姜烈偉

(廣東粵電集團(tuán)有限公司韶關(guān)發(fā)電廠，廣東韶關(guān)512132)

330 MW機(jī)組給水自動控制系統(tǒng)的優(yōu)化與應(yīng)用

姜烈偉

(廣東粵電集團(tuán)有限公司韶關(guān)發(fā)電廠，廣東韶關(guān)512132)

以某電廠330 MW機(jī)組的給水系統(tǒng)為研究對象，針對給水自動不能投入以及汽包虛假水位導(dǎo)致MFT誤動的現(xiàn)象，通過檢查外部測量系統(tǒng)以及DCS系統(tǒng)邏輯，找出了導(dǎo)致給水控制系統(tǒng)不能投入自動的原因：壓力補(bǔ)償經(jīng)驗(yàn)曲線和PID調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置不合理、水位測量零位定義有偏差。根據(jù)以上原因分析，修正汽包水位壓力補(bǔ)償經(jīng)驗(yàn)曲線，重新校對就地汽包水位計中心，并優(yōu)化PID參數(shù)。方案實(shí)施完成后，通過實(shí)際運(yùn)行，給水控制系統(tǒng)能夠滿足不同負(fù)荷的要求，使給水自動投入率得到大幅提高，顯著提升了機(jī)組的自動化水平，同時避免了由于汽包虛假水位信號而引起的機(jī)組跳閘，保證了機(jī)組安全運(yùn)行。

給水控制；虛假水位；壓力補(bǔ)償；安全性評價；PID；汽包

0 引言

汽包水位是鍋爐運(yùn)行中的重要監(jiān)控參數(shù)，它反映鍋爐蒸汽負(fù)荷與給水量之間的平衡關(guān)系，給水控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要條件。給水控制系統(tǒng)是一個能在各種不同的工況下，均能實(shí)現(xiàn)給水自動控制的系統(tǒng)，而且從一種控制狀態(tài)到另一種控制狀態(tài)的判斷、轉(zhuǎn)換及故障檢測也由系統(tǒng)本身完成[1]。因此，鍋爐給水控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對其可靠性要求也越來越高。隨著鍋爐容量增大和參數(shù)提高，汽包容積相對縮小，而鍋爐蒸發(fā)受熱面的熱負(fù)荷顯著提高，加快了負(fù)荷變化時水位變化的速度，因而對給水控制提出了更高的要求。

本文以某電廠330 MW機(jī)組的給水系統(tǒng)為對象，通過對給水自動的問題分析，在優(yōu)化汽包水位壓力補(bǔ)償經(jīng)驗(yàn)曲線的基礎(chǔ)上，校對就地汽包水位計中心，并重新設(shè)置了PID(Proportion Integration Differentiation)參數(shù)，于2014年8月，完成了給水自動系統(tǒng)的相關(guān)修改方案，運(yùn)行至今，給水自動能夠滿足不同負(fù)荷的要求，消除了虛假水位現(xiàn)象，為機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的保障。

1 系統(tǒng)簡介

某發(fā)電廠330 MW燃煤機(jī)組所配鍋爐為東方鍋爐廠根據(jù)引進(jìn)的美國福斯特·惠勒(FOSTER WHEELER)公司技術(shù)，制造的DG1025/18.2-II10型燃煤爐，該爐為亞臨界參數(shù)、單汽包自然循環(huán)、雙拱爐膛、一次中間再熱、尾部雙煙道、露天布置、全鋼結(jié)構(gòu)、全懸吊結(jié)構(gòu)、固態(tài)排渣方式鍋爐。汽輪機(jī)采用由東方汽輪機(jī)有限公司制造的N330-16.67/537/537-4型亞臨界、中間再熱、高中壓合缸、雙缸雙排汽單軸布置凝汽式汽輪機(jī)；配備3臺給水泵為上海電機(jī)廠生產(chǎn)的型號DG600——240、級數(shù)6、揚(yáng)程2 381 m、軸功率4 354 kW、轉(zhuǎn)速5 410 r/min的6 000 V電動泵。

該機(jī)組給水控制系統(tǒng)為三沖量給水自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器接受的三個信號為：汽包水位、主汽流量、給水流量，給水控制系統(tǒng)通過調(diào)整給水泵轉(zhuǎn)速，控制鍋爐給水流量，維持汽包水位。給水主調(diào)以蒸汽流量為前饋?zhàn)兞?，汽包水位?shí)際值與設(shè)定值偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)[2]；給水主調(diào)輸出作為副調(diào)設(shè)定值，與副調(diào)反饋流量偏差進(jìn)行PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，輸出給水控制指令。

2 現(xiàn)狀調(diào)查

通過查閱2014年4～6月份間的DCS(Distributed Control System，分散控制系統(tǒng))歷史數(shù)據(jù)和《運(yùn)行操作記錄》等有關(guān)資料，得知機(jī)組負(fù)荷率只有在30%～85%區(qū)間，給水自動才能正常投入，而機(jī)組負(fù)荷DCS歷史數(shù)據(jù)顯示，4～6月間機(jī)組除了機(jī)組啟停及調(diào)峰的小部分時間外，機(jī)組的負(fù)荷率都在85%以上。圖1為4～6月給水自動投入率(自動投入率=給水調(diào)節(jié)投入自動的時間/機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的時間)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖1 4～6月給水控制系統(tǒng)自動投入率

由圖1中數(shù)據(jù)可以計算出，給水自動投入率的月平均值為34.9%，而火力發(fā)電廠安全性評價明確規(guī)定給水自動投入率要達(dá)到95%以上，顯然，給水控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。

另外，在查找《設(shè)備缺陷記錄》后，繪制出導(dǎo)致給水控制不能投入自動的故障統(tǒng)計表，如表1所示。

表1 導(dǎo)致給水控制不能投入自動的故障

由表1中數(shù)據(jù)可以得出，引起給水控制不能投入自動的故障，每月平均為19.3次，給機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大隱患。

通過查詢DCS歷史趨勢，發(fā)現(xiàn)汽包水位在高負(fù)荷時一直不正常，波動較大，最大時與實(shí)際水位相差200 mm，但是又不能退出汽包水位保護(hù)(火力發(fā)電廠安全性評價明確規(guī)定退出汽包水位保護(hù)不能超過24小時)，這在很大程度上增加了汽包水位保護(hù)誤動作的機(jī)會。在 2014年1月17日就因汽包虛假水位，水位達(dá)到+300 mm，延時5 s觸發(fā) MFT(Main Fuel Trip，主燃料跳閘)動作(三取二信號)，導(dǎo)致機(jī)組跳閘。因此， 汽包水位的不正常波動，已經(jīng)對機(jī)組的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

3 分析與結(jié)論

由表1數(shù)據(jù)可以得出，DCS內(nèi)部問題和外部測量系統(tǒng)故障占總故障的96.6%，是導(dǎo)致給水控制不能投入自動的主要原因[3-4]，因此，下面針對上述兩個主要問題展開分析。

3.1 外部測量系統(tǒng)故障分析

幼兒園的孩子們天生對動畫片有著濃厚的興趣，為了讓孩子們自覺融入多姿多彩的語言世界，我們在日常教學(xué)中，經(jīng)常把教學(xué)內(nèi)容通過聲音、動畫等課件展示出來，開發(fā)幼兒的語言想象能力。

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備實(shí)際情況，通過查看DCS系統(tǒng)邏輯，繪制汽包水位測量原理圖，如圖2所示。由圖2可以看出，引起外部測量系統(tǒng)故障的原因只能為：差壓變送器輸出超出允許誤差或測量零位定義有偏差。

經(jīng)過現(xiàn)場檢查汽包水位差壓變送器，并抽取6個輸出信號點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)差壓變送器的輸出值沒有超出允許誤差范圍；而對汽包水位的中心位置進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，變送器的測量零位比設(shè)計值偏高了25 mm，汽包水位變送器的量程為0～7 000 kPa，因此，需要對差壓變送器的量程進(jìn)行修改[5]。

3.2 DCS內(nèi)部問題分析

跟蹤從現(xiàn)場的汽包水位測量信號到DCS的輸出信號作對比發(fā)現(xiàn)，在機(jī)組負(fù)荷率高于85%時，DCS輸出信號被放大了一倍多，導(dǎo)致汽包產(chǎn)生較大的虛假水位，致使給水控制退出自動[6]。因此，由圖2可知，導(dǎo)致虛假水位的原因?yàn)椋簤毫ρa(bǔ)償函數(shù)F(X)設(shè)置不合理。另外，根據(jù)現(xiàn)場觀察與測試，發(fā)現(xiàn)汽包水位產(chǎn)生擾動時，PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的過程時間太長，約為420 s，所以需要優(yōu)化PID參數(shù)。

圖2 汽包水位測量原理圖

4 方案提出及實(shí)施

根據(jù)以上分析，引起給水控制自動投入率偏低的原因?yàn)椋簤毫ρa(bǔ)償經(jīng)驗(yàn)曲線和PID調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置不合理、水位測量零位定義有偏差，下面將對上述三方面原因提出相關(guān)解決方案并實(shí)施。

4.1 修正汽包水位壓力補(bǔ)償經(jīng)驗(yàn)曲線

汽包壓力參與汽包水位補(bǔ)償計算，由于為重要信號，系統(tǒng)設(shè)計了3 個取樣點(diǎn)，然后DCS系統(tǒng)再進(jìn)行三選一。如果有壞質(zhì)量或偏差大等狀況會發(fā)出報警并切除水位自動，汽包壓力切為二選一或單個正常信號，以保證汽包水位的正常監(jiān)視功能，而不干預(yù)汽包水位的補(bǔ)償計算。

由圖2可知，壓力補(bǔ)償經(jīng)驗(yàn)曲線作為汽包水位計算公式中的分母，因此，DCS顯示汽包水位與壓力補(bǔ)償經(jīng)驗(yàn)曲線成反比，壓力補(bǔ)償經(jīng)驗(yàn)曲線既要反映汽包壓力變化時水位變化的真實(shí)性，也要防止出現(xiàn)虛假水位產(chǎn)生，所以要進(jìn)行反復(fù)的修改才能達(dá)到滿意的效果；輸入模擬信號來修正壓力補(bǔ)償曲線，修改后的曲線要平滑，線性要好[7-9]，修正前后的壓力補(bǔ)償曲線參數(shù)如表2所示。

表2 修正前、后的壓力補(bǔ)償曲線參數(shù)

修正后的曲線更為平滑，線性更好，消除了機(jī)組高負(fù)荷時汽包產(chǎn)生的虛假水位，避免了由于汽包虛假水位信號而引起的機(jī)組跳閘，提高了機(jī)組運(yùn)行可靠性，改善了機(jī)組變負(fù)荷性能[10-11]，曲線如圖3所示。修正后的壓力補(bǔ)償曲線后段，即壓力大于19.61 MPa是起到汽包壓力保護(hù)作用的，不參與給水自動調(diào)節(jié)。

圖3 修正前、后壓力補(bǔ)償經(jīng)驗(yàn)曲線圖

4.2 重新校對就地汽包水位計中心

用連通管重新校對就地汽包水位計中心位置，使DCS顯示水位與就地水位計中心線基本一致，以確定汽包水位差壓變送器的量程[12]。校對的結(jié)果的是DCS顯示水位的零位比就地水位計的零位高出25 mm，因此，將汽包水位差壓變送器的量程由(0～7 000)Pa改為(0～6 750)Pa，使DCS顯示水位的中心線相應(yīng)降低25 mm。改動后DCS顯示水位與就地水位中心位置相差只有8.5 mm，達(dá)到要求。

4.3 重新優(yōu)化PID參數(shù)

修正汽包水位壓力補(bǔ)償曲線后，分別將2臺電動給水泵投入自動，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)對象產(chǎn)生擾動到調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定的過渡時間長，調(diào)節(jié)效果不是很理想，因此，需對主、副調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)重新優(yōu)化。

通過檢查DCS邏輯，發(fā)現(xiàn)給水控制任務(wù)由2個調(diào)節(jié)器來完成。主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制規(guī)律，保證水位無靜態(tài)偏差，其輸出信號、給水流量信號和蒸汽流量信號都作用到副調(diào)節(jié)器。副調(diào)節(jié)器為保證副回路的快速性也采用比例積分調(diào)節(jié)器，能消除給水流量的自發(fā)擾動，當(dāng)蒸汽負(fù)荷改變時迅速調(diào)節(jié)給水流量，保證給水流量和蒸汽流量的平衡。

在整定PID控制器參數(shù)時，根據(jù)控制器的參數(shù)與系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能之間的定性關(guān)系，采用實(shí)驗(yàn)湊試的方法來調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)。在整定內(nèi)回路時，調(diào)節(jié)器參數(shù)可以設(shè)置得較小，使內(nèi)回路成為快速隨動系統(tǒng)，外回路可以看作是一個單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可采用整定單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方法來整定外回路。首先整定比例部分，將比例系數(shù)由小調(diào)大，并觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)較小的響應(yīng)曲線；由于在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，因此將已選擇的比例系數(shù)減小為原來的50%～80%，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，使系統(tǒng)在保持良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除，反復(fù)試湊直至得到較滿意的響應(yīng)，從而確定合理的比例和積分參數(shù)[13]，優(yōu)化前后參數(shù)如表3 所示。

表3 優(yōu)化前后主、副調(diào)節(jié)器的PID 參數(shù)

優(yōu)化PID調(diào)節(jié)器的PI參數(shù)后，調(diào)節(jié)過程的過渡時間約為280 s，調(diào)節(jié)效果良好，在保證給水泵及附屬設(shè)備可靠的前提下，控制優(yōu)化顯得更為重要[14]。

5 效果檢查

經(jīng)過連續(xù)1年多的運(yùn)行，經(jīng)歷了機(jī)組負(fù)荷從高達(dá)322.50 MW到低至96 MW及各種工況變化的考驗(yàn)，給水自動投入率達(dá)到99%，滿足了火力發(fā)電廠安全性評價要求，而且也沒有發(fā)生由虛假水位觸發(fā)MFT動作的機(jī)組非計劃停運(yùn)事件，提升了熱力系統(tǒng)的節(jié)能性，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的[15]，為機(jī)組安全運(yùn)行提供有力保障。

6 結(jié)論

本文針對330 MW機(jī)組的給水自動不能投入以及汽包虛假水位導(dǎo)致MFT誤動問題，優(yōu)化了汽包水位壓力補(bǔ)償經(jīng)驗(yàn)曲線，并重新配置PID參數(shù)。同時校對就地汽包水位計中心，徹底解決了給水控制系統(tǒng)不能投入自動以及汽包水位波動大問題，滿足了火力發(fā)電廠安全性評價要求。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，給水自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠滿足不同負(fù)荷的要求，同時避免了由于汽包虛假水位信號而引起的機(jī)組跳閘，保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)。

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Optimization and Application of Water Supply Automatic Control System for the 330MW Unit

JIANG Liewei

(Shaoguan Power Plant, Guangdong Yudian Group Co.,Ltd.,Shaoguan 512132,China)

Taking the water supply system of a 330MW unit in a power plant as the study object, in view of the phenomena that the water supply can not be put into operation and MFT is caused by the false water level of the steam drum, by examining the external measurement system and the DCS system logic, the reason why the water supply control system can not be put into operation automatically is found through analysis. The pressure compensation experience curve and PID adjustment parameter setting are not reasonable, and the zero position of the water level measurement is biased. According to the above reasons, the experience curve of steam drum water level pressure compensation has been modified, and the local water level meter center is proofread again, and the PID parameters are optimized. After the completion of the program implementation, the water supply control system can meet the requirements of different load through the practical operation, so that automatic availability rate of water supply control system has been greatly improved, which significantly enhances the level of automation of the unit. At the same time, the unit trip caused by the false water level signal of the steam drum is avoided, which ensures the safe operation of the unit.

water supply control; the false water level; pressure compensation; safety assessment; proportion integration differentiation; the steam drum

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.03.013

2016-10-28。

TK39

A

1672-0792(2017)03-0074-05

姜烈偉(1979-)，男，高級工程師，主要從事火電機(jī)組自動化及過程控制方面的研究。