基于间隙特性函数的给水泵最小流量控制系统研究

袁俊文,宿海涛,陈　勇,张富柱,史少涵

(1.黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030; 2.国电科学技术研究院,南京 210023; 3.国网哈尔滨供电公司,哈尔滨 150000; 4.黑龙江省电力有限公司检修公司,哈尔滨 150090)



基于间隙特性函数的给水泵最小流量控制系统研究

袁俊文1,宿海涛1,陈勇2,张富柱3,史少涵4

(1.黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030; 2.国电科学技术研究院,南京 210023; 3.国网哈尔滨供电公司,哈尔滨 150000; 4.黑龙江省电力有限公司检修公司,哈尔滨 150090)

介绍了给水泵系统最小流量阀的技术特性以及控制原则,分析了常用最小流量阀控制方法存在的问题,提出一种基于间隙特性函数的控制方案。试验结果表明:采用间隙特性函数控制给水泵最小流量阀,能消除流量小幅波动对阀门开度的影响,提高机组的安全经济运行。

给水系统;最小流量阀;控制原则;间隙特性函数

给水泵是火电机组的重要辅机之一,保证其安全直接关系到机组运行的安全。为了防止给水泵发生汽蚀而影响给水泵的正常安全运行,必须满足给水泵的有效汽蚀余量不小于必需汽蚀余量,二者均与给水泵的流量相关。采用最小流量再循环工艺是防止汽蚀的主要措施,因此最小流量再循环阀的控制就关系到给水泵的安全运行[1]。文献[2]分析讨论了给水泵最小流量及泵和再循环阀的防汽蚀问题,从硬件方面提出了对给水泵最小流量控制系统的改进;文献[3]在分析给水泵最小流量阀控制方法存在问题的基础上提出了二种改进的控制方法。本文针对现有给水泵最小流量阀控制方法存在的问题进行了分析,提出一种基于间隙特性函数的控制方案,以实现对给水泵最小流量阀的有效控制,提高机组的安全经济运行。

1　给水泵最小流量控制系统分析

1.1给水泵工作安全区

给水泵压力-流量特性[4]如图1所示。

图1　给水泵压力-流量特性

为了保证锅炉和泵的安全经济运行,泵必须工作在泵的上限特性Qmin、下限特性Qmax、锅炉允许最高给水压力Pmax和最低给水压力Pmin以及泵的最高转速nmax和最低转速nmin包围的区域,该区域称为泵的安全工作区。在给水流量控制的过程中必须保证泵的工作点在安全工作区内:当工作点进入上限特性曲线之外时,打开泵出口至除氧器再循环管上的最小流量再循环阀;当工作点进入下限特性曲线之外时,关小管路的给水调节阀,提高给水泵转速。

1.2给水泵最小流量阀的控制原则

最小流量阀的控制方法一方面要能克服由于给水泵入口流量的小幅波动引起阀门的频繁动作,而增加阀门发生故障的概率,另一方面应减少由于最小流量阀的频繁动作而引起给水流量的波动进而影响到锅炉给水自动调节。因此,最小流量阀的控制最终要保证给水泵的安全可靠运行以及整个给水调节系统的稳定。

2　常规最小流量阀控制策略

2.1PI调节器控制

该控制方式以给水泵入口流量与流量设定值做偏差后作为PI控制器的输入,最小流量阀作为被控对象,从而实现最小流量的连续控制。控制逻辑如图2所示。

图2　最小流量阀PI控制逻辑图

由于最小流量阀工作在高温、高压以及前后差压较大工况下,频繁的动作调整会增加阀门发生故障的概率。而该PI调节控制的方法虽能保证给水泵的安全可靠运行,防止汽蚀造成给水泵的损坏,但是,由于PI调节器连续控制的特点决定了最小流量阀会随着流量的波动而频繁的动作,增加阀门动作概率。另外,最小流量阀的频繁动作会影响到锅炉给水流量自动调节效果,进而影响机组的稳定运行。

2.2单一折线函数调节控制

最小流量阀开度随给水泵入口流量变化的关系曲线F(x)如图3所示。

图3　最小流量阀单一折线函数控制曲线

在给水泵运行过程中,该控制方法对最小流量阀的调节幅度较大,且使其动作频繁,在最小流量阀打开或关闭的瞬间容易引起给水流量的波动,影响给水自动调节。

3　改进的最小流量阀控制策略

3.1间隙特性函数调节控制

对粪水进行第三次固液分离，SS去除率高达90%以上。将污泥池中的水抽入到絮凝箱中，加入PAM（聚丙烯酰胺）进行搅拌，使泥水分离，然后经过叠螺机将污泥压干（污泥堆肥），出水则流入预沉淀池进行沉淀，之后出水流入预曝气池[2]。

3.1.1函数的间隙特性

间隙特性[5]是实际系统中常见的非线性因素,为非单值函数y=f(x):

y分段确定增益,其间隙特性如图4所示。

图4　回滞函数间隙特性曲线

由于间隙特性的存在,因此系统的跟踪精度有所降低,但间隙特性会对系统输入端存在的干扰信号起到一定的抑制作用。另外,间隙特性函数的非单值性决定了函数的输出不仅与输入值有关,而且还与输入值的方向有关。

3.1.2间隙特性函数的确定

根据给水泵的运行安全区域以及给水泵流量保护定值确定最小流量阀的关闭方向函数F1(x)和开启方向函数F2(x)。随着给水泵入口流量的增加,最小流量阀的开度将由关闭方向函数F1(x)决定;随着给水泵入口流量的减小,最小流量阀的开度将由开启方向函数F2(x)决定。间隙特性环节由F1(x)和F2(x)组成,给水泵入口流量在该范围内变化时,最小流量阀开度保持不变。最小流量阀间隙特性控制曲线如图5所示。

图5　最小流量阀间隙特性控制曲线

关闭方向函数F1(x)与开启方向函数F2(x)表达式分别为:

(1)

(2)

实际应用中,F1(x)应大于最小流量阀开启保持特性函数,即Q2应大于给水泵厂家提供的最小流量阀联锁打开的流量值,并且保持间隙特性所需余量。Q4为给水泵厂家提供的最小流量阀联锁关闭的流量值。F2(x)应根据给水泵各种工况入口流量测点的波动值δ(x)及F1(x)来确定,其中δ(x)为给水泵入口流量测点的波动值随入口流量变化的函数,可通过试验测量流量测点在各种流量下的实际波动值得到。

间隙特性函数由F1(x)和F2(x)组成。Q1、Q2、Q3、Q4四点流量值选择的恰当与否,将关系到最小流量阀动作是否频繁,从而是否有利于给水泵的安全运行以及给水自动控制的稳定,因此适当选择间隙特性函数至关重要[6]。

3.2最小流量阀的控制逻辑

结合俄罗斯特罗伊茨克国营电站10号660 MW超临界机组给水泵最小流量阀控制系统,分析其控制逻辑,如图6所示。

图6　给水泵最小流量阀控制逻辑图

在控制逻辑图6中,F1(x)和F2(x)为间隙特性控制函数,接受给水泵入口流量信号。F1(x)和F2(x)函数输出经过小选大选运算后得到最小流量阀的阀位开度指令。函数F3(x)作用是保护最小流量阀,间隙特性函数输出的阀位开度指令在大于20%时,函数F3(x)才会有等值输出,控制最小流量阀的开度。这是因为最小流量阀两侧存在较大的差压(给水泵出口压力与除氧器压力之差),在阀门开度小于20%时,较大的差压将会对阀门阀芯产生强烈冲刷,损坏阀门,所以函数F3(x)输出经过限速作用后去控制阀门的开度。另外,控制逻辑中增加最小流量阀的保护开和保护关逻辑,该保护优于最小流量阀的手动、自动控制[7]。

3.3试验分析

将间隙特性函数控制策略应用于俄罗斯特罗伊茨克国营电站660 MW超临界机组给水泵最小流量阀的控制,控制过程曲线如图7所示。给水泵的额定流量为1253.3 t/h,给水泵要求入口流量小于375 t/h时打开最小流量循环阀,入口流量大于605 t/h时关闭最小流量循环阀。

图7　间隙特性函数控制的最小流量阀开度变化曲线

由图7可以看出,改进的控制方法能实现最小流量阀的自动控制,在给水泵入口流量小于390 t/h或大于605 t/h时,最小流量循环阀能保持打开或关闭状态;当给水泵入口流量在390～605 t/h之间时,间隙特性函数能较好地控制给水泵入口流量小幅波动对最小流量阀的影响。

4　结　语

给水泵最小流量阀对超临界机组给水系统的正常运行起着至关重要的作用。而且运行试验结

果表明,采用间隙特性函数控制给水泵最小流量阀开度可靠,能够保证给水泵的安全运行和避免给水泵发生汽蚀。

[1] 边立秀,周俊霞等.热工控制系统[M].北京:中国电力出版社,2010.

BIAN Lixiu, ZHOU Junxia, et al. Thermal control system [M]. Beijing:China Electric Power Press, 2010.

[2] 阮大伟. 给水泵最小流量的技术分析及其控制系统改造[J].热力发电,1999(4).

RUAN Dawei. Technical analysis of minimum flow rate of feed-pump and the transformation of its control system[J]. Thermal Power Generation,1999(4).

[3] 王志强,李忠杰,李金诚. 给水泵最小流量再循环阀控制方法的改进[J].河北电力技术,2011,30(6):41-44.

WANG Zhiqiang, LI Zhongjie, LI Jincheng. Improvement of minimum flow valve control for feed-water pumps[J]. Hebei Electric Power,2011,30(6):41-44.

[4] 林文孚,胡燕.单元机组自动控制技术[M].北京:中国电力出版社,2008.LIN Wenfu, HU Yan. Automatic control technology of unit plant[M]. Beijing:China Electric Power Press,2008.

[5] 胡寿松.自动控制理论[M].北京:北京科技出版社,2004.

HU Shousong. Theory of automatic control[M]. Beijing: Beijing Science Press,2004.

[6] 孙津,汪蓉,金国强.回滞函数法在防止给水泵汽蚀中的应用[J].热力发电,2009,38(12):95-97.SUN Jin, WANG Rong, JIN Guoqiang. Application of hysteresis function method in prevention of cavitation in feed-water pumps[J]. Thermal Power Generation,2009,38(12):95-97.

[7] 赖加良,戈黎红. 超临界机组给水泵最小流量控制方法的改进[J].发电设备,2009(5):358-360.

LAI Jialiang, GE Lihong. Improvement of minimum-flow control for feed pumps of supercritical power units[J]. Power Equipment,2009(5):358-360.

(责任编辑郭金光)

Research on the minimum flow control system of feed water pumpbased on gap characteristic function

YUAN Junwen1, SU Haitao1, CHEN Yong2, ZHANG Fuzhu3, SHI Shaohan4

(1.Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030, China; 2.Guodian Science Technology Research Institute,NARI Group, Nanjing 210023, China; 3.State Grid Harbin Power Supply Company, Harbin 150000,China;4.Heilongjiang Electric Power Company Limited Maintenance Company, Harbin 150090, China)

This paper introduced the technical characteristics and the control principle of the minimum flow valve of feed water pump system, analyzed the problems of the control methods of the common minimum flow valve, and proposed the control scheme based on gap characteristic function. The test results show that the minimum flow valve of feed water pump controlled by gap characteristic function can eliminate the influence of the small fluctuation of flow on the valve opening, so as to improve the safe and economic operation of the unit.

feed water pump system; the minimum flow valve; control principle; gap characteristic function

2016-03-16;

2016-04-11。

袁俊文(1982—),男，硕士研究生,工程师,主要从事热工自动化技术方面的研究工作。

TK223.7+5

A

2095-6843(2016)04-0363-04