考虑汽包压力信号的三冲量给水控制策略改进

严 方，曹艳华，邓艳霞

YAN Fang, CAO Yan-hua, DENG Yan-xia

（广西电力职业技术学院，南宁 530004）

0 引言

汽包水位是锅炉运行的重要监控参数，反映了锅炉蒸汽与给水量的平衡关系；机组安全运行不允许汽包水位过高或过低。汽包水位过高会影响汽水分离效果，使蒸汽带水；汽包水位过低，会影响汽水循环，甚至干锅。维持汽包水位是锅炉、汽轮机安全运行所必须的。汽包水位控制系统的任务就是维持锅炉汽包水位设定值，实现全程水位自动控制。

锅炉给水控制系统传统的控制算法为三冲量给水控制算法，当然也有一些比较先进的算法在研究并实践之中[1,2,3]。某电厂机组投运后，锅炉汽包水位波动较大，给水自动多次退出。通过历史曲线分析以及实验表明，运行中异常水位干扰主因来自于该煤矿煤挥发份较高，受热面结焦掉渣严重，燃烧易受干扰，当然同时也伴随有给水流量、蒸汽流量的干扰。针对以上问题我们采用增加汽包压力微分信号、调整PID参数、采取水位压力补偿信号等多种改进措施，克服了由于省煤器纯延迟环节大而导致的异常水位干扰。

1 汽包压力对测量的影响以及修正方法

汽包炉通常会采用玻璃管水位计，也就是我们通常讲的平衡容器。如果忽略平衡容器室饱和压力误差因素，考虑到汽包饱和压力对水位测量误差的影响，可以采用文献[4]方式对汽包水位测量值进行修正。

显然 ，也就是 ，以汽包设计饱和压力下的比重近似处理前半部分参数。则式(1)可以简化为：

2 汽包水位的影响因素与汽包压力的相对关系

相对于汽包压力对水位测量的影响而言，汽包压力对实际水位的影响更大。影响水位的因素主要有锅炉蒸发量.给水量、给水温度、炉膛燃烧，同样我们从这四个方面对汽包压力进行分析。

式(3)表明汽包水位变化的影响因素。 表示当前时刻值， 为前一时刻计算值， 为计算周期， 为给水量， 为蒸汽流量， 为汽包内炉水总量。 为汽包(外延至省煤器)饱和水的平均密度， 为汽包的近似截面积。

2.1 给水扰动时汽包压力、水位分析

从物质平衡的观点来看，加大了给水量W，水位H应立即上升，但实际上并不是这样，而是经过一段迟延，甚至先下降后再上升。这是因为给水温度远低于省煤器的温度，即给水有一定的过冷度，水进入省煤器后，使一部分汽变成了水，特别是沸腾式省煤器，给水减轻了省煤器内的沸腾度，省煤器内的汽泡总容积减少，也就是汽包的整体平均密度 增加，此时汽包的饱和温度以及饱和压力均有所下降。

2.2 锅炉蒸发量扰动时汽包压力、水位分析

当蒸发量增加的时候，锅炉给水W与蒸发量D失去平衡，此时锅炉水位不会立即下降，反而会有上升的趋势。这是因为蒸发量增加后，在燃烧未发生根本性变化前，单位工质吸收热量增加，此时汽包的沸腾现象会加剧，同时汽包压力随之下降，也就是饱和温度和饱和压力相应会下降，相对而言炉水的平均密度 有下降趋势，根据式(3)可知，汽包水位不会立即下降，有可能有上升的趋势。蒸发量减少趋势与之相反。

锅炉蒸发量扰动最为典型的是当锅炉安全门动作或负荷突增。当锅炉安全门动作时，汽包压力将迅速下降，一方面汽水比容增大，另一方面使饱和温度降低，促使生成更多的蒸汽。汽水混合物体积膨胀，形成虚假高水位，但是由于负荷增大，炉水消耗增加，炉水中的汤泡逐渐逸出水面后，水位开始迅速下降，即先高后低。当安全门回座或负荷突降时，水位变化与过程相反。

2.3 燃烧扰动时汽包压力、水位分析

当燃烧增加时，蒸发量增加，给水尚未变化，按理锅炉水位有下降趋势。譬如掉锅炉大焦，这种情况相当于燃烧加强的结果，水冷壁吸热量增加，炉水体积膨胀，汽泡增多，此时蒸发量虽然有所增加，但总体而言水位有暂时上升现象。同时汽包饱和压力也要升高，饱和温度相应升高，炉水中汽泡数量又将减少，水位又会下降；随后蒸发量增加，但给水未增加时，水位又进一步下降，即水位先高后低。从实际生产中观察，水位上升不明显，但下降较快，事故发生10s后，虽然给水以1t.S-1的速度增加，水位仍以1.9mm.s-1的速度下降。

燃烧减弱，趋势与之相反。燃烧减弱的典型事故案例是风机RB。以引风机RB为例，水冷壁吸热量减少，汽泡减少，炉水体积缩小，使水位暂时下降。从实际事故中观察，跳1台引风机后的10s内，给水自动以2.3t.s-1的速度增加，其水位下降速率仍然高达6.5mm.s-1。在此同时锅炉汽压也要下降，饱和温度相应降低，炉水中汽泡数量又将增加，并且由于燃烧减弱，蒸发量会迅速减弱，在给水量的纯延迟环节下，水位又会迅速上升。

2.4 给水温度扰动时汽包压力、水位分析

给水温度扰动以高加事故解列最为复杂，也最为典型。高加事故解列就是汽轮机的一二三段抽汽量突然快速为零、锅炉给水温度下降、锅炉给水W＞蒸发量D的过程。在事故之初，对于锅炉来说，发生了2个工况的变化，一个是蒸汽流量减少使得汽包饱和压力的升高趋势，另一个是给水温度降低引起的炉水温度降低。随着事故的发展，炉水温度降低占据主导因素，汽包水位变化将瞬时先高后低再加剧升高。

3 控制系统的改造方法

从以上分析结果以及来看，汽包饱和压力的变化与汽水沸腾是相互影响的。为了将式(3)的水位实际变化趋势考虑进控制回路，我们对原有控制系统做如下改造。

图1 给水三冲量控制策略改进

如图1所示，我们对原有给水三冲量控制系统作如下改造：

1）内环加入微分信号，用于补偿省煤器的延迟。

2）水位信号如（2）式进行饱和压力修正，饱和压力值取汽包压力值。

3）依据负荷值对给水流量与蒸发量关系进行修正，取代原来固有的0.9系数。

4）内环PID参数根据电泵、汽泵运行状态分段赋值。

5）利用汽包饱和压力微分信号对实际水位需求实施内环前馈修正。

对原有控制系统进行改造后，依据实际情况我们对原有系统PID参数进行修正。在串级控制系统中引入蒸汽流量信号作为前馈信号能较好地补偿虚假水位的影响，改善负荷扰动下的汽包水位控制品质，但对于燃烧扰动以及其他综合扰动情形下的虚假水位现象就比较困难了，因此在副调回路中加入饱和压力水位修正前馈信号，能更全面补偿虚假水位现象。

4 控制系统的改造效果

图2 改造前综合扰动曲线

图3 改造后综合扰动曲线

改造前扰动实施前提：负荷250MW，主汽压力14.9MPa。扰动实施过程：给煤量增加6%，60S后负荷由250MW以5MW/min速率增加至270MW。

改造后扰动实施前提：负荷250MW，主汽压力15.6MPa。扰动实施过程：给煤量增加6%，60S后负荷由250MW以5MW/min速率增加至270MW。

图2、图3均为炉膛燃烧扰动后的现场实测曲线，显然控制系统改造后燃烧扰动曲线明显要优于改造前。

5 结论

锅炉给水全程自动是锅炉全程自动中比较难实现的环节，由于目前常规的给水三冲量控制均采用了蒸发量作为前馈控制，控制装置一般都具有很好的抗蒸发量扰动能力，但对于燃烧扰动很多厂的给水控制系统，尤其是省煤器比较大以及燃烧挥发份较高的煤的锅炉系统的抗扰动能力还是较为欠缺的[5]。因此锅炉给水全程自动的一个关键能力就是抗燃烧扰动。本文提出以汽包的压力变化换算出汽包水位的实际变化，作为给水三冲量控制的内扰前馈，实践证明该方案具有良好的抗燃烧扰动能力。

[1]Takashi Iijima,Yoshiaki Nakajima,Yasushi Nishiwaki Application of fuzzy logic conlro]system for reactor feed—water control[J].Fuzzy Sets and Systems：1995(74)：61-72.

[2]马瑞.锅炉汽包水位的自适应逆控制[J].科学技术与工程,2006,1060-1063.

[3]陈铁军,翟允,刘金锋.一种基于QFT的锅炉水位鲁棒控制及分析[J].微计算机信息,2008,24：12-1.

[4]华志刚,潘笑,邬菲.300MW机组锅炉给水自动控制系统分析与改进[J].电力系统自动化.2002,26,(4)：25.

[5]何毅,曾庆忠,电厂锅炉汽包水位波动大的原因分析及处理[J].广西电力,2008,3.