给水自动控制系统在低负荷阶段的调节方法

　　摘 要 低负荷阶段的给水自动调节一直是实现火力发电机组全程给水自动控制的一个难点。本文分析了某发电机组的全程给水自动控制系统，着重研究了这一系统中各个受控对象之间的相互影响和相互作用。针对原系统中汽包水位调节过程与给水泵出口压力调节相互耦合的问题，并从解耦控制和重新构造调节系统的角度探讨了解决这一问题的方法和途径。

　　关键词 全程给水控制,安全特性,解耦控制

　　在大型火力发电机组汽包锅炉全程给水控制中，由于机组在高、低负荷下具有不同的对象特性，一般控制系统采用单冲量控制、三冲量控制等变结构控制方法。给水系统一般采用经济性极佳的变速给水泵，如具有液力耦合器的电动给水泵、汽动给水泵等。这样还需要采用一套调节系统，来保证给水泵工作在安全区域。

　　对于两段式给水系统，机组在高负荷状态下运行，给水母管上的阀门全开，无截流损失，全靠给水泵调速控制给水流量。这使给水泵能够很好地工作在安全区域内。而机组启动及低负荷运行时，给水控制系统一般通过30%旁路调节阀控制汽包水位。为了保证调速泵工作在安全范围内，要保持泵出口压力与给水流量相对稳定。通常保持30%调节阀两侧差压为恒定值，这样保证了给水泵出口压力与给水流量的对应关系。因此在全程给水控制系统的低负荷控制阶段，存在着以调节阀门行程为手段的汽包水位控制系统和以调节给水泵转速为手段的给水泵出口压力控制系统，这两套系统相对独立工作，共同起作用。

　　这里低负荷阶段是指从给水泵启动起直到锅炉负荷为30%止。

　　1 给水泵安全特性分析

　　给水泵的安全工作区如图1.所示，它由泵的上限特性、下限特性、最高转速Nmax和最低转速Nmin围成。从图中可以看出，决定给水泵安全特性的三个量分别是泵出口压力，泵流量和转速。给水泵的最高转速和最低转速一般在泵的控制和保护系统中得到约束。保障给水泵在安全特性区域内工作，主要是保证泵出口压力与泵流量的对应。

　　给水泵启动时，为了保证它运行在安全特性曲线的下限之上，必须打开泵出口的再循环门以保证通流量，这样在相同的泵出口压力情况下，可使泵进入安全工作区。在锅炉负荷较大时，泵流量较大，为不使给水泵超出安全工作区的上限，需要适当提高泵出口压力。但如果给水泵选型合理，这种情况很少出现。

　　保证给水泵在安全区域内工作，一般通过调整泵的转速来实现。但当给水泵接近最低转速Nmin时，继续采用降低转速的方式来调节给水泵出口压力和流量是行不通的了。这时需要通过关小给水调节阀以改变给水通道阻力的方式来保持给水泵工作在安全区内。同时采用调整泵转速和调整给水调节阀来实现给水控制，增加了自动控制系统的复杂性，为锅炉低负荷下给水自动控制的实现带来了难度。

　　2 全程给水控制系统在低负荷阶段的控制方法及其改进

　　给水系统采用两段式，低负荷阶段由勺管调节转速的电动给水泵上水，给水经过30%旁路调节阀AA012段。泵出口最小流量循环阀采用机械浮筒式结构，自动调节，不需要人工控制(以汽动给水泵启动给水系统时，方法相同)。控制系统采用CONTROL P集散型控制系统，可满足当前绝大部分控制算法需要。

　　2.1 全程给水自动调节控制系统分析

　　在机组低负荷运行阶段，整个全程给水控制系统由单冲量汽包水位调节系统和给水泵出口压力调节系统组成。锅炉汽包水位调节系统通过30%给水旁路阀AA012调节水位。汽包水位目标值Hsp由运行人员手动设定，一般为-20mm左右。实际水位测量值H为补偿后的实际水位。当H与Hsp存在偏差时，单冲量调节器PI1控制调节阀AA012为汽包上水，减小直到消除偏差，使水位保持正常。

　　与此同时，调节阀AA012的变化改变了阀前后差压ΔP(ΔP=Pb-Pf，Pb为调节阀后压力)给水泵出口压力调节系统开始工作。该系统是一个单冲量串级调节系统，主回路为差压调节，调节器为PI2。副回路为给水泵转速调节系统，调节器为PI3。该调节系统的作用主要是保持调节阀AA012前后差压在ΔP0(ΔP0为系统预设定值)。调节阀前后差压ΔP0=constant(常数)时，得到调节阀的调节特性为理想流量特性。

　　2.2 该控制系统存在的问题

　　汽包水位调节系统和给水泵出口压力调节系统由于存在相互耦合、相互影响，实际上并不能稳定工作。锅炉在低负荷运行时，汽包水位处于不断的波动中，这使得30%旁路调节阀AA012不断动作，以保持实际水位H稳定在Hsp上。AA012的变动导致了阀门两侧差压ΔP的改变。为了保证ΔP稳定于ΔP0，调节系统又不断的调整泵的转速S，从调整泵的转速到ΔP最终稳定于ΔP0有一个时间滞后的过程，这使得泵出口压力达到稳定的调节时间要长于汽包水位达到设定值的调节时间，泵出口压力调整过程结束时将对汽包水位产生一个新的扰动。如此反复将使得这两个调节系统深度耦合。

　　下图是两个调节系统相互耦合的方框图。

　　G11时调节阀AA012行程l对汽包水位H的开环传递函数;

　　G12是行程l对阀前后差压ΔP的开环传递函数;

　　G21是给水泵转速S对汽包水位H的开环传递函数;

　　G22是给水泵转速S对阀门前后差压ΔP的开环传递函数，它包含有时间延迟环节。

　　这个方框图反映了给水系统的基本特性。应当采用解耦控制技术或者重构调节系统等方法来消除给水系统的这一耦合特性对调节系统的影响。

　　2.3 改善这一全程给水自动控制系统调节品质的措施

　　针对给水系统的这种耦合特性，应当设计一个计算网络，用它去抵消两个调节过程的耦合影响，实现两个调节系统的真正独立工作。在这里采用设计对角矩阵法进行解耦控制。这样得到了两个互不相干的调节系统，使得阀门行程l对汽包水位H的开环传递函数为G11(s)，给水泵转速对调节阀前后差压ΔP的开环传递函数为G22(s)，汽包水位调节器仍为PI1，给水泵出口压力调节器仍由PI2和PI3组成。根据给水系统解耦后的传递函数特性，重新调整各个调节器的参数，使两个调节系统独立工作。经调试后证明，这两个调节系统在解耦后能过独立、稳定的运行，基本满足设计及运行要求。但是解耦后系统带宽降低，鲁棒特性不甚理想，同时经过系统辨识得到的传递函数的准确性也影响控制系统的调节精度。这样可以考虑重新构造调节系统。

　　2.4 采用新的控制策略，改善系统调节品质

　　有鉴于解耦后的调节系统带宽降低，调节品质不甚理想的特点，现在重新调整控制策略，以期望在保证系统稳定性的情况下，尽量提高系统的调节品质。

　　新的控制系统仍旧采用两套调节系统。汽包水位调节系统采用单冲量、串级调节，在未增加外界新的测控信号的情况下，保证了汽包水位调节的快速有效，也使得泵出口压力快速跟随给水流量变化，保证了给水泵的安全运行。这两套调节系统的调节带宽增加，品质改善，而且相互耦合作用十分微弱，便于调节器参数的整定。

　　3、 结论

　　在火力发电机组的控制系统中应用上述两个控制策略，它们都能够使全程给水控制系统在低负荷运行阶段达到调节目的，满足运行规程的要求。全程给水控制系统在给水泵自动启动过程中投入自动状态，它在整个低负荷运行期间可靠运行。在机组稳定运行及正常升降负荷过程中，汽包水位波动范围为±12mm，负荷快速波动时的水位最大偏差为±55mm。在低负荷条件下，全程给水控制系统的成功投入，为它最终实现全程给水调节的目标提供了保障。

　　参考文献

　　[1] 金以慧，过程控制， 清华大学出版社，2003

　　[2] 刘吉臻主编，协调控制与给水全程控制，水利电力出版社，2005

《给水自动控制系统在低负荷阶段的调节方法》

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