基于間隙特性函數的給水泵最小流量控制系統研究

袁俊文,宿海濤,陳　勇,張富柱,史少涵

(1.黑龍江省電力科學研究院,哈爾濱 150030; 2.國電科學技術研究院,南京 210023; 3.國網哈爾濱供電公司,哈爾濱 150000; 4.黑龍江省電力有限公司檢修公司,哈爾濱 150090)

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基于間隙特性函數的給水泵最小流量控制系統研究

袁俊文1,宿海濤1,陳勇2,張富柱3,史少涵4

(1.黑龍江省電力科學研究院,哈爾濱 150030; 2.國電科學技術研究院,南京 210023; 3.國網哈爾濱供電公司,哈爾濱 150000; 4.黑龍江省電力有限公司檢修公司,哈爾濱 150090)

介紹了給水泵系統最小流量閥的技術特性以及控制原則,分析了常用最小流量閥控制方法存在的問題,提出一種基于間隙特性函數的控制方案。試驗結果表明:采用間隙特性函數控制給水泵最小流量閥,能消除流量小幅波動對閥門開度的影響,提高機組的安全經濟運行。

給水系統;最小流量閥;控制原則;間隙特性函數

給水泵是火電機組的重要輔機之一,保證其安全直接關系到機組運行的安全。為了防止給水泵發生汽蝕而影響給水泵的正常安全運行,必須滿足給水泵的有效汽蝕余量不小于必需汽蝕余量,二者均與給水泵的流量相關。采用最小流量再循環工藝是防止汽蝕的主要措施,因此最小流量再循環閥的控制就關系到給水泵的安全運行[1]。文獻[2]分析討論了給水泵最小流量及泵和再循環閥的防汽蝕問題,從硬件方面提出了對給水泵最小流量控制系統的改進;文獻[3]在分析給水泵最小流量閥控制方法存在問題的基礎上提出了二種改進的控制方法。本文針對現有給水泵最小流量閥控制方法存在的問題進行了分析,提出一種基于間隙特性函數的控制方案,以實現對給水泵最小流量閥的有效控制,提高機組的安全經濟運行。

1　給水泵最小流量控制系統分析

1.1給水泵工作安全區

給水泵壓力-流量特性[4]如圖1所示。

圖1　給水泵壓力-流量特性

為了保證鍋爐和泵的安全經濟運行,泵必須工作在泵的上限特性Qmin、下限特性Qmax、鍋爐允許最高給水壓力Pmax和最低給水壓力Pmin以及泵的最高轉速nmax和最低轉速nmin包圍的區域,該區域稱為泵的安全工作區。在給水流量控制的過程中必須保證泵的工作點在安全工作區內:當工作點進入上限特性曲線之外時,打開泵出口至除氧器再循環管上的最小流量再循環閥;當工作點進入下限特性曲線之外時,關小管路的給水調節閥,提高給水泵轉速。

1.2給水泵最小流量閥的控制原則

最小流量閥的控制方法一方面要能克服由于給水泵入口流量的小幅波動引起閥門的頻繁動作,而增加閥門發生故障的概率,另一方面應減少由于最小流量閥的頻繁動作而引起給水流量的波動進而影響到鍋爐給水自動調節。因此,最小流量閥的控制最終要保證給水泵的安全可靠運行以及整個給水調節系統的穩定。

2　常規最小流量閥控制策略

2.1PI調節器控制

該控制方式以給水泵入口流量與流量設定值做偏差后作為PI控制器的輸入,最小流量閥作為被控對象,從而實現最小流量的連續控制。控制邏輯如圖2所示。

圖2　最小流量閥PI控制邏輯圖

由于最小流量閥工作在高溫、高壓以及前后差壓較大工況下,頻繁的動作調整會增加閥門發生故障的概率。而該PI調節控制的方法雖能保證給水泵的安全可靠運行,防止汽蝕造成給水泵的損壞,但是,由于PI調節器連續控制的特點決定了最小流量閥會隨著流量的波動而頻繁的動作,增加閥門動作概率。另外,最小流量閥的頻繁動作會影響到鍋爐給水流量自動調節效果,進而影響機組的穩定運行。

2.2單一折線函數調節控制

最小流量閥開度隨給水泵入口流量變化的關系曲線F(x)如圖3所示。

圖3　最小流量閥單一折線函數控制曲線

在給水泵運行過程中,該控制方法對最小流量閥的調節幅度較大,且使其動作頻繁,在最小流量閥打開或關閉的瞬間容易引起給水流量的波動,影響給水自動調節。

3　改進的最小流量閥控制策略

3.1間隙特性函數調節控制

對糞水進行第三次固液分離，SS去除率高達90%以上。將污泥池中的水抽入到絮凝箱中，加入PAM（聚丙烯酰胺）進行攪拌，使泥水分離，然后經過疊螺機將污泥壓干（污泥堆肥），出水則流入預沉淀池進行沉淀，之后出水流入預曝氣池[2]。

3.1.1函數的間隙特性

間隙特性[5]是實際系統中常見的非線性因素,為非單值函數y=f(x):

y分段確定增益,其間隙特性如圖4所示。

圖4　回滯函數間隙特性曲線

由于間隙特性的存在,因此系統的跟蹤精度有所降低,但間隙特性會對系統輸入端存在的干擾信號起到一定的抑制作用。另外,間隙特性函數的非單值性決定了函數的輸出不僅與輸入值有關,而且還與輸入值的方向有關。

3.1.2間隙特性函數的確定

根據給水泵的運行安全區域以及給水泵流量保護定值確定最小流量閥的關閉方向函數F1(x)和開啟方向函數F2(x)。隨著給水泵入口流量的增加,最小流量閥的開度將由關閉方向函數F1(x)決定;隨著給水泵入口流量的減小,最小流量閥的開度將由開啟方向函數F2(x)決定。間隙特性環節由F1(x)和F2(x)組成,給水泵入口流量在該范圍內變化時,最小流量閥開度保持不變。最小流量閥間隙特性控制曲線如圖5所示。

圖5　最小流量閥間隙特性控制曲線

關閉方向函數F1(x)與開啟方向函數F2(x)表達式分別為:

(1)

(2)

實際應用中,F1(x)應大于最小流量閥開啟保持特性函數,即Q2應大于給水泵廠家提供的最小流量閥聯鎖打開的流量值,并且保持間隙特性所需余量。Q4為給水泵廠家提供的最小流量閥聯鎖關閉的流量值。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)來確定,其中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,可通過試驗測量流量測點在各種流量下的實際波動值得到。

間隙特性函數由F1(x)和F2(x)組成。Q1、Q2、Q3、Q4四點流量值選擇的恰當與否,將關系到最小流量閥動作是否頻繁,從而是否有利于給水泵的安全運行以及給水自動控制的穩定,因此適當選擇間隙特性函數至關重要[6]。

3.2最小流量閥的控制邏輯

結合俄羅斯特羅伊茨克國營電站10號660 MW超臨界機組給水泵最小流量閥控制系統,分析其控制邏輯,如圖6所示。

圖6　給水泵最小流量閥控制邏輯圖

在控制邏輯圖6中,F1(x)和F2(x)為間隙特性控制函數,接受給水泵入口流量信號。F1(x)和F2(x)函數輸出經過小選大選運算后得到最小流量閥的閥位開度指令。函數F3(x)作用是保護最小流量閥,間隙特性函數輸出的閥位開度指令在大于20%時,函數F3(x)才會有等值輸出,控制最小流量閥的開度。這是因為最小流量閥兩側存在較大的差壓(給水泵出口壓力與除氧器壓力之差),在閥門開度小于20%時,較大的差壓將會對閥門閥芯產生強烈沖刷,損壞閥門,所以函數F3(x)輸出經過限速作用后去控制閥門的開度。另外,控制邏輯中增加最小流量閥的保護開和保護關邏輯,該保護優于最小流量閥的手動、自動控制[7]。

3.3試驗分析

將間隙特性函數控制策略應用于俄羅斯特羅伊茨克國營電站660 MW超臨界機組給水泵最小流量閥的控制,控制過程曲線如圖7所示。給水泵的額定流量為1253.3 t/h,給水泵要求入口流量小于375 t/h時打開最小流量循環閥,入口流量大于605 t/h時關閉最小流量循環閥。

圖7　間隙特性函數控制的最小流量閥開度變化曲線

由圖7可以看出,改進的控制方法能實現最小流量閥的自動控制,在給水泵入口流量小于390 t/h或大于605 t/h時,最小流量循環閥能保持打開或關閉狀態;當給水泵入口流量在390～605 t/h之間時,間隙特性函數能較好地控制給水泵入口流量小幅波動對最小流量閥的影響。

4　結　語

給水泵最小流量閥對超臨界機組給水系統的正常運行起著至關重要的作用。而且運行試驗結

果表明,采用間隙特性函數控制給水泵最小流量閥開度可靠,能夠保證給水泵的安全運行和避免給水泵發生汽蝕。

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(責任編輯郭金光)

Research on the minimum flow control system of feed water pumpbased on gap characteristic function

YUAN Junwen1, SU Haitao1, CHEN Yong2, ZHANG Fuzhu3, SHI Shaohan4

(1.Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China; 2.Guodian Science Technology Research Institute,NARI Group, Nanjing 210023, China; 3.State Grid Harbin Power Supply Company, Harbin 150000,China;4.Heilongjiang Electric Power Company Limited Maintenance Company, Harbin 150090, China)

This paper introduced the technical characteristics and the control principle of the minimum flow valve of feed water pump system, analyzed the problems of the control methods of the common minimum flow valve, and proposed the control scheme based on gap characteristic function. The test results show that the minimum flow valve of feed water pump controlled by gap characteristic function can eliminate the influence of the small fluctuation of flow on the valve opening, so as to improve the safe and economic operation of the unit.

feed water pump system; the minimum flow valve; control principle; gap characteristic function

2016-03-16;

2016-04-11。

袁俊文(1982—),男，碩士研究生,工程師,主要從事熱工自動化技術方面的研究工作。

TK223.7+5

A

2095-6843(2016)04-0363-04