600 MW燃煤機(jī)組給水泵自動(dòng)并退過(guò)程控制策略

白永剛， 莊 偉， 孫 惠， 丁 剛， 冷玉柱

(1. 內(nèi)蒙古岱海發(fā)電有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000；2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

給水泵自動(dòng)并退控制是實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組全程給水以及機(jī)組自啟?？刂葡到y(tǒng)(APS)的重要環(huán)節(jié)，以往由于給水泵并退操作只在機(jī)組啟停階段進(jìn)行，專門針對(duì)給水泵自動(dòng)并退控制的研究較少；隨著APS、深度調(diào)峰等在燃煤火電機(jī)組中的進(jìn)一步應(yīng)用，給水泵自動(dòng)并退控制也引起了更多的關(guān)注。大容量機(jī)組給水泵手動(dòng)并泵操作復(fù)雜，易造成汽包水位、鍋爐給水質(zhì)量流量大幅波動(dòng)，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行，而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并泵功能對(duì)減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高機(jī)組的自動(dòng)化水平及可靠性，具有切實(shí)的意義。運(yùn)行人員只需在分布式控制系統(tǒng)(DCS)畫面點(diǎn)擊“并泵” 和“確認(rèn)”按鈕，程序?qū)凑赵O(shè)定方案，自動(dòng)執(zhí)行并泵過(guò)程中涉及的所有操作。

1 設(shè)備概況

某電廠二期為2臺(tái)600 MW機(jī)組，汽輪機(jī)型號(hào)為N600-16.67/538/538，亞臨界、單軸、三缸四排汽、一次中間再熱、反動(dòng)式、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)。該機(jī)組額定功率為600 MW，最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況功率為634 MW，閥門全開工況功率為655 MW。

給水系統(tǒng)配置3臺(tái)50%BMCR容量的電動(dòng)給水泵，正常運(yùn)行中2臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。給水泵采用FK4E39M型臥式電動(dòng)給水泵，額定體積流量為1 306 m3/h，出口壓力為22.47 MPa，額定轉(zhuǎn)速為5 635 r/min。

2 給水泵并退過(guò)程的特點(diǎn)

該電廠二期600 MW機(jī)組給水系統(tǒng)見圖1。

1—1號(hào)給水泵再循環(huán)流量測(cè)點(diǎn)； 2—1號(hào)給水泵最小流量調(diào)節(jié)閥； 3—1號(hào)給水泵最小流量調(diào)節(jié)閥前電動(dòng)閥； 4—1號(hào)給水泵出口電動(dòng)閥；5—1號(hào)給水泵出口逆止閥； 6—1號(hào)給水泵出口流量測(cè)點(diǎn)； 7—1號(hào)給水泵出口壓力測(cè)點(diǎn)； 8—1號(hào)給水泵勺管；9—1號(hào)給水泵；10—1號(hào)給水泵入口流量測(cè)點(diǎn)；11—2號(hào)給水泵再循環(huán)流量測(cè)點(diǎn)；12—2號(hào)給水泵最小流量調(diào)節(jié)閥；13—2號(hào)給水泵最小流量調(diào)節(jié)閥前電動(dòng)閥；14—2號(hào)給水泵出口電動(dòng)閥；15—2號(hào)給水泵出口逆止閥；16—2號(hào)給水泵出口流量測(cè)點(diǎn)；17—2號(hào)給水泵出口壓力測(cè)點(diǎn)；18—2號(hào)給水泵勺管；19—2號(hào)給水泵；20—2號(hào)給水泵入口流量測(cè)點(diǎn)。

圖1 給水系統(tǒng)總圖

機(jī)組啟動(dòng)及低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，1臺(tái)給水泵運(yùn)行，待負(fù)荷約為330 MW時(shí)并入第2臺(tái)給水泵；機(jī)組高負(fù)荷(機(jī)組負(fù)荷>400 MW)運(yùn)行時(shí)，2臺(tái)給水泵并列運(yùn)行，1臺(tái)給水泵備用，待負(fù)荷降至370 MW左右時(shí)退出第2臺(tái)給水泵，保持單泵運(yùn)行的模式。

2.1 并泵過(guò)程

機(jī)組帶負(fù)荷至330 MW左右時(shí)，運(yùn)行人員開始啟動(dòng)第2臺(tái)給水泵(給水泵熱備時(shí)除外)，待給水泵各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定后，緩慢增加給水泵的勺管直至待并泵與運(yùn)行泵出力一致(2臺(tái)給水泵的入口給水質(zhì)量流量偏差≤30 t/h，且給水泵出口壓力偏差≤0.1 MPa)。并泵的過(guò)程可以細(xì)化為以下2個(gè)階段：

(1) 待并泵出力前，即給水泵出口母管壓力-待并泵出口壓力>1 MPa，待并泵還未真實(shí)出水，其出口逆止閥關(guān)閉，給水泵最小流量調(diào)節(jié)閥及調(diào)節(jié)閥前電動(dòng)閥均保持全開狀態(tài)。此時(shí)，運(yùn)行人員或并泵程序?qū)⒁暂^快的速度增加待并泵的勺管開度至40%，在升速過(guò)程中，當(dāng)給水泵出口母管壓力-待并泵的出口壓力<2 MPa時(shí)，開出口電動(dòng)閥，然后繼續(xù)升速直至待并泵穩(wěn)定出水。

(2) 待并泵穩(wěn)定出水至并泵完成階段，此過(guò)程的起點(diǎn)為待并泵穩(wěn)定出水，即給水泵出口母管壓力-待并泵出口壓力<1 MPa，且待并泵出口給水質(zhì)量流量穩(wěn)定在50 t/h以上，終點(diǎn)為待并泵與運(yùn)行泵出力一致(2臺(tái)給水泵的入口給水質(zhì)量流量偏差≤30 t/h，且給水泵出口壓力偏差≤0.1 MPa)。此過(guò)程中待并泵繼續(xù)緩慢增加勺管開度至52%，當(dāng)待并泵出口壓力略大于給水母管壓力，且待并泵入口給水質(zhì)量流量>給水泵運(yùn)行的最小安全質(zhì)量流量(200 t/h)時(shí)，逆止閥被沖開，給水泵最小流量調(diào)節(jié)閥根據(jù)程序設(shè)置的回滯函數(shù)慢慢關(guān)閉， 此時(shí)給水母管流量會(huì)發(fā)生階躍性增加，運(yùn)行人員或并泵程序須快速減小運(yùn)行泵的勺管開度以保證給水質(zhì)量流量的穩(wěn)定。 待并泵穩(wěn)定出水后，其勺管開度增加的速度應(yīng)與汽包水位及鍋爐給水質(zhì)量流量的變化相適應(yīng)，同時(shí)運(yùn)行泵勺管的閉環(huán)控制應(yīng)兼顧快速性與準(zhǔn)確性，以確保并泵時(shí)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 退泵過(guò)程

機(jī)組從高負(fù)荷降至350 MW左右時(shí)，運(yùn)行人員開始進(jìn)行退泵操作，緩慢減少待退泵的勺管開度，運(yùn)行泵繼續(xù)保持閉環(huán)控制模式。當(dāng)待退泵入口給水質(zhì)量流量<400 t/h時(shí)，最小流量調(diào)節(jié)閥將根據(jù)程序設(shè)置的回滯函數(shù)慢慢開啟，當(dāng)待退泵入口給水質(zhì)量流量接近泵的跳閘保護(hù)質(zhì)量流量(<220 t/h)時(shí)，最小流量調(diào)節(jié)閥以較大的速率開啟至100%，此時(shí)應(yīng)快速增加運(yùn)行泵的勺管開度以保證給水質(zhì)量流量的穩(wěn)定。

給水泵出口母管壓力-待退泵出口壓力>0.5 MPa時(shí)，逆止閥關(guān)閉，待退泵的最小流量調(diào)節(jié)閥及調(diào)節(jié)閥前電動(dòng)閥均保持開啟狀態(tài)，待退泵已經(jīng)不出力，此時(shí)運(yùn)行人員或退泵程序可以快速將待退給水泵的勺管開度減至目標(biāo)值，同時(shí)將給水泵的手操站切至“MANU”模式，至此，退泵操作基本完成。

3 自動(dòng)并退邏輯設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

3.1 給水控制基本策略

該電廠二期機(jī)組給水控制采用全程自動(dòng)的方式，主要分為以下4個(gè)階段[1]：

(1) 鍋爐上水完成后，旁路調(diào)節(jié)閥(簡(jiǎn)稱旁閥)投自動(dòng)控制汽包水位(單沖量)，給水泵控制壓差(給水母管壓力-汽包壓力)，壓差設(shè)定隨鍋爐負(fù)荷變化。

(2) 負(fù)荷升到180 MW時(shí)，旁閥控制汽包水位由單沖量切為三沖量控制。

(3) 負(fù)荷升到200 MW時(shí)，給水泵由壓差控制轉(zhuǎn)為汽包水位控制，旁閥控制由汽包水位控制轉(zhuǎn)為壓差控制。

(4) 隨著負(fù)荷增加，給水旁路在250 MW切主路，主路、旁路按1∶4速率(給水主路調(diào)節(jié)閥(簡(jiǎn)稱主閥)開大1%，給水旁路調(diào)節(jié)閥關(guān)小4%)進(jìn)行切換，當(dāng)旁閥全關(guān)時(shí)切換完成，切換過(guò)程將負(fù)荷變化率置為0，當(dāng)切換完成主閥投自動(dòng)，主閥控制壓差。

機(jī)組并退泵的操作在第4階段進(jìn)行，此時(shí)汽包水位由給水泵的勺管控制，控制策略采用串級(jí)三沖量控制的典型設(shè)計(jì)。

3.2 自動(dòng)并泵回路設(shè)計(jì)

3.2.1 并泵升速回路

機(jī)組從低負(fù)荷升至330 MW左右，且滿足自動(dòng)并泵的允許條件時(shí)，運(yùn)行人員或者機(jī)組APS發(fā)出第2臺(tái)給水泵并入指令，并泵程序?qū)?dòng)待并泵，待并泵各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定后，根據(jù)邏輯中的升速回路自動(dòng)增加給水泵的勺管開度[2]，并泵升速回路邏輯見圖2。

圖2 并泵升速率回路邏輯

從圖2可以看出：給水泵出口母管壓力-待并泵出口壓力<2 MPa時(shí)，以待并泵出口壓力與母管壓力的差經(jīng)函數(shù)發(fā)生器計(jì)算后的結(jié)果作為待并泵增加勺管開度升速率。

給水泵出口母管壓力-待并泵出口壓力<2 MPa時(shí)，以下3個(gè)速率中的最小值作為待并泵勺管開度的最終升速率：

(1) 3臺(tái)給水泵質(zhì)量流量指令偏差絕對(duì)值中大值經(jīng)過(guò)函數(shù)發(fā)生器計(jì)算，得到升速率1。

(2) 汽包水位偏差絕對(duì)值經(jīng)過(guò)函數(shù)發(fā)生器計(jì)算，得到升速率2。

(3) 待并泵出口壓力與母管壓力的差經(jīng)函數(shù)發(fā)生器計(jì)算，得到升速率3。

同時(shí)，為防止并泵過(guò)程中鍋爐給水質(zhì)量流量突增的現(xiàn)象，并泵程序?qū)ι坠荛_度的速率變化也進(jìn)行一定的限制，即在勺管開度速率增加時(shí)其速率的變化率為0.05 %/s，速率減少時(shí)其速率為100 %/s。

在升速過(guò)程中，給水泵出口母管壓力-待并泵出口壓力<2 MPa時(shí)，開待并泵出口電動(dòng)閥。

3.2.2 待并泵流量偏置歸零回路

待并泵出口門開啟后，繼續(xù)增加勺管開度直至給水母管壓力-待并泵出口壓力<0.1 MPa，此時(shí)逆止閥被沖開，電動(dòng)給水泵出口質(zhì)量流量穩(wěn)定在50 t/h，表明待并泵已穩(wěn)定出水；待并泵電動(dòng)給水泵立即停止開環(huán)升速，延時(shí)5 s后，待并泵自動(dòng)投入自動(dòng)，其流量偏置以20倍的電動(dòng)給水泵升速率慢慢歸零(見圖3)[3]。

圖3 待并泵流量偏置歸零邏輯圖

當(dāng)待并泵流量偏置歸零后觸發(fā)并泵完成，并泵完成信號(hào)為：(1)待并泵出口壓力比給水泵出口母管壓力大；(2)出口電動(dòng)閥全開；(3)待并泵質(zhì)量流量偏置為±10 t/h；(4)待并泵投自動(dòng)，并參與控制汽包水位。

3.2.3 并泵過(guò)程最小流量調(diào)節(jié)閥控制

在并泵過(guò)程中，待并泵的最小流量調(diào)節(jié)閥最初保持全開，當(dāng)待并泵真實(shí)供水，自動(dòng)按設(shè)定的關(guān)閉函數(shù)關(guān)系(見圖4)逐漸關(guān)閉最小流量調(diào)節(jié)閥。為避免并泵過(guò)程中給水泵入口質(zhì)量流量變化造成最小流量調(diào)節(jié)閥頻繁動(dòng)作，采用回滯函數(shù)控制方法，具體邏輯見圖5。

f(x1)—給水泵最小流量調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉曲線；f(x2)—給水泵最小流量調(diào)節(jié)閥的開啟曲線。

圖4 最小流量閥的流量-開度曲線

圖5 最小流量調(diào)節(jié)閥控制邏輯

3.2.4 并退過(guò)程中汽包水位控制

并泵過(guò)程中汽包水位仍然采用串級(jí)三沖量的控制邏輯，針對(duì)待并泵出水瞬間，鍋爐給水質(zhì)量流量階躍增加的情況，專門設(shè)置相應(yīng)的變參數(shù)回路(見圖6)。

由圖6可以看出：當(dāng)并泵程序開始執(zhí)行，且待并泵出口質(zhì)量流量>50 t/h(待并泵真實(shí)出水)時(shí)，并泵程序自動(dòng)投用汽包水位主控副調(diào)PID的變參數(shù)回路；當(dāng)退泵程序開始執(zhí)行，且待退泵出口質(zhì)量流量<330 t/h(待退泵最小流量調(diào)節(jié)閥開啟)時(shí)，退泵程序自動(dòng)投用汽包水位主控副調(diào)PID的變參數(shù)回路。

圖6 汽包水位主控變參數(shù)回路觸發(fā)回路

3.3 自動(dòng)退泵回路

機(jī)組從高負(fù)荷降至350 MW左右，且滿足自動(dòng)退泵的允許條件時(shí)，運(yùn)行人員或者機(jī)組APS發(fā)出第2臺(tái)給水泵退出指令，退泵程序?qū)⒏鶕?jù)邏輯中的退泵速率回路自動(dòng)降低給水泵的勺管開度，待退泵保持閉環(huán)控制模式，退泵結(jié)束后，APS自動(dòng)啟動(dòng)待退泵停止功能子組。退泵過(guò)程中的最小流量調(diào)節(jié)閥及汽包水位主控的控制邏輯與并泵過(guò)程類似，在此不進(jìn)行詳細(xì)敘述。

3.4 自動(dòng)并退過(guò)程中的注意事項(xiàng)

(1) 并泵過(guò)程中，待并泵出力瞬間，最小流量調(diào)節(jié)閥根據(jù)回滯函數(shù)自動(dòng)關(guān)閉，此時(shí)鍋爐給水質(zhì)量流量會(huì)突增，為避免水流量階躍變化對(duì)汽包水位的影響，并泵程序應(yīng)自動(dòng)增大汽包水位主控副調(diào)PID的比例增益、減少積分時(shí)間從而使運(yùn)行泵快速下調(diào)出力。

(2) 退泵過(guò)程中，當(dāng)待退泵入口給水質(zhì)量流量接近泵的跳閘保護(hù)質(zhì)量流量(<220 t/h)時(shí)，最小流量調(diào)節(jié)閥以較大的速率開啟至100%，此時(shí)鍋爐給水質(zhì)量流量出現(xiàn)較大幅度的減少，自動(dòng)退泵程序應(yīng)自動(dòng)增大汽包水位主控副調(diào)PID的比例增益、減少積分時(shí)間從而使運(yùn)行泵的勺管開度迅速增大以維持鍋爐給水質(zhì)量流量及汽包水位的穩(wěn)定。

(3) 最小流量調(diào)節(jié)閥電磁閥的聯(lián)鎖開、關(guān)的流量定值不應(yīng)設(shè)置得過(guò)于鄰近，否則當(dāng)給水自動(dòng)調(diào)節(jié)幅度較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致最小流量調(diào)節(jié)閥頻繁動(dòng)作，引起給水質(zhì)量流量階躍性大幅度變化，進(jìn)而引起汽包水位的大幅波動(dòng)。因此，最小流量調(diào)節(jié)閥電磁閥的聯(lián)鎖定值應(yīng)兼顧對(duì)給水泵的保護(hù)及自動(dòng)并退過(guò)程的實(shí)用性。

4 自動(dòng)并退程序應(yīng)用效果分析

圖7為自動(dòng)并泵程序的應(yīng)用效果曲線。

圖7 自動(dòng)并泵過(guò)程中相關(guān)參數(shù)的變化曲線

由圖7可以看出：在23:12:19時(shí)，自動(dòng)并泵程序開始啟動(dòng)，待并泵的勺管開度為30%，此時(shí)給水泵出口母管壓力- 待并泵出口壓力>2 MPa，逆止閥關(guān)閉，待并泵還未出水，并泵程序緩慢增加勺管開度至35%；在23:19:27時(shí)，待并泵出口壓力略大于給水母管壓力，待并泵逆止閥被沖開，最小流量調(diào)節(jié)閥根據(jù)回滯函數(shù)自動(dòng)關(guān)閉，待并泵真實(shí)出水，此時(shí)鍋爐給水質(zhì)量流量增加，待并泵增勺管開度速率降低，運(yùn)行泵快速增加勺管開度至47.3%，鍋爐給水質(zhì)量流量回調(diào)，此后待并泵自動(dòng)投自動(dòng)并開始流量偏置歸零的過(guò)程，直至待并泵與運(yùn)行泵出力一致。

采用自動(dòng)并泵程序進(jìn)行并泵，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)≤10 min，鍋爐給水質(zhì)量流量波動(dòng)≤70 t/h，且持續(xù)時(shí)間<3 min，汽包水位波動(dòng)≤±60 mm。

圖8是自動(dòng)退泵程序的應(yīng)用效果曲線。

圖8 自動(dòng)退泵過(guò)程中相關(guān)參數(shù)的變化曲線

由圖8可以看出：在22:48:50時(shí)，自動(dòng)退泵程序開始啟動(dòng)，待退泵緩慢減少勺管開度，當(dāng)待退泵入口給水質(zhì)量流量<400 t/h時(shí)，最小流量調(diào)節(jié)閥將根據(jù)程序設(shè)置的回滯函數(shù)慢慢開啟，當(dāng)待退泵入口給水質(zhì)量流量接近泵的跳閘保護(hù)質(zhì)量流量(<220 t/h)時(shí)，最小流量調(diào)節(jié)閥以較大的速率開啟至100%，22:50:58鍋爐給水質(zhì)量流量出現(xiàn)

較大幅度的減少，運(yùn)行泵通過(guò)自身的閉環(huán)回路快速增加勺管開度，22:51:33鍋爐給水質(zhì)量流量開始回調(diào)；待退泵勺管開度繼續(xù)減少，22:51:40待退泵出口壓力-給水泵出口母管壓力<0.2 MPa，逆止閥關(guān)閉，最小流量調(diào)節(jié)閥完全開啟，待退泵已經(jīng)不出力，至此，退泵已基本完成。

采用自動(dòng)退泵程序進(jìn)行退泵，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)≤8 min，鍋爐給水質(zhì)量流量波動(dòng)≤75 t/h，且持續(xù)時(shí)間<1.5 min，汽包水位波動(dòng)≤±50 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 給水泵自動(dòng)并退程序可以實(shí)現(xiàn)鍋爐給水泵并退的全程，大大減輕運(yùn)行人員的操作強(qiáng)度。

(2) 給水泵自動(dòng)并退程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用效果良好。

(3) 給水泵自動(dòng)并退程序的設(shè)計(jì)貼近實(shí)際，在擬合運(yùn)行人員常規(guī)并退泵操作方式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行了優(yōu)化，大大增強(qiáng)了并退程序的適應(yīng)性。