汽包水位控制策略优化

汽包水位控制策略优化

邵戊辰王佰越王淋韵

（国电内蒙古东胜热电有限公司内蒙古自治区鄂尔多斯市017000）

摘要：汽包水位三冲量控制方案是目前火电锅炉主流的控制策略。研究了汽包液位控制的难点、锅炉水位三冲量系统结构、控制策略选取及控制算法。国电内蒙古东胜热电有限公司的2×330MW机组在蒙西电网为调峰机组，为响应AGC负荷指令，改善锅炉燃烧工况，2017年#1机组C级检修时将燃烧器摆角调整为不可摆动，汽包水位动态、静态控制品质比之前波动剧烈，并且水位受燃料扰动明显。

关键词：汽包水位；三冲量；控制策略

0前言

国电内蒙古东胜热电有限公司的2×330MW机组，锅炉是采用亚临界压力参数、自然循环汽包炉。电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志。其中，锅炉汽包水位的调节已经完全采用自动的方式加以控制，在不需要操作人员干预的情况下，可以很好的完成生产过程中的给水及水位控制，大大提高了生产效率。

锅炉汽包给水自动控制系统的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中水位保持在一定的范围内。当汽包水位过高时，蒸汽中携带的水分会增加，容易造成过热器积盐结垢，使管道过热损坏。而且，盐垢会引起传热恶化，经济性下降。汽包严重满水时，会造成蒸汽大量带水，使蒸汽温度急剧下降，同时还可能对蒸汽管道和汽轮机产生严重的水冲击，甚至打坏汽轮机叶片。汽包水位过低，则可能破坏水循环，使水冷壁管的安全受到威胁，如果出现严重缺水又处理不当时，则可能造成水冷壁爆管。因此，汽包水位是影响整个机组安全经济运行的重要因素，所以就要有一套较好的控制方案，来实现汽包水位的控制。

一、存在的问题

国电内蒙古东胜热电有限公司的2×330MW机组，近年以来，随着蒙西电网调峰机组负荷波动频繁且剧烈，锅炉燃烧工况频繁变化，2017年机组检修时将燃烧器摆角调整为不可摆动，锅炉燃烧工况发生变化，间歇性的出现水位波动，优化机组汽包水位自动控制逻辑已成为迫在眉睫的任务。机组主汽压力响应速度较燃烧器技改前响应速度快，水位受燃料扰动明显，磨煤机启停、断煤过程，自动控制调节品质差。

二、汽包水位的动态特性分析

1、蒸汽负荷（蒸汽流量）对水位的影响：在传热过程不变的情况下，当出口蒸汽用量突然增加，瞬间必然导致汽包压力下降，汽包内水的沸腾加剧，水中气泡迅速增加，使得汽化量突然增多，将整个水位抬高，形成虚假水位现象。

当蒸汽流量突然增加时，由于假水位现象，在开始阶段水位不仅不会下降，反而先上升，然后下降（反之，当出口蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升）。蒸汽流量突然增加时，实际水位的变化Ｈ，是不考虑水面下气泡容积变化时的水位变化Ｈ1，与只考虑水面下气泡容积变化所引起水位变化H2的叠加，即H＝Ｈ1+H2。

2、给水流量对水位的影响：当给水流量突然增大时，由于在这个时间内烟道气传给汽包的热量不变，给水温度又有比汽包内的饱和水温度低，致使汽包中气泡含量减少，导致水位虚假下降。即当突然加大给水量后，汽包水位一开始不立即增加。

3、燃烧工况对水位的影响：

燃烧工况的的改变是吸热量的改变。它直接影响到气泡量的改变，从而影响动态水位。

磨煤机启停。磨煤机的启停对锅炉燃料量、进风量都会有影响，如能造成火焰中心偏移从而影响燃烧使得水位改变。

空气动力场。一二次风不均衡和气流刚性的影响，导致火焰烧偏，火焰中心移动，使得左右侧水位发生偏差。

水冷壁结焦。由于水冷壁结焦导致两侧吸热不均。

锅炉侧燃烧的干扰，一方面会影响汽包水位的改变，另一方面会影响到左右侧汽包水位的偏差。

实际运行中，燃料量快速增加，蒸发量增加，产生的气泡变多，汽包水位会暂时升高，在AGC指令调节的前提下，调门开度会变化。因为如果蒸发量和汽包压力增加，如果调门开度不变，负荷升高。负荷高于负荷指令值必然关小调门，关小调门导致汽包压力更高，汽包压力增高，又会导致水位虚低，产生虚假水位。这种情况下，水位产生不容易抑制的波动。

能否消除虚假水位，能否克服各种扰动，关键看副调的参数设置是否与机组工况匹配。但燃料量的干扰没有直接作用与给水流量和蒸汽流量，所以燃料量的干扰仅仅靠副回路的调整无法消除。

三、解决方法

国电内蒙古东胜热电有限公司的#1、#2机组汽包水位控制系统就采用三冲量控制系统。

锅炉汽包水位三冲量调节系统是火电厂锅炉核心控制之一。汽包水位三冲量调节系统的给水调节动作频繁，锅炉水位对给水调节执行机构的动作比较敏感，稍有不慎就可能出现严重的危险情况，汽包水位三冲量调节系统关系到整个机组的安全运行：若汽包水位过高，会造成蒸汽带水；若汽包水位过低，会造成锅炉“干锅”，可能严重烧坏锅炉设备。汽包水位三冲量调节系统的重要性由此可见一斑，所以汽包水位的相关保护要完善可靠、汽包水位自动调节系统运行要平稳。目前，汽包水位三冲量自动调节控制策略已经相当成熟，但在实际锅炉运行中会各种原因导致水位自动调节系统投入困难，甚至自动不能投入。这种现象让人对串级三冲量调节系统的调节能力和控制策略产生疑问。为此，对级三冲量调节系统进行定性分析，并对一些异常情况的处理办法进行探讨。

汽包水位三冲量调节系统使用的三个冲量分别是汽包水位、给水流量和蒸汽流量。汽包水位作为主调（PID调节器）的输入信号，去抑制水位本身的偏差。副调（外给定调节器）使用了一个反馈信号（给水流量）和一个前馈信号（蒸汽流量），以消除扰动和虚假水位。各种介绍汽包水位三冲量调节系统的书籍中，都有对传递函数的计算，这些计算对系统设计很重要。如果用经验调节法对于系统维护，则完全可以抛开理论计算。在此只对其物理意义进行定性思考和作一番揣测。三冲量控制系统就是利用水位、蒸汽流量和给水流量三个参数进行液面控制。在这个控制系统中，汽包水位是被控量，是主冲量信号；蒸汽流量、给水流量是两个辅助冲量信号。

1、变负荷过程中主汽流量变化过程：机组AGC负荷指令变化过程中，蒸汽压力跟随速度响应时间缩短，通过大量的数据和曲线分析后，我们决定增加主蒸汽流量的微分前馈至副调设定值。蒸汽流量增加，设定值增大，蒸汽流量减少，设定值减小，副调作用增强的同时将主调节器调节作用相对减少。

2、双泵运行和单泵运行的参数整定：分别对单、双泵运行应的副调比例、积分参数进行整正，副调是对参数变化最敏感的，由于副调作用及时，响应速度快，将比例作用增强到足够抑制给水流量的扰动（内扰），但在负荷大幅频繁波动时，流量又不产生震荡。

3、燃料扰动对水位影响的自动优化：东胜公司#1机组并网后，#2机组停运检修，为保单机运行，对汽包水位主调和副调参数进行整定后，水位在磨组启停、煤量大幅变化时仍无法得到有效控制，此时，增加煤量前馈是最直接有效的方法，可以在燃烧工况变化时，快速削弱煤量对水位的扰动，但为防止微分作用对系统产生二次扰动，将其作用限制至1.2个单位勺管指令。

四、优化效果

汽包水位控制系统经过优化后汽包水位控制上限不超过额定值100mm，下限不超过额定值-100mm，动态偏差不超过60mm，稳态偏差不超过50mm，自动投入率由70%上升至98%，明显减少运行人员的劳动强度，为机组安全正常运行做出了杰出的贡献。

参考文献：

[1]边立秀、周俊霞、赵劲松、杨建蒙《热工控制系统》，北京；中国电力出版社，2001

[2]张玉铎、王满稼.《热工自动控制系统》，北京；水利电力出版社，1985