母管制给水系统压力控制优化实践

李如飞，郭 军

（马鞍山钢铁股份有限公司能源环保部，安徽马鞍山 243000）

引言

马钢南区有6 台220 t/h 高温高压锅炉和4 台总装机容量230 MW 汽轮发电机组，锅炉给水系统采用母管制方式，由6 台给水泵组成，其中#1、#5 给水泵为调速泵（其余为定速泵，无调节功能），#1 给水泵调速方式为液力偶合器调速、#5 给水泵为变频调速（图1 所示）。给水泵向冷给水母管供水，给水从冷给水母管出来后进入4台汽机的高压加热器进行加热，加热后的给水又进入热给水母管，后分别经过6台锅炉的给水调整门进入锅炉。

图1 给水系统总图

#1、#5给水泵参数如表1。

表1 #1、#5给水泵参数

1 实际运行中存在的问题

给水母管压力没有设计自动控制功能，正常生产时，5 台锅炉和4 台汽轮机运行，给水系统中定速给水泵和调速给水泵都有投入运转，运行人员来只能凭经验调整给水母管压力，劳动强度大，容易产生监盘疲劳，极易出现超调、欠调、调节不及时等现象，锅炉汽包水位波动大，影响机组稳定运行。

手动操作时，给水母管压力难以维持在理想的范围内，一般压力值较高、波动大，平均在14 MPa左右（13～15 MPa 波动运行）。从安全角度考虑，给水母管压力高有利于锅炉安全运行，但给水管道阀门节流损失大，给水泵的电耗明显增加，不利于节能降耗。而给水母管压力低，可能会造成锅炉断水的严重事故。

母管制给水系统中，给水母管压力与锅炉负荷存在相互影响、特别是在锅炉负荷升降过程中。如果母管给水压力波动大，必定会严重影响进入锅炉的给水流量，从而严重影响所有锅炉的汽包水位稳定；另一方面，由于锅炉掺烧高炉、焦炉、转炉煤气，外部煤气供应量经常大幅波动，锅炉负荷随之变化，锅炉负荷的变化会使进入锅炉的给水流量发生变化，锅炉给水流量的变化又会影响给水母管的压力，而且等到给水母管压力变化后再由运行人员进行手动调节，调节时间上已经滞后，威胁锅炉运行安全或造成电能的浪费。

如果只有一台调速给水泵来进行给水母管压力自动控制调整，满足不了给水母管压力变化的需求，只能两台调速给水泵同时进行调整，而两台调速泵的特性完全不同，极易引起振荡，存在很多技术难题，常规的自动控制方案无法实现。

2 技术改造方案

通过调速给水泵调节特性试验，掌握给水母管压力调节系统每个相关的工艺特征，然后将给水系统等相关控制信号接入控制系统，采用先进的多变量复合平衡协调控制策略，能够自动控制调速给水泵的转速，进而实现给水母管压力的自动控制。

针对锅炉给水母管系统存在的系统复杂、运行工况变化、扰动因素多且难以建立精确数学模型的特点，进行以下工作：

（1）研究给水母管压力协调控制技术，制订适应现场工艺工况的协调控制策略。通过多次试验，实现了多变量复合平衡协调控制技术，解决了两台调速给水泵性能不同等造成的问题，实现对给水母管系统的智能协调控制。

（2）开发专用智能给水母管压力协调控制软件，编制相应控制程序，实现给水母管压力的长期自动控制。

（3）控制参数优化调整，在实现给水母管压力智能协调控制方案及相关软件后，通过调整优化相关参数，实时将给水母管系统保持在最优状态。

（4）给水母管压力协调控制作为给水母管压力调节的核心，其安全性是至关重要的，主要包括硬件系统安全策略和软件程序安全策略［1］。

3 具体技术路线

3.1 特性试验

对#1 给水泵的出口压力、电动机电流、液力偶合器勺管开度，#5 给水泵的出口压力，电动机电流、变频器转速，给水母管上个相关压力测点等参数进行特性试验。锅炉负荷变化对给水系统的影响以及各参数之间的关系试验，有助于自动控制参数的优化完善。

3.2 系统建立

将给水系统相关信号以硬接线方式接入至给水母管压力协调控制系统，有助于在同一平台上可靠实现自动控制方案。

3.3 前馈控制

（1）将锅炉总负荷信号接入给水母管压力协调控制系统内，有助于实现锅炉总负荷前馈控制，及时消除负荷变化对给水母管压力的影响。

（2）将锅炉掺烧煤气总量接入给水母管压力协调控制系统内，实现给水系统快速响应（图2所示）。

图2 给水母管压力协调控制原理

3.4 自动控制方案

（1）采用多变量复合平衡协调控制系统实现对给水母管压力自动控制［2］。

（2）设计锅炉总负荷前馈系统，将锅炉总负荷作为控制系统前馈。

（3）设计锅炉掺烧煤气总量急剧变化快速响应模块。

（4）设计复合控制器系统，无论给水母管系统中只有#1 给水泵运行，还是只有#5 给水泵运行，或者#1、#5 给水泵都在运行，都能够实现给水泵完美调速效果。

（5）设计平衡模块控制器系统，克服给水泵不同开度区间，特性不同的缺点。

（6）设计给水泵快速响应控制系统，如果一台调速给水泵开度达到上下限，则另一台调速给水泵立即启用快速响应功能，加快调节，保持给水母管压力稳定。

3.5 控制参数调整优化

（1）通过调整锅炉总负荷、总煤气量等前馈相关参数，达到锅炉运行状态变化时及时进行调整，稳定给水母管压力［3］。在锅炉负荷较大范围变化情况下，给水母管压力最大动态偏差控制±0.2 MPa以内。

（2）调整#1、#5 给水泵相关的参数控制，在锅炉负荷基本稳定情况下，实现控制最优化，给水母管压力最大动态偏差控制在±0.1 MPa以内。

（3）调整给水母管压力设定值，根据机组运行方式的不同，将给水母管压力设定值进行微调。五炉四机运行时，给水母管压力设定为13 MPa；四炉三机运行时，给水母管压力设定为13.1 MPa。

（4）依据#1、#5 给水泵自身特性及安全高效的运行区间，合理调整#1、#5 给水泵的运行上下限数据，保证给水泵的稳定节能运行和给水母管压力稳定。

4 实施效果

通过该技术方案的实施，完成了给水母管压力控制系统优化，给水母管压力实现了稳定运行，大大减轻了运行人员的操作量，杜绝了运行中的安全隐患。以前给水母管压力一般在13～15 MPa 之间波动运行，给水电耗在5.8～6.3 kWh/t；实施了该系统后，给水母管压力稳定在13～13.1 MPa，给水电耗稳定降低到5.55 kWh/t左右。

给水泵电耗平均下降约0.5 kWh/t，按照1 000 t/h 的给水流量来计算，每年可以节约电费为（电价按0.6元/kWh计算）：

0.5 ×1 000×24×365×0.6=262.8万元