燃機電廠高壓汽包水位自動控制優化淺析

阮雷鈞，趙永利，金智偉，胡方明

（1.浙江浙能長興發電有限公司，浙江 長興 313100；2.華能桐鄉燃機熱電有限責任公司，浙江 桐鄉 314513；3.杭州中興達科技有限公司，杭州 310052）

0 引言

華能桐鄉天然氣熱電聯產項目位于浙江省桐鄉市，以給臨杭經濟區供熱為主，發電調峰為輔。本項目新建兩套阿爾斯通E級燃氣-蒸汽聯合循環一拖一多軸供熱機組，其中#1機組為抽凝機組，即一部分沒有做完功的蒸汽從汽輪機的抽汽口抽出送至熱用戶，另一部分至低壓缸繼續做功后排入凝汽器凝結成水，再回到余熱鍋爐。這種機組的電熱相互調整性比較好，但在熱負荷需求較大的情況下，不能滿足熱用戶的要求。#2機組為背壓機組，即機組中沒有低壓缸及凝汽器，在啟動過程中，通過15%容量的啟動旁路將蒸汽排入#1機組的凝汽器。當蒸汽參數滿足背壓汽輪機沖轉條件后，開始啟動背壓汽輪機，中壓缸排汽全部供給熱用戶。這種機組供熱能力明顯比抽凝機組強，所以背壓機組的經濟性最好。另外，兩套機組的高中低壓過熱器出口均通過母管相連，交叉運行方式要比單元制機組更為靈活；旁路亦采用母管制，保證任一機組跳機時，能夠回收工質，并且背壓機側增加一臺真空除氧器，背壓機組可以單獨運行，抽凝機不必熱備用；余熱鍋爐低壓汽可在背壓機單獨運行時關閉，解決了背壓機不能利用低壓汽的問題。

桐鄉燃機控制系統（TCS）采用ALSTOM CONTRO GAS控制系統，汽輪機、余熱鍋爐、公用系統、電氣系統與輔網系統均采用美國艾默生公司的Ovation 3.5.0控制系統（覆蓋MCS、SCS、DEH、ETS、ECS等系統）。余熱鍋爐為杭州鍋爐集團股份有限公司生產的NG-GT13E2-R型三壓、無補燃、臥式、自然循環、鏡像布置的余熱鍋爐。余熱鍋爐各參數如下：①高壓蒸汽流量：220.6t/h；②高壓蒸汽出口壓力：7.633Mpa；③高壓蒸汽出口溫度：503.2℃；④中壓蒸汽流量：50.2 t/h；⑤中壓蒸汽出口壓力：1.28MPa；⑥中壓蒸汽出口溫度：300.4℃；⑦低壓蒸汽出口壓力：0.22MPa；⑧低壓壓蒸汽出口溫度：171.9℃。

在鍋爐啟動初期，運行人員必須密切注意汽包水位的變化，維持汽包水位在正常范圍內。隨著溫度的上升，汽包壓力的升高，汽包液位會從啟動液位逐漸膨脹上升至接近汽包中心線。正常運行時，水位自動調節回路將通過引入蒸汽流量、給水流量和汽包水位為變量的三沖量PI運算，輸出控制信號，自動控制氣動給水調節閥的開度，改變進入省煤器的給水流量，以平衡汽水流量和補償水位的變化。在余熱爐正常運行期間，高壓給水系統通過高壓給水泵勺管控制給水壓力，通過上水調門控制給水流量，以此來實現對高壓汽包水位的調節。

桐鄉燃機高壓給水系統設計有兩臺高壓給水泵，通過對高壓給水泵勺管的調節控制高壓給水泵轉速，最終達到控制高壓汽包水位的目的。兩臺高壓給水泵互為備用，正常工況下一用一備。在整個給水控制系統中，高壓給水泵調節汽包水位控制設計有單沖量和三沖量兩套控制結構。高壓給水泵液力偶合器的勺管位置變化由高壓主汽流量決定，當運行高壓給水泵勺管自動投入后，將根據當前主汽流量值自動進行調節，當高壓主蒸汽流量＜40t/h時，采用單沖量控制；當高壓主蒸汽流量＞50t/h時，采用三沖量控制。該調節器輸出為高壓給水泵勺管指令。這種控制方式產生的問題是在機組啟動階段，主汽流量值很小，如果高壓給水泵在自動情況下運行，那么勺管的開度可能被限制在很小的位置，此時如果汽包水位降低，給水調門會逐漸開大，但由于高壓給水泵勺管位置沒有發生變化，那么給水流量也就無法繼續增加。所以就必須將勺管自動切除，采用手動方式改變高壓給水泵勺管位置，特別在汽水品質較差時，加強汽包排污必不可少，在蒸汽流量沒有發生改變的情況下，高壓給水泵勺管自動就無法投入運行。另外，一旦主汽流量增加，液力偶合器勺管開度會隨著流量的增加而上升，但如果此時高壓汽包水位處在比較高的情況，而中壓汽包水位處于較低的情況，那么控制的矛盾就非常突出。

圖1 高壓給水泵流量特性圖Fig.1 Flow characteristic diagram of high pressure feed pump

由于設計采用高壓給水泵控制高壓汽包水位，那么如何來協調高壓給水泵液力偶合器勺管的位置變化與高壓給水調門開度的變化是最關鍵的問題。根據現場運行情況，桐鄉燃機改變了原來的運行思路，將給水控制邏輯修改為：將高壓汽包壓力信號引入邏輯控制，同時增加液力偶合器設定塊輸出，利用高壓給水母管壓力與汽包的差壓作為高壓給水泵液力偶合器勺管調節的最終目標，并配以高壓給水調門的輔助調節，有效地解決了高壓給水泵勺管和高壓給水調門的雙重調節所帶來的不確定因素。綜合考慮節能增效與提質增效等因素，現針對高壓汽包水位自動控制進行優化，優化后控制方案為：高壓給水泵控制高壓汽包水位，高壓給水調閥控制給水母管壓力。

1 高壓給水泵優化后的控制方案

1）控制目的

通過改變進入汽包的給水流量來維持汽包水位為設定值。

2）高壓汽包水位信號處理

將經過溫度、壓力補償后的3個高壓汽包水位信號進行篩選處理后，作為水位調節器的被調量。

3）給水流量信號處理

給水總流量=給水流量+高壓減溫水流量。

4）功能說明

桐鄉燃機高壓汽包水位的設定值采用基本設定值+偏置的方式產生，運行人員根據機組運行實際情況可在畫面上手動設定偏置，同時考慮手動調節時水位設定跟蹤。

在單沖量控制系統工作時，汽包水位控制指令由汽包水位和運行人員設定值的偏差形成。

在三沖量控制系統工作時，汽包水位控制指令由兩個串級的調節器根據汽包水位偏差、給水流量和高壓主蒸汽流量3個信號形成。

當其中一臺給水泵運行且備用投入，備用高壓給水泵聯啟時，聯鎖啟動的泵勺管指令跟蹤運行泵的勺管指令。

高壓給水系統設置有機械式再循環閥，但是再循環流量有限，因此為了設備運行安全，當給水流量降低到一定值時，閉鎖給水泵勺管指令繼續下降。

5）強制手動

當出現下列情況之一時，給水泵控制強制切到手動并發出報警：①汽包水位和設定值偏差大；②勺管指令和反饋偏差大；③汽包水位信號故障；④給水流量信號故障；⑤蒸汽流量信號故障；⑥勺管反饋信號故障；⑦給水泵跳閘。

2 高壓給水調閥優化后的控制方案

1）控制目的

通過改變調閥的開度對給水流量的節流來維持汽包壓力和泵出口壓力差為設定值。

2）給水泵出口壓力信號處理

將選擇后兩個泵出口壓力經過慣性濾波后作為壓力調節器的被調量。

3）壓力調節器設定值信號處理

壓力調節器設定值=汽包壓力+汽包水位函數修正+運行手設偏置。將設定值經過速率限制后進入壓力調節器的設定端。在投入自動后，默認最小壓力設定值為5.8MPa，在系統運行一段時間后，如果可以在更低的壓力下運行，可將定值下調。

4）功能說明

高壓給水系統設計一個高壓給水調閥，控制高壓給水母管壓力，高壓給水調閥的開度盡可能地開大，以減小節流損失，實際運行中給水調閥根據工況變化在85%～95%區間內運行，留有一定裕度用于緊急工況下使用。

5）強制手動

當出現下列情況之一時，給水泵控制強制切到手動并發出報警：①高壓給水泵出口壓力信號故障；②調閥指令和反饋偏差大。

3 鍋爐定排模式下的水位自動優化

高壓汽包水位控制策略改造后，現有控制參數在日常升、降負荷期間均能夠滿足控制要求，但由于高壓汽包水位定排管徑大，排污流量無控制手段且無排污流量監視測點，在高壓汽包排污時，對高壓汽包水位造成較大的擾動，水位控制嚴重滯后，需要運行進行手動干預，為保證給水調節全過程自動投入，后續又對控制參數和相關邏輯進行優化。

3.1 控制參數優化

1）減小汽包水位一階慣性時間：Ti由20→5。

2）加 強 主 調PID參數：GAIN由2～5；Ti由300～90。

3）增加主調PID控制死區：DBND由0～0.02。以上參數優化后效果如圖2。

圖2 參數優化后排污閥開，對汽包水位的影響Fig.2 The influence of the opening of the blowdown valve on the water level of the steam drum after parameter optimization

結合圖2可以看出，參數優化后對設定值的擾動能夠較快的響應，但是針對排污的響應仍然較慢，從參數優化方面已不能滿足調節要求。

3.2 控制邏輯優化

結合運行人員手動操作過程，對控制邏輯進行以下優化修改：

1）當排污閥開，且水位低于設定值20mm時，對勺管指令疊加10%總指令的前饋量，對給水流量設定疊加40t/h的前饋量。

2）當排污閥關，立刻取消所有前饋量。

3）當排污閥開，且水位高于設定值15mm時，立刻取消所有前饋量。

4）增加指令前饋變化速率限制：每秒變化10%前饋指令。

5）增加流量前饋變化速率限制：每秒變化4t/h前饋指令。

結合圖3可以看出：增加了指令前饋和流量前饋后，系統響應速度變快，對排污閥開造成水位的擾動有了明顯的抑制。

圖3 增加指令前饋流量前饋的曲線Fig.3 The curve of adding command feedforward flow feedforward

4 結論

結合以上高壓汽包水位控制邏輯優化后，記錄并對比穩定運行工況下的各參數，詳見表1。

表1 新、舊控制方式下參數對比表Table 1 Comparison of parameters under the new and old control modes

通過對新舊控制方式下的運行參數對比發現，新的控制方式下調門節流損失變小。優化控制邏輯后，高壓給水泵每小時節約用電95kW·h，按全年運行2800h，廠用電按0.6074元計算，每年可節省費用約14.5萬元。在當前節能提效的大環境下，進一步提高設備效率，減小系統節流損失至關重要。本文主要以調節PID控制參數為主，增加流量前饋為輔，同時加入排污閥的開啟前饋等控制思路，對于燃機電廠高壓汽包水位控制等類似的過程有很好的借鑒意義。