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原创技术分享:电厂锅炉给水控制系统

摘  要

火力发电厂中,水是整个系统的主要工作介质。如何在整个系统流程中将给水控制好,对系统稳定、安全、高效运行有着至关重要的作用。从给水控制发展和实际应用,比较不同设备和工况下的控制方案。

关键词

火电厂;单冲量;三冲量;锅炉给水控制

概  述

大型火电发电机组由锅炉、汽轮机、发电机和辅机设备组成,工艺流程复杂,对设备参数的监控、操作和控制繁多。锅炉侧主要是燃烧控制系统和汽水控制系统等,锅炉给水控制已采用自动调节方式。锅炉水位调节品质间接反映出炉内物质平衡状况,是监测锅炉、汽轮机安全运行的重要参数之一。

   一、

 给水控制发展过程

1.电泵和调节阀:比较早投产的中小机组,一般采用电动定速泵,控制给水调节阀的开度来控制汽包水位。这种控制方案弊端有较大节流损失。

2.电调泵和调节阀:80年代及以后投产机组,大都采用了电动调速给水泵和调节阀相结合的方式来控制汽包水位。控制方式在负荷较低时,由给水调节阀或者旁路阀完成汽包水位控制任务;在负荷较高时,由电动调速泵完成汽包水位控制任务。这种方案虽然能减少阀的节流损失,不过电动泵始终在运行,消耗电能较多。

3.汽动泵、电动调速泵和调节阀:近年投产的大机组,基本采用这种方式来控制水位。在负荷较低时利用电动给水泵保证泵出口差压,通过给水调节阀或给水旁路阀来控制汽包的水位;在负荷超过某一值且汽动泵还没启动时,那由电动调速泵来控制汽包水位;当汽动给水泵启动后,由电动调速给水泵逐步过渡到汽动给水泵来控制汽包水位。这种方案,是一种效率较高的控制手段。

二、

给水控制的任务和意义

1.让锅炉的给水量补充蒸发量,确保锅炉进出的物质平衡及稳定运行。对于汽包炉来说,就是维持汽包内的水位变化控制在合适的范围内。如果汽包水位过高,就降低了汽水分离装置的效果,致使出口蒸汽带水严重、含盐浓度增大等,将过热器受热面结垢而烧坏;同时还会导致过热汽温变化急剧;汽轮机叶片也容易结垢,降低了汽轮机出力,可能会使汽轮机出现水冲击造成叶片断裂等事故;如果汽包水位过低,将会破坏锅炉的水循环,致使某些水冷壁管束缺水冷却而烧坏,甚至造成锅炉爆炸事故。

2.确保锅炉给水均匀连续,使锅炉在合适的参数下稳定运行,能使锅炉汽压平稳,省煤器安全运行,提高了锅炉运行效率,也使锅炉运行的经济性得到提升。

三、

给水控制系统的结构

1.单冲量控制:单冲量给水控制系统是一个PI调节器,对汽包水位信号进行控制。系统相对简单,整定方便,但对给水自发性扰动和蒸汽流量扰动的调节能力差,会使汽包水位在运行中的超调较大和稳定性较差。在机组负荷较低时,因为锅炉疏水和排污等影响,给水流量与蒸汽流量存在着较大的偏差,且流量低,测量误差比较大,此阶段时采用单冲量控制。

2.单级三冲量控制:单级三冲量给水控制是一个PI调节器,对汽包水位、蒸汽流量和给水流量等三个信号的进行控制,与单冲量控制相比,此方式优点在于克服虚假水位的蒸汽流量信号和抑制给水自发性扰动的给水流量信号。当蒸汽流量发生变化时,由前馈控制作用,能够快速改变给水流量,让进出锅内的物质达到平衡,克服虚假水位非常有利;如果给水发生自发性扰动时,局部反馈控制作用,减少给水流量对汽包水位的影响,有利汽包水位的稳定。因而,三冲量控制系统对于克服汽包水位扰动、维持稳定、提高给水质量有明显优势。

3.串级三冲量控制:串级三冲量控制系统由主、副两个PI调节器和三个信号汽包水位、蒸汽流量、给水流量构成,多采用一个PI调节器,并且这两个调节器分为主、副调节串联工作:

主调节器PI1是水位调节器,它通过比较汽包水位的偏差控制给水流量;

副调节器PI2是给水流量调节器,它通过计算给水流量的偏差来控制给水流量;

利用蒸汽流量信号作前馈信号来预调节,满足负荷变动时的物质平衡,因为不要求稳态时给水流量与蒸汽流量严格相等,就能实现稳态时汽包水位目标值无偏差,系统参数设定比单级三冲量系统要简单,控制品质非常高。是目前的给水控制系统广泛采用的控制方案。

四、

给水全程控制系统

1.给水全程控制是指:机组从启动到满负荷运行整个过程的给水控制。该过程不是由某种单一的单冲量或三冲量控制系统来完成,而是由单冲量控制系统与三冲量控制系统的相互结合所组成,能够完善的自动切换和联锁逻辑功能。

2.给水热力系统及调节组成,如图1所示:

 

图1

单台机组配有:

50%容量的电动调速给水泵1台;

50%容量的汽动给水泵2台。

主给水电动截止阀、给水旁路截止阀和约15%容量的给水旁路调节阀安装在高加与省煤器之间。小汽轮机驱动两台汽动给水泵,小汽轮机电液控制系统(MEH)控制其转速。协调控制系统的给水控制系统设置转速给定值。

3.给水全程控制系统控制流程图如图2:

图2

电动给水泵控制通过给水旁路调节阀前后差压的反馈控制回路调节阀前后的差压,该回路的PI1调节器根据旁路调节阀前后差压的偏差进行控制运算,并由切换器T2选通。

4.系统工作原理:给水全程控制系统中有着多种控制方式组成,这些控制方式是在机组的运行不同负荷阶段,通过逻辑判断及其切换器(如T1、T2等)来选取的。也就是说机组在不同的负荷阶段和不同的给水控制特性,有不同的控制方式以满足运行需求,实现给水实现连续控制。

(1)初始负荷0~14%阶段时主给水电动截止阀是关闭的,T2选通PI1的输出,由电动给水泵控制旁路调节阀前后的差压,PI2调节器控制给水调节阀开关。此时汽包水位是单冲量控制方式。此时机组负荷低、给水流量比较小,用旁路调节就能很好的控制汽包水位。

(2)当负荷14%~25%阶段时,逻辑联锁控制开启主给水电动截止阀,同时将给水旁路调节阀前后差压控制方式切到手动模式,T1、T2选通器把汽包水位控制模式切换到由PI3控制的单冲量方式。从14%负荷至给水旁路截止阀离开全开位置到关闭过程,给水旁路调节阀和电动给水泵共同控制汽包水位;直至25%负荷期间,电动给水泵用单冲量方式来控制汽包的水位。

(3)当负荷25%~35%阶段时, T1选通器把汽包水位控制切换到PI4和PI5调节器控制,此阶段由电动泵串级三冲量控制方式控制汽包水位。

(4)当负荷35%~50%阶段时,启动一台汽动泵。MEH系统控制汽动泵转速达临界转速以上(例如3100rpm)时,控制交由CCS控制汽动泵转速,此阶段,一台汽动泵和一台电动泵同时运行,控制方式采用串级三冲量来控制汽包水位。

(5)当负荷50%以上阶段时,启动另一台汽动泵,MEH系统控制汽动泵转速达临界转速以上(例如3100rpm)时,控制交由CCS控制汽动泵转速,此时逐步的降低电动泵负荷慢慢增加汽动给水泵负荷。当电动给水泵负荷慢慢降低到最低值、此时检查汽动给水泵工作正常、汽包水位稳定,可把电动给水泵停运作为备用。此时,两台汽动给水泵采用串级三冲量方式来控制汽包的水位。

机组降负荷时,给水控制方式的切换与升负荷阶段过程大致相反。

五、

结论

锅炉汽包水位是一种非线性、变化大、耦合强的多变量控制系统。在锅炉运行的整个过程,水位是一个重要的调节控制参数。如果水位过高,就会影响汽水分离效果,影响用汽设备的安全运行;水位过低,就会满足不了汽水循环要求,情况严重时导致锅炉爆炸。高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大,而汽包的体积相对来说较小,所以锅炉汽包水位控制稳定非常重要,在我们电厂实际运行中,根据锅炉给水控制要求优化控制流程,以满足安全稳定的运行要求。

参考文献

1.韩璞《现代工程控制论》北京:中国电力出版社

学历:
大专 本科 研究生
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