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　　中火力發(fā)電廠亞臨界控制循環(huán)汽包爐單元機(jī)組是國(guó)內(nèi)各電網(wǎng)的主要機(jī)組類型，而汽包水位自動(dòng)是汽包爐機(jī)組中重要的子回路自動(dòng)之一，隨著電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電（AGC）品質(zhì)的指標(biāo)提高及單元機(jī)組自動(dòng)化水平的提高，機(jī)組對(duì)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(yīng)能力，在配合給水泵快甩負(fù)荷（RB）、機(jī)組大速率參與AGC調(diào)度和電網(wǎng)一次調(diào)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(zhuǎn)速擺動(dòng)頻率降低，在單位時(shí)間內(nèi)，能耗平均累積損失減小，起到了節(jié)能效應(yīng)。
　　
　　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(qiáng)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(xiàn)強(qiáng)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(wěn)定，進(jìn)而影響汽包水位不穩(wěn)定。汽包內(nèi)采用產(chǎn)汽負(fù)荷較高、旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度較大的渦輪式汽水分離器，使汽包結(jié)構(gòu)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(jí)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(jī)組在大型化過程中，汽輪機(jī)是呈比例增大，而鍋爐的變化表現(xiàn)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(duì)鍋爐熱量的響應(yīng)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(jī)組為研究對(duì)象，研究某單級(jí)三沖量給水自動(dòng)方案在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的一些問題及解決思路。
　　
　　一、對(duì)象特性分析
　　
　　對(duì)汽包鍋爐來說，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。就汽包本身來說，儲(chǔ)水量是水位正常趨勢(shì)變化的主要擾動(dòng)因素，也是zui終被控對(duì)象，而水面下的氣泡體積卻是整個(gè)過程的zui大擾動(dòng)內(nèi)因之一。綜合這兩方面的影響，對(duì)汽包水位變化過程的典型工況作如下分析。
　　
　　在機(jī)組穩(wěn)態(tài)時(shí)，主汽流量D擾動(dòng)時(shí)會(huì)引起水位升高。當(dāng)鍋爐蒸發(fā)量突然增大△D，給水量和燃料量尚未變化時(shí)，汽包水位不僅沒有下降反而很快升高，這就是通常所說的“虛假水位”現(xiàn)象。待汽水混合物中氣泡容積與蒸發(fā)量相適應(yīng)達(dá)到穩(wěn)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。　　
　　為滿足蒸發(fā)吸熱的需要，中壓至高壓等級(jí)的自然循環(huán)鍋爐采用沸騰式省煤器。圖2中曲線1表示采用沸騰式省煤器時(shí)給水流量對(duì)水位的擾動(dòng)特性，曲線2表示采用非沸騰式省煤器給水流量對(duì)水位的擾動(dòng)特性，τl為省煤器的過渡時(shí)間。當(dāng)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?yàn)橛捎谛略鼋o水量的焓值較低，而鍋內(nèi)循環(huán)水量的焓值較高；當(dāng)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*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)間過了τ1后才能使流入汽包的水量增加、水位上升。　　
　　但對(duì)于目前亞臨界機(jī)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(yùn)行方式，同時(shí)，如前所述由于汽包結(jié)構(gòu)的改變和強(qiáng)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(chǔ)水量增大，汽包體積減小，因此水位變化更迅速，從實(shí)際應(yīng)用看，這一快速變化只反映在蒸汽流量對(duì)水位的擾動(dòng)上，相反給水流量對(duì)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(duì)省煤器沸騰度的減小，使得自然循環(huán)鍋爐上給水流量對(duì)水位擾動(dòng)造成的虛假水位現(xiàn)象在控制循環(huán)鍋爐上很難顯現(xiàn)。蒸汽流量對(duì)水位的擾動(dòng)特性與給水流量對(duì)水位的擾動(dòng)特性差異性增大，穩(wěn)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(jī)組水位控制品質(zhì)普偏下降的內(nèi)在因素。
　　
　　對(duì)于非沸騰式省煤器T1≈τl，而對(duì)于沸騰式省煤器，該式不能簡(jiǎn)化。對(duì)于亞臨界控制循環(huán)汽包爐機(jī)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(xiàn)象比較弱，從實(shí)際觀察看實(shí)際水位　　
　　二、水位控制回路的比較
　　
　　2.1串級(jí)三沖量方案
　　
　　串級(jí)三沖量在處理虛假水位問題上有先天的優(yōu)勢(shì)，由于有主副調(diào)節(jié)器區(qū)分，主汽流量與給水流量造成的滯后差異由主調(diào)節(jié)器彌補(bǔ)，而副調(diào)節(jié)器只對(duì)主汽流量與給水流量的內(nèi)擾快速處理，快慢區(qū)分分明；同時(shí)當(dāng)加負(fù)荷時(shí)，主汽流量增加，虛假水位上升，則在副調(diào)節(jié)器入口，主汽流量是增量，水位增量由于有主調(diào)節(jié)器的比例作用，主調(diào)節(jié)器的輸出是迅速負(fù)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(zhǔn)確控制。
　　
　　當(dāng)水位發(fā)生內(nèi)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(nèi)氣泡體積迅速減小，汽包水位下降。在串級(jí)回路中，主調(diào)節(jié)器輸出是正向增加，而副調(diào)節(jié)器入口流量也是正向增加，但流量信號(hào)是負(fù)值，正好起抵消作用，暫時(shí)維持給水泵（或上水調(diào)節(jié)閥）不變，當(dāng)這一混合過程過后，受爐內(nèi)燃料和鍋內(nèi)水工質(zhì)能量平衡影響，早期的給水過調(diào)迅速?gòu)浹a(bǔ)水工質(zhì)的缺少量，甚至產(chǎn)生補(bǔ)水過量造成水位快速升高，而串級(jí)回路對(duì)此現(xiàn)象的抑制較為明顯。
　　
　　如果采用傳統(tǒng)單級(jí)三沖量方案，取消主汽流量和給水流量輸回路中的實(shí)際微分環(huán)節(jié)，則水位偏差的變化與主汽流量或給水量擾動(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，但實(shí)際效果并不理想，對(duì)于小機(jī)組而言，省煤器且為非沸騰省煤器，這種差異不明顯，但對(duì)于亞臨界控制循環(huán)汽包鍋爐夾講，這種差異很大，這就是為什么采用改進(jìn)的三沖量方案。
　　
　　串級(jí)三沖量方案的優(yōu)缺點(diǎn)：不利于單三方式切換；有利于APS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(zhuǎn)換；參數(shù)整定簡(jiǎn)單；給水流量穩(wěn)定性好，對(duì)于參數(shù)較高的亞臨界機(jī)組而言，其汽包飽和壓力高，鍋爐省煤器容積大，出口參數(shù)也高，所以其沸騰度大，穩(wěn)定給水流量對(duì)汽包水位的品質(zhì)影響是很大的。
　　
　　2.2單級(jí)三沖量方案
　　
　　目前大型單元機(jī)組單級(jí)三沖量給水方案主要以單級(jí)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(jí)三沖量方案相比較，該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單沖量和三沖量之間切換很容易，因?yàn)榫俏⒎诌\(yùn)算結(jié)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：　　
　　如果參數(shù)調(diào)整TG=TI，則副回路等效傳函為KGKP，它與閥門開度系數(shù)構(gòu)成一個(gè)純比例控制單回路；如果TG與TI工相差太遠(yuǎn)，則構(gòu)成一個(gè)超前滯后環(huán)節(jié)，實(shí)際過程中它等同于（1+TS）環(huán)節(jié)，這樣的反饋對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是有害的。而對(duì)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(jié)，反而對(duì)克服虛假水位有益。
　　
　　上述方案在實(shí)際應(yīng)用有采用主汽流量與給水流量先減后微分的模式，該方法是借鑒西門子T-XP系統(tǒng)中由于控制器沒有前饋通道，利用入口微分環(huán)節(jié)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(yīng)差異不大的機(jī)組，而在控制循環(huán)汽包爐機(jī)組上，恰恰是弱點(diǎn)。　　
　　圖4給出了一個(gè)對(duì)于改進(jìn)的單級(jí)三沖量系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生主汽流量擾動(dòng)產(chǎn)生的虛假水位后，水位偏差負(fù)向增大，主汽流量正向增大，且在初始時(shí)刻有一個(gè)類似虛假水位變化的過程，抵消此時(shí)的現(xiàn)象，使得給水泵指令暫時(shí)不變，減小擾動(dòng)，這一過程體現(xiàn)了一個(gè)思想：虛假水位也是“水位”；這一方案與常規(guī)串級(jí)方案比較，優(yōu)點(diǎn)是Kd和Td均是可控的；而當(dāng)發(fā)生高加退出現(xiàn)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(jié)存在，流量暫時(shí)不變，則給水泵較大幅值提高轉(zhuǎn)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(nèi)犧牲給水流量的穩(wěn)定。它克服的是給水流量在阻力變化中的擾動(dòng)，對(duì)于給水溫度的擾動(dòng)或者說水位變化與流量沒有關(guān)系的情況下，它是有害的。因此在實(shí)際使用中，可適當(dāng)減小TG?；蛘咴诮o水流量慣性環(huán)節(jié)通道中并接增加省煤器前的給水溫度負(fù)向微分。
　　
　　對(duì)于汽包壓力變化產(chǎn)生的省煤器內(nèi)的氣泡體積變化，由于汽包壓力比較穩(wěn)定，受機(jī)前壓力影響大，且與主汽流量變化密切相關(guān)，因此，在過去的方案中考慮汽包壓力變化的環(huán)節(jié)可以忽略。
　　
　　單級(jí)三沖量系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)：有利于單三方式切換；不利于配合廠級(jí)順控（APS）方案，在流量平衡、壓力平衡等狀態(tài)下，回路設(shè)計(jì)復(fù)雜；參數(shù)整定簡(jiǎn)單；內(nèi)回路對(duì)給水流量的擾動(dòng)響應(yīng)很快，但對(duì)給水流量的信號(hào)波動(dòng)放大也快，給水流量的穩(wěn)定性差，但水位的穩(wěn)定性好。由于給水流量信號(hào)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(jié)。對(duì)消除虛假水位效果良好，但參數(shù)一旦整定不好，容易產(chǎn)生振蕩。
　　
　　三、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(zhí)行機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)一直是實(shí)踐應(yīng)用中比較棘手的問題，通常情況下，該回路要滿足手／自動(dòng)的無擾切換、雙汽泵自動(dòng)運(yùn)行的調(diào)偏運(yùn)算、汽泵掉閘的倍增運(yùn)算三種功能。圖5是針對(duì)該目的設(shè)計(jì)的一種算法邏輯。該方案從全手動(dòng)、單臺(tái)自動(dòng)、全部自動(dòng)三種狀態(tài)之間隨意無擾切換。
　　　　同時(shí)，在一臺(tái)汽泵自動(dòng)的情況下，第二臺(tái)汽泵啟動(dòng)以及手動(dòng)調(diào)整帶來的擾動(dòng)還可以快速通過另一臺(tái)汽泵自動(dòng)消除。兩臺(tái)汽泵自動(dòng)的情況下，可以通過BIAS偏置功能塊手動(dòng)調(diào)偏，其結(jié)果是兩臺(tái)汽泵一增一減。各承擔(dān)一半。BIAS回路在任一臺(tái)汽泵退出自動(dòng)后，就不起作用，只跟蹤（FB1-FB2）/2。
　　
　　任一臺(tái)汽泵掉閘，均可通過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，再通過調(diào)節(jié)器作出反應(yīng)。
　　
　　采用此方案的問題。調(diào)節(jié)器的控制范圍變成了0～200％的范圍，隱含著兩臺(tái)泵的并聯(lián)特性等于每臺(tái)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(tái)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(diào)節(jié)器在單臺(tái)汽泵運(yùn)行和雙泵運(yùn)行時(shí)要做變比例處理。單臺(tái)汽泵運(yùn)行在負(fù)荷上*，為了防止超調(diào)過100％，需要對(duì)調(diào)節(jié)器做上限閉增運(yùn)算，防止積分飽和。
　　
　　3.2泵的控制方案比較
　　
　　三個(gè)各自獨(dú)立的調(diào)節(jié)器方案。該方案通常用在一臺(tái)電泵配兩臺(tái)50％汽泵的機(jī)組中，對(duì)于兩汽泵一電泵的600MW標(biāo)準(zhǔn)配置來講，水位調(diào)節(jié)器采用三個(gè)獨(dú)立的控制器，便于區(qū)別對(duì)待流量特性不同的三臺(tái)泵，特別是汽泵和電泵之間。該方案的優(yōu)缺點(diǎn)：針對(duì)每個(gè)泵的特性PID參數(shù)各自設(shè)定；控制方案的流量平衡和壓力平衡回路復(fù)雜；雙泵運(yùn)行狀態(tài)下，其中一臺(tái)跳泵時(shí)，另一臺(tái)受控泵不能快速響應(yīng)；跟蹤回路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易，由于各自跟蹤反饋，所以能夠做到*無擾切換；存在自動(dòng)并泵難的問題；適合配合串級(jí)方案，當(dāng)主調(diào)節(jié)器采用水位調(diào)節(jié)器后，副調(diào)的物理意義即為流量調(diào)節(jié)器，便于實(shí)現(xiàn)泵之間的流量平衡。
　　
　　單調(diào)節(jié)器方案，控制器輸出結(jié)果經(jīng)過平均后分配給三臺(tái)泵。方案優(yōu)缺點(diǎn)：平衡回路易實(shí)現(xiàn)；發(fā)生RB時(shí)，受控泵能夠快速響應(yīng)；由于泵之間有差異，特性不能各自整定；跟蹤回路設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)輔助消差回路，否則難以實(shí)現(xiàn)無擾切換，特別是投運(yùn)第二臺(tái)、第三臺(tái)泵時(shí)；存在自動(dòng)并泵難題。
　　
　　兩調(diào)節(jié)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?yàn)槌隽π。杆匍_到zui大位，承擔(dān)基本的穩(wěn)定量，讓汽泵來調(diào)節(jié)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(shù)可以分別調(diào)整；發(fā)生RB時(shí)能夠迅速增加受控泵的轉(zhuǎn)速，電泵走開環(huán)回路，迅速加到zui大；平衡回路易實(shí)現(xiàn)；跟蹤回路易實(shí)現(xiàn)，且能夠做到無擾。
　　
　　四、結(jié)語
　　
　　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0，但在控制方案上根據(jù)對(duì)象特性靈活選擇控制方案，對(duì)控制方案的魯棒性是能夠有所改善的。本文通過對(duì)幾種方案的研究，陳述了串級(jí)三沖量方案在應(yīng)對(duì)該爐型的汽包水位對(duì)象的優(yōu)點(diǎn)，雖然設(shè)計(jì)時(shí)較復(fù)雜，參數(shù)整定也較難，但在應(yīng)用時(shí)其效果要比單級(jí)三沖量較佳。
　　
　　在泵的控制方案中，建議因地制宜，靈活選擇上述方案，以達(dá)到效果*為原則。