燃氣聯(lián)合循環(huán)機組汽包水位控制系統(tǒng)的特點

引言

某電廠燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的配置型式為：1臺燃機+1臺汽機+1臺發(fā)電機+1臺余熱鍋爐。余熱鍋爐為三壓、再熱、無補燃、臥式、自然循環(huán)余熱鍋爐。凝結(jié)水在經(jīng)過低壓省煤器之后進入低壓汽包，一部分爐水直接加熱為低壓過熱蒸汽進入低壓缸，另一部分爐水經(jīng)過中壓給水泵和高壓給水泵分別進入中壓和高壓加熱系統(tǒng)，加熱為中壓過熱蒸汽和高壓過熱蒸汽。

1汽包水位控制

圖1為本文所研究機組的汽水流程圖。汽包水位是機組運行參數(shù)中重要的一個監(jiān)控對象。汽包水位過高，會影響汽水分離效果，使蒸汽帶水；汽包水位過低，會影響汽水循環(huán),甚至干鍋。汽包水位控制系統(tǒng)的任務(wù)就是維持鍋爐汽包水位為設(shè)定值，實現(xiàn)全程水位自動控制。某電廠給水系統(tǒng)有三個壓力等級：高壓給水泵采用液力耦合泵，并配置有旁路調(diào)節(jié)閥門，所以高壓給水系統(tǒng)在機組啟動過程中采用主路電動門關(guān)閉、旁路調(diào)節(jié)閥門開啟的方法來控制高壓汽包水位。當高壓蒸汽流量超過40t/h時，旁路調(diào)節(jié)門全開，主路電動門全開，高壓汽包水位通過勺管開度來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。中壓和低壓給水泵都采用定速泵，直接用節(jié)流閥門來控制汽包水位。三個壓力等級的水位控制都采用單/三沖量控制方法，利用各壓力等級的蒸汽流量的大小作為單/三沖量控制的切換條件。

2燃氣聯(lián)合循環(huán)機組的汽包水位控制

燃氣聯(lián)合循環(huán)機組的熱力系統(tǒng)特點決定了該類型機組汽包水位的控制也有其自身的獨特之處。

2.1汽包啟動水位的確定

汽包水位作為電廠自動化控制的一個重要控制目標，汽包水位控制的效果也是實現(xiàn)整個電廠的自啟停功能能否實現(xiàn)的一個關(guān)鍵。既然要實現(xiàn)電廠的自啟停，汽包水位就要實現(xiàn)從啟機前的準備到滿負荷的全程自動控制，而汽包啟動水位的確定便成為一項重要工作。聯(lián)合循環(huán)機組的升負荷比較快，導(dǎo)致余熱鍋爐的壓力、溫度提升速度很快。由于壓力和溫度的變化，會引起汽包虛假水位，因此在機組啟動階段，汽包的虛假水位非常嚴重。如果按照正常運行值調(diào)節(jié)水位，水位會無法控制，經(jīng)常的結(jié)果會引起機組跳閘。所以在啟動階段，水位的定值應(yīng)比正常運行值低50~100mmo在膨脹結(jié)束之后，鍋爐受熱面繼續(xù)受熱就會產(chǎn)生蒸汽，如果這時不給鍋爐補水，就會使得汽包水位降低，也就是說汽包膨脹后的水位才是汽包水位控制的一個基本起始點。如果啟動水位確定不當,就會使汽包水位波動加大,水位控制難度增加，從而影響汽包水位控制的效果，影響整個機組的平穩(wěn)啟動。為了能確定汽包的膨脹程度，我們專門為三個汽包做了汽包膨脹試驗。過程如下：啟機之前，先將汽包水位控制在一定數(shù)值，然后將汽包水位調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉，將所有影響汽包水位的放水閥關(guān)閉。在機組點火之后，汽包水位會不斷升高直到一個最高點，觀察汽包水位變化實時曲線，記錄汽包水位最高點，然后根據(jù)汽包水位最高值及汽包水位起始數(shù)值計算出汽包水位的膨脹數(shù)值。在得到汽包水位膨脹數(shù)值之后，就可以用零水位減去汽包水位膨脹數(shù)值得到汽包的啟動水位，將汽包啟動水位作為汽包水位控制的初始設(shè)定值，在機組點火之后再將汽包水位設(shè)定值按照一定速率慢慢增加至零水位。這就會使整個過程汽包水位的控制變得更加平穩(wěn)，不會因為汽包水位的膨脹而使水位波動加劇，從而有利于整個電廠的全自動啟動。其汽包水位設(shè)定曲線如圖2所示。

2.2熱態(tài)啟機時的高壓汽包水位控制

本類型機組具有啟動速度快的優(yōu)點，所以，在整個電網(wǎng)中,擔任調(diào)峰任務(wù)的機組基本上每天都要進行啟停操作。當天的啟停通常會使機組在熱態(tài)或者極熱態(tài)狀況下啟動，機組在熱態(tài)或極熱態(tài)情況下啟機，高壓系統(tǒng)壓力很高，汽包壓力大于6MPa，高壓主蒸汽壓力大于6MPa，高壓旁路閥很早就進入最小壓力控制模式，高壓旁路閥快速地打開和關(guān)閉，使得高壓汽包水位波動很大。另外，高壓旁路閥的開關(guān)引起高壓蒸汽流量的變化，使得高壓給水主旁路來回切換，高壓水位的調(diào)節(jié)在單沖量和三沖量之間來回切換。這種情況下，由于汽包水位的急劇變化，忽高忽低，已經(jīng)失控，只能通過運行人員手動干預(yù)，如果措施不急時，很容易造成跳機。綜合分析熱態(tài)啟動時的情況，其原因主要有以下兩點:一是高壓汽包壓力高,高壓旁路閥的快速動作對高壓汽包的水位影響很大。在熱態(tài)啟動時，由于機組停機時間短，汽機和鍋爐仍然保持著很高的溫度，高壓汽包壓力依然保持得很高，高壓主蒸汽如此高的壓力使得高壓旁路閥很快進入最小壓力控制模式。為維持高壓主汽門前壓力穩(wěn)定，高壓旁路閥很快打開，在高壓旁路閥打開后高壓主蒸汽的壓力下降很快，高壓旁路閥為維持壓力穩(wěn)定隨后迅速關(guān)小。在整個過程中，高壓旁路閥的動作速率是很快的，高壓旁路閥的快速動作使高壓汽包的壓力變化也很大，最終導(dǎo)致高壓汽包的水位大幅度的波動。二是高壓旁路閥的快速開關(guān)引起高壓汽包蒸汽流量的變化，使得高壓給水主、旁路來回切換，高壓水位的調(diào)節(jié)模式在單沖量和三沖量之間來回切換。當高壓汽包蒸汽流量超過60t/h時，高壓水位切至主路，高壓水位調(diào)節(jié)切換至三沖量調(diào)節(jié)，這時候高壓汽包的水位還處在高位，并且還在上升中，液力耦合泵轉(zhuǎn)速降低。在高壓旁路閥關(guān)閉之后，水位急劇下降，高壓汽包蒸汽流量也隨之減小。當流量減小至40t/h時，給水主路和旁路又進行了一次切換，這樣的反復(fù)切換會使得水位不斷地大幅波動。

解決這一問題的方法就是給水主旁路切換條件中添加機組并網(wǎng)信號，因為正常情況下機組在未并網(wǎng)之前蒸汽流量不會達到切換值，除非由于高旁的快開導(dǎo)致蒸汽流量會突然躍升至切換值，添加這一條件后高旁的開啟就不會引起水位控制方式的頻繁切換。另一個補充的方法就是對汽包水位采取變參數(shù)控制方法，針對汽包水位在不同啟機狀態(tài)下所表現(xiàn)出的不同的變化過程，對基本的PID控制參數(shù)采取變參數(shù)方法來完善控制過程，在熱態(tài)情況下可以放緩PID調(diào)節(jié)過程，防止控制過程出現(xiàn)振蕩。

2.3中壓汽包水位的控制

中壓汽包由于其在整個熱力系統(tǒng)中所處的位置，其水位變化的情況最為復(fù)雜。中壓汽包所產(chǎn)生的蒸汽通過中壓過熱器與冷再段來的蒸汽匯集后進入中壓再熱器，然后到達中壓缸和中壓旁路。這一過程中任何一點的壓力變化都會對中壓汽包的水位造成影響，而且中壓汽包容量非常小，其直徑僅為1600mm，水位可波動范圍小，如果控制不當，很容易造成水位超限跳機。尤其是在機組啟動過程中，高壓旁路和中壓并汽調(diào)節(jié)門的動作都會引起中壓過熱器出口壓力的變化,中壓汽包水位很容易造成波動。從機組汽水流程圖可看出，中壓汽包水位控制因為影響因素較多，已經(jīng)不能通過簡單的三沖量水位控制方法來達到控制效果，必須從多方面考慮,充分認識各個影響因素，從源頭抓起，把這些影響降低到最低，從而穩(wěn)定住中壓汽包水位。

高壓旁路在啟機過程中為了維持機前壓力，會在高壓過熱蒸汽壓力上升過程中開啟，并且隨著壓力的繼續(xù)上升會逐漸關(guān)閉。在這一過程中，中壓過熱器出口壓力會受到其影響出現(xiàn)異常波動，它的后果就是引起中壓汽包的虛假水位，造成中壓汽包水位的波動劇烈，而且不易控制。對于這一現(xiàn)象與高壓汽包出現(xiàn)的問題類似，其解決方法也類似，此處不再贅述。

中壓并汽門的作用是在中壓蒸汽達到一定壓力后控制中壓過熱蒸汽與冷再的蒸汽進行合并，隨之進入再熱器進行加熱。由于并汽過程比較復(fù)雜，既要保證并汽的平穩(wěn)性，保持壓力的穩(wěn)定，保持水位的穩(wěn)定，而且還要提高并汽的效率，避免過熱蒸汽的浪費，所以并汽閥的控制在整個機組啟動過程中是一個難點。水位的波動應(yīng)該反映整個熱力系統(tǒng)對于給水量的要求，但是并汽門突然的開啟和關(guān)閉所弓I起的中壓汽包的壓力劇烈波動會導(dǎo)致中壓汽包出現(xiàn)嚴重的虛假水位。這種現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，中壓的水位就很難控制住，因為此時的水位已經(jīng)不能真實反映系統(tǒng)對于給水量的需求。解決這一問題的方法就是優(yōu)化并汽門的控制，減少中壓蒸汽的壓力波動。于是在并汽門控制改進過程中，著重對并汽門前后的壓力差進行幅度限制，防止并汽門的突然開啟和關(guān)閉。

經(jīng)過這兩方面的優(yōu)化，中壓汽包水位的控制效果已經(jīng)達到了正常機組運行的要求。

3機組汽包水位的變化結(jié)果

圖3所示是該機組在一鍵啟動過程中機組汽包水位的變化曲線。

從圖3中可看出，轉(zhuǎn)速和負荷曲線均較為平滑，而汽包水位波動則比較劇烈，但均在可控范圍之內(nèi)。其中，高壓汽包水位最高-112mm，最低-352mm，正常水位-250mm:中壓汽包水位最高-86mm，最低-213mm，正常水位-150mm。

4結(jié)語

通過對機組實際運行經(jīng)驗的總結(jié)，我們對于燃氣聯(lián)合循環(huán)機組的汽包水位控制基本上采取了常規(guī)火電機組單/三沖量控制方法，但是由于此類型機組熱力系統(tǒng)自身的特點，也加入了一些特殊的方法，有針對性地改進了其在機組運行過程中出現(xiàn)的問題，達到了滿意的效果。

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