燃机电厂高压汽包水位自动控制优化浅析

阮雷钧，赵永利，金智伟，胡方明

（1.浙江浙能长兴发电有限公司，浙江 长兴 313100；2.华能桐乡燃机热电有限责任公司，浙江 桐乡 314513；3.杭州中兴达科技有限公司，杭州 310052）

0 引言

华能桐乡天然气热电联产项目位于浙江省桐乡市，以给临杭经济区供热为主，发电调峰为辅。本项目新建两套阿尔斯通E级燃气-蒸汽联合循环一拖一多轴供热机组，其中#1机组为抽凝机组，即一部分没有做完功的蒸汽从汽轮机的抽汽口抽出送至热用户，另一部分至低压缸继续做功后排入凝汽器凝结成水，再回到余热锅炉。这种机组的电热相互调整性比较好，但在热负荷需求较大的情况下，不能满足热用户的要求。#2机组为背压机组，即机组中没有低压缸及凝汽器，在启动过程中，通过15%容量的启动旁路将蒸汽排入#1机组的凝汽器。当蒸汽参数满足背压汽轮机冲转条件后，开始启动背压汽轮机，中压缸排汽全部供给热用户。这种机组供热能力明显比抽凝机组强，所以背压机组的经济性最好。另外，两套机组的高中低压过热器出口均通过母管相连，交叉运行方式要比单元制机组更为灵活；旁路亦采用母管制，保证任一机组跳机时，能够回收工质，并且背压机侧增加一台真空除氧器，背压机组可以单独运行，抽凝机不必热备用；余热锅炉低压汽可在背压机单独运行时关闭，解决了背压机不能利用低压汽的问题。

桐乡燃机控制系统（TCS）采用ALSTOM CONTRO GAS控制系统，汽轮机、余热锅炉、公用系统、电气系统与辅网系统均采用美国艾默生公司的Ovation 3.5.0控制系统（覆盖MCS、SCS、DEH、ETS、ECS等系统）。余热锅炉为杭州锅炉集团股份有限公司生产的NG-GT13E2-R型三压、无补燃、卧式、自然循环、镜像布置的余热锅炉。余热锅炉各参数如下：①高压蒸汽流量：220.6t/h；②高压蒸汽出口压力：7.633Mpa；③高压蒸汽出口温度：503.2℃；④中压蒸汽流量：50.2 t/h；⑤中压蒸汽出口压力：1.28MPa；⑥中压蒸汽出口温度：300.4℃；⑦低压蒸汽出口压力：0.22MPa；⑧低压压蒸汽出口温度：171.9℃。

在锅炉启动初期，运行人员必须密切注意汽包水位的变化，维持汽包水位在正常范围内。随着温度的上升，汽包压力的升高，汽包液位会从启动液位逐渐膨胀上升至接近汽包中心线。正常运行时，水位自动调节回路将通过引入蒸汽流量、给水流量和汽包水位为变量的三冲量PI运算，输出控制信号，自动控制气动给水调节阀的开度，改变进入省煤器的给水流量，以平衡汽水流量和补偿水位的变化。在余热炉正常运行期间，高压给水系统通过高压给水泵勺管控制给水压力，通过上水调门控制给水流量，以此来实现对高压汽包水位的调节。

桐乡燃机高压给水系统设计有两台高压给水泵，通过对高压给水泵勺管的调节控制高压给水泵转速，最终达到控制高压汽包水位的目的。两台高压给水泵互为备用，正常工况下一用一备。在整个给水控制系统中，高压给水泵调节汽包水位控制设计有单冲量和三冲量两套控制结构。高压给水泵液力偶合器的勺管位置变化由高压主汽流量决定，当运行高压给水泵勺管自动投入后，将根据当前主汽流量值自动进行调节，当高压主蒸汽流量＜40t/h时，采用单冲量控制；当高压主蒸汽流量＞50t/h时，采用三冲量控制。该调节器输出为高压给水泵勺管指令。这种控制方式产生的问题是在机组启动阶段，主汽流量值很小，如果高压给水泵在自动情况下运行，那么勺管的开度可能被限制在很小的位置，此时如果汽包水位降低，给水调门会逐渐开大，但由于高压给水泵勺管位置没有发生变化，那么给水流量也就无法继续增加。所以就必须将勺管自动切除，采用手动方式改变高压给水泵勺管位置，特别在汽水品质较差时，加强汽包排污必不可少，在蒸汽流量没有发生改变的情况下，高压给水泵勺管自动就无法投入运行。另外，一旦主汽流量增加，液力偶合器勺管开度会随着流量的增加而上升，但如果此时高压汽包水位处在比较高的情况，而中压汽包水位处于较低的情况，那么控制的矛盾就非常突出。

图1 高压给水泵流量特性图Fig.1 Flow characteristic diagram of high pressure feed pump

由于设计采用高压给水泵控制高压汽包水位，那么如何来协调高压给水泵液力偶合器勺管的位置变化与高压给水调门开度的变化是最关键的问题。根据现场运行情况，桐乡燃机改变了原来的运行思路，将给水控制逻辑修改为：将高压汽包压力信号引入逻辑控制，同时增加液力偶合器设定块输出，利用高压给水母管压力与汽包的差压作为高压给水泵液力偶合器勺管调节的最终目标，并配以高压给水调门的辅助调节，有效地解决了高压给水泵勺管和高压给水调门的双重调节所带来的不确定因素。综合考虑节能增效与提质增效等因素，现针对高压汽包水位自动控制进行优化，优化后控制方案为：高压给水泵控制高压汽包水位，高压给水调阀控制给水母管压力。

1 高压给水泵优化后的控制方案

1）控制目的

通过改变进入汽包的给水流量来维持汽包水位为设定值。

2）高压汽包水位信号处理

将经过温度、压力补偿后的3个高压汽包水位信号进行筛选处理后，作为水位调节器的被调量。

3）给水流量信号处理

给水总流量=给水流量+高压减温水流量。

4）功能说明

桐乡燃机高压汽包水位的设定值采用基本设定值+偏置的方式产生，运行人员根据机组运行实际情况可在画面上手动设定偏置，同时考虑手动调节时水位设定跟踪。

在单冲量控制系统工作时，汽包水位控制指令由汽包水位和运行人员设定值的偏差形成。

在三冲量控制系统工作时，汽包水位控制指令由两个串级的调节器根据汽包水位偏差、给水流量和高压主蒸汽流量3个信号形成。

当其中一台给水泵运行且备用投入，备用高压给水泵联启时，联锁启动的泵勺管指令跟踪运行泵的勺管指令。

高压给水系统设置有机械式再循环阀，但是再循环流量有限，因此为了设备运行安全，当给水流量降低到一定值时，闭锁给水泵勺管指令继续下降。

5）强制手动

当出现下列情况之一时，给水泵控制强制切到手动并发出报警：①汽包水位和设定值偏差大；②勺管指令和反馈偏差大；③汽包水位信号故障；④给水流量信号故障；⑤蒸汽流量信号故障；⑥勺管反馈信号故障；⑦给水泵跳闸。

2 高压给水调阀优化后的控制方案

1）控制目的

通过改变调阀的开度对给水流量的节流来维持汽包压力和泵出口压力差为设定值。

2）给水泵出口压力信号处理

将选择后两个泵出口压力经过惯性滤波后作为压力调节器的被调量。

3）压力调节器设定值信号处理

压力调节器设定值=汽包压力+汽包水位函数修正+运行手设偏置。将设定值经过速率限制后进入压力调节器的设定端。在投入自动后，默认最小压力设定值为5.8MPa，在系统运行一段时间后，如果可以在更低的压力下运行，可将定值下调。

4）功能说明

高压给水系统设计一个高压给水调阀，控制高压给水母管压力，高压给水调阀的开度尽可能地开大，以减小节流损失，实际运行中给水调阀根据工况变化在85%～95%区间内运行，留有一定裕度用于紧急工况下使用。

5）强制手动

当出现下列情况之一时，给水泵控制强制切到手动并发出报警：①高压给水泵出口压力信号故障；②调阀指令和反馈偏差大。

3 锅炉定排模式下的水位自动优化

高压汽包水位控制策略改造后，现有控制参数在日常升、降负荷期间均能够满足控制要求，但由于高压汽包水位定排管径大，排污流量无控制手段且无排污流量监视测点，在高压汽包排污时，对高压汽包水位造成较大的扰动，水位控制严重滞后，需要运行进行手动干预，为保证给水调节全过程自动投入，后续又对控制参数和相关逻辑进行优化。

3.1 控制参数优化

1）减小汽包水位一阶惯性时间：Ti由20→5。

2）加 强 主 调PID参数：GAIN由2～5；Ti由300～90。

3）增加主调PID控制死区：DBND由0～0.02。以上参数优化后效果如图2。

图2 参数优化后排污阀开，对汽包水位的影响Fig.2 The influence of the opening of the blowdown valve on the water level of the steam drum after parameter optimization

结合图2可以看出，参数优化后对设定值的扰动能够较快的响应，但是针对排污的响应仍然较慢，从参数优化方面已不能满足调节要求。

3.2 控制逻辑优化

结合运行人员手动操作过程，对控制逻辑进行以下优化修改：

1）当排污阀开，且水位低于设定值20mm时，对勺管指令叠加10%总指令的前馈量，对给水流量设定叠加40t/h的前馈量。

2）当排污阀关，立刻取消所有前馈量。

3）当排污阀开，且水位高于设定值15mm时，立刻取消所有前馈量。

4）增加指令前馈变化速率限制：每秒变化10%前馈指令。

5）增加流量前馈变化速率限制：每秒变化4t/h前馈指令。

结合图3可以看出：增加了指令前馈和流量前馈后，系统响应速度变快，对排污阀开造成水位的扰动有了明显的抑制。

图3 增加指令前馈流量前馈的曲线Fig.3 The curve of adding command feedforward flow feedforward

4 结论

结合以上高压汽包水位控制逻辑优化后，记录并对比稳定运行工况下的各参数，详见表1。

表1 新、旧控制方式下参数对比表Table 1 Comparison of parameters under the new and old control modes

通过对新旧控制方式下的运行参数对比发现，新的控制方式下调门节流损失变小。优化控制逻辑后，高压给水泵每小时节约用电95kW·h，按全年运行2800h，厂用电按0.6074元计算，每年可节省费用约14.5万元。在当前节能提效的大环境下，进一步提高设备效率，减小系统节流损失至关重要。本文主要以调节PID控制参数为主，增加流量前馈为辅，同时加入排污阀的开启前馈等控制思路，对于燃机电厂高压汽包水位控制等类似的过程有很好的借鉴意义。