简述S109FA燃机汽包水位和天然气温度控制

2023-01-25李以文

机电信息 2022年24期

李以文

（杭州华电半山发电有限公司，浙江杭州 310015）

0 引言

PID作为工程实际中应用最为广泛的调节器问世至今已有近70年历史，它因结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合采用PID控制技术。PID控制，实际中也包括PI和PD控制，PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制[1]。

形成一套稳定可靠的自动化控制系统，可使水质、天然气温度等工况更加快速、准确地达到目标值。汽包水位和天然气温度控制是某发电厂S109FA燃机主要自动调节系统中比较典型的PID控制系统，下面将简述其控制原理，并分析整定方法。

1 燃机汽包水位和天然气温度控制系统介绍

1.1 汽包水位控制

高、中、低压三个汽包水位采用单冲量和三冲量两种调节方式，以高压汽包水位调节为例进行分析。在机组启动阶段，给水流量和主汽流量等参数较低的工况下采用单冲量控制，调节器接收实际汽包水位信号并与设定值比较后计算出调节阀指令用于控制给水调节阀；当各流量参数达到一定工况后，切换至三冲量控制，主调节器接收汽包水位设定值与实际水位比较，通过变比例固定积分时间调节，得出汽水流量的偏差值，与蒸汽流量相加（给水需求量）后作为副调的设定值，副调节器通过计算得出调节阀开度调节给水流量。

单冲量与三冲量的切换条件为：（1）高压给水流量FT5001-SEL高于71.15 t/h；（2）高压给水和主汽流量无坏点；（3）高压蒸汽流量FT5003-SEL高于71.15 t/h。这三个条件都满足的情况下，切换到三冲量调节。

这里还要指出，为了避免汽包水位自动出现较大波动，发生如下情况时控制方式切为手动：（1）汽包水位坏点；（2）调节阀指令与反馈偏差超限；（3）汽包水位设定值与实际水位偏差超限。这三个条件任意一个成立就切手动。

此外，在控制手段上，选择三冲量控制时，主调节器采用变比例增益控制，比例系数根据汽包水位定值与水位测量值的偏差大小变化。水位偏差大时，调节系统的比例增益增大，以减小水位的动态偏差；水位偏差小时，调节系统的比例增益减小，以提高水位调节的稳定性[2]。

1.2 天然气温度控制

为保证燃气轮机的正常燃烧和一定的经济性，S109FA燃机通常会将燃气温度控制在185 ℃左右，它是利用性能加热器（中压省煤器出口的中压给水）对燃气进行加热。性能加热器投入运行后，DCS监控供应燃料温度并给温度控制阀（TCV-4233）发送一个控制信号，通过开关温度控制阀TCV-4233调节流经性能加热器的热水流量来调整从加热器出口的燃料温度，将其控制在185 ℃。当燃气温度超过193 ℃时，控制系统将发出自动停机指令。

根据图1可以看出，燃气的温度控制采用了一套单回路PID控制和一套串级PID控制回路（分为两个阶段对温度进行控制）：通过PID1控制加热器入口水温与出口燃料温度的偏差，这样开机过程中，燃气温度随着水温的升高而升高；PID2调节器的作用是将出口天然气温度控制在185 ℃，其输出为燃气加热所需的热量信号；PID3根据热水的实际热量与PID2送来的热量需求进行比较，计算出温控调节阀的开度指令。进入加热器水的热量Q为热水的焓值与热水流量的乘积，焓值与温度和压力有关，因此将热量信号引入调节系统实际上就将引起系统扰动的一个重要因素——热水温度也引入了系统，这样在某一稳定工况下，当热水温度变化时反映到其热量Q也会产生变化（也就是PID3的测量值产生了变化），通过PID3的调节作用使调节阀迅速动作改变流量，实际上是热水温度变化时提前动作调节阀改变热水流量，以减小温度变化对系统产生的扰动作用。另外，图中还引入了燃气流量变化对热量的补偿信号Q1，该值为实际天然气流量的函数（实际上就是反映机组负荷的变化对该系统的影响，因为机组负荷的变化实际上就是天然气流量的变化）。

PID1和PID2/3的工作切换：正常运行时，性能加热器入口温度通常在220 ℃左右，而PID1的夹点温度设定值为15～25 ℃，若按PID1进行控制，温度值必定超过185 ℃，此时PID2的输出必小于PID1输出的开度，PID2有效。也就是说，在开机过程中加热器入口水温低于200 ℃时，PID1调节器起作用；而正常运行时水温高于200 ℃（通常在220 ℃）时，PID2调节器起作用。

2 快速整定法的工作步骤

在平时的PID参数整定中，经常会花费很多的时间和精力。下面简单介绍一下PID调节器最佳参数快速整定法的工作步骤。

（1）被控系统处于“手动”的稳定状态。

（2）首先整定控制系统内环PID参数：将外环的P设为最小，I最大，即把外环处于开环状态；将内环PID的I暂时设为最大，然后逐步增大P，此时如内环出现等幅振荡，则P为最佳临界值，然后把P稍微减小一点，内环PID调节器的P整定完毕；整定I，逐步减小I，此时如内环反馈出现等幅振荡，则I为最佳临界值，然后把I稍微增大一点，内环PID的I整定完毕。此时，内环PID参数整定完毕。

（3）整定外环PID参数：可以先按照单闭环调节器的方法整定，先整定P，把外环的I值设为最大，P值设为最小，逐步增大P，发生小幅振荡前的参数即为最佳参数；整定I值，外环PID的I值逐步减小，I的最佳状态为被控对象与设定状态之间没有静差，而且系统不产生大幅振荡。至此，外环PID参数整定完毕。

3 燃机汽包水位和天然气温度控制的典型案例

任何一套自动化控制系统，它的闭环控制调节品质对维系热力系统平衡运转都至关重要。设置了同样的闭环控制回路，而超调量、稳定时间、静差等调节品质参数不同，对被控对象的操控和工质参数调整效果也会截然不同。下面通过几个调节品质不佳的案例来进一步认识PID自动调节。

3.1 案例一：锅炉汽包水位调节失灵

三压中间再热型余热锅炉，汽包水位调节复杂，特别是冷炉热机启动阶段水位波动变化很大。据统计，某厂机组投运初期，因汽包水位超限引起的启动失败达6次（高压汽包水位高1次，低压汽包水位高2次，中压汽包水位低3次）。因此，汽包水位调节品质的优劣，直接关系到锅炉的安全运行。

（1）虚假水位现象：某机组启动，经历清吹、点火、升速，机组升速至3 000 r/min时，高压汽包水位由-100 mm快速升高至+288 mm跳闸值，机组跳闸，启动失败。经检查发现，机组在汽机热态下启动，锅炉温度较低。由于燃机启动点火后余热锅炉的升温升压较快，锅炉内水容积急剧膨胀，引起水位快速升高；此时高压汽包水位自动调节在低流量、单冲量调节，反应较慢，不能克服快速启动过程中的“虚假水位”，造成了水位迅速升高达跳闸值机组跳闸。重新调整高压汽包水位调节阀的调节参数后，满足机组快速启动要求，水位调节恢复正常。

（2）调节阀过于灵敏：某机组启动过程中，负荷升到50 MW，当操作人员进行汽机入口压力控制（IPC IN）投入操作时，中压旁路开度由49%快速关小，而中压过热器出口压力调节阀因压力偏差量大自动切为手动，中压汽包压力升高，水位由-30 mm突降至-100 mm。因中压汽包压力升高，中压旁路压力调节阀快速开启，使中压汽包水位从-100 mm快速升至+245 mm，导致中压汽包水位高高而跳闸。经检查发现，中压旁路压力调节阀关闭速度及打开速度过快，造成中压汽包压力波动过大，从而导致中压汽包水位剧烈波动。三压中间再热型余热锅炉的中压汽包容积相对较小，水位的量程也较小，易受压力等因素影响。因此，在保证中压旁路快开及快关的前提下，应尽量限制中压旁路压力调节阀的开/关速度，加大中过出口压力调节阀的自动调节范围，使中压旁路压力调节阀的开或关对中压汽包水位的波动影响降至最小。

3.2 案例二：锅炉蒸汽温度调节失灵，减温水滞后

某机组启动，高压缸进汽完成，此时燃机排气温度566 ℃，高压主蒸汽温度552 ℃，高压主蒸汽减温水为自动方式。省调要求尽快将机组的负荷带至150 MW以上，为了尽快升负荷，值班员退出温度匹配，同时进行中压缸进汽操作。负荷上升后，燃机排气温度直线上升至640 ℃左右，高压主蒸汽温度也不断上升。值班人员在高压主蒸汽温度未出现报警前就发现高压主蒸汽温度快速上升，且减温水调节阀开启速度太慢跟不上，虽然立即采取措施解除高压主蒸汽减温水自动，将减温水调节阀手动开至100%，并抬高给水压力至5 MPa（减温水流量至30 t/h），但由于减温水作用有一定的滞后，高压主蒸汽温度还是上升至591.2 ℃，机组快减负荷至全速空载（FSNL）。分析认为，机组快减负荷至全速空载（FSNL）的原因，是高压主汽减温水自动调节没跟上，使高压主蒸汽温度超限。

3.3 案例三：IBH进气加热调节阀失控

某厂#2机开机，负荷升至300 MW。在加负荷过程中，由于IBH（燃机进气加热控制阀）定位器故障，IBH异常全开，最终导致燃机排气温度高跳机。经检查发现，在IBH控制逻辑中，当IBH实际开度与反馈量差异15%时，IBH将发出强制全开指令。

措施及建议：在不更换现有设备的条件下，将IBH实际开度与反馈量差异15%时全开IBH的逻辑加上延时，这样可以避免IBH发生故障时自动全开。由于原气动执行器的定位器为机械式，反馈板与之并非一体，二者配合上会有一定问题，再者机械式定位器不便于检修调试、精度不高，因此建议对定位器进行改造，采用FLOWSERVE的智能定位器。国内许多电厂已完成IBH定位器改造，运行情况良好，IBH控制阀不再发生失控全开现象。