CN102252312A - 一种超临界机组给水系统全程自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超临界机组给水系统全程自动控制系统，该控制系统包括主控制器，电泵出口调阀控制器，电泵转速控制器，汽动给水泵转速控制器，并泵块，以及退泵块；该自动控制系统可以大大减少人为误操作，提高安全性，并提高电泵运行效率。

Description

一种超临界机组给水系统全程自动控制系统

技术领域

本发明涉及一种火电机组集散控制系统（DCS）技术，尤其涉及一种超临界机组给水系统全程自动控制系统。

背景技术

如图1所示，为一种典型的超临界机组的给水系统配置，该系统有包括一台电泵C（容量为40％）、一台第一汽动给水泵A、一台第二汽动给水泵B（汽动给水泵的容量都为50％）、除氧器E、锅炉疏水扩容器F、高加J、省煤器I、水冷壁H及汽水分离器G，在电泵C出口设有调节阀D。

锅炉上水过程，由给水泵从除氧器E流经高加J、省煤器I、水冷壁H进入汽水分离器G。锅炉冷热态冲洗时，直接排放不合格水，水质初步合格后，通过锅炉疏水扩容器F回收，水质进一步合格后通过除氧器E回收。机组低负荷运行时（小于35％），汽水分离器G起到蒸汽和水的分离作用，相当于亚临界机组的汽包。负荷大于35％后，随着主蒸汽汽温、汽压的上升，汽水分离器G的液位逐渐下降，直至转为干态运行，锅炉转为直流运行，随着主蒸汽汽温、汽压的进一步上升，机组进入超临界运行至满负荷。

超临界直流锅炉作为一个多输入、多输出的被控对象，其主要输出量为汽温、汽压和蒸汽流量（负荷），其主要的输入量是给水量、燃烧率和汽机调门开度，由于受热区段之间无固定界限，一种输入量扰动将对各输出量产生作用，如单独改变给水量或燃料量，不仅影响主汽压与蒸汽流量，过热器出口汽温也会产生显著的变化，所以比值控制(如给水量/蒸汽量、燃料量/给水量及喷水量/给水量等)和变定值、变参数调节是直流锅炉的控制特点。这就使给水控制与常规的亚临界机组控制有很大的区别，控制要求更高。

给水系统全程自动控制过程中主要存在如下难点：第一、电泵控制的全程自动；第二、给水泵自动并/退泵；第三、不同运行工况，包括单电泵运行、电泵与汽泵并列运行、单台汽泵运行、两台汽泵运行，实现全程自动控制；第四、特殊工况下的自动控制，例如机组发生辅机故障，触发快速甩负荷（RUNBACK）工况。

针对第一个难点，在以往的控制中，电泵转速控制和调阀控制往往只投入一项自动。即投电泵转速控制自动，但调阀由操作员手动调节；或投调阀进行流量控制，而电泵由操作员手动操作定速运行。特别低负荷阶段，需要电泵转速与调阀配合调节过程中，情况更是如此。

上述方案的缺点是：手动控制其中一种设备需要依靠操作员的经验，如果操作不当容易产生不良后果。例如在电泵、汽泵并列运行中，若手操电泵出口阀不当引起电泵出口压力降低，导致电泵突然退出，会引起给水流量突变，严重的会引发给水流量锅炉遮断（MFT）动作。另一方面，手动操作使得电泵的工作点随着操作人员的不同操作而变化，没法保证电泵工作在高效区，不利于提高系统的效率。

针对第二个难点，因为给水泵投运或退出是在机组带有一定负荷的工况下进行的，超临界机组对给水流量的稳定性要求较高，而给水泵并泵/退泵对给水量影响较大，在以往的控制中，自动实现并/退泵没有实现，包括给水泵汽机的冲转控制，往往由操作员手动操作。

上述方案的缺点是：手动并/退泵效率低、时间长，而且安全性低。例如启动过程中进行电泵和汽泵转换，首先进行给水泵汽机升速操作，满足并泵要求；在汽泵并电泵前，首先需要中断升负荷过程，将给水流量控制切手动；然后手动对给水泵汽机慢慢升速，在汽动给水泵出水后（避免出水瞬间给水流量的突变），升速的同时逐渐减少电泵转速，直至两台给水泵出水流量平衡；手动退出电泵运行。在整个操作期间要保持总给水流量的稳定，所以手动操作往往要比自动操作耗时长，而且在系统出现不稳定工况时，安全性较低。

针对第三个难点，由于电泵、汽泵调节特性不同，所以全程投自动需要考虑不同给水泵组合时调节参数的变化，以往因为给水泵投退需要手动干预，难以做到全程自动。

上述方案的缺点是：超临界机组运行需要燃料和水的比值保持为定值，操作员手动操作安全性低。

针对第四个难点，一旦机组发生辅机故障，触发快速甩负荷（RUNBACK）工况，尤其是一台汽动给水泵跳闸时，机组很容易发生汽水不平衡，影响机组运行，以往控制系统往往靠操作员手操来弥补。

上述方案的缺点是：由于超临界机组运行的直流性，给水流量直接影响主蒸汽流量、温度和压力，而且燃料和给水等因素相互关联性较强，靠操作员抢救工况难以维持机组正常运行。

发明内容

本发明的目的是提供一套提高超临界机组操作的安全性及高效性的给水系统全程自动控制的方案，为实现机组级的全程自动控制奠定基础。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种超临界机组给水系统全程自动控制系统，包括出口设有调节阀的电泵、第一汽动给水泵及第二汽动给水泵，电泵、第一汽动给水泵及第二汽动给水泵的一端分别连接除氧器，另一端同时连接高加，高加串联省煤器及水冷壁，水冷壁连接汽水分离器，汽水分离器连接锅炉疏水扩容器，锅炉疏水扩容器连接除氧器，其特征在于，还包括：

主控制器：主控制器接收锅炉侧总给水流量的设定值，控制总给水量满足要求，并输出单台汽泵出口流量的设定值；

电泵出口调阀控制器：当汽水分离器压力小于定值P2时，电泵运行保持定速运行，电泵出口调阀控制器投入自动调节状态，接受锅炉侧总给水流量的设定值，与电泵配合控制总给水流量满足要求，其输出为调节阀的开度指令，并且当调节阀自动调节时最大开度受电泵转速的限制；当汽水分离器压力大于定值P2后，电泵投入自动调节总给水流量状态，而调节阀投入定开度运行状态，自动根据给水母管压力进行阀位的定值运行；

电泵转速控制器：当汽水分离器压力小于定值P1时，其中P1小于P2，电泵出口调阀控制器处于自动调节状态下，电泵根据总给水流量设定值自动选择一安全定速进行运行，其输出为电泵的转速指令；当汽水分离器压力大于P1且小于P2时，电泵出口调阀控制器处于自动调节状态，电泵根据汽水分离器自动选择一安全定速进行运行，其输出为电泵的转速指令；当汽水分离器压力大于定值P2时，电泵投入自动调节总给水流量状态，而调节阀投入定开度运行状态，由主控制器自动控制总给水流量；

第一汽动给水泵转速控制器及第二汽动给水泵转速控制器：接受主控制器输出的设定值，分别控制相应的汽泵出口给水流量满足要求，它们的输出为单台泵转速指令；

并泵块：根据设定的并泵速度，逐渐提高在并泵的出口流量设定值，引导在并泵的转速逐渐提高，直至在并泵的出口流量设定值与主控制器输出相等，且在并泵的实际出口流量与设定值平衡，并泵结束；

退泵块：将当前在退泵的输出指令从当前值按照设定的斜率逐渐减小，直到该泵出口流量为0为止。

本发明具有如下优点：

第一、可以大大减少人为误操作，提高安全性。超临界机组对给水流量的控制要求较高，机组升负荷或降负荷过程中不同阶段的操作比较复杂，操作人员只要将系统投入自动备用（或自动）状态，系统将根据条件选取合适的控制方式完成自动控制。

第二、提高电泵运行效率。根据电泵运行特性及超临界机组运行的特点。本设计方法通过定量设计，可以为电泵选取效率高的工作区运行，大大提高电泵的使用效率。

第三、为实现机组级的自动控制奠定基础。机组级自启停控制系统（APS）是目前热工控制研究的热点之一。它是基于DCS其它控制功能基础上的完成机组自动启动和停运的控制系统。控制系统全程自动控制（全负荷工况）是实现APS的基础。给水系统全程自动控制满足APS控制的要求。

附图说明

图1为本发明给水系统流程图；

图2为电泵运行安全区；

图3为本发明给水系统控制结构图；

图4为函数1的实施例；

图5为函数2的实施例；

图6为函数3的实施例；

图7为函数4的实施例。

具体实施方式

以下结合实施例来具体说明本发明。

实施例

本发明提供的一种超临界机组给水系统全程自动控制系统是基于如图1所示的典型的600MW超临界机组的给水系统配置，包括出口设有调节阀D的电泵C、第一汽动给水泵A及第二汽动给水泵B，电泵C、第一汽动给水泵A及第二汽动给水泵B的一端分别连接除氧器E，另一端同时连接高加J，高加J串联省煤器I及水冷壁H，水冷壁H连接汽水分离器G，汽水分离器G连接锅炉疏水扩容器F，锅炉疏水扩容器F连接除氧器E。

发明的依据如下：

超临界机组给水系统要求如下：机组点火启动前，要求管路（包括凝水、给水等）冲洗合格；点火后，系统进行进一步冲洗，满足要求后进行升温升压。为保证水冷壁的温度不超温，低负荷阶段，系统保持最小流量运行（30％左右），随着负荷升高，当锅炉主控要求的总给水流量超过最小流量时，给水流量指令跟随锅炉主控的函数设定运行。因为一般电泵容量配置40％左右，所以在低负荷阶段（0－20％），由电泵运行，高负荷阶段投入汽泵运行。

电泵C在运行过程中，必须选择一个工作安全区，见图2，图中横坐标为流量，纵坐标为电泵出口压力，阴影围起来的区域是电泵C运行的安全区，                                               

为最高转速，

为最低转速，

为最高压力，

为最低压力，

为上限特性，

为下限特性。考虑电泵C投运时，给水母管上的压力从零开始有一个升压的过程，所以在低负荷期间，必须有位于电泵C出口的调节阀D来保证电泵C工作在安全区。可以考虑采用调节阀D控制电泵C出口压力，电泵C调节流量或者电泵C定速运行，调节阀D调节流量两种方式。

第一汽动给水泵A及第二汽动给水泵B在一定负荷以上投运，一般给水泵汽机升速到安全转速才投入使用，所以不必考虑其工作安全区问题。

综上分析，给水系统全程控制可以划分几个阶段来完成，升负荷过程包括：

（1）低负荷且给水母管压力低时，由电泵配合调阀调节给水流量；

（2）低负荷且分离器出口建立压力后，由电泵配合调阀调节给水流量；

（3）分离器压力进一步增高，由调阀配合电泵调节给水流量；

（4）带上负荷后，投运一台汽泵，完成汽泵并电泵，并退出电泵运行；

（5）系统转干态后，投运第二台汽泵。

降负荷过程为上述过程的逆过程。

给水系统控制结构设计如图3所示，对应给水系统中的设备第一汽动给水泵A、第二汽动给水泵B、电泵C、调节阀D设有各自的控制器，再加上给水系统主控制器，总共有5个控制器，都采用PI调节。下面详细介绍方案，其中P1、P2为压力定值，根据系统运行工况进行选择，其中P1比P2小。

1.各控制器介绍

主控制器con1，接受锅炉侧总给水流量的设定值，包括中间点温度等的修正量，控制总给水流量满足要求，其输出为单台汽泵出口流量的设定值。

电泵出口调阀控制器con2设计两种工况的控制：一是汽水分离器G压力小于定值P2时，电泵C运行保持定速运行，电泵出口调阀控制器con2投自动，接受锅炉侧总给水流量的设定值，与电泵C配合控制总给水流量满足要求，其输出为调节阀D的开度指令。为保护电泵C工作在选定的工作区范围，调节阀D自动调节时最大开度受电泵C转速的限制（图3中函数1）。二是在汽水分离器G压力大于P2后，电泵C具有较宽的调节范围后，电泵C投自动调节总给水流量，而调节阀D投入定开度运行，自动根据给水母管压力进行阀位的定值运行（图3中函数2）。

电泵转速控制器con3设计三种工况的控制：一是当汽水分离器G压力小于P1时，电泵出口调阀控制器con2投自动状态下，电泵C根据总给水流量设定值自动选择一安全定速进行运行（图3中函数3），其输出为电泵的转速指令。二是汽水分离器G压力大于P1且小于P2时，电泵出口调阀控制器con2投自动状态，电泵C根据汽水分离器G出口压力自动选择一安全定速进行运行（图3中函数4），其输出为电泵C的转速指令。三是在汽水分离器G出口压力大于P2时，电泵C控制投自动，调节电泵C出口流量，而调节阀D投入定开度运行（图3中函数2），由主控制器自动控制总给水流量。

第一汽动给水泵转速控制器con4及第二汽动给水泵转速控制器con5：接受主控制器输出的设定值，控制本泵出口给水流量满足要求，其输出为单台泵转速指令。

2.自动并泵、退泵设计

不管是汽泵并电泵、电泵并汽泵、汽泵并汽泵，关键难点是要维持总给水流量的稳定，中间要考虑二个因素。一是在泵出水的瞬间会出现流量小幅突变的扰动，主控制器调节要避开此扰动。二是再循环阀动作时的扰动。如果处理不当，再循环阀动作对流量的振荡扰动会造成泵流量控制器和主控制器之间振荡。

图3中并泵块的作用是根据设定的并泵速度，逐渐提高在并泵的出口流量设定值，引导在并泵的转速逐渐提高，直至在并泵的出口流量设定值与主控制器输出相等，且在并泵的实际出口流量与设定值平衡，并泵结束。假设第一汽动给水泵A并电泵操作，一旦投入自动并泵按钮，第一汽动给水泵A设定值即通过并泵块进入第一汽动给水泵转速控制器con4，并泵块的作用为根据设定的速率，将第一汽动给水泵转速控制器con4的设定值从当前值（0t/h)自动拉高到主控制器con1的输出值。当第一汽动给水泵转速控制器con4的设定值和测量值相等，并泵结束。

退泵通过图3中退泵块将当前在退泵的输出指令从当前值按照设定的斜率逐渐减小，直至该泵出口流量为0t/h为止。

3.全程自动控制的过程

机组从零负荷到满负荷运行过程中，给水系统自动控制过程设计如下：

1) 调阀无压控制。

机组锅炉上水、冲洗、点火运行，且给水母管上压力较低（汽水分离器G出口压力小于P1的工况下，给水控制属于调阀无压控制，此时总给水流量由电泵出口调阀控制器con2投自动进行控制，电泵C根据总给水流量设定值选择转速进行定速运行（图3中函数3）。同时，为保证电泵C的运行安全，调阀指令同时接受转速函数决定的最大阀位的限制（图3中函数1）。

2) 调阀有压控制。

机组点火运行，且当汽水分离器G压力大于P1的工况下，给水控制属于调阀有压控制，此时总给水流量由电泵出口调阀控制器con2投自动进行控制，电泵C根据汽水分离器G压力选择转速进行定速运行（图3中函数4）。同时，为保证电泵C的运行安全，调阀指令同时接受转速函数决定的最大阀位的限制（图3中函数1）。

3) 电泵有压控制。

当汽水分离器G压力大于P2时，电泵C调节幅度增大，此时可以投电泵C自动，由主控制器con1进行总给水流量调节，而电泵出口调阀控制器con2为保证电泵工作点而选择定位运行（图3中函数2）。

4） 启第一台汽动给水泵（以第一汽动给水泵A为例）。

超临界机组电泵一般选择为40％左右，所以机组带上负荷运行后就要考虑进行投运汽泵、退出电泵的操作。考虑到超临界在转干态和过临界点时系统工质特性较复杂，可以考虑在转干态前（25％负荷）进行汽泵与电泵的转换。电泵与汽泵的转换可以分为如下几个阶段：给水泵汽机升速、并汽泵、退电泵。

给水泵汽机自动升速，当汽泵转速超过最低转速且达到并泵条件后升速停止。考虑到并泵工况的不固定性，对应并泵条件选择为当该给水泵出口压力低于母管压力1MPa之内。

利用逻辑图3中的并泵块将A汽泵并上与电泵并列运行。

利用逻辑图3中的退泵块退出电泵运行。

5） 启第二台汽动给水泵。

当负荷大于45％时，采用和启第一台汽泵的方法类似，启动第二台汽泵投入运行。

6）机组从满负荷到零负荷的停运过程为上述过程的逆过程，实现的方法类似于升负荷工况。

在实际应用中，P1，P2可以分别选择0.5MPa，8MPa。函数1取值如图4所示，横坐标为电泵转速，单位rpm，纵坐标为调阀开度，单位为％。函数2取值如图5所示，横坐标为给水母管压力，单位MPa，纵坐标为调阀开度，单位为％。其中当压力大于8MPa时，调阀即保持当前阀位，当压力大于10MPa后，按图5中参数运行。函数3取值如图6所示。横坐标为给水流量设定值，单位t/h，纵坐标为电泵转速指令，单位为％。函数4取值如图7所示，横坐标为分离器出口压力，单位MPa，纵坐标为电泵转速指令，单位为％。并泵的速率为每分钟40转，退泵的速率为每分钟20转。系统从点火前的冲洗开始到满负荷运行都可以自动控制运行，包括给水泵之间的并泵、退泵运行，很好地适应了超临界给水的要求。

Claims (1)

1.一种超临界机组给水系统全程自动控制系统，包括出口设有调节阀（D）的电泵（C）、第一汽动给水泵（A）及第二汽动给水泵（B），电泵（C）、第一汽动给水泵（A）及第二汽动给水泵（B）的一端分别连接除氧器（E），另一端同时连接高加（J），高加（J）串联省煤器（I）及水冷壁（H），水冷壁（H）连接汽水分离器（G），汽水分离器（G）连接锅炉疏水扩容器（F），锅炉疏水扩容器（F）连接除氧器（E），其特征在于，还包括：

主控制器：主控制器接收锅炉侧总给水流量的设定值，控制总给水量满足要求，并输出单台汽泵出口流量的设定值；

电泵出口调阀控制器：当汽水分离器（G）压力小于定值P2时，电泵（C）运行保持定速运行，电泵出口调阀控制器投入自动调节状态，接受锅炉侧总给水流量的设定值，与电泵（C）配合控制总给水流量满足要求，其输出为调节阀（D）的开度指令，并且当调节阀（D）自动调节时最大开度受电泵（C）转速的限制；当汽水分离器（G）压力大于定值P2后，电泵（C）投入自动调节总给水流量状态，而调节阀（D）投入定开度运行状态，自动根据给水母管压力进行阀位的定值运行；

电泵转速控制器：当汽水分离器（G）压力小于定值P1时，其中P1小于P2，电泵出口调阀控制器处于自动调节状态下，电泵（2）根据总给水流量设定值自动选择一安全定速进行运行，其输出为电泵的转速指令；当汽水分离器（G）压力大于P1且小于P2时，电泵出口调阀控制器处于自动调节状态，电泵（2）根据汽水分离器（G）自动选择一安全定速进行运行，其输出为电泵（C）的转速指令；当汽水分离器（G）压力大于定值P2时，电泵（C）投入自动调节总给水流量状态，而调节阀（D）投入定开度运行状态，由主控制器自动控制总给水流量；

第一汽动给水泵转速控制器及第二汽动给水泵转速控制器：接受主控制器输出的设定值，分别控制相应的汽泵出口给水流量满足要求，它们的输出为单台泵转速指令；

并泵块：根据设定的并泵速度，逐渐提高在并泵的出口流量设定值，引导在并泵的转速逐渐提高，直至在并泵的出口流量设定值与主控制器输出相等，且在并泵的实际出口流量与设定值平衡，并泵结束；

退泵块：将当前在退泵的输出指令从当前值按照设定的斜率逐渐减小，直到该泵出口流量为0为止。

Images