摘要：^{針對火力發(fā)電廠(chǎng)亞臨界控制循環(huán)汽包爐水位控制方案的應用效果，對比分析了幾種三沖量水位控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了控制循環(huán)汽包爐水位控制方案的優(yōu)選因素，肯定了串級三沖量方案的優(yōu)越性。}

   關(guān)鍵詞：自動(dòng)調節；汽包水位；三沖量；控制循環(huán)；魯棒性

   中火力發(fā)電廠(chǎng)亞臨界控制循環(huán)汽包爐單元機組是國內各電網(wǎng)的主要機組類(lèi)型，而汽包水位自動(dòng)是汽包爐機組中重要的子回路自動(dòng)之一，隨著(zhù)電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電（AGC）品質(zhì)的指標提高及單元機組自動(dòng)化水平的提高，機組對水位自動(dòng)的品質(zhì)要求也在提高，特別是在惡劣工況下的適應能力，在配合給水泵快甩負荷（RB）、機組大速率參與AGC調度和電網(wǎng)一次調頻功能等方面，給水自動(dòng)的魯棒性顯的尤為重要。而且在給水自動(dòng)魯棒性品質(zhì)提高后，給水泵轉速擺動(dòng)頻率降低，在單位時(shí)間內，能耗平均累積損失減小，起到了節能效應。

   與自然循環(huán)汽包鍋爐相比，控制循環(huán)鍋爐的水動(dòng)力既具有自然循環(huán)特性，又具有強制流動(dòng)特性。循環(huán)泵提供的壓力比循環(huán)回路中的重力壓差提供的流動(dòng)壓力高，因而，控制循環(huán)鍋爐蒸發(fā)回路的水動(dòng)力特性呈現強制流動(dòng)特性。受熱分配不均、熱偏差等因素影響引起水動(dòng)力不穩定，進(jìn)而影響汽包水位不穩定。汽包內采用產(chǎn)汽負荷較高、旋轉強度較大的渦輪式汽水分離器，使汽包結構緊湊，因此汽包尺寸反較自然循環(huán)汽包爐減小，水位變化更敏感。同等級鍋爐下，控制循環(huán)汽包鍋爐的水位較自然循環(huán)汽包爐更難控制。

   控制循環(huán)汽包爐單元機組在大型化過(guò)程中，汽輪機是呈比例增大，而鍋爐的變化表現在受熱面是成比例增大，汽包體積的增加與受熱面增加不成比例，因此作為水位控制的三沖量：汽包水位、主汽流量和給水流量對鍋爐熱量的響應變化差異是逐漸增大的，控制難度是很大的。本文以600MW亞臨界控制循環(huán)汽包爐機組為研究對象，研究某單級三沖量給水自動(dòng)方案在實(shí)際應用中出現的一些問(wèn)題及解決思路。

    1 對象特性分析

    對汽包鍋爐來(lái)說(shuō)，影響汽包水位變化的主要因素有：蒸發(fā)量D，給水量G，燃料量M等。就汽包本身來(lái)說(shuō)，儲水量是水位正常趨勢變化的主要擾動(dòng)因素，也是最終被控對象，而水面下的氣泡體積卻是整個(gè)過(guò)程的最大擾動(dòng)內因之一。綜合這兩方面的影響，對汽包水位變化過(guò)程的典型工況作如下分析。

     在機組穩態(tài)時(shí)，主汽流量D擾動(dòng)時(shí)會(huì )引起水位升高。當鍋爐蒸發(fā)量突然增大ΔD，給水量和燃料量尚未變化時(shí)，汽包水位不僅沒(méi)有下降反而很快升高，這就是通常所說(shuō)的“虛假水位”現象。待汽水混合物中氣泡容積與蒸發(fā)量相適應達到穩定后，汽包水位才受物質(zhì)平衡條件的控制而發(fā)生下降，如圖1所示。  

              （1）
   
                       
                     圖1 某臺600MW機組額定負荷下，蒸汽量階躍擾動(dòng)水位偏差響應曲線(xiàn)

    為滿(mǎn)足蒸發(fā)吸熱的需要，中壓至高壓等級的自然循環(huán)鍋爐采用沸騰式省煤器。圖2中曲線(xiàn)1表示采用沸騰式省煤器時(shí)給水流量對水位的擾動(dòng)特性，曲線(xiàn)2表示采用非沸騰式省煤器給水流量對水位的擾動(dòng)特性， τ1為省煤器的過(guò)渡時(shí)間。當采用沸騰式省煤器時(shí)，汽包水位變化的遲延和慣性大大增加，這是因為由于新增給水量的焓值較低，而鍋內循環(huán)水量的焓值較高；當給水量增大時(shí)，省煤器的沸騰度減少，氣泡容積也隨之減小。進(jìn)入省煤器中的給水首先必須填補因氣泡容積減少所讓出的空間，因此，汽包水位先發(fā)生下降，直到時(shí)間過(guò)了τ1后才能使流入汽包的水量增加、水位上升。

   但對于目前亞臨界機組，由于蒸發(fā)受熱面的合理布置，已不需要省煤器沸騰式運行方式，同時(shí)，如前所述由于汽包結構的改變和強制循環(huán)泵的采用，汽包與水冷壁之間循環(huán)水流量增大，鍋爐的儲水量增大，汽包體積減小，因此水位變化更迅速，從實(shí)際應用看，這一快速變化只反映在蒸汽流量對水位的擾動(dòng)上，相反給水流量對水位的擾動(dòng)是飛升速度增快，純遲延時(shí)間τ1反較自然循環(huán)汽包爐增加，同時(shí)由于水冷壁與汽包之間的水流循環(huán)加快，使得新增水量與循環(huán)水的混合很快，對省煤器沸騰度的減小，使得自然循環(huán)鍋爐上給水流量對水位擾動(dòng)造成的虛假水位現象在控制循環(huán)鍋爐上很難顯現。蒸汽流量對水位的擾動(dòng)特性與給水流量對水位的擾動(dòng)特性差異性增大，穩態(tài)時(shí)汽水平衡，暫態(tài)時(shí)汽水變化差異大。這就是大型機組水位控制品質(zhì)普遍下降的內在因素。

           （2）

   對于非沸騰式省煤器T1 ≈ τ1，而對于沸騰式省煤器，該式不能簡(jiǎn)化。對于亞臨界控制循環(huán)汽包爐機組而言，由于鍋爐水容積增大，給水流量的增量造成的虛假水位現象比較弱，從實(shí)際觀(guān)察看實(shí)際水位Wh (s) = sε1e−τs，也即T1遠小于τ1。

   2 水位控制回路的比較

   2.1 串級三沖量方案

   串級三沖量在處理虛假水位問(wèn)題上有先天的優(yōu)勢，由于有主副調節器區分，主汽流量與給水流量造成的滯后差異由主調節器彌補，而副調節器只對主汽流量與給水流量的內擾快速處理，快慢區分分明；同時(shí)當加負荷時(shí)，主汽流量增加，虛假水位上升，則在副調節器入口，主汽流量是增量，水位增量由于有主調節器的比例作用，主調節器的輸出是迅速負向減少，二者相互抵消一部分，其作用是正確的，但缺點(diǎn)是量不能準確控制。
         
                        
                 圖2 某臺600MW機組額定負荷下，給水量階躍擾動(dòng)水位偏差響應曲線(xiàn)

   當水位發(fā)生內擾時(shí)，比如高加的退出，給水管路上阻力減小，給水流量增加高加退出造成給水溫度瞬間下降，省煤器內氣泡體積迅速減小，汽包水位下降^[2]。在串級回路中，主調節器輸出是正向增加，而副調節器入口流量也是正向增加，但流量信號是負值，正好起抵消作用，暫時(shí)維持給水泵（或上水調節閥）不變，當這一混合過(guò)程過(guò)后，受爐內燃料和鍋內水工質(zhì)能量平衡影響，早期的給水過(guò)調迅速彌補水工質(zhì)的缺少量，甚至產(chǎn)生補水過(guò)量造成水位快速升高，而串級回路對此現象的抑制較為明顯。

   如果采用傳統單級三沖量方案，取消主汽流量和給水流量輸入回路中的實(shí)際微分環(huán)節，則水位偏差的變化與主汽流量或給水流量擾動(dòng)量的變化在時(shí)間上是不匹配的，雖然在變化量上大致相當，但實(shí)際效果并不理想，對于小機組而言，省煤器且為非沸騰式省煤器，這種差異不明顯，但對于亞臨界控制循環(huán)汽包鍋爐來(lái)講，這種差異很大，這就是為什么采用改進(jìn)的三沖量方案^[3]。
          
                   
                                      圖3 常規的單級三沖量方案

   串級三沖量方案的優(yōu)缺點(diǎn)：不利于單三方式切換；有利于A(yíng)PS方案的配合，特別是多泵方式下的流量平衡、壓力平衡算法轉換；參數整定簡(jiǎn)單；給水流量穩定性好，對于參數較高的亞臨界機組而言，其汽包飽和壓力高，鍋爐省煤器容積大，出口參數也高，所以其沸騰度大，穩定給水流量對汽包水位的品質(zhì)影響是很大的。

    2.2 單級三沖量方案

    目前大型單元機組單級三沖量給水方案主要以單級三沖量方案為主，如圖3所示。

   在該方案中主蒸汽流量與給水流量采用實(shí)際微分的形式輸入水位偏差入口，與串級三沖量方案相比較，該方案結構簡(jiǎn)單，單沖量和三沖量之間切換很容易，因為均是微分運算結果。圖3中，如果把給水流量的反饋輸入點(diǎn)后移到控制器后，則給水流量的反饋通道等效傳函為：

                                         （3）

    如果參數調整TG=TI，則副回路等效傳函為KGKP，它與閥門(mén)開(kāi)度系數構成一個(gè)純比例控制單回路；如果TG與TI相差太遠，則構成一個(gè)超前滯后環(huán)節，實(shí)際過(guò)程中它等同于（1+TS）環(huán)節，這樣的反饋對系統的穩定性是有害的。而對于主汽流量也存在同樣的等效變化，不同的是主汽流量如果整定成（1+TS）環(huán)節，反而對克服虛假水位有益。

    上述方案在實(shí)際應用有采用主汽流量與給水流量先減后微分的模式，該方法是借鑒西門(mén)子T-XP系統中由于控制器沒(méi)有前饋通道，利用入口微分環(huán)節做成等效前饋的模式。但這樣的做法必須基于主汽流量與給水流量暫態(tài)效應差異不大的機組，而在控制循環(huán)汽包爐機組上，恰恰是弱點(diǎn)。
      
                  
                                圖4 改進(jìn)的單級三沖量系統
 

   圖4給出了一個(gè)對于改進(jìn)的單級三沖量系統，當發(fā)生主汽流量擾動(dòng)產(chǎn)生的虛假水位后，水位偏差負向增大，主汽流量正向增大，且在初始時(shí)刻有一個(gè)類(lèi)似虛假水位變化的過(guò)程，抵消此時(shí)的現象，使得給水泵指令暫時(shí)不變，減小擾動(dòng)，這一過(guò)程體現了一個(gè)思想：虛假水位也是“水位”；這一方案與常規串級方案比較，優(yōu)點(diǎn)是Kd和Td均是可控的；而當發(fā)生高加退出現象時(shí)，水位偏差迅速正向增大，實(shí)際流量增加，但由于有慣性環(huán)節存在，流量暫時(shí)不變，則給水泵較大幅值提高轉速，增加流量，從而抑制水位進(jìn)一步下降；這一思想重點(diǎn)控制水位，在一定范圍內犧牲給水流量的穩定。它克服的是給水流量在阻力變化中的擾動(dòng)，對于給水溫度的擾動(dòng)或者說(shuō)水位變化與流量沒(méi)有關(guān)系的情況下，它是有害的。因此在實(shí)際使用中，可適當減小TG?；蛘咴诮o水流量慣性環(huán)節通道中并接增加省煤器前的給水溫度負向微分。

   對于汽包壓力變化產(chǎn)生的省煤器內的氣泡體積變化，由于汽包壓力比較穩定，受機前壓力影響大，且與主汽流量變化密切相關(guān)，因此，在過(guò)去的方案中考慮汽包壓力變化的環(huán)節可以忽略。

   單級三沖量系統的優(yōu)缺點(diǎn)：有利于單三方式切換；不利于配合廠(chǎng)級順控（APS）方案，在流量平衡、壓力平衡等狀態(tài)下，回路設計復雜；參數整定簡(jiǎn)單；內回路對給水流量的擾動(dòng)響應很快，但對給水流量的信號波動(dòng)放大也快，給水流量的穩定性差，但水位的穩定性好。由于給水流量信號被放大，因此，給水流量擺動(dòng)較大，特在回路中加入了限幅環(huán)節。對消除虛假水位效果良好，但參數一旦整定不好，容易產(chǎn)生振蕩。

   3 控制方案中泵的控制

   3.1 泵的切換回路

    水位自動(dòng)控制的雙執行機構方案設計一直是實(shí)踐應用中比較棘手的問(wèn)題，通常情況下，該回路要滿(mǎn)足手/自動(dòng)的無(wú)擾切換、雙汽泵自動(dòng)運行的調偏運算、汽泵掉閘的倍增運算三種功能。圖5是針對該目的設計的一種算法邏輯。該方案從全手動(dòng)、單臺自動(dòng)、全部自動(dòng)三種狀態(tài)之間隨意無(wú)擾切換。

   同時(shí)，在一臺汽泵自動(dòng)的情況下，第二臺汽泵啟動(dòng)以及手動(dòng)調整帶來(lái)的擾動(dòng)還可以快速通過(guò)另一臺汽泵自動(dòng)消除。兩臺汽泵自動(dòng)的情況下，可以通過(guò)BIAS偏置功能塊手動(dòng)調偏，其結果是兩臺汽泵一增一減。各承擔一半。BIAS回路在任一臺汽泵退出自動(dòng)后，就不起作用，只跟蹤(FB1-FB2)/2。
          
                    
                                  圖5 無(wú)擾切換方式邏輯

    任一臺汽泵掉閘，均可通過(guò)OUT-FB2回路或OUT-FB1回路快速增加受控泵指令；而不用等水位或流量等被控變量發(fā)生改變后，再通過(guò)調節器作出反應。

    采用此方案的問(wèn)題。調節器的控制范圍變成了0～200%的范圍，隱含著(zhù)兩臺泵的并聯(lián)特性等于每臺泵的兩倍，但給水泵的并聯(lián)特性受管路阻力特性影響，如果單臺泵的管路阻力特性越平坦，則并聯(lián)后的流量特性效率就越高，否則并聯(lián)后的流量小于雙倍的單泵出力，因此，調節器在單臺汽泵運行和雙泵運行時(shí)要做變比例處理。單臺汽泵運行在負荷上限時(shí)，為了防止超調過(guò)100%，需要對調節器做上限閉增運算，防止積分飽和。

   3.2 泵的控制方案比較

    三個(gè)各自獨立的調節器方案。該方案通常用在一臺電泵配兩臺50%汽泵的機組中，對于兩汽泵一電泵的600MW標準配置來(lái)講，水位調節器采用三個(gè)獨立的控制器，便于區別對待流量特性不同的三臺泵，特別是汽泵和電泵之間。該方案的優(yōu)缺點(diǎn)：針對每個(gè)泵的特性PID參數各自設定；控制方案的流量平衡和壓力平衡回路復雜；雙泵運行狀態(tài)下，其中一臺跳泵時(shí)，另一臺受控泵不能快速響應；跟蹤回路設計簡(jiǎn)易，由于各自跟蹤反饋，所以能夠做到完全無(wú)擾切換；存在自動(dòng)并泵難的問(wèn)題；適合配合串級方案，當主調節器采用水位調節器后，副調的物理意義即為流量調節器，便于實(shí)現泵之間的流量平衡。

    單調節器方案，控制器輸出結果經(jīng)過(guò)平均后分配給三臺泵[4]。方案優(yōu)缺點(diǎn)：平衡回路易實(shí)現；發(fā)生RB時(shí)，受控泵能夠快速響應；由于泵之間有差異，特性不能各自整定；跟蹤回路設計復雜，需要設計輔助消差回路，否則難以實(shí)現無(wú)擾切換，特別是投運第二臺、第三臺泵時(shí)；存在自動(dòng)并泵難題。

    兩調節器方案。電泵、汽泵分別采用一個(gè)PI控制器，電泵和汽泵之間采用互相閉鎖自動(dòng)的算法，正常情況下只允許汽泵 (或電泵)在自動(dòng)受控狀態(tài)，特別是事故狀態(tài)下，電泵因為出力小，迅速開(kāi)到最大位，承擔基本的穩定量，讓汽泵來(lái)調節水位。方案優(yōu)缺點(diǎn)：考慮泵的特性，電泵和汽泵的控制器參數可以分別調整；發(fā)生RB時(shí)能夠迅速增加受控泵的轉速，電泵走開(kāi)環(huán)回路，迅速加到最大；平衡回路易實(shí)現；跟蹤回路易實(shí)現，且能夠做到無(wú)擾。

   4 結語(yǔ)

    亞臨界控制循環(huán)汽包爐的汽包水位控制困難本質(zhì)上是鍋爐熱力特性所致，但在控制方案上根據對象特性靈活選擇控制方案，對控制方案的魯棒性是能夠有所改善的。本文通過(guò)對幾種方案的研究，陳述了串級三沖量方案在應對該爐型的汽包水位對象的優(yōu)點(diǎn)，雖然設計時(shí)較復雜，參數整定也較難，但在應用時(shí)其效果要比單級三沖量較佳。HHHH在泵的控制方案中，建議因地制宜，靈活選擇上述方案，以達到效果最佳為原則。

    參考文獻：

    [1] 張建忠.關(guān)于蒸汽鍋爐汽包緊急放水管道設置及計算方法的探討[J].上海電力學(xué)院學(xué)報, 2006, 18(2):29～36.

    [2] 尹武昌，趙軍, 曹建軍.汽動(dòng)給水泵故障減負荷后高壓加熱器退出系統異?，F象分析[J].廣東電力, 2010，23(9): 76～79.

   [3] 黎兵.李夔寧.汽包鍋爐串級三沖量給水控制系統的MATLAB仿真[J].東北電力技術(shù), 2006,27(6):21～23.

   [4] 呂凱.配置3臺電動(dòng)給水泵機組的汽包水位控制系統分析[J].電力建設,2004, 25(5):56-59.

   呂喆（1976-）

   男，研究生，高級工程師，主要從事電力技術(shù)研究。趙軍（1968-）男，工程碩士在讀，教授級高級工程師，從事電廠(chǎng)熱控研究。   

   摘自《自動(dòng)化博覽》2011年十二期