超超臨界機組濕態(tài)給水控制策略的設計與應用

金宏偉，王策，張新勝，丁偉聰

（1.浙江浙能臺州第二發(fā)電有限責任公司，浙江 臺州 317109；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；3.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310014）

0 引言

給水系統(tǒng)控制是超超臨界燃煤機組的核心控制之一，其各個階段的控制性能直接影響機組運行的經(jīng)濟性與安全性［1-2］。目前機組干態(tài)運行方式下給水自動控制已比較成熟，而在濕態(tài)運行方式下給水系統(tǒng)自動控制的效果相對而言并不理想［3］。特別是大型超超臨界機組為了減少啟動過程中的熱量損失，提高水冷壁工質(zhì)循環(huán)，通常配置一臺爐水循環(huán)泵（以下簡稱“爐循泵”），造成啟動系統(tǒng)操作設備較多，運行工況更加復雜。另外，隨著我國能源結(jié)構(gòu)快速轉(zhuǎn)型，以燃煤發(fā)電為主體的基礎能源電力的調(diào)峰能力將直接決定風電、太陽能發(fā)電等可再生能源的發(fā)展空間，大量間歇性能源電力并網(wǎng)必將迫使燃煤發(fā)電機組更全面參與深度調(diào)峰，燃煤機組深度調(diào)峰將常態(tài)化［4］，進而導致機組在運行階段進入濕態(tài)運行方式的次數(shù)也逐漸增加。

目前國內(nèi)配置爐循泵的大型機組濕態(tài)運行方式下給水系統(tǒng)控制大多采用運行人員手動操作的控制策略，在啟機和濕態(tài)運行過程中，需要對給水旁路調(diào)閥、汽動給水泵（以下簡稱“給泵”）轉(zhuǎn)速指令和爐循泵出口調(diào)閥等實時進行操作，監(jiān)測參數(shù)包括給水流量波動情況、分離器液位穩(wěn)定性、爐循泵出口流量和給水壓力等，因此整個濕態(tài)運行過程包含大量操作，加重了運行人員的操作負擔。另外，由于運行人員操作水平不能保證，機組濕態(tài)運行時經(jīng)常出現(xiàn)給水流量和分離器液位波動大的現(xiàn)象，具有一定危險性［5-6］。

本文針對上述問題，基于面向自治對象的APS2.0控制理念［7］，提出一種配置爐循泵超超臨界機組的給水系統(tǒng)濕態(tài)全程控制方法。該方法采用面向?qū)ο蟮脑O計模式，針對濕態(tài)給水系統(tǒng)的特性，在給水系統(tǒng)主對象內(nèi)部，設計爐循泵出口調(diào)閥、給水旁路調(diào)閥及給泵指令等相關(guān)子對象控制策略，實現(xiàn)了變工況自適應切換與控制模式自治規(guī)劃，人機協(xié)作性強，流程節(jié)點靈活可靠，可做到隨斷隨續(xù)。在某1 050 MW超超臨界機組上進行實際應用，在機組啟動、停機、深度調(diào)峰運行及干、濕態(tài)轉(zhuǎn)換等各種工況實現(xiàn)濕態(tài)給水全程控制，控制系統(tǒng)具備較強的自治性和健壯性，大幅提高了機組的自動化水平和濕態(tài)運行的穩(wěn)定性。

1 面向自治對象的濕態(tài)給水系統(tǒng)控制模式設計

超超臨界機組濕態(tài)運行時：在模擬量控制層面上，給水控制的基本要求是實現(xiàn)給水旁路調(diào)閥、給泵轉(zhuǎn)速指令及爐循泵出口調(diào)閥全程閉環(huán)控制，保證給水流量和分離器液位在合理的范圍內(nèi)波動；在機組運行方式層面上，給水控制的基本要求是根據(jù)機組運行參數(shù)自動完成給水旁路切主路以及干、濕態(tài)自動轉(zhuǎn)換等運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

超超臨界給水控制系統(tǒng)設備繁多、流程復雜、參數(shù)控制難度大，為減輕運行操作負擔，最簡單有效的方法是化整為零，采用面向?qū)ο蟮脑O計模式［7-9］，根據(jù)調(diào)節(jié)需求與系統(tǒng)功能將給水系統(tǒng)主對象解構(gòu)為相對獨立的子對象系統(tǒng)，分系統(tǒng)進行規(guī)劃，根據(jù)工況變化自治實現(xiàn)運行控制、自主改變操作模式，使運行人員從繁瑣操作與緊張預判中解脫出來。面向?qū)ο蟮慕o水系統(tǒng)以分布式自治的子對象系統(tǒng)為基礎，串接系統(tǒng)內(nèi)部的任務規(guī)劃與指令結(jié)構(gòu)，濕態(tài)控制模式框圖如圖1所示。

圖1 面向?qū)ο蟮慕o水系統(tǒng)濕態(tài)控制模式框圖Fig.1 Block diagram of object-oriented wet control mode for water supply system

給水系統(tǒng)主對象由各設備系統(tǒng)子對象和模塊化功能模組構(gòu)成。給水系統(tǒng)濕態(tài)調(diào)節(jié)功能模組是給水系統(tǒng)濕態(tài)控制的關(guān)鍵功能模組，主要關(guān)聯(lián)爐循泵系統(tǒng)和調(diào)節(jié)設備系統(tǒng)2個內(nèi)部子對象，以及協(xié)調(diào)系統(tǒng)的1個外部子對象，各子對象系統(tǒng)之間協(xié)同調(diào)用運行，根據(jù)模組功能自主切換模式化控制。爐循泵出口調(diào)閥系統(tǒng)負責分離器液位控制，給水旁路調(diào)閥系統(tǒng)和給泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)負責給水流量控制，控制過程中協(xié)同負責給水流量模式和跟隨燃料模式的控制與切換。濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)模組實時監(jiān)測機組給水旁路切主路條件，自動完成給水旁路切主路運行；濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)條件滿足后，自動完成濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)運行。

給水旁路調(diào)閥和給泵轉(zhuǎn)速控制包括控給水流量模式和燃料跟隨模式，功能模組根據(jù)總?cè)剂狭亢徒o水旁路調(diào)閥開度自適應進行控制模式切換，控制框圖如圖2所示。

圖2 給水控制模式切換控制框圖Fig.2 Water supply control mode switching control block diagram

給水濕態(tài)控制分為4種控制模式，分別為給水旁路控流量模式、給水旁路燃料跟隨模式、給泵控流量模式和給泵燃料跟隨模式。功能模組根據(jù)省煤器進口給水主電動閥開關(guān)狀態(tài)、總?cè)剂狭考敖o水旁路調(diào)閥開度自適應生成給水控制模式切換標志。在給水控制模式切換標志置位條件滿足的工況下：若給水旁路調(diào)閥控制在自動時，給水控制處于給水旁路控流量模式；給泵控制在自動時，給水控制處于給泵控制流量模式。在給水控制模式切換標志復位條件滿足的工況下：若給水旁路調(diào)閥控制在自動時，給水控制處于給水旁路燃料跟隨模式；給泵控制在自動時，給水控制處于給泵燃料跟隨模式。

2 濕態(tài)給水全程控制策略設計

濕態(tài)給水控制的基本功能主要包括濕態(tài)工況下給水流量控制、分離器液位控制、給水旁路切主路以及濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)控制。給水流量控制可以根據(jù)濕態(tài)給水系統(tǒng)的運行參數(shù)自動區(qū)分給水旁路調(diào)閥和給泵的控制模式，爐循泵出口調(diào)閥的分離器液位控制模式可以根據(jù)運行人員選擇進行水質(zhì)合格和水質(zhì)不合格下的液位設定值自適應變化，機組運行工況滿足濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)條件后，自動進行濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)一鍵自動控制。

2.1 濕態(tài)工況下給水流量控制

給水流量控制［10-12］是機組濕態(tài)工況下安全穩(wěn)定運行的保障，根據(jù)機組運行參數(shù)自動規(guī)劃給水流量控制模式，整個控制模式轉(zhuǎn)換過程無擾過渡，在少人干預的情況下完成對濕態(tài)給水流量的全程控制，控制邏輯框圖如圖3所示。圖3中：f1（x）為給水旁路燃料跟隨模式下，給水旁路調(diào)閥開度指令隨總?cè)剂狭孔兓暮瘮?shù)；f2（x）為給泵轉(zhuǎn)速燃料跟隨模式下，給泵轉(zhuǎn)速指令隨總?cè)剂狭孔兓暮瘮?shù)；PV為爐循泵出口調(diào)閥PID（比例-積分-微分）控制器的輸入測量值；SP為爐循泵出口調(diào)閥PID控制器的輸入設定值。

圖3 濕態(tài)工況下給水流量控制邏輯框圖Fig.3 Block diagram of feed water flow control in wet state

濕態(tài)工況下在子對象的給水流量控制邏輯中引入給水旁路PID控制器和給泵轉(zhuǎn)速PID控制器。給水流量控制模式處于給水旁路控流量模式或給泵控流量模式時，2個PID控制器對給水流量進行閉環(huán)自動控制，其中給水流量設定值同時引入了2個總?cè)剂狭孔鳛樽宰兞康暮瘮?shù)；給水流量控制模式處于給水旁路燃料跟隨模式或給泵燃料跟隨模式時，2個函數(shù)根據(jù)總?cè)剂狭孔詣由山o水旁路調(diào)閥開度指令和給泵轉(zhuǎn)速指令。另外，機組濕態(tài)運行時，給水流量設定值區(qū)分于其他工況下的給水流量設定值，自動生成濕態(tài)給水流量設定值，以便于濕態(tài)工況下給水流量設定值的靈活修正。

2.2 貯水箱液位控制

分離器液位是配置爐循泵的火電機組濕態(tài)安全運行的關(guān)鍵監(jiān)視參數(shù)，將其控制在合理范圍內(nèi)是機組濕態(tài)給水控制的核心［13-14］。一般分離器液位由分離器貯水箱疏水調(diào)閥開環(huán)控制，為了避免分離器液位過低導致爐循泵跳閘或分離器滿水等工況出現(xiàn)，引入分離器液位控制模式，由爐循泵出口調(diào)閥閉環(huán)控制分離器液位，實現(xiàn)機組鍋爐沖洗、升溫升壓、并網(wǎng)以及濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)等各階段下的分離器液位全程自動控制?？刂七壿嬁驁D如圖4所示。

圖4 分離器液位控制框圖Fig.4 Block diagram of separator liquid level control

在爐循泵子對象中引入爐循泵出口調(diào)閥PID控制器，當爐循泵出口調(diào)閥控制在自動時，閉環(huán)自動控制分離器液位，濕態(tài)給水控制進入控分離器液位模式，液位設定值根據(jù)水質(zhì)狀態(tài)靈活改變。水質(zhì)合格時自動將液位設定值設定為分離器正常液位值，使得高水位控制閥處于關(guān)閉狀態(tài)；水質(zhì)不合格時自動將液位設定值設定為分離器高液位值，使得開環(huán)控制分離器液位的分離器貯水箱疏水調(diào)閥處于30%～50%開度。另外，液位設定值也可由運行人員根據(jù)機組狀態(tài)手動設定。

2.3 濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)控制

濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)是超超臨界機組啟動過程運行控制的關(guān)鍵節(jié)點之一，目前超超臨界機組的干、濕態(tài)轉(zhuǎn)換大都采用手動操作方式，由于水煤比、主汽壓力控制不當或轉(zhuǎn)換時機選擇不合適等原因，造成干、濕態(tài)頻繁切換，機組參數(shù)劇烈波動而導致設備故障，受熱面超溫或者分離器滿水甚至過熱器進水等事故，嚴重威脅機組安全運行［15-16］。為了克服上述問題，機組濕態(tài)工況運行時，引入濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)功能模組，根據(jù)煤質(zhì)差異、是否投入高壓加熱器、磨煤機運行數(shù)量及分布等過程參數(shù)，基于質(zhì)量平衡和能量平衡方程生成轉(zhuǎn)態(tài)所需的煤量控制量，實現(xiàn)濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)一鍵自動轉(zhuǎn)換。具體步驟如下：

步驟1：確認機組已滿足濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)條件，當機組負荷處于20%Pe～25%Pe（Pe為額定負荷），機組處于濕態(tài)汽輪機跟隨模式和定壓運行模式，同時省煤器入口電動閥全開時，投入濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)一鍵自動控制模式，啟動濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)自動轉(zhuǎn)換控制邏輯。

步驟2：由于從給煤量增加到鍋爐吸熱量增加有一定的遲延，為快速完成干、濕態(tài)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)態(tài)開始時，在保證鍋爐本生流量滿足的前提下，應降低給水流量Fw，使進入省煤器的給水量適當減少。流量減少的最佳數(shù)值需要通過特性試驗確定。

步驟3：根據(jù)質(zhì)量平衡和能量平衡方程，結(jié)合轉(zhuǎn)態(tài)前機組在濕態(tài)工況下穩(wěn)定運行的過程參數(shù)，計算使機組進入干態(tài)運行所需的理論給煤量增量。

步驟4：通過機組特性試驗確定最佳給煤量變化速率，按照該速率逐漸增大入爐煤量，直到實際給煤量增量達到理論值。

步驟5：加煤過程中，由于鍋爐蒸發(fā)量逐漸增大，分離器液位逐漸降低，再循環(huán)流量也會隨之減小。當再循環(huán)流量減少到某個閾值，爐水循環(huán)泵停運或跳閘，再循環(huán)流量消失，轉(zhuǎn)態(tài)過程結(jié)束，機組進入干態(tài)運行。

步驟6：機組進入干態(tài)運行后，增加鍋爐主控40 MW幅度升負荷，機組快速通過濕態(tài)與干態(tài)的邊緣節(jié)點，避免干、濕態(tài)頻繁切換。

3 應用實例

在某1 050 MW超超臨界機組上進行了面向自治對象的濕態(tài)給水控制策略的實際投運。當機組總?cè)剂狭啃∮?0 t/h、給水旁路調(diào)閥開度小于65%且省煤器入口給水電動閥全關(guān)時，投入給水旁路調(diào)閥控制自動和給泵轉(zhuǎn)速控制自動，給水流量控制進入給水旁路控流量模式和給泵燃料跟隨模式，給水旁路調(diào)閥自動閉環(huán)控制給水流量，給泵轉(zhuǎn)速跟隨總?cè)剂狭孔赃m應改變。當機組總?cè)剂狭看笥?0 t/h且給水旁路調(diào)閥開度大于70%時，給水流量控制進入給水旁路燃料跟隨模式和給泵控流量模式，給泵轉(zhuǎn)速自動閉環(huán)控制給水流量，給水旁路調(diào)閥跟隨總?cè)剂狭孔赃m應改變。

在機組冷態(tài)沖洗、點火、熱態(tài)沖洗、升溫升壓、沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)及濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)等階段實現(xiàn)了給水流量、分離器液位及濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)的全程自動控制，相關(guān)參數(shù)運行曲線如圖5、圖6所示。

圖6 濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)全程控制應用曲線Fig.6 Application curve of full process control from wet to dry state

如圖5所示，在機組啟機過程中冷態(tài)沖洗、點火、熱態(tài)沖洗、升溫升壓等階段實現(xiàn)了給水流量、分離器液位以及濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)的全程自動控制。機組濕態(tài)運行時給水流量設定值跟隨燃料量自動改變，燃料量由點火開始水位最小煤量15 t/h逐漸增加至75 t/h，給水流量設定值由830 t/h自適應變化至926 t/h，給泵汽輪機轉(zhuǎn)速指令跟隨燃料量由2 500 r/min增加至3 650 r/min，期間給水流量控制模型根據(jù)機組運行參數(shù)自治切換，最大給水流量控制偏差在±50 t/h。爐循泵出口調(diào)閥全程自動控制分離器液位，分離器液位設定值根據(jù)水質(zhì)情況自動變化，水質(zhì)不合格時設定值為16.3 m，水質(zhì)合格時設定值為14 m，期間分離器液位控制偏差在±1 m，機組濕態(tài)運行期間全程無需運行人員干預，自動實現(xiàn)分離器液位控制。

如圖6所示，在機組啟機過程中濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)階段實現(xiàn)了給水流量、分離器液位以及燃料量的全過程自動控制。機組濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)分為3個階段：第1階段以每分鐘60 t/h的速率將給水流量由1 030 t/h減少至900 t/h；第2階段逐漸增加總?cè)剂狭浚陂g給泵汽輪機轉(zhuǎn)速自動維持給水流量在900 t/h附近，波動范圍±30 t/h，爐循泵出口調(diào)閥根據(jù)分離器液位變化自動關(guān)至最小閥位20%，爐循泵由于分離器液位低跳閘，過熱度大于5 ℃時機組由濕態(tài)運行變?yōu)楦蓱B(tài)運行；第3階段快速將鍋爐主控由390 MW增加至430 MW，此時總?cè)剂狭颗c給水流量同時增加，機組快速通過濕態(tài)與干態(tài)的邊緣節(jié)點，避免干、濕態(tài)頻繁切換。

4 結(jié)語

本文依據(jù)火電機組濕態(tài)給水系統(tǒng)控制的特點，摒棄傳統(tǒng)相對單一固化的面向過程的設計模式，將面向?qū)ο蟮募夹g(shù)理念應用于給水系統(tǒng)全程控制中，提出了一種超超臨界機組給水系統(tǒng)濕態(tài)全程控制策略，實現(xiàn)濕態(tài)運行下機組給水流量、分離器液位以及濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)全程自動控制。該策略在復雜多變的工況下根據(jù)運行參數(shù)自治規(guī)劃控制模式，呈現(xiàn)了一個讓運行人員面對的是對象、操作的是系統(tǒng)、提出的是需求、關(guān)注的是結(jié)果的APS2.0應用場景，控制系統(tǒng)具備較強的自治性和健壯性，大幅提高了給水全程控制系統(tǒng)的使用率與機組自動化水平。