协调式汽包水位控制方案

孙海翠，温荣斌，孙 漾，周梦婕

（1．华东电力设计院有限公司，上海 200063；2.西安热工研究院有限公司，西安 710054）

0 引言

余热锅炉作为联合循环机组重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽。汽包水位关系到汽水分离的效果和生成蒸汽的质量，是影响锅炉安全稳定运行的重要参数。汽包水位的不恰当会影响汽水分离装置的正常工作。水位过高，汽水分离器产生的蒸汽含水多，蒸汽品质受到影响，并使得过热器设备受到带水蒸汽影响而容易结垢，影响设备使用效果和使用寿命。而水位不足，则会破坏合理的汽水循环，影响机组的经济性能。严重时，还会引起管壁的破裂，甚至造成汽包的损坏，严重影响机组的安全有效运行。

汽包水位控制也是实现整个联合循环机组自启停功能的一个关键。随着电厂自动化控制水平需求的提升，一个全程自动联锁、自动调节，尽量减少操作人员的干预，具备自适应、自调整的先进电厂成为人们追求的目标。要实现机组自启停、全程自调节功能，汽包水位控制回路需要实现从启机前准备至满负荷的全程自动控制，且需要满足控制的高稳定性和可靠性，这对汽包水位控制的自适应性能提出了很高的要求。

1 汽包水位控制的难点

汽包水位控制的难点如下：

1）汽包水位变化频繁且快速

锅炉设备需要快速适应负荷的需求，使得汽包水位的变化频繁且快速。这就对汽包水位控制的快速性、稳定性提出了较高的要求，汽包水位控制地稍有不济，将会造成汽包满水或干烧等事故，严重威胁着机组的安全。

2）“虚假”水位

汽包虚假水位产生于汽包内压力突降或激增的状况，由于压力的快速变化带来炉水热量的超速反应，使汽包内的水位出现气泡的大量增加或体积的骤缩，使实际水位的测量偏离真实值，给水位控制回路带来许多干扰，影响了调节回路的正常工作。

而虚假水位的产生，常发生在锅炉运行状况突变的时刻，例如燃烧不稳定，安全阀动作，机组负荷快速变化等。这些不稳定工况加剧了汽水循环的复杂性，使汽包内的压力随之产生较大变化，并且汽包内工质的性质随之发生较大变化，水位的变化极不稳定，且虚假的水位指示加大了控制回路运行的难度。

“虚假”水位现象[1,2]的存在使水位控制系统必须针对特殊情况做出智能的判断，以有效地应对由于“虚假”水位的存在所引起的控制偏差。

3）汽包水位参量的复杂特性

汽包水位参量受多种因素的影响，是联合循环机组汽水循环系统重要的控制参数。它所具有的大滞后性、多变量交叉影响性、强耦合性以及非线性等特征，使汽包水位参量的测量和控制难度不小。

4）控制参数的自适应性

随着先进控制方法的推进，对汽包水位控制回路的逐步优化，如三冲量水位控制系统的引入，有效地提高了水位控制的稳定性、快速性和抗干扰能力，但因系统设备运行状况的复杂性，其PID调节器的参数KP、KI、KD的实时适应与优化成为水位控制系统优化的重点与难点[3,4]。

2 汽包水位控制的方法

汽包水位控制的方法有单冲量水位控制系统、双冲量水位控制系统和三冲量水位控制系统[5-8]。

1）单冲量水位控制系统

汽包水位单冲量水位控制系统以汽包水位信号作为反馈量，给水流量作为被控量，构成单回路反馈控制系统。此控制方式利用水位测量信号与设定值的偏差信号去调节给水调节阀，以改变给水流量，达到控制汽包水位的目的。该方式结构简单，反应迅速，适用于负荷稳定，水位变化不大的情况。

采用单冲量水位控制系统无法应对汽包虚假水位现象，例如当机组负荷急剧减少时，汽包虚假水位会出现暂态减少工况，而此时的汽包水位控制回路响应控制器的需求增加给水量的供应，造成错误的反应，破坏了系统的稳定运行，带来机组安全运行的隐患。

图1 汽包水位工艺系统框图Fig.1 Block diagram of drum water level process system

2）双冲量水位控制系统

单冲量水位控制系统无法应对汽包假水位现象，因此在原控制回路中引入蒸汽流量参数作为流量控制器的前馈信号。该蒸汽流量信号能快速反应由蒸汽蒸发而影响的汽包水位的变化量，起到提前影响控制回路的作用。

根据物质平衡定律，确保给水量与蒸汽蒸发量相互协调，以保证汽包水位基本位置不变。为了控制汽包水位在设定值，协调考虑两个参数，即汽包水位和蒸汽流量，以使得调节机构做出正确的动作。

此时，当机组负荷急剧减少时，汽包虚假水位出现暂态减少。此时的汽包水位控制回路减少给水量的供应，使得控制回路的响应与场景需求相匹配，有效地处理了虚假水位带来的控制偏差，取得较好的效果。

3）三冲量水位控制系统[9,10]

汽包水位不仅受到蒸汽流量的影响，还与给水流量扰动密切相关。为了提高水位控制系统的抗扰能力以及快速响应性能，引入给水流量参量，由该参数组建的副回路在控制过程中负责粗调，而水位控制回路，即主回路负责细调，两回路协调配合，不仅提高了系统的工作频率，改善了系统的控制质量，还使系统具有一定的自适应能力。

3 协调式汽包水位控制方案

常规汽包水位控制方案中，采用单冲量与三冲量相结合的方式。在低负荷工况下，采用单冲量控制；在高负荷工况下，采用三冲量控制。本文提出一种协调式汽包水位控制方法，该方法强调，在控制逻辑按照传统方式设定切换外，汽包水位控制从参数角度分两步稳步实现，即采用给水泵变频调节泵出口母管压力，即输送的给水压力，给水调节阀全程控制在压力稳定状况的汽包水位。

协调式汽包水位控制实现的工艺系统框图如图1。给水经给水泵获取动力后，经过给水调节阀被送入换热系统进行热交换，产生的过热蒸汽送入汽轮机做功。

图2 协调式汽包水位控制给水调节阀逻辑图Fig.2 Logic diagram of water supply regulating valve for coordinated steam drum water level control

随着变频设备的日趋成熟，其高效能的各种表现愈来愈被人们所重视。给水系统中给水泵的变频配置也趋于常态，人们在追求其降低功耗，延长设备使用寿命的同时，也十分看好其良好的控制性能。

常规联合循环机组的汽包水位控制系统在低负荷工况下，采用给水调节阀调节水位，给水泵工频运行模式；在高负荷工况下，采用给水泵切变频运行模式，给水泵调节汽包水位，给水调节阀全开。

该种控制方式不易于维持给水母管的压力，而使整个给水系统压力变化较大且频繁。而压力的频繁变化对给水的稳定控制带来不利影响，这不仅加剧了汽包虚假水位现象而且整个控制系统的频繁变动使控制参数的响应等难以适从，控制稳定性欠佳。

本系统做了改进，采用的控制方式为通过改变高压给水泵频率，以维持高压给水泵出口母管压力，通过改变给水调节阀的开度，以维持高压汽包水位。水位控制与压力控制协调进行，水位控制为在一定压力控制范围内的后续控制，压力控制为跟随前端压力（即，汽包压力）条件下的控制，两者有机结合，协同进行。这种控制方法可以有效地缓解汽包虚假水位现象，提高控制的稳定性。另外从节能角度考虑，由于变频泵的全程投入，其节能效果依然显著。

图3 协调式汽包水位控制给水泵逻辑图Fig.3 Logic diagram of the coordinated drum water level control feed pump

协调式汽包水位控制逻辑图如图2和图3。该控制方案中，压力和液位两个控制参数的协调通过压力控制回路的压力设定值实现。压力控制回路中，高压给水泵出口母管压力的设定值采用基本设定值+偏置的方式产生，基本设定值为高压汽包压力+1.3MPa，高压省煤器出口给水温度对应的饱和压力+0.5MPa，在此基础之上运行人员可手动设定偏置。

协调式汽包水位控制还在以下事项做了重点处理：

1）检测信号的准确性

检测信号的准确性是自动控制系统实现的前提和关键。汽包水位控制系统涉及的主要检测信号包括汽包水位、蒸汽流量、给水流量。机组在全负荷运行阶段中，锅炉运行工况复杂，锅炉从启动到正常运行或者从正常运行到停炉，其蒸汽参数的变化巨大，汽包水位、蒸汽流量、给水流量测量准确性必然会受到严重的影响。

为了补偿由于工质温度、压力变化而引起的检测参数测量的准确性，系统分别配置汽包水位、蒸汽流量、给水流量的温度及压力补偿检测信号，用于汽包水位全程控制过程中检测信号的补偿，以提高检测信号的准确性[11-15]。

2）控制方式

图4 高压汽包水位控制曲线图（1） Fig.4 Control curve of water level of high pressure steam drum（1）

图5 高压汽包水位控制曲线图（2）Fig.5 Control curve of water level in high pressure steam drum（2）

协调式汽包水位控制系统设置单冲量水位控制和三冲量水位控制两种控制方式。在低负荷工况下，当高压主蒸汽流量＜25%（可调整）时，由于蒸汽流量和给水流量的测量误差较大，采用单冲量控制；当高压主蒸汽流量＞30%（可调整）时，采用三冲量控制，即在给水流量反馈控制回路的基础上，引入高压主蒸汽流量前馈信号形成的前馈-反馈复合控制系统。该控制回路包含了给水流量控制回路和汽包水位控制回路。该种单冲量和三冲量切换的控制回路，从控制的角度提高了水位控制系统的精度和稳定性。

4 验证结果及分析

采用协调式汽包水位控制方案进行联合循环机组汽包水位控制，实测高压汽包水位控制曲线如图4和图5。

从图4可以看出，当启动高压汽包水位自动控制后，实际汽包水位（即红色曲线所示）高度跟踪高压汽包水位设定值（即黄色曲线所示），控制稳定。图5显示出，采用协调式汽包水位控制方案下，高压汽包压力（即橙色曲线所示）稳定，有利于促进汽包水位控制的稳定性。

5 结束语

本文前述中明晰了汽包水位参量在联合循环机组中的重要地位，其控制的水平和效果成为整个机组安全稳定运行的重要保证。而汽包水位控制的难点又绝大部分由其自身的复杂性所造成，除了从纯控制的角度改进，如三冲量控制的引进以及控制算法的优化等来改进汽包水位控制的性能外，本文从优化稳定控制参量的角度，提出一种协调式汽包水位控制方案。所谓参量协调式，即控制参量分步控制，压力、液位协同控制，保证压力的前提下，调节水位。这种协调控制方法，可以从根本上改善汽包水位虚假，和汽包水位参量的复杂所带来水位控制难题，有效地提高了汽包水位控制的质量。