大型火電機(jī)組智能并退給水泵功能設(shè)計(jì)與研究

朱曉星，劉武林，張建玲

(湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

給水控制系統(tǒng)是大型火電機(jī)組最重要的自動(dòng)控制系統(tǒng)之一，其任務(wù)是保證鍋爐的給水量與蒸發(fā)量相適應(yīng)。給水量若過(guò)低，容易導(dǎo)致鍋爐超溫甚至干燒;給水量若過(guò)高，容易引起主汽溫度過(guò)低甚至汽中帶水損壞汽輪機(jī)。

典型的火電機(jī)組一般配備2臺(tái)50%容量的汽動(dòng)給水泵 (以下簡(jiǎn)稱汽泵)和1臺(tái)30%～50%容量的電動(dòng)給水泵 (以下簡(jiǎn)稱電泵)。機(jī)組在升負(fù)荷過(guò)程中，存在電泵運(yùn)行時(shí)首臺(tái)汽泵并入、汽泵運(yùn)行時(shí)電泵退出、汽泵運(yùn)行時(shí)第2臺(tái)汽泵并入等過(guò)程;在降負(fù)荷過(guò)程中，存在2臺(tái)汽泵運(yùn)行時(shí)首臺(tái)汽泵退出、1臺(tái)汽泵運(yùn)行時(shí)電泵并入、電泵運(yùn)行時(shí)第2臺(tái)汽泵退出等過(guò)程。在這些并退泵過(guò)程中，稍有不慎就會(huì)引起給水流量大幅波動(dòng)，引起主汽溫度大幅變化，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行，甚至導(dǎo)致非計(jì)劃停運(yùn)〔1〕;即使是操作熟練的運(yùn)行人員，也由于需要監(jiān)視的測(cè)點(diǎn)、進(jìn)行的操作較多而使得并退泵時(shí)間較長(zhǎng)，影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此，研究設(shè)計(jì)智能并退給水泵功能、實(shí)現(xiàn)操作人員一鍵自動(dòng)并退給水泵，是提高機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性的有效途徑之一。

1 給水流量控制回路的修改

一般火電機(jī)組給水流量的控制，是由給水流量指令與給水流量實(shí)測(cè)值的偏差經(jīng)PID運(yùn)算后，直接生成給水泵的公共指令，每臺(tái)給水泵可在該公共指令的基礎(chǔ)上設(shè)置偏置。這種控制策略 (以下簡(jiǎn)稱為“給水流量單回路調(diào)節(jié)”)較為簡(jiǎn)單、清晰，在電泵與汽泵不需同時(shí)投自動(dòng)運(yùn)行的情況下，可以達(dá)到滿意的自動(dòng)控制效果;但如果需要電泵與汽泵同時(shí)投自動(dòng)運(yùn)行，那么由于電泵勺管控制和汽泵轉(zhuǎn)速控制的工作特性差別較大，這種控制策略容易導(dǎo)致給水泵的不穩(wěn)定運(yùn)行，出現(xiàn)搶水現(xiàn)象，影響機(jī)組的安全運(yùn)行〔2〕。

某公司采用了一種新的控制策略，近年在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣，其核心是增加每臺(tái)給水泵出口流量調(diào)節(jié)PID，形成給水流量串級(jí)調(diào)節(jié) (以下簡(jiǎn)稱為“給水流量串級(jí)調(diào)節(jié)”):給水流量指令與給水流量實(shí)測(cè)值的偏差經(jīng)PID運(yùn)算后，生成每臺(tái)給水泵的公用出口流量指令;該指令送到每臺(tái)給水泵出口流量調(diào)節(jié)PID，運(yùn)算后才生成電泵的勺管指令或汽泵的轉(zhuǎn)速指令;每臺(tái)給水泵可設(shè)置出口流量偏置 (手動(dòng)時(shí)該偏置跟蹤泵公用出口流量指令與本泵出口流量的差值)。其中，給水泵出口流量若無(wú)測(cè)點(diǎn)，可由本泵入口流量、出口壓力、再循環(huán)調(diào)節(jié)閥位置反饋等綜合計(jì)算得出。這種控制策略能很好的實(shí)現(xiàn)汽泵與電泵的出力匹配和平衡，使二者能同時(shí)投自動(dòng)運(yùn)行。

要實(shí)現(xiàn)智能并退給水泵功能，采用給水流量串級(jí)調(diào)節(jié)方式為宜，可以滿足各種運(yùn)行工況的需求。

2 給水泵智能并泵控制策略

給水泵并泵可分為電泵運(yùn)行時(shí)首臺(tái)汽泵并入、汽泵運(yùn)行時(shí)第2臺(tái)汽泵并入、1臺(tái)汽泵運(yùn)行時(shí)電泵并入3種情況，其并泵思路與過(guò)程均基本相似。以下以典型的“汽泵運(yùn)行時(shí)第2臺(tái)汽泵并入”為例來(lái)闡述。

2.1 智能并泵允許

以下條件均滿足時(shí)允許汽泵并泵:

1)本泵處于CCS遙控方式;

2)本泵出口壓力低于給水母管壓力;

3)本泵出口流量偏置不為0;

4)另一臺(tái)汽泵或電泵已投自動(dòng);

5)無(wú)其他泵在并退泵過(guò)程中，且本泵未在退泵過(guò)程中;

6)無(wú)RB;

7)相關(guān)測(cè)點(diǎn)無(wú)壞質(zhì)量。

2.2 智能并泵過(guò)程

DCS畫面上每臺(tái)給水泵新增1個(gè)操作面板，每個(gè)面板上設(shè)3個(gè)按鈕:并泵、退泵、停止。為最大程度地減小并泵過(guò)程中的給水流量波動(dòng)，將智能并泵過(guò)程分為2個(gè)階段:轉(zhuǎn)速控制階段和出口流量控制階段。

操作員按下并泵按鈕，即開(kāi)始智能并泵，首先進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制階段，即直接將給水泵指令經(jīng)限速后向某較高值上升;升速到本泵出口壓力接近母管壓力時(shí)，暫停升速，發(fā)出聯(lián)開(kāi)本泵出口門指令;由于出口壓力較低，出口門打開(kāi)后本泵尚未出水，需要繼續(xù)升速，直到本泵穩(wěn)定出水 (本泵出口壓力－給水母管壓力＞0.5 MPa，且本泵出口流量＞100 t/h)。

給水泵穩(wěn)定出水后，轉(zhuǎn)速控制階段完成，自動(dòng)投入本泵自動(dòng)，轉(zhuǎn)入出口流量控制階段。在這個(gè)階段，不再直接提高給水泵轉(zhuǎn)速，而是將本泵出口流量偏置經(jīng)限速后置為0。在這個(gè)階段中，該泵已經(jīng)參與總給水流量的調(diào)節(jié)。

以上過(guò)程中，運(yùn)行人員隨時(shí)可以按下停止按鈕，以結(jié)束并泵過(guò)程;停止后若并泵條件滿足，仍可重新按下并泵按鈕，給水泵將按以上流程繼續(xù)并泵。

為減小給水流量波動(dòng)，整個(gè)并泵過(guò)程中限速值根據(jù)系統(tǒng)工況實(shí)時(shí)自適應(yīng)變化:當(dāng)本泵出口壓力低于給水母管壓力較多時(shí)，本泵尚未出水，限速值可以較大以縮短整個(gè)并泵時(shí)間;本泵出口壓力接近母管壓力時(shí)，本泵即將出水，限速值很小以減小出水時(shí)給水流量波動(dòng);本泵出水以后，限速值根據(jù)給總水流量調(diào)節(jié)偏差、本泵出口給水流量調(diào)節(jié)偏差等變化，偏差越大時(shí)限速值越小，甚至為0以暫停并泵，確保給水流量穩(wěn)定。

2.3 智能并泵完成

以下條件均滿足時(shí)認(rèn)為并泵完成:

1)本泵在自動(dòng)狀態(tài);

2)本泵出口門已開(kāi);

3)本泵出口壓力高于給水母管壓力0.5MPa以上;

4)本泵出口流量偏置為0。

3 給水泵智能退泵控制策略

給水泵退泵可分為汽泵運(yùn)行時(shí)電泵退出、2臺(tái)汽泵運(yùn)行時(shí)首臺(tái)汽泵退出、電泵運(yùn)行時(shí)第2臺(tái)汽泵退出3種情況，其退泵思路與過(guò)程均基本相似。以下以典型的“2臺(tái)汽泵運(yùn)行時(shí)首臺(tái)汽泵退出”為例來(lái)闡述。

3.1 智能退泵允許

以下條件均滿足時(shí)允許汽泵退泵:

1)本泵轉(zhuǎn)速高于2 900 r/min;

2)另一臺(tái)汽泵或電泵已投自動(dòng);

3)無(wú)其他泵在并退泵過(guò)程中，且本泵未在并泵過(guò)程中;

4)相關(guān)測(cè)點(diǎn)無(wú)壞質(zhì)量。

3.2 智能退泵過(guò)程

智能退泵過(guò)程也分為2個(gè)階段:出口流量控制階段和轉(zhuǎn)速控制階段。

操作員按下退泵按鈕，即開(kāi)始智能退泵，如果此時(shí)本泵在自動(dòng)狀態(tài)則首先進(jìn)入流量控制階段，否則直接轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)速控制階段。在流量控制階段，自動(dòng)將本泵出口流量設(shè)定值經(jīng)限速后置為某較小值(如100 t/h)，當(dāng)其出口流量緩慢下降到該值穩(wěn)定后，退出出口流量控制階段，延時(shí)5 s進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制階段。

轉(zhuǎn)速控制階段，將本泵切為手動(dòng)，其指令經(jīng)限速后置為遙控最低轉(zhuǎn)速2 900 r/min;當(dāng)泵降到遙控最低轉(zhuǎn)速后，退泵結(jié)束。

整個(gè)退泵過(guò)程中限速值與并泵過(guò)程相似，均根據(jù)系統(tǒng)工況實(shí)時(shí)自適應(yīng)變化。

3.3 智能退泵完成

以下條件均滿足時(shí)認(rèn)為退泵完成:

1)本泵在手動(dòng)狀態(tài);

2)本泵轉(zhuǎn)速≤2 900 r/min。

4 優(yōu)化及應(yīng)用效果

根據(jù)以上控制思路設(shè)計(jì)了組態(tài)，在典型600 MW超臨界機(jī)組仿真模型上進(jìn)行了多次試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)情況又進(jìn)行了以下優(yōu)化:

1)并泵過(guò)程中給水泵穩(wěn)定出水后，將從轉(zhuǎn)速控制階段轉(zhuǎn)入出口流量控制階段。該“穩(wěn)定出水”條件是用給水壓力偏差和本泵出口流量來(lái)判定的，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有時(shí)因壓力偏差和出口流量的波動(dòng)而在兩個(gè)控制階段間來(lái)回切換。為此，在退出轉(zhuǎn)速控制階段的條件中，增加“已轉(zhuǎn)入出口流量控制階段”。

2)利用“給水流量串級(jí)調(diào)節(jié)”控制策略，可以方便地將正在并/退的給水泵增加/減少的出力以流量指令的形式反應(yīng)出來(lái)，使其在尚未對(duì)總給水流量產(chǎn)生影響時(shí)，就能直接改變另一臺(tái)在自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)的給水泵的出口流量指令，以減小給水流量的波動(dòng)。某些DCS系統(tǒng)中有平衡算法功能塊 (Balancer)可以方便地實(shí)現(xiàn)該功能;本文為提高控制策略的適用面，沒(méi)有利用該功能塊，而是通過(guò)其他功能塊的組合實(shí)現(xiàn)了類似的功能。

3)采用正常工況下的PID參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在并/退泵過(guò)程中容易導(dǎo)致給水流量震蕩。為此，對(duì)相關(guān)PID參數(shù)采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)，在并/退泵過(guò)程中將比例作用適當(dāng)降低、積分作用適當(dāng)減弱，達(dá)到了滿意的效果。

經(jīng)以上優(yōu)化后，并退泵時(shí)給水流量波動(dòng)約50～60 t/h，并退泵時(shí)間約5 min。A汽泵運(yùn)行時(shí)B汽泵并入的曲線如圖1所示。

圖1 A汽泵運(yùn)行時(shí)B汽泵并入曲線

以上是基于采用“給水流量串級(jí)調(diào)節(jié)”控制策略的試驗(yàn)結(jié)果，若對(duì)限速率、PID參數(shù)作更為精細(xì)的優(yōu)化，還能取得更好的控制效果;若機(jī)組原采用的是“給水流量單回路調(diào)節(jié)”控制策略，且不需要電泵與汽泵同時(shí)投自動(dòng)運(yùn)行 (如首臺(tái)汽泵完成并泵后，就將電泵切手動(dòng)或退泵停運(yùn))，那么也可維持該方式不變，只需將并退泵控制策略中略作修改即可。基于“給水流量單回路調(diào)節(jié)”控制策略的智能并退泵功能也在仿真模型上進(jìn)行了試驗(yàn)，給水流量波動(dòng)稍大一些，但均在安全范圍之內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究和設(shè)計(jì)了火電機(jī)組智能并退給水泵功能，在仿真模型上進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)和優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果表明效果較好，能確保并退給水泵過(guò)程中的機(jī)組安全，減少并退給水泵所需的時(shí)間，提高機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)性能。

〔1〕秦治國(guó)，白靜平，馬海琪.660MW超臨界機(jī)組汽動(dòng)給水泵自動(dòng)并泵、退泵邏輯設(shè)計(jì)〔J〕.陜西電力，2011，39(5):41－43.

〔2〕潘鳳萍，陳世和，陳銳民，等.火力發(fā)電機(jī)組自啟?？刂萍夹g(shù)及應(yīng)用〔M〕.北京:科學(xué)出版社，2011.