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   摘要：^{針對火力發電廠亞臨界控制循環汽包爐水位控制方案的應用效果，對比分析了幾種三沖量水位控制方案的優缺點，提出了控制循環汽包爐水位控制方案的優選因素，肯定了串級三沖量方案的優越性。}

   關鍵詞：自動調節；汽包水位；三沖量；控制循環；魯棒性

   中火力發電廠亞臨界控制循環汽包爐單元機組是國內各電網的主要機組類型，而汽包水位自動是汽包爐機組中重要的子回路自動之一，隨著電網自動發電（AGC）品質的指標提高及單元機組自動化水平的提高，機組對水位自動的品質要求也在提高，特別是在惡劣工況下的適應能力，在配合給水泵快甩負荷（RB）、機組大速率參與AGC調度和電網一次調頻功能等方面，給水自動的魯棒性顯的尤為重要。而且在給水自動魯棒性品質提高后，給水泵轉速擺動頻率降低，在單位時間內，能耗平均累積損失減小，起到了節能效應。

   與自然循環汽包鍋爐相比，控制循環鍋爐的水動力既具有自然循環特性，又具有強制流動特性。循環泵提供的壓力比循環回路中的重力壓差提供的流動壓力高，因而，控制循環鍋爐蒸發回路的水動力特性呈現強制流動特性。受熱分配不均、熱偏差等因素影響引起水動力不穩定，進而影響汽包水位不穩定。汽包內采用產汽負荷較高、旋轉強度較大的渦輪式汽水分離器，使汽包結構緊湊，因此汽包尺寸反較自然循環汽包爐減小，水位變化更敏感。同等級鍋爐下，控制循環汽包鍋爐的水位較自然循環汽包爐更難控制。

   控制循環汽包爐單元機組在大型化過程中，汽輪機是呈比例增大，而鍋爐的變化表現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鍋爐熱量的響應變化差異是逐漸增大的，控制難度是很大的。本文以600MW亞臨界控制循環汽包爐機組為研究對象，研究某單級三沖量給水自動方案在實際應用中出現的一些問題及解決思路。

    1 對象特性分析

    對汽包鍋爐來說，影響汽包水位變化的主要因素有：蒸發量D，給水量G，燃料量M等。就汽包本身來說，儲水量是水位正常趨勢變化的主要擾動因素，也是最終被控對象，而水面下的氣泡體積卻是整個過程的最大擾動內因之一。綜合這兩方面的影響，對汽包水位變化過程的典型工況作如下分析。

     在機組穩態時，主汽流量D擾動時會引起水位升高。當鍋爐蒸發量突然增大ΔD，給水量和燃料量尚未變化時，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”現象。待汽水混合物中氣泡容積與蒸發量相適應達到穩定后，汽包水位才受物質平衡條件的控制而發生下降，如圖1所示。  

              （1）
   
                       
                     圖1 某臺600MW機組額定負荷下，蒸汽量階躍擾動水位偏差響應曲線

    為滿足蒸發吸熱的需要，中壓至高壓等級的自然循環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給水流量對水位的擾動特性，曲線2表示采用非沸騰式省煤器給水流量對水位的擾動特性， τ1為省煤器的過渡時間。當采用沸騰式省煤器時，汽包水位變化的遲延和慣性大大增加，這是因為由于新增給水量的焓值較低，而鍋內循環水量的焓值較高；當給水量增大時，省煤器的沸騰度減少，氣泡容積也隨之減小。進入省煤器中的給水首先必須填補因氣泡容積減少所讓出的空間，因此，汽包水位先發生下降，直到時間過了τ1后才能使流入汽包的水量增加、水位上升。

   但對于目前亞臨界機組，由于蒸發受熱面的合理布置，已不需要省煤器沸騰式運行方式，同時，如前所述由于汽包結構的改變和強制循環泵的采用，汽包與水冷壁之間循環水流量增大，鍋爐的儲水量增大，汽包體積減小，因此水位變化更迅速，從實際應用看，這一快速變化只反映在蒸汽流量對水位的擾動上，相反給水流量對水位的擾動是飛升速度增快，純遲延時間τ1反較自然循環汽包爐增加，同時由于水冷壁與汽包之間的水流循環加快，使得新增水量與循環水的混合很快，對省煤器沸騰度的減小，使得自然循環鍋爐上給水流量對水位擾動造成的虛假水位現象在控制循環鍋爐上很難顯現。蒸汽流量對水位的擾動特性與給水流量對水位的擾動特性差異性增大，穩態時汽水平衡，暫態時汽水變化差異大。這就是大型機組水位控制品質普遍下降的內在因素。

           （2）

   對于非沸騰式省煤器T1 ≈ τ1，而對于沸騰式省煤器，該式不能簡化。對于亞臨界控制循環汽包爐機組而言，由于鍋爐水容積增大，給水流量的增量造成的虛假水位現象比較弱，從實際觀察看實際水位Wh (s) = sε1e−τs，也即T1遠小于τ1。

   2 水位控制回路的比較

   2.1 串級三沖量方案

   串級三沖量在處理虛假水位問題上有先天的優勢，由于有主副調節器區分，主汽流量與給水流量造成的滯后差異由主調節器彌補，而副調節器只對主汽流量與給水流量的內擾快速處理，快慢區分分明；同時當加負荷時，主汽流量增加，虛假水位上升，則在副調節器入口，主汽流量是增量，水位增量由于有主調節器的比例作用，主調節器的輸出是迅速負向減少，二者相互抵消一部分，其作用是正確的，但缺點是量不能準確控制。
         
                        
                 圖2 某臺600MW機組額定負荷下，給水量階躍擾動水位偏差響應曲線

   當水位發生內擾時，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，省煤器內氣泡體積迅速減小，汽包水位下降^[2]。在串級回路中，主調節器輸出是正向增加，而副調節器入口流量也是正向增加，但流量信號是負值，正好起抵消作用，暫時維持給水泵（或上水調節閥）不變，當這一混合過程過后，受爐內燃料和鍋內水工質能量平衡影響，早期的給水過調迅速彌補水工質的缺少量，甚至產生補水過量造成水位快速升高，而串級回路對此現象的抑制較為明顯。

   如果采用傳統單級三沖量方案，取消主汽流量和給水流量輸入回路中的實際微分環節，則水位偏差的變化與主汽流量或給水流量擾動量的變化在時間上是不匹配的，雖然在變化量上大致相當，但實際效果并不理想，對于小機組而言，省煤器且為非沸騰式省煤器，這種差異不明顯，但對于亞臨界控制循環汽包鍋爐來講，這種差異很大，這就是為什么采用改進的三沖量方案^[3]。
          
                   
                                      圖3 常規的單級三沖量方案

   串級三沖量方案的優缺點：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、壓力平衡算法轉換；參數整定簡單；給水流量穩定性好，對于參數較高的亞臨界機組而言，其汽包飽和壓力高，鍋爐省煤器容積大，出口參數也高，所以其沸騰度大，穩定給水流量對汽包水位的品質影響是很大的。

    2.2 單級三沖量方案

    目前大型單元機組單級三沖量給水方案主要以單級三沖量方案為主，如圖3所示。

   在該方案中主蒸汽流量與給水流量采用實際微分的形式輸入水位偏差入口，與串級三沖量方案相比較，該方案結構簡單，單沖量和三沖量之間切換很容易，因為均是微分運算結果。圖3中，如果把給水流量的反饋輸入點后移到控制器后，則給水流量的反饋通道等效傳函為：

                                         （3）

    如果參數調整TG=TI，則副回路等效傳函為KGKP，它與閥門開度系數構成一個純比例控制單回路；如果TG與TI相差太遠，則構成一個超前滯后環節，實際過程中它等同于（1+TS）環節，這樣的反饋對系統的穩定性是有害的。而對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）環節，反而對克服虛假水位有益。

    上述方案在實際應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系統中由于控制器沒有前饋通道，利用入口微分環節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效應差異不大的機組，而在控制循環汽包爐機組上，恰恰是弱點。
      
                  
                                圖4 改進的單級三沖量系統
 

   圖4給出了一個對于改進的單級三沖量系統，當發生主汽流量擾動產生的虛假水位后，水位偏差負向增大，主汽流量正向增大，且在初始時刻有一個類似虛假水位變化的過程，抵消此時的現象，使得給水泵指令暫時不變，減小擾動，這一過程體現了一個思想：虛假水位也是“水位”；這一方案與常規串級方案比較，優點是Kd和Td均是可控的；而當發生高加退出現象時，水位偏差迅速正向增大，實際流量增加，但由于有慣性環節存在，流量暫時不變，則給水泵較大幅值提高轉速，增加流量，從而抑制水位進一步下降；這一思想重點控制水位，在一定范圍內犧牲給水流量的穩定。它克服的是給水流量在阻力變化中的擾動，對于給水溫度的擾動或者說水位變化與流量沒有關系的情況下，它是有害的。因此在實際使用中，可適當減小TG。或者在給水流量慣性環節通道中并接增加省煤器前的給水溫度負向微分。

   對于汽包壓力變化產生的省煤器內的氣泡體積變化，由于汽包壓力比較穩定，受機前壓力影響大，且與主汽流量變化密切相關，因此，在過去的方案中考慮汽包壓力變化的環節可以忽略。

   單級三沖量系統的優缺點：有利于單三方式切換；不利于配合廠級順控（APS）方案，在流量平衡、壓力平衡等狀態下，回路設計復雜；參數整定簡單；內回路對給水流量的擾動響應很快，但對給水流量的信號波動放大也快，給水流量的穩定性差，但水位的穩定性好。由于給水流量信號被放大，因此，給水流量擺動較大，特在回路中加入了限幅環節。對消除虛假水位效果良好，但參數一旦整定不好，容易產生振蕩。

   3 控制方案中泵的控制

   3.1 泵的切換回路

    水位自動控制的雙執行機構方案設計一直是實踐應用中比較棘手的問題，通常情況下，該回路要滿足手/自動的無擾切換、雙汽泵自動運行的調偏運算、汽泵掉閘的倍增運算三種功能。圖5是針對該目的設計的一種算法邏輯。該方案從全手動、單臺自動、全部自動三種狀態之間隨意無擾切換。

   同時，在一臺汽泵自動的情況下，第二臺汽泵啟動以及手動調整帶來的擾動還可以快速通過另一臺汽泵自動消除。兩臺汽泵自動的情況下，可以通過BIAS偏置功能塊手動調偏，其結果是兩臺汽泵一增一減。各承擔一半。BIAS回路在任一臺汽泵退出自動后，就不起作用，只跟蹤(FB1-FB2)/2。
          
                    
                                  圖5 無擾切換方式邏輯

    任一臺汽泵掉閘，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生改變后，再通過調節器作出反應。

    采用此方案的問題。調節器的控制范圍變成了0～200%的范圍，隱含著兩臺泵的并聯特性等于每臺泵的兩倍，但給水泵的并聯特性受管路阻力特性影響，如果單臺泵的管路阻力特性越平坦，則并聯后的流量特性效率就越高，否則并聯后的流量小于雙倍的單泵出力，因此，調節器在單臺汽泵運行和雙泵運行時要做變比例處理。單臺汽泵運行在負荷上限時，為了防止超調過100%，需要對調節器做上限閉增運算，防止積分飽和。

   3.2 泵的控制方案比較

    三個各自獨立的調節器方案。該方案通常用在一臺電泵配兩臺50%汽泵的機組中，對于兩汽泵一電泵的600MW標準配置來講，水位調節器采用三個獨立的控制器，便于區別對待流量特性不同的三臺泵，特別是汽泵和電泵之間。該方案的優缺點：針對每個泵的特性PID參數各自設定；控制方案的流量平衡和壓力平衡回路復雜；雙泵運行狀態下，其中一臺跳泵時，另一臺受控泵不能快速響應；跟蹤回路設計簡易，由于各自跟蹤反饋，所以能夠做到完全無擾切換；存在自動并泵難的問題；適合配合串級方案，當主調節器采用水位調節器后，副調的物理意義即為流量調節器，便于實現泵之間的流量平衡。

    單調節器方案，控制器輸出結果經過平均后分配給三臺泵[4]。方案優缺點：平衡回路易實現；發生RB時，受控泵能夠快速響應；由于泵之間有差異，特性不能各自整定；跟蹤回路設計復雜，需要設計輔助消差回路，否則難以實現無擾切換，特別是投運第二臺、第三臺泵時；存在自動并泵難題。

    兩調節器方案。電泵、汽泵分別采用一個PI控制器，電泵和汽泵之間采用互相閉鎖自動的算法，正常情況下只允許汽泵 (或電泵)在自動受控狀態，特別是事故狀態下，電泵因為出力小，迅速開到最大位，承擔基本的穩定量，讓汽泵來調節水位。方案優缺點：考慮泵的特性，電泵和汽泵的控制器參數可以分別調整；發生RB時能夠迅速增加受控泵的轉速，電泵走開環回路，迅速加到最大；平衡回路易實現；跟蹤回路易實現，且能夠做到無擾。

   4 結語

    亞臨界控制循環汽包爐的汽包水位控制困難本質上是鍋爐熱力特性所致，但在控制方案上根據對象特性靈活選擇控制方案，對控制方案的魯棒性是能夠有所改善的。本文通過對幾種方案的研究，陳述了串級三沖量方案在應對該爐型的汽包水位對象的優點，雖然設計時較復雜，參數整定也較難，但在應用時其效果要比單級三沖量較佳。HHHH在泵的控制方案中，建議因地制宜，靈活選擇上述方案，以達到效果最佳為原則。

    參考文獻：

    [1] 張建忠.關于蒸汽鍋爐汽包緊急放水管道設置及計算方法的探討[J].上海電力學院學報, 2006, 18(2):29～36.

    [2] 尹武昌，趙軍, 曹建軍.汽動給水泵故障減負荷后高壓加熱器退出系統異常現象分析[J].廣東電力, 2010，23(9): 76～79.

   [3] 黎兵.李夔寧.汽包鍋爐串級三沖量給水控制系統的MATLAB仿真[J].東北電力技術, 2006,27(6):21～23.

   [4] 呂凱.配置3臺電動給水泵機組的汽包水位控制系統分析[J].電力建設,2004, 25(5):56-59.

   呂喆（1976-）

   男，研究生，高級工程師，主要從事電力技術研究。趙軍（1968-）男，工程碩士在讀，教授級高級工程師，從事電廠熱控研究。   

   摘自《自動化博覽》2011年十二期