APS技术在超临界机组全程给水中的应用

2014-12-02琳魏

山东电力高等专科学校学报 2014年4期

关键词：给水泵分离器超临界

郭琳魏静

1.徐州生物工程职业技术学院信息工程系江苏徐州 221000；

2.山东电力工程咨询院有限公司山东济南 250013

0 引言

大型超临界机组尤其是超超临界机组是典型的多输入多输出控制系统，参数之间耦合较强，控制对象动态特性的延迟时间和惯性时间比较大，非线性比较严重，这些都对自动控制系统提出了更高的要求。

给水控制系统是超临界机组协调与主汽温控制的核心［1］，所谓给水全程控制是指从锅炉点火开始到机组带满负荷为止的全过程都是自动的，即在控制设备正常的条件下，不需要人为干涉，对超临界机组而言，主要包括启停控制和湿态控制以及干态直流控制。全程给水控制要比常规给水控制要复杂的多，需要在不同工况下满足不同的控制要求，各控制回路间实现完全无扰切换［2］。

机组自启停 APS（Automatic Start Up And Shutdown System）控制是一种先进的控制理念，它涉及到多种复杂控制策略。APS对电厂的控制是通过底层设备级系统控制与上层控制逻辑共同实现的。它将模拟量控制和顺序控制等各个控制系统整合起来，共同完成设备启停任务。

因此，针对超临界机组全程给水控制难点，本文提出全程给水自启停APS技术，通过APS设备级的顺序控制、功能组级的模拟量控制、机组级的协调控制，实现了机组给水在正常运行、负荷变化以及启停过程中均满足工艺要求，提高了控制水平，进一步保证了机组安全稳定运行。

1 超临界机组给水工艺

以某超临界机组工程为例，给水系统工艺流程图如图1所示，其包括两台50%额定容量的汽动给水泵，每台汽泵配备一台前置泵，1台电动给水泵、主给水管路电动门、30%主给水旁路调节阀以及双列高压加热器，其中启动系统是采用带炉水循环泵的内置式启动分离器系统，由启动分离器、储水罐、炉水循环泵、炉水循环泵流量调节阀、储水罐水位控制阀、疏水扩容器、冷凝水箱、疏水泵等组成。

锅炉启动和低负荷运行阶段，通过启动系统建立最小给水流量，强迫工质流经水冷壁，使其冷却，分离器处于湿态运行方式，分离器起汽水分离的作用，回收合格工质，并向过热器提供饱和蒸汽，在高负荷阶段，分离器处于干态运行方式，通过调节分离器出口焓值，确保水燃比在一定范围内，保证主蒸汽流量与主蒸汽温度满足系统要求。

设计机组启动过程中给水控制工艺如下：

1）锅炉上水与冲洗阶段：启动给水泵从旁路上水，分离器水位上升到工艺要求，自动顺序打开锅炉底部排污门进行冲洗。

2）负荷0%～20%MCR阶段，给水旁路调节阀控制给水流量，电动给水泵勺管控制给水母管差压；

3）负荷20%～30%MCR阶段，给水旁路调节阀全开，打开主给水电动阀，电动给水泵退出，启动第一台汽动给水泵，汽动给水泵调节主给水流量，机组处于湿态运行阶段；

4）负荷30%～100%MCR阶段，逐步启动第二台汽动给水泵，机组由湿态转干态，BCP泵停止运行。

图1 超临界机组给水工艺流程图

设计锅炉停止过程给水控制系统如下：

1）负荷100%~30%MCR阶段，机组处于干态运行，根据负荷指令，输出给水流量经分离器出口温度修正指令，调节给水泵转速；

2）负荷30%~20%MCR阶段，机组进行干态转湿态运行方式，停一台汽动给水泵，启动BCP泵，给水指令由另一台汽动给水泵调节。

3）负荷20%~0%MCR阶段，关闭主给水电动门，旁路调阀调节给水流量，启动电动给水泵，逐步退出汽动给水泵，电动给水泵调节主给水管道差压；如图2所示。

2 机组自启停APS技术

2.1 APS控制

机组自启停APS系统是机组自动启动和停运的信息控制中心，它按规定好的程序发出

各个设备/系统的启动或停运命令［3］，并与以下系统协调完成：模拟量自动调节控制系统、顺序控制系统及其它控制系统，以最终实现发电机组某一工艺流程如全程给水功能的实现或机组自动启动或自动停运。

APS的控制策略采用分层控制结构，分为机组级、系统级、功能组级以及设备级。其中，功能组级主要实现某一工艺流程所涉及的设备启停与控制，设计合理和完善的功能组是实现机组自启停控制的关键。

2.2APS与MCS接口

图2 全程给水控制流程图

一般而言，模拟量自动控制MCS调节回路的过程值与给定值的偏差不能过大，否则系统产生较大的扰动，甚至造成调节回路振荡或发散。大多数情况下，机组启动准备阶段和启动初期，工艺参数都有条件被调整在允许范围内，接近或等于调定值，因此设计模拟量自动调节回路工作原理如图3所示，设计有自动和手动两种工作方式，以及手动工作方式下的人工手操、自动工作方式下的调节器自动伺服和自动调节三种工作状态。

在自动伺服工作状态下应该为工艺系统初始运行为开环自动调节，设计一种自举投自动功能，当设定目标值等于或略低于给定值，并作为逻辑自举的条件，只要调节速率设置得当，实践证明完全可以做到无扰切换，如锅炉全程给水、全程燃烧控制等功能顺利完成自举投自动。

依据工作原理可归纳出带有自举投自动逻辑的调节回路的特点：

a）由于采取了装置条件和工艺条件两层逻辑运算，以及人工操作和逻辑自举，可进行逻辑设计二次投入策略，使机组启动时MCS先于工艺设备投入自动成为现实；

b）选择自动工作方式下的伺服状态作为允许SCS启动的先决条件之一，SCS启动工艺设备后，配合初始化控制，工艺条件一旦符合，自举逻辑会自动地将MCS的控制水平从自动伺服提升到自动调节，避免了顺序控制执行过程中的人工切换；

c）装置条件逻辑能够在SCS启动之前自检调节回路的仪表、装置是否正常，有助于保障SCS顺畅执行和过程安全。

3 全程给水控制方案

超临界机组给水全程主要完成给水流量调节，在低负荷时，维持水冷壁具有流速稳定的最小流量，保持锅炉启动流量和启动压力，在高负荷时维持在一定的水燃比，控制中间点焓值，实现过热汽温的粗调，满足负荷的响应。

全程给水控制分为三个阶段：锅炉启动阶段；低负荷，湿态控制阶段；高负荷，直流控制阶段。

3.1 锅炉给水控制系统启动阶段

锅炉启动阶段，给水泵给水经高压加热器后进入省煤器，流过水冷壁管的炉水进入分离器，判断水质，不合格开启疏水箱液位控制阀疏水，水质合格进如炉水循环泵进行炉水回收。

为了保证锅炉上水以及开式清洗，由给水旁路调阀调节最小给水流量，电动给水泵进行给水差压控制，采用单回路调节方式，图4给出最小流量调节单回路控制。

图3 APS与MCS接口设计

图4 最小给水流量调节

图5 湿态方式下分离器储水箱水位控制

3.2 湿态控制阶段

锅炉低负荷运行工况下，分离器处于湿态运行阶段，在该阶段，分离器进行汽水分离，蒸汽进入加热器加热为过热蒸汽，疏水则由锅炉启动循环泵回收，送回省煤器。

超临界机组湿态转干态过程，需要平稳过渡，此过程是超临界机组全程给水控制中的关键节点之一［4］。湿态控制过程中，主要维持一定的分离器储水箱水位，当分离器储水箱水位超过设定值时，向疏扩箱排水以防止过热器进水，在分离器储水箱水位测量信号上加入了重力的补偿，产生361阀开度指令。

控制示意图如图5所示。

3.3 直流控制阶段

锅炉高负荷运行工况下，分离器进入直流阶段，给水一次性流过加热段、蒸发段和过热段，三段受热面没有固定的分界线。当给水流量及燃烧量发生变化时，三段受热面的吸热比率将发生变化。

干态方式下，给水控制主要包括分离器出口焓值计算，省煤器入口焓值计算，实际焓增计算、给水总吸热量计算以及理论焓增计算等几部分。

根据能量平衡定律，给水总吸热量可由（1）式推得：

进一步可得：

其中，Q吸为给水总吸热量，单位：MJ／h，HS为设计给水焓增，单位：MJ／T，WS为设计给水流量指令，单位：T／h，HA为实际给水焓增，单位：MJ／T，WA为实际给水流量指令，单位：T／h，Q燃为燃料放热量，单位：MJ／h，η 表示锅炉效率。

如图6所示，为直流干态方式下给水控制指令。

设计给水流量指令WS根据锅炉主控输入与水燃比函数得到，此设计曲线可根据机组锅炉厂家提供的锅炉运行说明查到。设计给水焓增HS可通过负荷函数或者对应分离器出口压力函数得到，同时要考虑减温水流量对主给水焓增的影响。

对于实际焓增HA，应把水冷壁和启动分离器看作一个稳定流动系统，计算其对应焓的变化量。实际焓值=校正后的分离器出口焓值设定－省煤器入口焓值+分离器出口压力修正值。分离器出口压力修正值可通过分离器出口焓设定与实际出口焓值PID微调修正得到，PID的参数设定是负荷的函数，不同的负荷对应不同的比例、积分时间。