燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組汽包水位控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

引言

某電廠燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的配置型式為：1臺(tái)燃機(jī)+1臺(tái)汽機(jī)+1臺(tái)發(fā)電機(jī)+1臺(tái)余熱鍋爐。余熱鍋爐為三壓、再熱、無補(bǔ)燃、臥式、自然循環(huán)余熱鍋爐。凝結(jié)水在經(jīng)過低壓省煤器之后進(jìn)入低壓汽包，一部分爐水直接加熱為低壓過熱蒸汽進(jìn)入低壓缸，另一部分爐水經(jīng)過中壓給水泵和高壓給水泵分別進(jìn)入中壓和高壓加熱系統(tǒng)，加熱為中壓過熱蒸汽和高壓過熱蒸汽。

1汽包水位控制

圖1為本文所研究機(jī)組的汽水流程圖。汽包水位是機(jī)組運(yùn)行參數(shù)中重要的一個(gè)監(jiān)控對(duì)象。汽包水位過高，會(huì)影響汽水分離效果，使蒸汽帶水；汽包水位過低，會(huì)影響汽水循環(huán),甚至干鍋。汽包水位控制系統(tǒng)的任務(wù)就是維持鍋爐汽包水位為設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)全程水位自動(dòng)控制。某電廠給水系統(tǒng)有三個(gè)壓力等級(jí)：高壓給水泵采用液力耦合泵，并配置有旁路調(diào)節(jié)閥門，所以高壓給水系統(tǒng)在機(jī)組啟動(dòng)過程中采用主路電動(dòng)門關(guān)閉、旁路調(diào)節(jié)閥門開啟的方法來控制高壓汽包水位。當(dāng)高壓蒸汽流量超過40t/h時(shí)，旁路調(diào)節(jié)門全開，主路電動(dòng)門全開，高壓汽包水位通過勺管開度來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。中壓和低壓給水泵都采用定速泵，直接用節(jié)流閥門來控制汽包水位。三個(gè)壓力等級(jí)的水位控制都采用單/三沖量控制方法，利用各壓力等級(jí)的蒸汽流量的大小作為單/三沖量控制的切換條件。

2燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組的汽包水位控制

燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組的熱力系統(tǒng)特點(diǎn)決定了該類型機(jī)組汽包水位的控制也有其自身的獨(dú)特之處。

2.1汽包啟動(dòng)水位的確定

汽包水位作為電廠自動(dòng)化控制的一個(gè)重要控制目標(biāo)，汽包水位控制的效果也是實(shí)現(xiàn)整個(gè)電廠的自啟停功能能否實(shí)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵。既然要實(shí)現(xiàn)電廠的自啟停，汽包水位就要實(shí)現(xiàn)從啟機(jī)前的準(zhǔn)備到滿負(fù)荷的全程自動(dòng)控制，而汽包啟動(dòng)水位的確定便成為一項(xiàng)重要工作。聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的升負(fù)荷比較快，導(dǎo)致余熱鍋爐的壓力、溫度提升速度很快。由于壓力和溫度的變化，會(huì)引起汽包虛假水位，因此在機(jī)組啟動(dòng)階段，汽包的虛假水位非常嚴(yán)重。如果按照正常運(yùn)行值調(diào)節(jié)水位，水位會(huì)無法控制，經(jīng)常的結(jié)果會(huì)引起機(jī)組跳閘。所以在啟動(dòng)階段，水位的定值應(yīng)比正常運(yùn)行值低50~100mmo在膨脹結(jié)束之后，鍋爐受熱面繼續(xù)受熱就會(huì)產(chǎn)生蒸汽，如果這時(shí)不給鍋爐補(bǔ)水，就會(huì)使得汽包水位降低，也就是說汽包膨脹后的水位才是汽包水位控制的一個(gè)基本起始點(diǎn)。如果啟動(dòng)水位確定不當(dāng),就會(huì)使汽包水位波動(dòng)加大,水位控制難度增加，從而影響汽包水位控制的效果，影響整個(gè)機(jī)組的平穩(wěn)啟動(dòng)。為了能確定汽包的膨脹程度，我們專門為三個(gè)汽包做了汽包膨脹試驗(yàn)。過程如下：?jiǎn)C(jī)之前，先將汽包水位控制在一定數(shù)值，然后將汽包水位調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉，將所有影響汽包水位的放水閥關(guān)閉。在機(jī)組點(diǎn)火之后，汽包水位會(huì)不斷升高直到一個(gè)最高點(diǎn)，觀察汽包水位變化實(shí)時(shí)曲線，記錄汽包水位最高點(diǎn)，然后根據(jù)汽包水位最高值及汽包水位起始數(shù)值計(jì)算出汽包水位的膨脹數(shù)值。在得到汽包水位膨脹數(shù)值之后，就可以用零水位減去汽包水位膨脹數(shù)值得到汽包的啟動(dòng)水位，將汽包啟動(dòng)水位作為汽包水位控制的初始設(shè)定值，在機(jī)組點(diǎn)火之后再將汽包水位設(shè)定值按照一定速率慢慢增加至零水位。這就會(huì)使整個(gè)過程汽包水位的控制變得更加平穩(wěn)，不會(huì)因?yàn)槠坏呐蛎浂顾徊▌?dòng)加劇，從而有利于整個(gè)電廠的全自動(dòng)啟動(dòng)。其汽包水位設(shè)定曲線如圖2所示。

2.2熱態(tài)啟機(jī)時(shí)的高壓汽包水位控制

本類型機(jī)組具有啟動(dòng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，所以，在整個(gè)電網(wǎng)中,擔(dān)任調(diào)峰任務(wù)的機(jī)組基本上每天都要進(jìn)行啟停操作。當(dāng)天的啟停通常會(huì)使機(jī)組在熱態(tài)或者極熱態(tài)狀況下啟動(dòng)，機(jī)組在熱態(tài)或極熱態(tài)情況下啟機(jī)，高壓系統(tǒng)壓力很高，汽包壓力大于6MPa，高壓主蒸汽壓力大于6MPa，高壓旁路閥很早就進(jìn)入最小壓力控制模式，高壓旁路閥快速地打開和關(guān)閉，使得高壓汽包水位波動(dòng)很大。另外，高壓旁路閥的開關(guān)引起高壓蒸汽流量的變化，使得高壓給水主旁路來回切換，高壓水位的調(diào)節(jié)在單沖量和三沖量之間來回切換。這種情況下，由于汽包水位的急劇變化，忽高忽低，已經(jīng)失控，只能通過運(yùn)行人員手動(dòng)干預(yù)，如果措施不急時(shí)，很容易造成跳機(jī)。綜合分析熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)的情況，其原因主要有以下兩點(diǎn):一是高壓汽包壓力高,高壓旁路閥的快速動(dòng)作對(duì)高壓汽包的水位影響很大。在熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，由于機(jī)組停機(jī)時(shí)間短，汽機(jī)和鍋爐仍然保持著很高的溫度，高壓汽包壓力依然保持得很高，高壓主蒸汽如此高的壓力使得高壓旁路閥很快進(jìn)入最小壓力控制模式。為維持高壓主汽門前壓力穩(wěn)定，高壓旁路閥很快打開，在高壓旁路閥打開后高壓主蒸汽的壓力下降很快，高壓旁路閥為維持壓力穩(wěn)定隨后迅速關(guān)小。在整個(gè)過程中，高壓旁路閥的動(dòng)作速率是很快的，高壓旁路閥的快速動(dòng)作使高壓汽包的壓力變化也很大，最終導(dǎo)致高壓汽包的水位大幅度的波動(dòng)。二是高壓旁路閥的快速開關(guān)引起高壓汽包蒸汽流量的變化，使得高壓給水主、旁路來回切換，高壓水位的調(diào)節(jié)模式在單沖量和三沖量之間來回切換。當(dāng)高壓汽包蒸汽流量超過60t/h時(shí)，高壓水位切至主路，高壓水位調(diào)節(jié)切換至三沖量調(diào)節(jié)，這時(shí)候高壓汽包的水位還處在高位，并且還在上升中，液力耦合泵轉(zhuǎn)速降低。在高壓旁路閥關(guān)閉之后，水位急劇下降，高壓汽包蒸汽流量也隨之減小。當(dāng)流量減小至40t/h時(shí)，給水主路和旁路又進(jìn)行了一次切換，這樣的反復(fù)切換會(huì)使得水位不斷地大幅波動(dòng)。

解決這一問題的方法就是給水主旁路切換條件中添加機(jī)組并網(wǎng)信號(hào)，因?yàn)檎Ｇ闆r下機(jī)組在未并網(wǎng)之前蒸汽流量不會(huì)達(dá)到切換值，除非由于高旁的快開導(dǎo)致蒸汽流量會(huì)突然躍升至切換值，添加這一條件后高旁的開啟就不會(huì)引起水位控制方式的頻繁切換。另一個(gè)補(bǔ)充的方法就是對(duì)汽包水位采取變參數(shù)控制方法，針對(duì)汽包水位在不同啟機(jī)狀態(tài)下所表現(xiàn)出的不同的變化過程，對(duì)基本的PID控制參數(shù)采取變參數(shù)方法來完善控制過程，在熱態(tài)情況下可以放緩PID調(diào)節(jié)過程，防止控制過程出現(xiàn)振蕩。

2.3中壓汽包水位的控制

中壓汽包由于其在整個(gè)熱力系統(tǒng)中所處的位置，其水位變化的情況最為復(fù)雜。中壓汽包所產(chǎn)生的蒸汽通過中壓過熱器與冷再段來的蒸汽匯集后進(jìn)入中壓再熱器，然后到達(dá)中壓缸和中壓旁路。這一過程中任何一點(diǎn)的壓力變化都會(huì)對(duì)中壓汽包的水位造成影響，而且中壓汽包容量非常小，其直徑僅為1600mm，水位可波動(dòng)范圍小，如果控制不當(dāng)，很容易造成水位超限跳機(jī)。尤其是在機(jī)組啟動(dòng)過程中，高壓旁路和中壓并汽調(diào)節(jié)門的動(dòng)作都會(huì)引起中壓過熱器出口壓力的變化,中壓汽包水位很容易造成波動(dòng)。從機(jī)組汽水流程圖可看出，中壓汽包水位控制因?yàn)橛绊懸蛩剌^多，已經(jīng)不能通過簡(jiǎn)單的三沖量水位控制方法來達(dá)到控制效果，必須從多方面考慮,充分認(rèn)識(shí)各個(gè)影響因素，從源頭抓起，把這些影響降低到最低，從而穩(wěn)定住中壓汽包水位。

高壓旁路在啟機(jī)過程中為了維持機(jī)前壓力，會(huì)在高壓過熱蒸汽壓力上升過程中開啟，并且隨著壓力的繼續(xù)上升會(huì)逐漸關(guān)閉。在這一過程中，中壓過熱器出口壓力會(huì)受到其影響出現(xiàn)異常波動(dòng)，它的后果就是引起中壓汽包的虛假水位，造成中壓汽包水位的波動(dòng)劇烈，而且不易控制。對(duì)于這一現(xiàn)象與高壓汽包出現(xiàn)的問題類似，其解決方法也類似，此處不再贅述。

中壓并汽門的作用是在中壓蒸汽達(dá)到一定壓力后控制中壓過熱蒸汽與冷再的蒸汽進(jìn)行合并，隨之進(jìn)入再熱器進(jìn)行加熱。由于并汽過程比較復(fù)雜，既要保證并汽的平穩(wěn)性，保持壓力的穩(wěn)定，保持水位的穩(wěn)定，而且還要提高并汽的效率，避免過熱蒸汽的浪費(fèi)，所以并汽閥的控制在整個(gè)機(jī)組啟動(dòng)過程中是一個(gè)難點(diǎn)。水位的波動(dòng)應(yīng)該反映整個(gè)熱力系統(tǒng)對(duì)于給水量的要求，但是并汽門突然的開啟和關(guān)閉所弓I起的中壓汽包的壓力劇烈波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致中壓汽包出現(xiàn)嚴(yán)重的虛假水位。這種現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，中壓的水位就很難控制住，因?yàn)榇藭r(shí)的水位已經(jīng)不能真實(shí)反映系統(tǒng)對(duì)于給水量的需求。解決這一問題的方法就是優(yōu)化并汽門的控制，減少中壓蒸汽的壓力波動(dòng)。于是在并汽門控制改進(jìn)過程中，著重對(duì)并汽門前后的壓力差進(jìn)行幅度限制，防止并汽門的突然開啟和關(guān)閉。

經(jīng)過這兩方面的優(yōu)化，中壓汽包水位的控制效果已經(jīng)達(dá)到了正常機(jī)組運(yùn)行的要求。

3機(jī)組汽包水位的變化結(jié)果

圖3所示是該機(jī)組在一鍵啟動(dòng)過程中機(jī)組汽包水位的變化曲線。

從圖3中可看出，轉(zhuǎn)速和負(fù)荷曲線均較為平滑，而汽包水位波動(dòng)則比較劇烈，但均在可控范圍之內(nèi)。其中，高壓汽包水位最高-112mm，最低-352mm，正常水位-250mm:中壓汽包水位最高-86mm，最低-213mm，正常水位-150mm。

4結(jié)語

通過對(duì)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，我們對(duì)于燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組的汽包水位控制基本上采取了常規(guī)火電機(jī)組單/三沖量控制方法，但是由于此類型機(jī)組熱力系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，也加入了一些特殊的方法，有針對(duì)性地改進(jìn)了其在機(jī)組運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，達(dá)到了滿意的效果。

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