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      火力發(fā)電廠給水泵再循環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)化研究

      2022-11-26 17:27:47蘇晉朔州煤矸石發(fā)電有限公司西安熱工研究院有限公司郝德鋒
      電力設(shè)備管理 2022年15期
      關(guān)鍵詞:給水泵水流量調(diào)節(jié)器

      蘇晉朔州煤矸石發(fā)電有限公司 陶 丁 西安熱工研究院有限公司 郝德鋒

      在火力發(fā)電廠中,水資源一直處于導(dǎo)向地位,但是隨著水資源的不斷使用或浪費(fèi),可用的水資源在逐漸減少,因此,絕大部分火力發(fā)電廠面臨著水資源嚴(yán)重短缺的現(xiàn)狀,這種情況又對火力發(fā)電廠的發(fā)展有了一定的負(fù)面影響。為保證火力發(fā)電廠對國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮一定的積極影響,國內(nèi)許多相關(guān)企業(yè)陸續(xù)引入技術(shù)以保證水資源的富足。

      在火力發(fā)電廠的運(yùn)轉(zhuǎn)中,給水泵是構(gòu)成以安全可靠為基礎(chǔ)運(yùn)行機(jī)組的給水系統(tǒng)的一部分,因此,為保證機(jī)組在不同時(shí)間階段以及負(fù)荷不一的情況下,所制定的策略必須以可靠性、低耗能性為原則。但因現(xiàn)場操作人員的技術(shù)與認(rèn)知不統(tǒng)一,造成制定相關(guān)策略時(shí)埋下潛在的風(fēng)險(xiǎn),這將直接影響給水泵是否能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。另外,由于低負(fù)荷狀態(tài)下給水泵再循環(huán)閥門被操作人員手動(dòng)打開,在一定程度上造成了能源的浪費(fèi)。因此,就以上給水再循環(huán)系統(tǒng)存在的種種問題,需要對給水再循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行全面研究分析,旨在解決給水再循環(huán)系統(tǒng)中出現(xiàn)的種種問題。

      文章就國內(nèi)某一火力發(fā)電廠的事故問題進(jìn)行分析,并進(jìn)一步提出優(yōu)化策略,旨在為之后的研究具有一定的啟發(fā)。

      1 給水系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題分析

      某火力發(fā)電廠機(jī)組的循環(huán)水泵控制系統(tǒng),是與主設(shè)備配套的早期產(chǎn)品,利用繼電器組成控制邏輯,實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵的起、??刂萍皥?bào)警功能,利用溫度控制裝置和記錄儀表完成泵和電機(jī)溫度的監(jiān)控,回路設(shè)計(jì)復(fù)雜[1]。

      該火力發(fā)電廠的控制循環(huán)系統(tǒng)當(dāng)中,循環(huán)水泵將水塔水池里的冷水打到汽輪機(jī)的凝汽器,經(jīng)過凝汽器后冷水變成熱水,熱水被送到晾水塔冷卻,然后存在水池里等待下一個(gè)循環(huán)。循環(huán)水泵系統(tǒng)有功率為2850千瓦的水泵兩臺,配有功率為3200千瓦的驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩臺。輔助設(shè)備有循環(huán)泵潤滑油泵四臺、軸封泵兩臺、出口門等各種水門八臺、加熱器兩臺、冷卻風(fēng)機(jī)兩臺和電磁閥兩臺,需要控制的設(shè)備共有二十二臺。其中,軸封泵和潤滑油泵是循環(huán)泵的輔機(jī),冷卻風(fēng)機(jī)和加熱器是潤滑油泵的輔機(jī),其他各種水門構(gòu)成管網(wǎng)的閥門。

      在2013年十月份中旬,該火力發(fā)電廠因其汽動(dòng)給水泵再循環(huán)閥自動(dòng)控制系統(tǒng)不正常;又因機(jī)組操作人員技術(shù)掌握不佳、操作時(shí)機(jī)把握不好;與此同時(shí),水系統(tǒng)機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),其內(nèi)部閥門未能最大限度開啟,導(dǎo)致水系統(tǒng)受到一定的干擾,由此造成了機(jī)組停機(jī)事件。該次機(jī)組停機(jī)事件開端,鍋爐內(nèi)燃燒工況發(fā)生突變,導(dǎo)致汽包水位出現(xiàn)80毫米上升的較大波動(dòng)。

      為改善水位突變這一情況,兩臺汽動(dòng)給水泵在PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制下迅速使轉(zhuǎn)速降低,從而達(dá)到降低水位這一目的,但這種PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)致使給水前置泵中水流量小于規(guī)定值導(dǎo)致主要給水流量下降;之后,因操作人員對上述問題干預(yù)不成功,導(dǎo)致隨后汽包水位又迅速出現(xiàn)近四百毫米下降變動(dòng),最終出現(xiàn)了機(jī)組跳閘這一狀況。

      以上問題,是國內(nèi)大多數(shù)火力發(fā)電廠經(jīng)常出現(xiàn)的事故,同時(shí)也指明了如今大范圍火力發(fā)電廠所共同面對的技術(shù)難題—給水泵再循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化改善。

      2 原因分析

      在給水泵運(yùn)行過程中,其負(fù)荷一般受機(jī)組負(fù)荷的影響。在機(jī)組開啟、閉合以及在低負(fù)荷量運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),由于給水泵中水流量流速較低,致使水泵被摩擦產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)散失,從而機(jī)組產(chǎn)生汽化現(xiàn)象(又稱汽濁),導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性下降。因此,為杜絕上述狀況的發(fā)生,需要設(shè)置給水再循環(huán)系統(tǒng)于除氧器箱口與給水泵出口之間。為保證在不同轉(zhuǎn)速下給水泵都能工作在最小流量以上,謹(jǐn)防水泵汽蝕現(xiàn)象的出現(xiàn),需要對給水泵再循環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)的問題進(jìn)行原因分析[2]。

      在國內(nèi)各大火力發(fā)電廠內(nèi),PID 自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)一般是首選的給水泵再循環(huán)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,給水泵轉(zhuǎn)速函數(shù)影響著調(diào)節(jié)器固定值的設(shè)定。其中,控制量為給水泵實(shí)時(shí)水流量與規(guī)定值之間的差量,從而使給水泵再循環(huán)閥門的開度能得以有效調(diào)節(jié)。在出廠調(diào)節(jié)期間,由于對規(guī)定值未能進(jìn)行合適選取,導(dǎo)致PID 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能進(jìn)行正常運(yùn)作。

      由于給水再循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部存在諸多問題,導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)事件時(shí)有發(fā)生。由于汽包水位短時(shí)間內(nèi)快速升高,鍋爐內(nèi)部給水系統(tǒng)應(yīng)該使給水泵轉(zhuǎn)速降低,有效保障給水泵水流量能在極短延時(shí)內(nèi)降低到規(guī)定值以及給水泵再循環(huán)閥門能最大限度開啟,但由于閥門全開啟,致使鍋爐給水流量快速降低以及汽包水位的下降,最終觸發(fā)了主燃料跳閘。通過研究表明,PID 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能正常投運(yùn)的原因主要有以下幾條:

      當(dāng)給水再循環(huán)閥門開啟及閉合剎那,一般會(huì)發(fā)生給水泵再循環(huán)閥門跳躍的狀況。導(dǎo)致該現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因,是閥門開啟剎那給水泵內(nèi)流水量猛然增加,該流量相較于轉(zhuǎn)速函數(shù),顯然是大于所規(guī)定的數(shù)值,之后閥門又通過調(diào)節(jié)器突然關(guān)閉、給水量小于所規(guī)定的數(shù)值。當(dāng)閥門開啟、閉合操作重復(fù)多次時(shí),將對閥門造成嚴(yán)重?fù)p壞。

      給水泵再循環(huán)閥門超馳打開至最大限度(100%)時(shí),將較大幅度擾動(dòng)給水系統(tǒng)的可靠性。在以往的給水再循環(huán)系統(tǒng)控制策略中,以低給水量時(shí)自動(dòng)響應(yīng)PID 調(diào)節(jié)器的最大限度控制為核心,其目的在于將再循環(huán)閥門最大限度(100%)打開。機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行情況下,其給水流量顯然很低,此時(shí)如果將給水再循環(huán)閥門最大限度打開,將直接導(dǎo)致除氧器中流入大量經(jīng)過再循環(huán)閥門的給水,致使外部給水量大幅度降低,難以滿足鍋爐上水量的需求。

      給水泵再循環(huán)閥門最大限度開啟與PID 自動(dòng)調(diào)節(jié)策略在時(shí)間上未能實(shí)現(xiàn)高度配合。以往所制定的給水泵再循環(huán)控制策略的目的為:給水泵中水流量低于規(guī)定值時(shí),PID 自動(dòng)調(diào)節(jié)器打開給水泵再循環(huán)閥門。當(dāng)系統(tǒng)受到較大干擾時(shí),PID 調(diào)節(jié)器控制給水量,使之低于再循環(huán)超馳開啟所規(guī)定的數(shù)值,以便于閥門能最大限度開啟,這種情況導(dǎo)致再循環(huán)閥門超馳開啟相較于PID 自動(dòng)調(diào)節(jié)動(dòng)作較快,使得PID 自動(dòng)調(diào)節(jié)器動(dòng)作失常[3]。

      在原有的給水再循環(huán)控制策略中,當(dāng)PID 自動(dòng)調(diào)節(jié)器輸出小信號時(shí),會(huì)對給水系統(tǒng)造成一定的影響。當(dāng)給水泵再循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)在壓差較大的情況下,閥門開度過小則易引起自身損壞的現(xiàn)象?;诖艘蛩?,機(jī)組運(yùn)行時(shí)閥門開度不得低于規(guī)定的定值,因此需要消除PID 自動(dòng)調(diào)節(jié)器所輸出的調(diào)節(jié)器的影響。

      未能將給水泵的轉(zhuǎn)速與規(guī)定的最小流量函數(shù)間的關(guān)系處理恰當(dāng),導(dǎo)致無法正確反映給水泵的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

      由于之前的技術(shù)及其設(shè)計(jì)水平的限制,未能將多個(gè)流量變送器應(yīng)用于給水流量測量。

      變送器由自動(dòng)切換至手動(dòng)時(shí)沒能考慮一定范圍的延時(shí),導(dǎo)致正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中變送器無故退出運(yùn)行,以至于當(dāng)系統(tǒng)受到較大的擾動(dòng)時(shí),變送器測量值或許發(fā)生超出量程以及瞬間異?,F(xiàn)象,若此時(shí)將自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換為手動(dòng)調(diào)節(jié),對操作人員的生命安全將造成一定的風(fēng)險(xiǎn)。

      上述幾項(xiàng)是導(dǎo)致原有控制系統(tǒng)無法正常投運(yùn)的原因,也是造成該火力發(fā)電廠機(jī)組停機(jī)的導(dǎo)火索。

      3 水泵再循環(huán)控制系統(tǒng)不同控制策略的對比

      為使給水系統(tǒng)能夠可靠運(yùn)作,需要在熱控系統(tǒng)中引入給水再循環(huán)系統(tǒng)[4-5]。該項(xiàng)系統(tǒng)經(jīng)歷了時(shí)間的推敲,如今逐漸趨于三個(gè)類別:第一類是規(guī)定值啟閉開環(huán)控制系統(tǒng),第二類是同滯函數(shù)開環(huán)控制系統(tǒng),第三類是PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在前文的敘述中,PID 控制策略已為讀者所理解,因此后文不再多加贅述。下文將對前兩種控制系統(tǒng)加以介紹并進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)對比。

      3.1 規(guī)定值啟閉開環(huán)控制系統(tǒng)

      給水泵再循環(huán)規(guī)定值啟閉的開環(huán)控制系統(tǒng)的工作機(jī)理可概括為以下:當(dāng)給水量高于所規(guī)定的數(shù)值時(shí),給水泵再循環(huán)閥門閉合;反之,其最大限度開啟。其規(guī)范值的設(shè)定一般受給水泵最大轉(zhuǎn)速的影響。在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)這一情況下,給水泵具有較低的轉(zhuǎn)速,則最小給水水流量明顯偏小,此時(shí)規(guī)定值的設(shè)定應(yīng)當(dāng)偏高。為此,在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),操作人員為防止能源的浪費(fèi)應(yīng)該提前打開再循環(huán)閥門,但這會(huì)增加其操作風(fēng)險(xiǎn)。

      3.2 回滯函數(shù)開環(huán)控制系統(tǒng)

      同滯函數(shù)開環(huán)控制系統(tǒng)是一種比較基本的給水泵再循環(huán)控制策略,與前述控制系統(tǒng)相同,該系統(tǒng)亦不能使給水泵的優(yōu)勢最大限度發(fā)揮出來,也不能降低在給水水流量較小的情況下再循環(huán)閥門受損的程度。

      3.3 三種給水泵再循環(huán)閥控制策略優(yōu)劣比較

      前兩類控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定均是按照給水泵額定轉(zhuǎn)速為邊界條件的。當(dāng)機(jī)組處于低負(fù)荷運(yùn)行或深度調(diào)峰的狀態(tài)時(shí),規(guī)范值的設(shè)定一般都偏高,若前兩類控制策略處于自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài),則致使給水泵再循環(huán)閥門將反復(fù)啟閉,這在影響給水控制的正常運(yùn)作的同時(shí),對閥門的損害程度將大幅度上升,最為關(guān)鍵的是能源被浪費(fèi)?;谝陨狭觿?,一般新型機(jī)組大多不選取前兩種控制策略。為此,應(yīng)運(yùn)而生的PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)能有效改善傳統(tǒng)控制策略劣勢,逐漸被大型機(jī)組所采納。

      4 給水泵再循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略

      正如上文所述,PID 系統(tǒng)雖能改善以往的劣勢,但仍然無法實(shí)現(xiàn)全面化自動(dòng)控制,為此需要對給水泵循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行更加規(guī)范的優(yōu)化。

      4.1 PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)優(yōu)化系統(tǒng)

      本策略的主要控制要點(diǎn)在于:當(dāng)給水泵滿足安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上,給水泵再循環(huán)閥門的開啟次數(shù)應(yīng)該盡量偏低。這種控制要點(diǎn)能有效減少再循環(huán)閥門對主給水的影響。同時(shí),該策略能有效提高系統(tǒng)安全性,也避免了再循環(huán)閥門的啟閉導(dǎo)致的能源浪費(fèi)以及對給水系統(tǒng)造成的擾動(dòng)。

      其控制步驟如下:當(dāng)給水前置泵流量高于最小流量的規(guī)定倍數(shù)時(shí),由PID 調(diào)節(jié)器直接進(jìn)行控制;在給水前置泵流量進(jìn)一步降低到超馳打開定值并經(jīng)過十秒的延時(shí)后,給水再循環(huán)閥門將以50%的超馳開啟;當(dāng)給水前置泵水流量嚴(yán)重告急時(shí),保護(hù)動(dòng)作將給水再循環(huán)閥門最大限度開啟。

      本控制策略是根據(jù)水泵的轉(zhuǎn)速從而確定以上三層次的流量控制規(guī)定值,這種操作能保證給水泵可靠運(yùn)作的同時(shí),也能對給水泵的安全有所保障,另外能夠降低機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的耗能。

      其具體實(shí)現(xiàn)主要包括以下環(huán)節(jié):死區(qū)控制設(shè)計(jì)入PID 定值回路。因在調(diào)節(jié)器輸出值低于15%時(shí)給水泵再循環(huán)閥門處于閉合狀態(tài),當(dāng)閥門打開時(shí)其輸出值瞬間高于15%,如果此時(shí)對定值回路沒能進(jìn)行有效控制,閥門將在開啟和閉合間反復(fù)跳躍,從而對給水泵極易造成損壞,從而對給水系統(tǒng)造成影響;在給水前置泵運(yùn)行時(shí),將再循環(huán)閥門控制回路加入其中;為保證控制系統(tǒng)能全程高效運(yùn)作,杜絕短時(shí)間干擾造成自動(dòng)退出這一現(xiàn)象,需要將一定延時(shí)考慮在內(nèi)。

      4.2 PID 閉環(huán)優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制效果

      PID 優(yōu)化系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)控制策略劣勢,提高了給水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能以及安全性能,另外能有效降低操作人員的干預(yù)。此外,在優(yōu)化后的PID 系統(tǒng)中,由于相關(guān)規(guī)范值的設(shè)定需要貼合給水泵轉(zhuǎn)速函數(shù),因此能使給水系統(tǒng)運(yùn)行范圍得以擴(kuò)大化,其表現(xiàn)在調(diào)節(jié)器輸出值高于15%時(shí)再循環(huán)閥門無需開啟,只需其輸出值低于50%時(shí)再循環(huán)閥門開啟,從而有效降低能耗。

      綜上,本文就某一火力發(fā)電廠的事故問題進(jìn)行原因分析,并就傳統(tǒng)的三種控制系統(tǒng)加以比較,從而提出了最為先進(jìn)的PID 控制系統(tǒng)策略。PID 優(yōu)化控制策略經(jīng)驗(yàn)證是可靠且低耗的,在未來的發(fā)展中將會(huì)有越來越多的火力發(fā)電廠將之應(yīng)用于實(shí)踐,其前景亦是可觀的。

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