引言

隨著DCS控制系統(tǒng)技術(shù)的不斷成熟,火電廠逐步向智能化方向發(fā)展,自動(dòng)控制的需求越來越突出?；谧詣?dòng)化的生產(chǎn)特性,在火電廠生產(chǎn)過程中應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù),可以很大程度上提高火電廠發(fā)電效率,節(jié)省人力資源,在此基礎(chǔ)上,還可以有效縮短電力生產(chǎn)周期,提升火電廠的生產(chǎn)經(jīng)營效益。

汽包水位作為汽包鍋爐機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測的重要參數(shù),只有維持在設(shè)定允許的范圍之內(nèi),才能保證機(jī)組的正常安全運(yùn)行。汽包水位過高,會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離器的正常運(yùn)行,使得汽水分離的效果下降,蒸汽中水分過多,含鹽量增加,品質(zhì)變差,致使管子容易過熱發(fā)生爆炸,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致蒸汽大量帶水,過熱汽溫急劇下降,汽輪機(jī)、蒸汽管道金屬溫度劇變,發(fā)生嚴(yán)重的熱應(yīng)力和熱變形,甚至發(fā)生水沖擊,導(dǎo)致設(shè)備損壞:汽包水位過低,將致使下降管進(jìn)口帶汽、循環(huán)流動(dòng)壓頭降低,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起水循壞的破壞,使水冷壁管超溫過熱,嚴(yán)重缺水時(shí),還可能造成汽包干鍋和水冷壁燒損等嚴(yán)重事故。

在鍋爐機(jī)組啟動(dòng)過程中,給水系統(tǒng)處于低負(fù)荷運(yùn)行,此時(shí)給水控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性差,通常需由運(yùn)行人員手動(dòng)調(diào)節(jié)完成給水泵主、旁路調(diào)節(jié)閥切換與泵的并列投用。這種模式嚴(yán)重依賴運(yùn)行人員的技術(shù)和操作經(jīng)驗(yàn),使得切換和并列過程存在極大的不穩(wěn)定性,給機(jī)組的安全生產(chǎn)運(yùn)行帶來巨大考驗(yàn)。針對(duì)這種現(xiàn)象,結(jié)合自動(dòng)控制理論,設(shè)計(jì)了全程給水自動(dòng)控制系統(tǒng)邏輯,實(shí)現(xiàn)了鍋爐機(jī)組啟動(dòng)過程中給水泵的自動(dòng)并列控制,極大改善了機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性。

1給水系統(tǒng)工藝流程

當(dāng)前,隨著發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量不斷增大,系統(tǒng)越來越復(fù)雜,技術(shù)應(yīng)用呈現(xiàn)多樣化。給水系統(tǒng)的配置主要包括以下幾種形式:(1)2臺(tái)50%的汽動(dòng)給水泵作為運(yùn)行泵,1臺(tái)50%的電動(dòng)給水泵作為啟動(dòng)、備用泵:(2)2臺(tái)50%的汽動(dòng)給水泵作為運(yùn)行泵,1臺(tái)30%的電動(dòng)給水泵作為啟動(dòng)泵:(3)3臺(tái)50%的電動(dòng)給水泵,其中2臺(tái)泵作為運(yùn)行泵,1臺(tái)泵作為備用泵。

本文研究的燃煤火力發(fā)電機(jī)組,其給水系統(tǒng)采用典型的配置模式,即配置3臺(tái)50%鍋爐額定容量的電動(dòng)給水泵,2臺(tái)作為運(yùn)行泵,1臺(tái)作為備用泵。給水系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

2全程給水自動(dòng)控制方案

2.1主、旁路與單、三沖量的控制切換

給水系統(tǒng)從機(jī)組低負(fù)荷升到高負(fù)荷的過程中,經(jīng)歷了主、旁路調(diào)節(jié)閥控制切換以及單、三沖量的控制切換,控制方式的切換是由給水系統(tǒng)被控對(duì)象特性決定的。在低負(fù)荷時(shí),一般蒸汽參數(shù)低,機(jī)組負(fù)荷變化小,不易出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象,同時(shí)汽包水位的控制要求也不高,因此一般采用給水旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)汽包水位,給水泵維持給水差壓及單沖量給水的控制方式[4]。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升高后,給水旁路調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)容量不夠,需要切換到主給水調(diào)節(jié)回路,同時(shí)由于水位動(dòng)態(tài)特性變得復(fù)雜,汽包虛假水位現(xiàn)象變嚴(yán)重,為保證調(diào)節(jié)質(zhì)量,給水系統(tǒng)從單沖量調(diào)節(jié)過渡到串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)。

為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)給水泵在鍋爐機(jī)組啟動(dòng)過程中的自動(dòng)并列,設(shè)計(jì)了如圖2、圖3所示的控制系統(tǒng)主、旁路切換邏輯,包括主、旁路閥門切換與給水單、三沖量切換。

在主、旁路調(diào)節(jié)閥切換過程中,聯(lián)鎖切投需滿足的條件包括：（1)接收系統(tǒng)自動(dòng)主、旁切換按鈕信號(hào):(2)旁路調(diào)節(jié)及電動(dòng)給水泵調(diào)節(jié)運(yùn)行正常無故障:(3)接收系統(tǒng)當(dāng)前處于旁路調(diào)節(jié)方式的信號(hào)。在比較器中引入主蒸汽流量信號(hào),設(shè)定值選擇為鍋爐機(jī)組25%額定容量。當(dāng)主蒸汽流量大于25%額定容量,同時(shí)任一臺(tái)電動(dòng)給水泵處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí),觸發(fā)主、旁路閥門切換動(dòng)作,打開給水主回路電動(dòng)門,關(guān)小旁路給水調(diào)節(jié)門。在自動(dòng)切換過程中,維持汽包水位是首要目標(biāo),通過速率限制器調(diào)節(jié)旁路調(diào)門的開度減小指令,引入旁路調(diào)門閥位反饋與汽包水位反饋兩路信號(hào)調(diào)節(jié)速率限制器設(shè)定值。為克服旁路調(diào)門關(guān)閉過程中頻繁動(dòng)作的問題,引入給水流量信號(hào)作為反饋補(bǔ)償,提高旁路調(diào)門的穩(wěn)定性。

隨著鍋爐機(jī)組負(fù)荷的不斷升高,為了保證給水系統(tǒng)的安全可靠性,給水控制系統(tǒng)將由單沖量調(diào)節(jié)方式切換為串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)方式。

單、三沖量切換過程中,聯(lián)鎖切投需滿足的條件包括:(1)電動(dòng)給水泵調(diào)節(jié)無故障:(2)接收旁路調(diào)門全關(guān)信號(hào):(3)接收主回路調(diào)門全開信號(hào)。設(shè)置兩個(gè)流量比較器,其中小流量比較器激活上限為40%額定容量,即主蒸汽流量大于40%額定容量時(shí),該比較器失效。因此,當(dāng)主蒸汽流量大于25%額定容量且小于40%額定容量時(shí),選擇單沖量控制方式,通過電動(dòng)給水泵液耦調(diào)節(jié)控制汽包水位,在調(diào)節(jié)過程中引入汽包水位反饋信號(hào)至手操器,及時(shí)調(diào)整輸出指令。當(dāng)蒸汽流量大于40%額定容量時(shí),滿足聯(lián)鎖保護(hù)條件后選擇三沖量給水控制方式。在電動(dòng)泵液耦調(diào)節(jié)過程中,除引入汽包水位反饋信號(hào)外,還引入了蒸汽流量與給水流量信號(hào),形成三沖量給水控制方式,使給水控制系統(tǒng)更加安全、穩(wěn)定、可靠。

2.2給水泵自動(dòng)并列策略

隨著鍋爐機(jī)組負(fù)荷的不斷升高,單臺(tái)給水泵供水已不滿足需求,此時(shí)需要自動(dòng)無擾啟動(dòng)第二臺(tái)電動(dòng)給水泵,實(shí)現(xiàn)雙泵并列運(yùn)行。在并列啟動(dòng)過程中,隨著待并列電動(dòng)給水泵指令出力的不斷增加,運(yùn)行電動(dòng)給水泵指令出力逐漸減少,在給水流量平衡控制回路的作用下,最后實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電動(dòng)給水泵出力相同。實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電動(dòng)給水泵并列運(yùn)行,需要分析單臺(tái)泵及兩臺(tái)泵運(yùn)行的特性,設(shè)計(jì)出滿足控制要求的邏輯。

圖4中曲線Ⅰ、Ⅱ?yàn)榻o水泵的性能曲線,Ⅲ為管路性能曲線,根據(jù)泵并列運(yùn)行的特點(diǎn),每臺(tái)泵具有相同的揚(yáng)程,流量為兩臺(tái)泵流量之和,由此可得兩臺(tái)性能相同的給水泵并列運(yùn)行的性能曲線Ⅳ。曲線Ⅴ與Ⅲ相交于點(diǎn)A,A即泵并列運(yùn)行工況點(diǎn)。過A點(diǎn)作水平線交泵的性能曲線于B點(diǎn),B即兩臺(tái)泵在并列運(yùn)行時(shí)各自的工作點(diǎn)。C點(diǎn)為每臺(tái)泵單獨(dú)工作時(shí)的運(yùn)行工況點(diǎn)。顯然,QA=2QB,QB<QC,HA=HB。從中可以推出QA<2QC,即實(shí)際給水泵并列工況點(diǎn)確定的給水流量不等于單臺(tái)給水泵額定流量的簡單增減,因此,若以單臺(tái)給水泵額定流量為給水泵聯(lián)合運(yùn)行切換策略條件,很有可能出現(xiàn)增加給水泵臺(tái)數(shù)導(dǎo)致出力不足,減少給水泵臺(tái)數(shù)導(dǎo)致出力過大的問題。因此,須根據(jù)給水泵參數(shù)及不同運(yùn)行方式下的實(shí)際工況點(diǎn)參數(shù)確定給水泵聯(lián)合運(yùn)行的切換策略,切換邏輯判斷條件為系統(tǒng)給水流量范圍。

根據(jù)圖4分析相同性能給水泵聯(lián)合運(yùn)行時(shí)兩臺(tái)泵運(yùn)行工況點(diǎn)的遷移規(guī)律,假設(shè)1號(hào)給水泵正常穩(wěn)定運(yùn)行,此時(shí)給水泵的工況點(diǎn)為C:2號(hào)給水泵為待啟動(dòng)狀態(tài),此時(shí)給水泵的工況點(diǎn)為D。打開2號(hào)給水泵出口閥,該出口閥前后因兩臺(tái)給水泵壓頭不同而存在壓差,為此,增大2號(hào)給水泵流量,該泵工況點(diǎn)由D遷移至1,2,…,減小1號(hào)給水泵流量,該泵工況點(diǎn)由C遷移至1',2',…。當(dāng)2號(hào)給水泵出口閥全開,壓差消失,兩臺(tái)給水泵壓頭相等,此時(shí)它們的工況點(diǎn)都遷移到B。

由特性曲線圖中工況點(diǎn)的遷移規(guī)律可知,當(dāng)給水泵性能曲線較陡時(shí),運(yùn)行泵流量的減少量小于啟動(dòng)泵流量的增加量:而當(dāng)給水泵性能曲線較平坦時(shí),運(yùn)行泵流量的減少量大于啟動(dòng)泵流量的增加量,考慮到并泵過程中要在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)泵出口壓力達(dá)到母管壓力,以及平衡兩泵給水流量,實(shí)現(xiàn)共同參與調(diào)節(jié)汽包水位,需要依據(jù)給水系統(tǒng)特性設(shè)置出口閥調(diào)節(jié)速率以及運(yùn)行泵與啟動(dòng)泵的流量調(diào)節(jié)速率。

3結(jié)論

(1)為實(shí)現(xiàn)鍋爐機(jī)組啟動(dòng)過程中給水泵的自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行,設(shè)計(jì)全程給水自動(dòng)控制策略。在給水系統(tǒng)的主、旁路閥門控制切換與單、三沖量控制切換控制策略設(shè)計(jì)中,充分考慮聯(lián)鎖保護(hù)條件與運(yùn)行條件,引入相關(guān)控制反饋信號(hào)對(duì)手操器以及速率限制器進(jìn)行修正。對(duì)于兩臺(tái)給水泵自動(dòng)并列控制策略,依據(jù)給水泵性能曲線與管路性能曲線特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)鍋爐給水全程自動(dòng)控制系統(tǒng)的投運(yùn),使得機(jī)組具備快速平穩(wěn)的主、旁路閥門切換,單、三沖量切換以及給水泵自動(dòng)并列的功能,從而解決了啟機(jī)過程中給水流量波動(dòng)大的問題。此外,全程給水自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用,提高了鍋爐機(jī)組整體的自動(dòng)化水平,降低了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度,擺脫了啟機(jī)過程中給水泵調(diào)節(jié)對(duì)運(yùn)行人員的依賴,使機(jī)組運(yùn)行更加安全、穩(wěn)定、可靠。