協調式汽包水位控制方案

孫海翠，溫榮斌，孫 漾，周夢婕

（1．華東電力設計院有限公司，上海 200063；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

0 引言

余熱鍋爐作為聯合循環機組重要的動力設備，其任務是供給合格穩定的蒸汽。汽包水位關系到汽水分離的效果和生成蒸汽的質量，是影響鍋爐安全穩定運行的重要參數。汽包水位的不恰當會影響汽水分離裝置的正常工作。水位過高，汽水分離器產生的蒸汽含水多，蒸汽品質受到影響，并使得過熱器設備受到帶水蒸汽影響而容易結垢，影響設備使用效果和使用壽命。而水位不足，則會破壞合理的汽水循環，影響機組的經濟性能。嚴重時，還會引起管壁的破裂，甚至造成汽包的損壞，嚴重影響機組的安全有效運行。

汽包水位控制也是實現整個聯合循環機組自啟停功能的一個關鍵。隨著電廠自動化控制水平需求的提升，一個全程自動聯鎖、自動調節，盡量減少操作人員的干預，具備自適應、自調整的先進電廠成為人們追求的目標。要實現機組自啟停、全程自調節功能，汽包水位控制回路需要實現從啟機前準備至滿負荷的全程自動控制，且需要滿足控制的高穩定性和可靠性，這對汽包水位控制的自適應性能提出了很高的要求。

1 汽包水位控制的難點

汽包水位控制的難點如下：

1）汽包水位變化頻繁且快速

鍋爐設備需要快速適應負荷的需求，使得汽包水位的變化頻繁且快速。這就對汽包水位控制的快速性、穩定性提出了較高的要求，汽包水位控制地稍有不濟，將會造成汽包滿水或干燒等事故，嚴重威脅著機組的安全。

2）“虛假”水位

汽包虛假水位產生于汽包內壓力突降或激增的狀況，由于壓力的快速變化帶來爐水熱量的超速反應，使汽包內的水位出現氣泡的大量增加或體積的驟縮，使實際水位的測量偏離真實值，給水位控制回路帶來許多干擾，影響了調節回路的正常工作。

而虛假水位的產生，常發生在鍋爐運行狀況突變的時刻，例如燃燒不穩定，安全閥動作，機組負荷快速變化等。這些不穩定工況加劇了汽水循環的復雜性，使汽包內的壓力隨之產生較大變化，并且汽包內工質的性質隨之發生較大變化，水位的變化極不穩定，且虛假的水位指示加大了控制回路運行的難度。

“虛假”水位現象[1,2]的存在使水位控制系統必須針對特殊情況做出智能的判斷，以有效地應對由于“虛假”水位的存在所引起的控制偏差。

3）汽包水位參量的復雜特性

汽包水位參量受多種因素的影響，是聯合循環機組汽水循環系統重要的控制參數。它所具有的大滯后性、多變量交叉影響性、強耦合性以及非線性等特征，使汽包水位參量的測量和控制難度不小。

4）控制參數的自適應性

隨著先進控制方法的推進，對汽包水位控制回路的逐步優化，如三沖量水位控制系統的引入，有效地提高了水位控制的穩定性、快速性和抗干擾能力，但因系統設備運行狀況的復雜性，其PID調節器的參數KP、KI、KD的實時適應與優化成為水位控制系統優化的重點與難點[3,4]。

2 汽包水位控制的方法

汽包水位控制的方法有單沖量水位控制系統、雙沖量水位控制系統和三沖量水位控制系統[5-8]。

1）單沖量水位控制系統

汽包水位單沖量水位控制系統以汽包水位信號作為反饋量，給水流量作為被控量，構成單回路反饋控制系統。此控制方式利用水位測量信號與設定值的偏差信號去調節給水調節閥，以改變給水流量，達到控制汽包水位的目的。該方式結構簡單，反應迅速，適用于負荷穩定，水位變化不大的情況。

采用單沖量水位控制系統無法應對汽包虛假水位現象，例如當機組負荷急劇減少時，汽包虛假水位會出現暫態減少工況，而此時的汽包水位控制回路響應控制器的需求增加給水量的供應，造成錯誤的反應，破壞了系統的穩定運行，帶來機組安全運行的隱患。

圖1 汽包水位工藝系統框圖Fig.1 Block diagram of drum water level process system

2）雙沖量水位控制系統

單沖量水位控制系統無法應對汽包假水位現象，因此在原控制回路中引入蒸汽流量參數作為流量控制器的前饋信號。該蒸汽流量信號能快速反應由蒸汽蒸發而影響的汽包水位的變化量，起到提前影響控制回路的作用。

根據物質平衡定律，確保給水量與蒸汽蒸發量相互協調，以保證汽包水位基本位置不變。為了控制汽包水位在設定值，協調考慮兩個參數，即汽包水位和蒸汽流量，以使得調節機構做出正確的動作。

此時，當機組負荷急劇減少時，汽包虛假水位出現暫態減少。此時的汽包水位控制回路減少給水量的供應，使得控制回路的響應與場景需求相匹配，有效地處理了虛假水位帶來的控制偏差，取得較好的效果。

3）三沖量水位控制系統[9,10]

汽包水位不僅受到蒸汽流量的影響，還與給水流量擾動密切相關。為了提高水位控制系統的抗擾能力以及快速響應性能，引入給水流量參量，由該參數組建的副回路在控制過程中負責粗調，而水位控制回路，即主回路負責細調，兩回路協調配合，不僅提高了系統的工作頻率，改善了系統的控制質量，還使系統具有一定的自適應能力。

3 協調式汽包水位控制方案

常規汽包水位控制方案中，采用單沖量與三沖量相結合的方式。在低負荷工況下，采用單沖量控制；在高負荷工況下，采用三沖量控制。本文提出一種協調式汽包水位控制方法，該方法強調，在控制邏輯按照傳統方式設定切換外，汽包水位控制從參數角度分兩步穩步實現，即采用給水泵變頻調節泵出口母管壓力，即輸送的給水壓力，給水調節閥全程控制在壓力穩定狀況的汽包水位。

協調式汽包水位控制實現的工藝系統框圖如圖1。給水經給水泵獲取動力后，經過給水調節閥被送入換熱系統進行熱交換，產生的過熱蒸汽送入汽輪機做功。

圖2 協調式汽包水位控制給水調節閥邏輯圖Fig.2 Logic diagram of water supply regulating valve for coordinated steam drum water level control

隨著變頻設備的日趨成熟，其高效能的各種表現愈來愈被人們所重視。給水系統中給水泵的變頻配置也趨于常態，人們在追求其降低功耗，延長設備使用壽命的同時，也十分看好其良好的控制性能。

常規聯合循環機組的汽包水位控制系統在低負荷工況下，采用給水調節閥調節水位，給水泵工頻運行模式；在高負荷工況下，采用給水泵切變頻運行模式，給水泵調節汽包水位，給水調節閥全開。

該種控制方式不易于維持給水母管的壓力，而使整個給水系統壓力變化較大且頻繁。而壓力的頻繁變化對給水的穩定控制帶來不利影響，這不僅加劇了汽包虛假水位現象而且整個控制系統的頻繁變動使控制參數的響應等難以適從，控制穩定性欠佳。

本系統做了改進，采用的控制方式為通過改變高壓給水泵頻率，以維持高壓給水泵出口母管壓力，通過改變給水調節閥的開度，以維持高壓汽包水位。水位控制與壓力控制協調進行，水位控制為在一定壓力控制范圍內的后續控制，壓力控制為跟隨前端壓力（即，汽包壓力）條件下的控制，兩者有機結合，協同進行。這種控制方法可以有效地緩解汽包虛假水位現象，提高控制的穩定性。另外從節能角度考慮，由于變頻泵的全程投入，其節能效果依然顯著。

圖3 協調式汽包水位控制給水泵邏輯圖Fig.3 Logic diagram of the coordinated drum water level control feed pump

協調式汽包水位控制邏輯圖如圖2和圖3。該控制方案中，壓力和液位兩個控制參數的協調通過壓力控制回路的壓力設定值實現。壓力控制回路中，高壓給水泵出口母管壓力的設定值采用基本設定值+偏置的方式產生，基本設定值為高壓汽包壓力+1.3MPa，高壓省煤器出口給水溫度對應的飽和壓力+0.5MPa，在此基礎之上運行人員可手動設定偏置。

協調式汽包水位控制還在以下事項做了重點處理：

1）檢測信號的準確性

檢測信號的準確性是自動控制系統實現的前提和關鍵。汽包水位控制系統涉及的主要檢測信號包括汽包水位、蒸汽流量、給水流量。機組在全負荷運行階段中，鍋爐運行工況復雜，鍋爐從啟動到正常運行或者從正常運行到停爐，其蒸汽參數的變化巨大，汽包水位、蒸汽流量、給水流量測量準確性必然會受到嚴重的影響。

為了補償由于工質溫度、壓力變化而引起的檢測參數測量的準確性，系統分別配置汽包水位、蒸汽流量、給水流量的溫度及壓力補償檢測信號，用于汽包水位全程控制過程中檢測信號的補償，以提高檢測信號的準確性[11-15]。

2）控制方式

圖4 高壓汽包水位控制曲線圖（1） Fig.4 Control curve of water level of high pressure steam drum（1）

圖5 高壓汽包水位控制曲線圖（2）Fig.5 Control curve of water level in high pressure steam drum（2）

協調式汽包水位控制系統設置單沖量水位控制和三沖量水位控制兩種控制方式。在低負荷工況下，當高壓主蒸汽流量＜25%（可調整）時，由于蒸汽流量和給水流量的測量誤差較大，采用單沖量控制；當高壓主蒸汽流量＞30%（可調整）時，采用三沖量控制，即在給水流量反饋控制回路的基礎上，引入高壓主蒸汽流量前饋信號形成的前饋-反饋復合控制系統。該控制回路包含了給水流量控制回路和汽包水位控制回路。該種單沖量和三沖量切換的控制回路，從控制的角度提高了水位控制系統的精度和穩定性。

4 驗證結果及分析

采用協調式汽包水位控制方案進行聯合循環機組汽包水位控制，實測高壓汽包水位控制曲線如圖4和圖5。

從圖4可以看出，當啟動高壓汽包水位自動控制后，實際汽包水位（即紅色曲線所示）高度跟蹤高壓汽包水位設定值（即黃色曲線所示），控制穩定。圖5顯示出，采用協調式汽包水位控制方案下，高壓汽包壓力（即橙色曲線所示）穩定，有利于促進汽包水位控制的穩定性。

5 結束語

本文前述中明晰了汽包水位參量在聯合循環機組中的重要地位，其控制的水平和效果成為整個機組安全穩定運行的重要保證。而汽包水位控制的難點又絕大部分由其自身的復雜性所造成，除了從純控制的角度改進，如三沖量控制的引進以及控制算法的優化等來改進汽包水位控制的性能外，本文從優化穩定控制參量的角度，提出一種協調式汽包水位控制方案。所謂參量協調式，即控制參量分步控制，壓力、液位協同控制，保證壓力的前提下，調節水位。這種協調控制方法，可以從根本上改善汽包水位虛假，和汽包水位參量的復雜所帶來水位控制難題，有效地提高了汽包水位控制的質量。