无旁路系统的循环硫化床锅炉汽包水位控制

张来平，陈国清，陈霄峰，谢国伟

（浙江省火电建设公司，杭州 310016）

汽包水位是锅炉运行的重要参数之一，间接反映了锅炉负荷与给水之间的平衡关系。当锅炉汽包水位过高时，会影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽中水分过多，使过热器受热面结垢从而被烧损，同时会使过热汽温产生急剧变化，影响机组运行的经济性和安全性；当汽包水位过低且负荷较大时，水的汽化速度很快，导致汽包内的水位下降迅速，如不及时有效控制，就会使汽包内的水全部汽化，甚至导致锅炉损坏或爆炸。因此，锅炉汽包水位控制是维持锅炉安全运行的关键之一。

1 存在的问题

某发电厂2×115 MW机组采用福斯特惠勒上海有限公司生产的无中间再热、固态排渣、自然循环单汽包循环流化床锅炉（CFB）及北京ABB BAILY公司SYMPHONY控制系统。设计的给水系统采用2台电动定速给水泵，三路给水设计分别是100%最大连续出力工况（MCR）流量的主给水、70%MCR流量的旁路给水、30%MCR流量的副给水，其中主、副给水调节设有自动控制，旁路给水调节为纯手动控制。

该机组未设计旁路系统，采用主汽管道上的向空排汽阀及安全阀泄压的方式来维持主蒸汽的压力。由于这两个阀门都安装在主蒸汽管道上，并且距离汽包比较近，因此在机组负荷有剧烈摆动时，如发生甩负荷、快速减负荷（RB）等情况，若通过向空排汽阀及安全阀泄压，压力波动比较大，容易导致汽包水位脱离控制而引起锅炉主燃料跳闸（MFT）。为了能够很好地控制汽包水位，满足机组稳定运行的要求，尤其在特殊工况下也能控制好汽包水位从而实现汽包水位的全程自动控制，对汽包水位控制进行了优化设计。

2 汽包水位特性

2.1 汽包水位的控制值

汽包水位控制的要求就是控制给水调节尽量使给水量等于蒸汽流量，从而保证汽包水位稳定在合适且安全的位置上，即汽包水位的“0”位（见图1）。水位控制一般要求稳定工况时在±30 mm内，特殊工况时在±50 mm内，跳机值一般为小于-279 mm或者大于+254 mm。

图1 锅炉汽包汽水的走向

2.2 给水扰动时汽包水位的动态特性

当给水量增加时，汽包水位一开始并不是立即上升，而是经过一段惯性后才会变化，如图2所示。这是由于给水温度低于汽包内的饱和水温度，给水吸收了饱和水中的一部分热量，使水面汽泡容积减少。当水面下汽泡容积不再变化时，水位才会逐渐上升。

图2 给水量扰动下汽包水位的动态特性

其传递函数可表示为：

式中：T为延迟时间；ε为响应速度，即单位给水流量改变时水位的变化速度；H（s）为水位；W（s）为给水量；s为变量。

2.3 蒸汽扰动时汽包水位的动态特性

在蒸汽流量阶跃扰动作用下，汽包水位的动态特性具有带“虚假水位”的无自平衡能力的特点，如图3所示。

当蒸汽流量突然增加时，由于汽包压力的下降，汽包内的水将突然加剧沸腾，使水中汽泡容积迅速增加而呈现出“虚假水位”现象。当虚假水位消失后，水位才会按积分规律变化，呈现无自平衡的特点。

其传递函数可表示为：

图3 蒸汽流量扰动下汽包水位的动态特性

式中：K2为曲线H2的放大倍数；T2为曲线H2的时间常数；ε为曲线H1响应速度，即单位蒸汽流量改变时水位的变化速度；s为变量。

2.4 无旁路设计的特点

由于该机组未设计旁路控制系统，在发生甩负荷时蒸汽量突然减少，造成主汽压力迅速上升，引起启动排汽阀（30%MCR流量）和锅炉安全阀动作，向空排汽，导致压力突降，引起急剧的水位波动。而主蒸汽流量的测点安装在汽机主蒸汽管道上，此时控制系统内测得的蒸汽流量要远远小于实际蒸汽流量，偏差比较大，导致控制出现偏差，使虚假水位现象更加严重，由于压力过低导致水位迅速升高，逼近跳机值。图4为汽机水位控制优化前机组发生50%甩负荷试验时汽包水位的变化情况。

图4 优化前甩50%负荷时汽包水位变化

综上所述，CFB汽包水位动态特性具有以下3个特点：

（1）具有延时性，即惯性。给水量改变后水位不会立即改变，延时时间与省煤器的形式和给水温度有关，给水温度越低，惯性越大。由于CFB锅炉燃料的颗粒较大，还具有较大的热惯性。

（2）具有“虚假水位”现象：负荷突然增加时，蒸发量小于给水量，水位非但没有下降，反而迅速上升；负荷突然减少时，蒸发量小于给水量，水位不是立即上升，而是先下降然后再迅速上升。在锅炉发生甩负荷时，虚假水位现象特别严重。如果不加以控制很可能会引起汽包水位的保护动作，导致锅炉MFT。

（3）无自平衡能力。在单位阶跃扰动下，水位的最大变化速度ε与锅炉的结构和容量有关，机组容量越大，ε越大，水位越难以控制。

3 汽包水位控制的优化设计

针对CFB的特点，对给水控制系统进行了优化设计，其控制原理如图5所示。

图5 优化后控制原理

3.1 增加启动给水调节阀与主给水调节阀之间的自动切换

为了能够全程进行自动控制，增加了采用主蒸汽流量来控制启动给水控制调节阀（30%MCR流量）与主给水控制调节阀（100%MCR流量）之间的自动切换功能。当主蒸汽流量大于15%MCR流量时，流量控制自动从启动给水控制调节阀切换到主给水控制调节阀，同时水位控制也由单冲量控制切换到三冲量控制。当主蒸汽流量小于15%MCR流量时，自动切回单冲量控制。三冲量控制系统与单冲量控制系统之间指令互相跟踪，从而实现了相互之间的无扰切换。同时也设置了手动切换按钮，运行人员可以根据实际运行情况来改变控制方式。

3.2 优化PID控制参数

由于控制参数的多变性和扰动的增大，原来单一参数的PID（比例-微分-积分）控制已满足不了要求。为了能够满足全程自动控制的要求，采用了变参数PID控制来实现全程自动控制目标。对单冲量控制系统及串级三冲量控制系统的主控制PID参数，采用了设定值与测量值偏差的变参数PID控制，串级三冲量控制系统的副控制器采用了给水流量及主蒸汽流量修正后的变参数PID控制。同时为了加快响应速度，对串级三冲量的主控PID及单冲量的PID控制器采用了蒸汽流量函数f（x）模糊控制的前馈补偿。

3.3 增加了汽包危急疏水阀的自动控制

由于该机组采用的是定速电动给水泵，经过变参数优化后的水位控制能满足全程启停的自动控制要求。为了能够在机组甩负荷的情况下也能自动控制水位，并且保证汽包水位在正常范围之内，增加了汽包危急疏水阀的自动控制。当发生甩负荷时，利用汽包的热惯性及水位的动态特性，自动开启汽包危急疏水阀，从底部排放一部分水。此时由于是从汽包底部放水，对水的汽化效果影响不大，从而能够迅速地降低汽包水位。等汽包内压力及水汽化作用稳定后，即水位降低到一定值后关闭危急疏水阀，通过正常的给水来控制汽包水位，使汽包水位能控制在正常范围之内。

3.4 优化后的甩负荷试验

汽包水位控制优化后，在50%甩负荷试验时，汽包水位控制在-200 mm到100 mm之间，并且没有出现大的水位波动，运行人员不需对锅炉汽包水位控制进行任何的人工干预，自动控制良好，达到了预期的效果。水位控制情况如图6所示。

4 结语

根据CFB锅炉的汽包水位特性，利用串级三冲量控制及变参数PID控制技术，采用汽包危急疏水阀自动控制对汽包水位进行补充控制，成功实现了锅炉汽包水位的全程自动控制，保证了机组在稳定运行及甩负荷等危急工况下也能实现汽包水位的自动控制，解决了无旁路系统设计循环硫化床锅炉汽包水位控制的难题。

图6 优化后的50%甩负荷时汽包水位变化

[1]朱北恒.火电厂热工自动化系统试验[M].北京：中国电力出版社，2006.

[2]侯子良，刘云川，侯云岩，等.锅炉汽包水位测量系统[M].北京：中国电力出版社，2010.