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,自動控制的需求越來越突出?；谧詣踊纳a(chǎn)特性,在火電廠生產(chǎn)過程中應(yīng)用自動化技術(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組運行監(jiān)測的重要參數(shù),只有維持在設(shè)定允許的范圍之內(nèi),才能保證機組的正常安全運行。汽包水位過高,會影響汽包內(nèi)汽水分離器的正常運行,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)重時還會導(dǎo)致蒸汽大量帶水,過熱汽溫急劇下降,汽輪機、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,將致使下降管進口帶汽、循環(huán)流動壓頭降低,嚴(yán)重時會引起水循壞的破壞,使水冷壁管超溫過熱,嚴(yán)重缺水時,還可能造成汽包干鍋和水冷壁燒損等嚴(yán)重事故。

在鍋爐機組啟動過程中,給水系統(tǒng)處于低負(fù)荷運行,此時給水控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性差,通常需由運行人員手動調(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)重依賴運行人員的技術(shù)和操作經(jīng)驗,使得切換和并列過程存在極大的不穩(wěn)定性,給機組的安全生產(chǎn)運行帶來巨大考驗。針對這種現(xiàn)象,結(jié)合自動控制理論,設(shè)計了全程給水自動控制系統(tǒng)邏輯,實現(xiàn)了鍋爐機組啟動過程中給水泵的自動并列控制,極大改善了機組安全運行的可靠性。

1給水系統(tǒng)工藝流程

當(dāng)前,隨著發(fā)電機組裝機容量不斷增大,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50%的汽動給水泵作為運行泵,1臺50%的電動給水泵作為啟動、備用泵:(2)2臺50%的汽動給水泵作為運行泵,1臺30%的電動給水泵作為啟動泵:(3)3臺50%的電動給水泵,其中2臺泵作為運行泵,1臺泵作為備用泵。

本文研究的燃煤火力發(fā)電機組,其給水系統(tǒng)采用典型的配置模式,即配置3臺50%鍋爐額定容量的電動給水泵,2臺作為運行泵,1臺作為備用泵。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)被控對象特性決定的。在低負(fù)荷時,一般蒸汽參數(shù)低,機組負(fù)荷變化小,不易出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象,同時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,同時由于水位動態(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)過渡到串級三沖量調(diào)節(jié)。

為實現(xiàn)電動給水泵在鍋爐機組啟動過程中的自動并列,設(shè)計了如圖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)自動主、旁切換按鈕信號:(2)旁路調(diào)節(jié)及電動給水泵調(diào)節(jié)運行正常無故障:(3)接收系統(tǒng)當(dāng)前處于旁路調(diào)節(jié)方式的信號。在比較器中引入主蒸汽流量信號,設(shè)定值選擇為鍋爐機組25%額定容量。當(dāng)主蒸汽流量大于25%額定容量,同時任一臺電動給水泵處于運行狀態(tài)時,觸發(fā)主、旁路閥門切換動作,打開給水主回路電動門,關(guān)小旁路給水調(diào)節(jié)門。在自動切換過程中,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)閉過程中頻繁動作的問題,引入給水流量信號作為反饋補償,提高旁路調(diào)門的穩(wěn)定性。

隨著鍋爐機組負(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)電動給水泵調(diào)節(jié)無故障:(2)接收旁路調(diào)門全關(guān)信號:(3)接收主回路調(diào)門全開信號。設(shè)置兩個流量比較器,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,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,選擇單沖量控制方式,通過電動給水泵液耦調(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至手操器,及時調(diào)整輸出指令。當(dāng)蒸汽流量大于40%額定容量時,滿足聯(lián)鎖保護條件后選擇三沖量給水控制方式。在電動泵液耦調(diào)節(jié)過程中,除引入汽包水位反饋信號外,還引入了蒸汽流量與給水流量信號,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給水泵自動并列策略

隨著鍋爐機組負(fù)荷的不斷升高,單臺給水泵供水已不滿足需求,此時需要自動無擾啟動第二臺電動給水泵,實現(xiàn)雙泵并列運行。在并列啟動過程中,隨著待并列電動給水泵指令出力的不斷增加,運行電動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,最后實現(xiàn)兩臺電動給水泵出力相同。實現(xiàn)兩臺電動給水泵并列運行,需要分析單臺泵及兩臺泵運行的特性,設(shè)計出滿足控制要求的邏輯。

圖4中曲線Ⅰ、Ⅱ為給水泵的性能曲線,Ⅲ為管路性能曲線,根據(jù)泵并列運行的特點,每臺泵具有相同的揚程,流量為兩臺泵流量之和,由此可得兩臺性能相同的給水泵并列運行的性能曲線Ⅳ。曲線Ⅴ與Ⅲ相交于點A,A即泵并列運行工況點。過A點作水平線交泵的性能曲線于B點,B即兩臺泵在并列運行時各自的工作點。C點為每臺泵單獨工作時的運行工況點。顯然,QA=2QB,QB<QC,HA=HB。從中可以推出QA<2QC,即實際給水泵并列工況點確定的給水流量不等于單臺給水泵額定流量的簡單增減,因此,若以單臺給水泵額定流量為給水泵聯(lián)合運行切換策略條件,很有可能出現(xiàn)增加給水泵臺數(shù)導(dǎo)致出力不足,減少給水泵臺數(shù)導(dǎo)致出力過大的問題。因此,須根據(jù)給水泵參數(shù)及不同運行方式下的實際工況點參數(shù)確定給水泵聯(lián)合運行的切換策略,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)合運行時兩臺泵運行工況點的遷移規(guī)律,假設(shè)1號給水泵正常穩(wěn)定運行,此時給水泵的工況點為C:2號給水泵為待啟動狀態(tài),此時給水泵的工況點為D。打開2號給水泵出口閥,該出口閥前后因兩臺給水泵壓頭不同而存在壓差,為此,增大2號給水泵流量,該泵工況點由D遷移至1,2,…,減小1號給水泵流量,該泵工況點由C遷移至1',2',…。當(dāng)2號給水泵出口閥全開,壓差消失,兩臺給水泵壓頭相等,此時它們的工況點都遷移到B。

由特性曲線圖中工況點的遷移規(guī)律可知,當(dāng)給水泵性能曲線較陡時,運行泵流量的減少量小于啟動泵流量的增加量:而當(dāng)給水泵性能曲線較平坦時,運行泵流量的減少量大于啟動泵流量的增加量,考慮到并泵過程中要在較短時間內(nèi)實現(xiàn)啟動泵出口壓力達到母管壓力,以及平衡兩泵給水流量,實現(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)速率以及運行泵與啟動泵的流量調(diào)節(jié)速率。

3結(jié)論

(1)為實現(xiàn)鍋爐機組啟動過程中給水泵的自動調(diào)節(jié)運行,設(shè)計全程給水自動控制策略。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)計中,充分考慮聯(lián)鎖保護條件與運行條件,引入相關(guān)控制反饋信號對手操器以及速率限制器進行修正。對于兩臺給水泵自動并列控制策略,依據(jù)給水泵性能曲線與管路性能曲線特點進行設(shè)計。

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