至待并泵穩定出水。

(2) 待并泵穩定出水至并泵完成階段，此過程的起點為待并泵穩定出水，即給水泵出口母管壓力-待并泵出口壓力<1 MPa，且待并泵出口給水質量流量穩定在50 t/h以上，終點為待并泵與運行泵出力一致(2臺給水泵的入口給水質量流量偏差≤30 t/h，且給水泵出口壓力偏差≤0.1 MPa)。此過程中待并泵繼續緩慢增加勺管開度至52%，當待并泵出口壓力略大于給水母管壓力，且待并泵入口給水質量流量>給水泵運行的最小安全質量流量(200 t/h)時，逆止閥被沖開，給水泵最小流量調節閥根據程序設置的回滯函數慢慢關閉， 此時給水母管流量會發生階躍性增加，運行人員或并泵程序須快速減小運行泵的勺管開度以保證給水質量流量的穩定。 待并泵穩定出水后，其勺管開度增加的速度應與汽包水位及鍋爐給水質量流量的變化相適應，同時運行泵勺管的閉環控制應兼顧快速性與準確性，以確保并泵時機組安全穩定運行。

2.2 退泵過程

機組從高負荷降至350 MW左右時，運行人員開始進行退泵操作，緩慢減少待退泵的勺管開度，運行泵繼續保持閉環控制模式。當待退泵入口給水質量流量<400 t/h時，最小流量調節閥將根據程序設置的回滯函數慢慢開啟，當待退泵入口給水質量流量接近泵的跳閘保護質量流量(<220 t/h)時，最小流量調節閥以較大的速率開啟至100%，此時應快速增加運行泵的勺管開度以保證給水質量流量的穩定。

給水泵出口母管壓力-待退泵出口壓力>0.5 MPa時，逆止閥關閉，待退泵的最小流量調節閥及調節閥前電動閥均保持開啟狀態，待退泵已經不出力，此時運行人員或退泵程序可以快速將待退給水泵的勺管開度減至目標值，同時將給水泵的手操站切至“MANU”模式，至此，退泵操作基本完成。

3 自動并退邏輯設計的實現

3.1 給水控制基本策略

該電廠二期機組給水控制采用全程自動的方式，主要分為以下4個階段[1]：

(1) 鍋爐上水完成后，旁路調節閥(簡稱旁閥)投自動控制汽包水位(單沖量)，給水泵控制壓差(給水母管壓力-汽包壓力)，壓差設定隨鍋爐負荷變化。

(2) 負荷升到180 MW時，旁閥控制汽包水位由單沖量切為三沖量控制。

(3) 負荷升到200 MW時，給水泵由壓差控制轉為汽包水位控制，旁閥控制由汽包水位控制轉為壓差控制。

(4) 隨著負荷增加，給水旁路在250 MW切主路，主路、旁路按1∶4速率(給水主路調節閥(簡稱主閥)開大1%，給水旁路調節閥關小4%)進行切換，當旁閥全關時切換完成，切換過程將負荷變化率置為0，當切換完成主閥投自動，主閥控制壓差。

機組并退泵的操作在第4階段進行，此時汽包水位由給水泵的勺管控制，控制策略采用串級三沖量控制的典型設計。

3.2 自動并泵回路設計

3.2.1 并泵升速回路

機組從低負荷升至330 MW左右，且滿足自動并泵的允許條件時，運行人員或者機組APS發出第2臺給水泵并入指令，并泵程序將啟動待并泵，待并泵各項參數穩定后，根據邏輯中的升速回路自動增加給水泵的勺管開度[2]，并泵升速回路邏輯見圖2。

圖2 并泵升速率回路邏輯

從圖2可以看出：給水泵出口母管壓力-待并泵出口壓力<2 MPa時，以待并泵出口壓力與母管壓力的差經函數發生器計算后的結果作為待并泵增加勺管開度升速率。

給水泵出口母管壓力-待并泵出口壓力<2 MPa時，以下3個速率中的最小值作為待并泵勺管開度的最終升速率：

(1) 3臺給水泵質量流量指令偏差絕對值中大值經過函數發生器計算，得到升速率1。

(2) 汽包水位偏差絕對值經過函數發生器計算，得到升速率2。

(3) 待并泵出口壓力與母管壓力的差經函數發生器計算，得到升速率3。

同時，為防止并泵過程中鍋爐給水質量流量突增的現象，并泵程序對勺管開度的速率變化也進行一定的限制，即在勺管開度速率增加時其速率的變化率為0.05 %/s，速率減少時其速率為100 %/s。

在升速過程中，給水泵出口母管壓力-待并泵出口壓力<2 MPa時，開待并泵出口電動閥。

3.2.2 待并泵流量偏置歸零回路

待并泵出口門開啟后，繼續增加勺管開度直至給水母管壓力-待并泵出口壓力<0.1 MPa，此時逆止閥被沖開，電動給水泵出口質量流量穩定在50 t/h，表明待并泵已穩定出水；待并泵電動給水泵立即停止開環升速，延時5 s后，待并泵自動投入自動，其流量偏置以20倍的電動給水泵升速率慢慢歸零(見圖3)[3]。

圖3 待并泵流量偏置歸零邏輯圖

當待并泵流量偏置歸零后觸發并泵完成，并泵完成信號為：(1)待并泵出口壓力比給水泵出口母管壓力大；(2)出口電動閥全開；(3)待并泵質量流量偏置為±10 t/h；(4)待并泵投自動，并參與控制汽包水位。

3.2.3 并泵過程最小流量調節閥控制

在并泵過程中，待并泵的最小流量調節閥最初保持全開，當待并泵真實供水，自動按設定的關閉函數關系(見圖4)逐漸關閉最小流量調節閥。為避免并泵過程中給水泵入口質量流量變化造成最小流量調節閥頻繁動作，采用回滯函數控制方法，具體邏輯見圖5。

f(x1)—給水泵最小流量調節閥的關閉曲線；f(x2)—給水泵最小流量調節閥的開啟曲線。

圖4 最小流量閥的流量-開度曲線

圖5 最小流量調節閥控制邏輯

3.2.4 并退過程中汽包水位控制

并泵過程中汽包水位仍然采用串級三沖量的控制邏輯，針對待并泵出水瞬間，鍋爐給水質量流量階躍增加的情況，專門設置相應的變參數回路(見圖6)。

由圖6可以看出：當并泵程序開始執行，且待并泵出口質量流量>50 t/h(待并泵真實出水)時，并泵程序自動投用汽包水位主控副調PID的變參數回路；當退泵程序開始執行，且待退泵出口質量流量<330 t/h(待退泵最小流量調節閥開啟)時，退泵程序自動投用汽包水位主控副調PID的變參數回路。

圖6 汽包水位主控變參數回路觸發回路

3.3 自動退泵回路

機組從高負荷降至350 MW左右，且滿足自動退泵的允許條件時，運行人員或者機組APS發出第2臺給水泵退出指令，退泵程序將根據邏輯中的退泵速率回路自動降低給水泵的勺管開度，待退泵保持閉環控制模式，退泵結束后，APS自動啟動待退泵停止功能子組。退泵過程中的最小流量調節閥及汽包水位主控的控制邏輯與并泵過程類似，在此不進行詳細敘述。

3.4 自動并退過程中的注意事項

(1) 并泵過程中，待并泵出力瞬間，最小流量調節閥根據回滯函數自動關閉，此時鍋爐給水質量流量會突增，為避免水流量階躍變化對汽包水位的影響，并泵程序應自動增大汽包水位主控副調PID的比例增益、減少積分時間從而使運行泵快速下調出力。

(2) 退泵過程中，當待退泵入口給水質量流量接近泵的跳閘保護質量流量(<220 t/h)時，最小流量調節閥以較大的速率開啟至100%，此時鍋爐給水質量流量出現較大幅度的減少，自動退泵程序應自動增大汽包水位主控副調PID的比例增益、減少積分時間從而使運行泵的勺管開度迅速增大以維持鍋爐給水質量流量及汽包水位的穩定。

(3) 最小流量調節閥電磁閥的聯鎖開、關的流量定值不應設置得過于鄰近，否則當給水自動調節幅度較大時，會導致最小流量調節閥頻繁動作，引起給水質量流量階躍性大幅度變化，進而引起汽包水位的大幅波動。因此，最小流量調節閥電磁閥的聯鎖定值應兼顧對給水泵的保護及自動并退過程的實用性。

4 自動并退程序應用效果分析

圖7為自動并泵程序的應用效果曲線。

圖7 自動并泵過程中相關參數的變化曲線

由圖7可以看出：在23:12:19時，自動并泵程序開始啟動，待并泵的勺管開度為30%，此時給水泵出口母管壓力- 待并泵出口壓力>2 MPa，逆止閥關閉，待并泵還未出水，并泵程序緩慢增加勺管開度至35%；在23:19:27時，待并泵出口壓力略大于給水母管壓力，待并泵逆止閥被沖開，最小流量調節閥根據回滯函數自動關閉，待并泵真實出水，此時鍋爐給水質量流量增加，待并泵增勺管開度速率降低，運行泵快速增加勺管開度至47.3%，鍋爐給水質量流量回調，此后待并泵自動投自動并開始流量偏置歸零的過程，直至待并泵與運行泵出力一致。

采用自動并泵程序進行并泵，整個過程耗時≤10 min，鍋爐給水質量流量波動≤70 t/h，且持續時間<3 min，汽包水位波動≤±60 mm。

圖8是自動退泵程序的應用效果曲線。

圖8 自動退泵過程中相關參數的變化曲線

由圖8可以看出：在22:48:50時，自動退泵程序開始啟動，待退泵緩慢減少勺管開度，當待退泵入口給水質量流量<400 t/h時，最小流量調節閥將根據程序設置的回滯函數慢慢開啟，當待退泵入口給水質量流量接近泵的跳閘保護質量流量(<220 t/h)時，最小流量調節閥以較大的速率開啟至100%，22:50:58鍋爐給水質量流量出現

較大幅度的減少，運行泵通過自身的閉環回路快速增加勺管開度，22:51:33鍋爐給水質量流量開始回調；待退泵勺管開度繼續減少，22:51:40待退泵出口壓力-給水泵出口母管壓力<0.2 MPa，逆止閥關閉，最小流量調節閥完全開啟，待退泵已經不出力，至此，退泵已基本完成。

采用自動退泵程序進行退泵，整個過程耗時≤8 min，鍋爐給水質量流量波動≤75 t/h，且持續時間<1.5 min，汽包水位波動≤±50 mm。

5 結語

(1) 給水泵自動并退程序可以實現鍋爐給水泵并退的全程，大大減輕運行人員的操作強度。

(2) 給水泵自動并退程序設計簡單，應用效果良好。

(3) 給水泵自動并退程序的設計貼近實際，在擬合運行人員常規并退泵操作方式的基礎上進一步進行了優化，大大增強了并退程序的適應性。