郗成超

（華能上海石洞口第二電廠，上海 200942）

某鍋爐啟動系統(tǒng)為爐水循環(huán)泵與給水泵串聯(lián)布置形式，由于控制邏輯設計不合理，造成鍋爐啟動直至轉干態(tài)前，給水泵轉速、給水旁路調節(jié)閥均由運行人員手動調節(jié)。

筆者對鍋爐原啟動情況及給水系統(tǒng)的自動控制邏輯進行了分析，并對存在的問題逐一提出了解決方案，實現了鍋爐啟動階段給水自動控制，并最終實現了給水全程自動控制。

1 鍋爐啟動系統(tǒng)

鍋爐啟動系統(tǒng)見圖1。

從圖1可見:分離器疏水經貯水箱后進入啟動過濾器，與給水主電動門后、給水逆止門前來的給水混合進入爐水循環(huán)泵；經爐水循環(huán)泵升壓后的水與經過給水主逆止門的給水混合進入省煤器［1］。

多余的分離器疏水經分離器疏水調節(jié)閥（A和B）進入爐水大氣擴容箱，減壓后進入爐水回收箱，并經爐水回收泵回收至凝汽器熱井。

圖1 鍋爐啟動系統(tǒng)

2 原給水自動控制分析

2.1 爐水循環(huán)泵出口調節(jié)閥

原控制邏輯中，爐水循環(huán)泵出口調節(jié)閥控制省煤器入口流量（見圖2），給水泵轉速、給水旁路調節(jié)閥和分離器疏水調節(jié)閥均控制分離器液位。

圖2 爐水循環(huán)泵出口調節(jié)閥自動控制原理圖

實際運行中，該流量對調節(jié)閥動作響應很好，調節(jié)閥自動控制正常。

2.2 分離器疏水調節(jié)閥

分離器疏水調節(jié)閥控制是一個簡單的純前饋控制，其開度指令根據實際分離器液位經函數計算得出，見圖3。

圖3 分離器疏水調節(jié)閥自動控制原理圖

將分離器疏水調節(jié)閥控制設計成一個簡單的前饋控制，其邏輯簡單、動作迅速，能有效防止分離器滿水事故發(fā)生。

2.3 給水泵轉速及給水旁路調節(jié)閥

在爐水循環(huán)泵運行時段，給水泵轉速、給水旁路調節(jié)閥均控制分離器液位，見圖4。

圖4 啟動階段給水旁路調節(jié)閥及給水泵轉速自動控制原理圖

2.3.1 指令信號

給水泵轉速、給水旁路調節(jié)閥指令，原設計均由總燃料量來前饋函數，加上分離器液位控制PID 輸出值得出。

2.3.2 存在問題

實際運行中控制邏輯存在以下問題:

（1）邏輯中的總燃料量來前饋需經過一個較長時間的滯后環(huán)節(jié)，其本意是模擬鍋爐燃料量增加后帶來的給水流量增加過程；但實際由于鍋爐啟動狀態(tài)的不同（冷態(tài)、溫態(tài)或熱態(tài)），以及燃料熱值的不同，一個簡單的大時間滯后環(huán)節(jié)無法精確模擬出燃料量增加后給水流量補充需求，導致控制邏輯中的前饋值與現場實際不符，不得已只能將其弱化，這樣就削弱了前饋控制快速、準確的效果。

前饋量減小后，為滿足分離器液位控制的需要，增加了PID 反饋調節(jié)幅度及速率。如果發(fā)生較大的工況擾動，如煤量增加太快，或磨煤機跳閘，或汽輪機沖轉過程中跳閘，就會導致分離器液位出現較大幅度的變化，從而導致給水泵轉速、給水旁路調節(jié)閥控制出現晃動。

（2）給水泵轉速、給水旁路調節(jié)閥均控制分離器液位，參數不合理時可能會出現給水泵轉速已自動降低至低限，而給水旁路調節(jié)閥開度仍較大；或因給水旁路調節(jié)閥開度偏小導致給水泵轉速自動增加至較高值的現象。

當爐水循環(huán)泵停用后，給水旁路調節(jié)閥仍沿用圖4中的控制邏輯，給水泵轉速轉而控制鍋爐省煤器入口流量（見圖5）。此時鍋爐給水流量設定值由鍋爐主控指令、協(xié)調變負荷前饋及分離器出口溫度修正相加，并經645t/h的最小流量限制后得出。

圖5 爐水循環(huán)泵停用后給水泵轉速自動控制原理圖

（3）原邏輯中分離器轉干態(tài)前，分離器溫度修正一直被保持在0，導致隨鍋爐煤量增加，給水流量即同步增加，使鍋爐無法及時轉入干態(tài)運行，有時需運行人員將給水控制切到手動并減少流量，待鍋爐轉干態(tài)結束后再將其投入自動。

2.4 其他

在對爐水循環(huán)泵保護邏輯分析后發(fā)現，原邏輯中設計有“分離器液位小于1m”保護條件，在實際鍋爐啟動中分離器液位很容易因給水流量波動、分離器壓力波動等擾動而出現小于1m 的情況，爐水循環(huán)泵一旦跳閘，鍋爐會因省煤器入口給水流量低而發(fā)生跳閘。

3 給水自動控制優(yōu)化

3.1 爐水循環(huán)泵運行階段給水泵轉速控制優(yōu)化

在進行控制邏輯優(yōu)化之前，先分析物理過程。將鍋爐啟動系統(tǒng)作為一個整體來看，其真正與系統(tǒng)外部交換的流量僅有高壓加熱器（簡稱高加）出口給水流量、分離器疏水經疏水調節(jié)閥至鍋爐爐水回收箱流量、主蒸汽流量。不考慮蒸汽管道疏水流量，可得分離器液位穩(wěn)定時該系統(tǒng)流量平衡方程為:

高加出口給水流量＝分離器疏水經疏水調節(jié)閥至鍋爐爐水回收箱流量＋主蒸汽流量＝分離器疏水經疏水調節(jié)閥至鍋爐爐水回收箱流量＋高壓旁路（簡稱高旁）蒸汽流量＋進入汽輪機蒸汽流量。

對于帶爐水循環(huán)泵啟動系統(tǒng)的鍋爐，其理想的鍋爐啟動過程中，應使分離器無疏水排放至啟動系統(tǒng)外，否則分離器處高溫疏水外排或回收至凝汽器均會產生熱量損失。在這種情況下，從高加出口補充至啟動系統(tǒng)的給水流量全部在分離器處蒸發(fā)，此時流量平衡方程為:

高加出口給水流量＝主蒸汽流量。

從物理過程及流量平衡分析看，給水控制中前饋參數的最佳選擇就是主蒸汽流量，雖然鍋爐沒有主蒸汽流量測點，但其可以根據主/再熱蒸汽壓差、高旁閥開度、汽輪機轉速、發(fā)電機負荷等參數估算得出。

圖6為根據計算主蒸汽流量進行給水泵轉速控制邏輯原理圖。

由圖6可見:

（1）根據高旁閥開度、主/再熱蒸汽壓差、汽輪機轉速及負荷計算出主蒸汽流量。

（2）由計算主蒸汽流量，加上分離器水位修正PID 輸出，產生鍋爐啟動階段給水流量設定值，作給水泵轉速自動控制用。

（3）主蒸汽流量估算邏輯中相關系數，由實際數據擬合得出。

（4）鍋爐啟動中如果爐水循環(huán)泵跳閘，或分離器已轉干態(tài)，或機組負荷＞210 MW，則給水流量設定值自動轉為鍋爐主控指令來函數與分離器出口溫度修正之和。

（5）按照鍋爐理想的啟動過程，分離器疏水全部進入爐水循環(huán)泵，但在實際啟動過程中，為確保汽輪機沖轉主蒸汽品質能按時順利合格，需要增加一部分爐水回收至凝汽器后經過精除鹽系統(tǒng)處理。故將鍋爐啟動流量設定值放200t/h的低限，并且在鍋爐啟動階段，將分離器液位設定值放3.85m，此時分離器疏水調節(jié)閥A 開度約18%。

圖6 優(yōu)化后鍋爐啟動過程給水泵轉速控制邏輯原理圖（爐水循環(huán)泵運行時）

3.2 爐水循環(huán)泵停運后給水泵轉速控制優(yōu)化

為確保鍋爐自動轉干態(tài)，修改原控制邏輯，使分離器出口溫度修正功能在給泵轉速投入自動，且爐水循環(huán)泵停用后即開始投入，使用PID控制器低限自適應邏輯確保鍋爐給水流量設定值始終不小于鍋爐最小啟動流量645t/h，并防止分離器修正PID 控制器積分飽和，見圖7。

圖7 優(yōu)化后給水泵轉速控制邏輯原理圖（鍋爐正常運行中）

邏輯修改后，鍋爐未轉干態(tài)前，且爐水循環(huán)泵已停用，分離器出口實際溫度始終低于其設定值。隨鍋爐燃料量增加，鍋爐給水流量設定值立即增加，但仍逐漸被分離器出口溫度修正減少至最小流量645t/h，使鍋爐能夠及時轉入干態(tài)運行。

3.3 給水旁路調節(jié)閥控制優(yōu)化

給水旁路調節(jié)閥控制，要求其隨著給水流量增減而開大或關小，并且在給水泵轉速偏高時能自動開大，在給水泵轉速偏低時能自動關小，這樣就形成一個很簡單、直觀的控制邏輯，見圖8。

圖8 優(yōu)化后給水旁路調節(jié)閥控制邏輯原理圖

在優(yōu)化后的控制邏輯中，給水旁路調節(jié)閥主要根據計算主蒸汽流量作為前饋部分，反饋調節(jié)部分通過微調給水旁路調節(jié)閥開度（－10%～20%），使給水泵轉速在3 000r/min左右。

3.4 爐水循環(huán)泵保護邏輯優(yōu)化

對于爐水循環(huán)泵與給水泵串聯(lián)布置啟動系統(tǒng)，在鍋爐啟動過程中，爐水循環(huán)泵入口給水除來自分離器疏水外，還有高加出口來給水。即使分離器液位低，甚至啟動過濾器進口電動門關，爐水循環(huán)泵也有水補充，不會產生打“空泵”的情況，故修改保護邏輯，在分離器液位低于1m 或啟動過濾器進口電動門未開，且高加出口給水流量（三取二）＜200t/h時，延時1s，爐水循環(huán)泵保護動作跳閘。

4 優(yōu)化效果

2013年7月7日，該機組從鍋爐點火到負荷300MW 投協(xié)調方式啟動過程中，鍋爐啟動系統(tǒng)、給水系統(tǒng)所有相關控制全部投入自動，運行趨勢見圖9:

（1）鍋爐點火初期主汽壓力為0時，高旁閥開度（曲線6）一直在最小開度10%，此時計算主蒸汽流量一直小于200t/h，故高加出口流量（曲線3）一直穩(wěn)定在200t/h左右，該時間段內給水旁路調節(jié)閥開度（曲線5）穩(wěn)定在20%左右，給水泵A 轉速（曲線1）穩(wěn)定在3 000r/min左右，分離器液位（曲線2）由5.6m 逐漸下降至3.8m 左右。

（2）點火約60min后，高旁閥開至23%左右時，計算主蒸汽流量開始大于200t/h，此時高加出口流量設定值逐漸增加，給水泵A 轉速及給水旁路調節(jié)閥開度逐漸增加，因給水旁路調節(jié)閥控制中的PID 需調節(jié)給水泵轉速在3 000r/min左右，故該時間段內給水泵A 轉速一直在3 000 r/min上下波動。

圖9 邏輯優(yōu)化后機組啟動中給水控制相關曲線

（3）隨主蒸汽壓力及溫度進一步上升，點火約135min后，高旁閥開度為68%，主蒸汽壓力為8.40 MPa。汽輪機開始沖轉，因汽輪機升速率為600r/min，整個汽輪機沖轉過程中，高旁閥迅速關小至34%，隨汽輪機轉速穩(wěn)定及煤量增加，高旁閥開度逐漸恢復至64%。此期間高加出口流量短時由560t/h下降至490t/h，又上升至700t/h左右，可以認為汽輪機轉速折合的主蒸汽流量計算略有偏小，但整個過程中分離器液位并無較大波動，在3.5～4.5m。

（4）點火約145 min后，發(fā)電機并網成功開始加負荷（曲線8），隨負荷上升，高旁閥逐漸關小，高加出口流量增加至750t/h左右穩(wěn)定，分離器液位逐漸下降至2.5m 左右，給水旁路調節(jié)閥開大至90%穩(wěn)定。

（5）在其后停用爐水循環(huán)泵、鍋爐自動轉干態(tài)、另一臺汽動給水泵并泵及加負荷至300 MW投協(xié)調控制過程中，給水相關自動控制正常，實現了鍋爐啟動階段全程自動控制。

5 結語

經系統(tǒng)物理分析后，筆者找到了合適的前饋控制參數供給水泵轉速控制用，實現了鍋爐啟動階段啟動、給水系統(tǒng)相關自動控制，經過其他一些控制邏輯優(yōu)化后，最終實現了鍋爐啟動全程給水自動控制。

［1］梁國燦.600MW 超臨界鍋爐帶循環(huán)泵啟動系統(tǒng)的控制設計與運行［J］.發(fā)電設備，2004，18（S1）:5－9.