660MW 超超臨界機(jī)組鍋爐帶循環(huán)泵啟動(dòng)給水控制優(yōu)化

郗成超

（華能上海石洞口第二電廠，上海 200942）

某鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)為爐水循環(huán)泵與給水泵串聯(lián)布置形式，由于控制邏輯設(shè)計(jì)不合理，造成鍋爐啟動(dòng)直至轉(zhuǎn)干態(tài)前，給水泵轉(zhuǎn)速、給水旁路調(diào)節(jié)閥均由運(yùn)行人員手動(dòng)調(diào)節(jié)。

筆者對鍋爐原啟動(dòng)情況及給水系統(tǒng)的自動(dòng)控制邏輯進(jìn)行了分析，并對存在的問題逐一提出了解決方案，實(shí)現(xiàn)了鍋爐啟動(dòng)階段給水自動(dòng)控制，并最終實(shí)現(xiàn)了給水全程自動(dòng)控制。

1 鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)

鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)見圖1。

從圖1可見:分離器疏水經(jīng)貯水箱后進(jìn)入啟動(dòng)過濾器，與給水主電動(dòng)門后、給水逆止門前來的給水混合進(jìn)入爐水循環(huán)泵；經(jīng)爐水循環(huán)泵升壓后的水與經(jīng)過給水主逆止門的給水混合進(jìn)入省煤器［1］。

多余的分離器疏水經(jīng)分離器疏水調(diào)節(jié)閥（A和B）進(jìn)入爐水大氣擴(kuò)容箱，減壓后進(jìn)入爐水回收箱，并經(jīng)爐水回收泵回收至凝汽器熱井。

圖1 鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)

2 原給水自動(dòng)控制分析

2.1 爐水循環(huán)泵出口調(diào)節(jié)閥

原控制邏輯中，爐水循環(huán)泵出口調(diào)節(jié)閥控制省煤器入口流量（見圖2），給水泵轉(zhuǎn)速、給水旁路調(diào)節(jié)閥和分離器疏水調(diào)節(jié)閥均控制分離器液位。

圖2 爐水循環(huán)泵出口調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制原理圖

實(shí)際運(yùn)行中，該流量對調(diào)節(jié)閥動(dòng)作響應(yīng)很好，調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制正常。

2.2 分離器疏水調(diào)節(jié)閥

分離器疏水調(diào)節(jié)閥控制是一個(gè)簡單的純前饋控制，其開度指令根據(jù)實(shí)際分離器液位經(jīng)函數(shù)計(jì)算得出，見圖3。

圖3 分離器疏水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制原理圖

將分離器疏水調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計(jì)成一個(gè)簡單的前饋控制，其邏輯簡單、動(dòng)作迅速，能有效防止分離器滿水事故發(fā)生。

2.3 給水泵轉(zhuǎn)速及給水旁路調(diào)節(jié)閥

在爐水循環(huán)泵運(yùn)行時(shí)段，給水泵轉(zhuǎn)速、給水旁路調(diào)節(jié)閥均控制分離器液位，見圖4。

圖4 啟動(dòng)階段給水旁路調(diào)節(jié)閥及給水泵轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制原理圖

2.3.1 指令信號

給水泵轉(zhuǎn)速、給水旁路調(diào)節(jié)閥指令，原設(shè)計(jì)均由總?cè)剂狭縼砬梆伜瘮?shù)，加上分離器液位控制PID 輸出值得出。

2.3.2 存在問題

實(shí)際運(yùn)行中控制邏輯存在以下問題:

（1）邏輯中的總?cè)剂狭縼砬梆佇杞?jīng)過一個(gè)較長時(shí)間的滯后環(huán)節(jié)，其本意是模擬鍋爐燃料量增加后帶來的給水流量增加過程；但實(shí)際由于鍋爐啟動(dòng)狀態(tài)的不同（冷態(tài)、溫態(tài)或熱態(tài)），以及燃料熱值的不同，一個(gè)簡單的大時(shí)間滯后環(huán)節(jié)無法精確模擬出燃料量增加后給水流量補(bǔ)充需求，導(dǎo)致控制邏輯中的前饋值與現(xiàn)場實(shí)際不符，不得已只能將其弱化，這樣就削弱了前饋控制快速、準(zhǔn)確的效果。

前饋量減小后，為滿足分離器液位控制的需要，增加了PID 反饋調(diào)節(jié)幅度及速率。如果發(fā)生較大的工況擾動(dòng)，如煤量增加太快，或磨煤機(jī)跳閘，或汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)過程中跳閘，就會導(dǎo)致分離器液位出現(xiàn)較大幅度的變化，從而導(dǎo)致給水泵轉(zhuǎn)速、給水旁路調(diào)節(jié)閥控制出現(xiàn)晃動(dòng)。

（2）給水泵轉(zhuǎn)速、給水旁路調(diào)節(jié)閥均控制分離器液位，參數(shù)不合理時(shí)可能會出現(xiàn)給水泵轉(zhuǎn)速已自動(dòng)降低至低限，而給水旁路調(diào)節(jié)閥開度仍較大；或因給水旁路調(diào)節(jié)閥開度偏小導(dǎo)致給水泵轉(zhuǎn)速自動(dòng)增加至較高值的現(xiàn)象。

當(dāng)爐水循環(huán)泵停用后，給水旁路調(diào)節(jié)閥仍沿用圖4中的控制邏輯，給水泵轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)而控制鍋爐省煤器入口流量（見圖5）。此時(shí)鍋爐給水流量設(shè)定值由鍋爐主控指令、協(xié)調(diào)變負(fù)荷前饋及分離器出口溫度修正相加，并經(jīng)645t/h的最小流量限制后得出。

圖5 爐水循環(huán)泵停用后給水泵轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制原理圖

（3）原邏輯中分離器轉(zhuǎn)干態(tài)前，分離器溫度修正一直被保持在0，導(dǎo)致隨鍋爐煤量增加，給水流量即同步增加，使鍋爐無法及時(shí)轉(zhuǎn)入干態(tài)運(yùn)行，有時(shí)需運(yùn)行人員將給水控制切到手動(dòng)并減少流量，待鍋爐轉(zhuǎn)干態(tài)結(jié)束后再將其投入自動(dòng)。

2.4 其他

在對爐水循環(huán)泵保護(hù)邏輯分析后發(fā)現(xiàn)，原邏輯中設(shè)計(jì)有“分離器液位小于1m”保護(hù)條件，在實(shí)際鍋爐啟動(dòng)中分離器液位很容易因給水流量波動(dòng)、分離器壓力波動(dòng)等擾動(dòng)而出現(xiàn)小于1m 的情況，爐水循環(huán)泵一旦跳閘，鍋爐會因省煤器入口給水流量低而發(fā)生跳閘。

3 給水自動(dòng)控制優(yōu)化

3.1 爐水循環(huán)泵運(yùn)行階段給水泵轉(zhuǎn)速控制優(yōu)化

在進(jìn)行控制邏輯優(yōu)化之前，先分析物理過程。將鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)作為一個(gè)整體來看，其真正與系統(tǒng)外部交換的流量僅有高壓加熱器（簡稱高加）出口給水流量、分離器疏水經(jīng)疏水調(diào)節(jié)閥至鍋爐爐水回收箱流量、主蒸汽流量。不考慮蒸汽管道疏水流量，可得分離器液位穩(wěn)定時(shí)該系統(tǒng)流量平衡方程為:

高加出口給水流量＝分離器疏水經(jīng)疏水調(diào)節(jié)閥至鍋爐爐水回收箱流量＋主蒸汽流量＝分離器疏水經(jīng)疏水調(diào)節(jié)閥至鍋爐爐水回收箱流量＋高壓旁路（簡稱高旁）蒸汽流量＋進(jìn)入汽輪機(jī)蒸汽流量。

對于帶爐水循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)的鍋爐，其理想的鍋爐啟動(dòng)過程中，應(yīng)使分離器無疏水排放至啟動(dòng)系統(tǒng)外，否則分離器處高溫疏水外排或回收至凝汽器均會產(chǎn)生熱量損失。在這種情況下，從高加出口補(bǔ)充至啟動(dòng)系統(tǒng)的給水流量全部在分離器處蒸發(fā)，此時(shí)流量平衡方程為:

高加出口給水流量＝主蒸汽流量。

從物理過程及流量平衡分析看，給水控制中前饋參數(shù)的最佳選擇就是主蒸汽流量，雖然鍋爐沒有主蒸汽流量測點(diǎn)，但其可以根據(jù)主/再熱蒸汽壓差、高旁閥開度、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)負(fù)荷等參數(shù)估算得出。

圖6為根據(jù)計(jì)算主蒸汽流量進(jìn)行給水泵轉(zhuǎn)速控制邏輯原理圖。

由圖6可見:

（1）根據(jù)高旁閥開度、主/再熱蒸汽壓差、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷計(jì)算出主蒸汽流量。

（2）由計(jì)算主蒸汽流量，加上分離器水位修正PID 輸出，產(chǎn)生鍋爐啟動(dòng)階段給水流量設(shè)定值，作給水泵轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制用。

（3）主蒸汽流量估算邏輯中相關(guān)系數(shù)，由實(shí)際數(shù)據(jù)擬合得出。

（4）鍋爐啟動(dòng)中如果爐水循環(huán)泵跳閘，或分離器已轉(zhuǎn)干態(tài)，或機(jī)組負(fù)荷＞210 MW，則給水流量設(shè)定值自動(dòng)轉(zhuǎn)為鍋爐主控指令來函數(shù)與分離器出口溫度修正之和。

（5）按照鍋爐理想的啟動(dòng)過程，分離器疏水全部進(jìn)入爐水循環(huán)泵，但在實(shí)際啟動(dòng)過程中，為確保汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)主蒸汽品質(zhì)能按時(shí)順利合格，需要增加一部分爐水回收至凝汽器后經(jīng)過精除鹽系統(tǒng)處理。故將鍋爐啟動(dòng)流量設(shè)定值放200t/h的低限，并且在鍋爐啟動(dòng)階段，將分離器液位設(shè)定值放3.85m，此時(shí)分離器疏水調(diào)節(jié)閥A 開度約18%。

圖6 優(yōu)化后鍋爐啟動(dòng)過程給水泵轉(zhuǎn)速控制邏輯原理圖（爐水循環(huán)泵運(yùn)行時(shí)）

3.2 爐水循環(huán)泵停運(yùn)后給水泵轉(zhuǎn)速控制優(yōu)化

為確保鍋爐自動(dòng)轉(zhuǎn)干態(tài)，修改原控制邏輯，使分離器出口溫度修正功能在給泵轉(zhuǎn)速投入自動(dòng)，且爐水循環(huán)泵停用后即開始投入，使用PID控制器低限自適應(yīng)邏輯確保鍋爐給水流量設(shè)定值始終不小于鍋爐最小啟動(dòng)流量645t/h，并防止分離器修正PID 控制器積分飽和，見圖7。

圖7 優(yōu)化后給水泵轉(zhuǎn)速控制邏輯原理圖（鍋爐正常運(yùn)行中）

邏輯修改后，鍋爐未轉(zhuǎn)干態(tài)前，且爐水循環(huán)泵已停用，分離器出口實(shí)際溫度始終低于其設(shè)定值。隨鍋爐燃料量增加，鍋爐給水流量設(shè)定值立即增加，但仍逐漸被分離器出口溫度修正減少至最小流量645t/h，使鍋爐能夠及時(shí)轉(zhuǎn)入干態(tài)運(yùn)行。

3.3 給水旁路調(diào)節(jié)閥控制優(yōu)化

給水旁路調(diào)節(jié)閥控制，要求其隨著給水流量增減而開大或關(guān)小，并且在給水泵轉(zhuǎn)速偏高時(shí)能自動(dòng)開大，在給水泵轉(zhuǎn)速偏低時(shí)能自動(dòng)關(guān)小，這樣就形成一個(gè)很簡單、直觀的控制邏輯，見圖8。

圖8 優(yōu)化后給水旁路調(diào)節(jié)閥控制邏輯原理圖

在優(yōu)化后的控制邏輯中，給水旁路調(diào)節(jié)閥主要根據(jù)計(jì)算主蒸汽流量作為前饋部分，反饋調(diào)節(jié)部分通過微調(diào)給水旁路調(diào)節(jié)閥開度（－10%～20%），使給水泵轉(zhuǎn)速在3 000r/min左右。

3.4 爐水循環(huán)泵保護(hù)邏輯優(yōu)化

對于爐水循環(huán)泵與給水泵串聯(lián)布置啟動(dòng)系統(tǒng)，在鍋爐啟動(dòng)過程中，爐水循環(huán)泵入口給水除來自分離器疏水外，還有高加出口來給水。即使分離器液位低，甚至啟動(dòng)過濾器進(jìn)口電動(dòng)門關(guān)，爐水循環(huán)泵也有水補(bǔ)充，不會產(chǎn)生打“空泵”的情況，故修改保護(hù)邏輯，在分離器液位低于1m 或啟動(dòng)過濾器進(jìn)口電動(dòng)門未開，且高加出口給水流量（三取二）＜200t/h時(shí)，延時(shí)1s，爐水循環(huán)泵保護(hù)動(dòng)作跳閘。

4 優(yōu)化效果

2013年7月7日，該機(jī)組從鍋爐點(diǎn)火到負(fù)荷300MW 投協(xié)調(diào)方式啟動(dòng)過程中，鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)、給水系統(tǒng)所有相關(guān)控制全部投入自動(dòng)，運(yùn)行趨勢見圖9:

（1）鍋爐點(diǎn)火初期主汽壓力為0時(shí)，高旁閥開度（曲線6）一直在最小開度10%，此時(shí)計(jì)算主蒸汽流量一直小于200t/h，故高加出口流量（曲線3）一直穩(wěn)定在200t/h左右，該時(shí)間段內(nèi)給水旁路調(diào)節(jié)閥開度（曲線5）穩(wěn)定在20%左右，給水泵A 轉(zhuǎn)速（曲線1）穩(wěn)定在3 000r/min左右，分離器液位（曲線2）由5.6m 逐漸下降至3.8m 左右。

（2）點(diǎn)火約60min后，高旁閥開至23%左右時(shí)，計(jì)算主蒸汽流量開始大于200t/h，此時(shí)高加出口流量設(shè)定值逐漸增加，給水泵A 轉(zhuǎn)速及給水旁路調(diào)節(jié)閥開度逐漸增加，因給水旁路調(diào)節(jié)閥控制中的PID 需調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速在3 000r/min左右，故該時(shí)間段內(nèi)給水泵A 轉(zhuǎn)速一直在3 000 r/min上下波動(dòng)。

圖9 邏輯優(yōu)化后機(jī)組啟動(dòng)中給水控制相關(guān)曲線

（3）隨主蒸汽壓力及溫度進(jìn)一步上升，點(diǎn)火約135min后，高旁閥開度為68%，主蒸汽壓力為8.40 MPa。汽輪機(jī)開始沖轉(zhuǎn)，因汽輪機(jī)升速率為600r/min，整個(gè)汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)過程中，高旁閥迅速關(guān)小至34%，隨汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定及煤量增加，高旁閥開度逐漸恢復(fù)至64%。此期間高加出口流量短時(shí)由560t/h下降至490t/h，又上升至700t/h左右，可以認(rèn)為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速折合的主蒸汽流量計(jì)算略有偏小，但整個(gè)過程中分離器液位并無較大波動(dòng)，在3.5～4.5m。

（4）點(diǎn)火約145 min后，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)成功開始加負(fù)荷（曲線8），隨負(fù)荷上升，高旁閥逐漸關(guān)小，高加出口流量增加至750t/h左右穩(wěn)定，分離器液位逐漸下降至2.5m 左右，給水旁路調(diào)節(jié)閥開大至90%穩(wěn)定。

（5）在其后停用爐水循環(huán)泵、鍋爐自動(dòng)轉(zhuǎn)干態(tài)、另一臺汽動(dòng)給水泵并泵及加負(fù)荷至300 MW投協(xié)調(diào)控制過程中，給水相關(guān)自動(dòng)控制正常，實(shí)現(xiàn)了鍋爐啟動(dòng)階段全程自動(dòng)控制。

5 結(jié)語

經(jīng)系統(tǒng)物理分析后，筆者找到了合適的前饋控制參數(shù)供給水泵轉(zhuǎn)速控制用，實(shí)現(xiàn)了鍋爐啟動(dòng)階段啟動(dòng)、給水系統(tǒng)相關(guān)自動(dòng)控制，經(jīng)過其他一些控制邏輯優(yōu)化后，最終實(shí)現(xiàn)了鍋爐啟動(dòng)全程給水自動(dòng)控制。

［1］梁國燦.600MW 超臨界鍋爐帶循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)與運(yùn)行［J］.發(fā)電設(shè)備，2004，18（S1）:5－9.