火力发电厂给水泵再循环控制系统优化研究

苏晋朔州煤矸石发电有限公司 陶 丁 西安热工研究院有限公司 郝德锋

在火力发电厂中，水资源一直处于导向地位，但是随着水资源的不断使用或浪费，可用的水资源在逐渐减少，因此，绝大部分火力发电厂面临着水资源严重短缺的现状，这种情况又对火力发电厂的发展有了一定的负面影响。为保证火力发电厂对国家的经济发展发挥一定的积极影响，国内许多相关企业陆续引入技术以保证水资源的富足。

在火力发电厂的运转中，给水泵是构成以安全可靠为基础运行机组的给水系统的一部分，因此，为保证机组在不同时间阶段以及负荷不一的情况下，所制定的策略必须以可靠性、低耗能性为原则。但因现场操作人员的技术与认知不统一，造成制定相关策略时埋下潜在的风险，这将直接影响给水泵是否能正常运转。另外，由于低负荷状态下给水泵再循环阀门被操作人员手动打开，在一定程度上造成了能源的浪费。因此，就以上给水再循环系统存在的种种问题，需要对给水再循环系统进行全面研究分析，旨在解决给水再循环系统中出现的种种问题。

文章就国内某一火力发电厂的事故问题进行分析，并进一步提出优化策略，旨在为之后的研究具有一定的启发。

1 给水系统运行中存在的问题分析

某火力发电厂机组的循环水泵控制系统，是与主设备配套的早期产品，利用继电器组成控制逻辑，实现循环水泵的起、停控制及报警功能，利用温度控制装置和记录仪表完成泵和电机温度的监控，回路设计复杂[1]。

该火力发电厂的控制循环系统当中，循环水泵将水塔水池里的冷水打到汽轮机的凝汽器，经过凝汽器后冷水变成热水，热水被送到晾水塔冷却，然后存在水池里等待下一个循环。循环水泵系统有功率为2850千瓦的水泵两台，配有功率为3200千瓦的驱动电机两台。辅助设备有循环泵润滑油泵四台、轴封泵两台、出口门等各种水门八台、加热器两台、冷却风机两台和电磁阀两台，需要控制的设备共有二十二台。其中，轴封泵和润滑油泵是循环泵的辅机，冷却风机和加热器是润滑油泵的辅机，其他各种水门构成管网的阀门。

在2013年十月份中旬，该火力发电厂因其汽动给水泵再循环阀自动控制系统不正常；又因机组操作人员技术掌握不佳、操作时机把握不好；与此同时，水系统机组在低负荷运行时，其内部阀门未能最大限度开启，导致水系统受到一定的干扰，由此造成了机组停机事件。该次机组停机事件开端，锅炉内燃烧工况发生突变，导致汽包水位出现80毫米上升的较大波动。

为改善水位突变这一情况，两台汽动给水泵在PID 调节系统的控制下迅速使转速降低，从而达到降低水位这一目的，但这种PID 调节系统致使给水前置泵中水流量小于规定值导致主要给水流量下降；之后，因操作人员对上述问题干预不成功，导致随后汽包水位又迅速出现近四百毫米下降变动，最终出现了机组跳闸这一状况。

以上问题，是国内大多数火力发电厂经常出现的事故，同时也指明了如今大范围火力发电厂所共同面对的技术难题—给水泵再循环系统的优化改善。

2 原因分析

在给水泵运行过程中，其负荷一般受机组负荷的影响。在机组开启、闭合以及在低负荷量运转时，由于给水泵中水流量流速较低，致使水泵被摩擦产生的热量无法及时散失，从而机组产生汽化现象（又称汽浊），导致机组运转可靠性下降。因此，为杜绝上述状况的发生，需要设置给水再循环系统于除氧器箱口与给水泵出口之间。为保证在不同转速下给水泵都能工作在最小流量以上，谨防水泵汽蚀现象的出现，需要对给水泵再循环系统出现的问题进行原因分析[2]。

在国内各大火力发电厂内，PID 自动调节控制系统一般是首选的给水泵再循环系统。在该系统中，给水泵转速函数影响着调节器固定值的设定。其中，控制量为给水泵实时水流量与规定值之间的差量，从而使给水泵再循环阀门的开度能得以有效调节。在出厂调节期间，由于对规定值未能进行合适选取，导致PID 自动调节系统不能进行正常运作。

由于给水再循环系统内部存在诸多问题，导致机组停机事件时有发生。由于汽包水位短时间内快速升高，锅炉内部给水系统应该使给水泵转速降低，有效保障给水泵水流量能在极短延时内降低到规定值以及给水泵再循环阀门能最大限度开启，但由于阀门全开启，致使锅炉给水流量快速降低以及汽包水位的下降，最终触发了主燃料跳闸。通过研究表明，PID 自动调节系统不能正常投运的原因主要有以下几条：

当给水再循环阀门开启及闭合刹那，一般会发生给水泵再循环阀门跳跃的状况。导致该现象出现的主要原因，是阀门开启刹那给水泵内流水量猛然增加，该流量相较于转速函数，显然是大于所规定的数值，之后阀门又通过调节器突然关闭、给水量小于所规定的数值。当阀门开启、闭合操作重复多次时，将对阀门造成严重损坏。

给水泵再循环阀门超驰打开至最大限度（100%）时，将较大幅度扰动给水系统的可靠性。在以往的给水再循环系统控制策略中，以低给水量时自动响应PID 调节器的最大限度控制为核心，其目的在于将再循环阀门最大限度（100%）打开。机组在低负荷运行情况下，其给水流量显然很低，此时如果将给水再循环阀门最大限度打开，将直接导致除氧器中流入大量经过再循环阀门的给水，致使外部给水量大幅度降低，难以满足锅炉上水量的需求。

给水泵再循环阀门最大限度开启与PID 自动调节策略在时间上未能实现高度配合。以往所制定的给水泵再循环控制策略的目的为：给水泵中水流量低于规定值时，PID 自动调节器打开给水泵再循环阀门。当系统受到较大干扰时，PID 调节器控制给水量，使之低于再循环超驰开启所规定的数值，以便于阀门能最大限度开启，这种情况导致再循环阀门超驰开启相较于PID 自动调节动作较快，使得PID 自动调节器动作失常[3]。

在原有的给水再循环控制策略中，当PID 自动调节器输出小信号时，会对给水系统造成一定的影响。当给水泵再循环系统运转在压差较大的情况下，阀门开度过小则易引起自身损坏的现象。基于此因素，机组运行时阀门开度不得低于规定的定值，因此需要消除PID 自动调节器所输出的调节器的影响。

未能将给水泵的转速与规定的最小流量函数间的关系处理恰当，导致无法正确反映给水泵的实时状态。

由于之前的技术及其设计水平的限制，未能将多个流量变送器应用于给水流量测量。

变送器由自动切换至手动时没能考虑一定范围的延时，导致正常运转过程中变送器无故退出运行，以至于当系统受到较大的扰动时，变送器测量值或许发生超出量程以及瞬间异常现象，若此时将自动调节转换为手动调节，对操作人员的生命安全将造成一定的风险。

上述几项是导致原有控制系统无法正常投运的原因，也是造成该火力发电厂机组停机的导火索。

3 水泵再循环控制系统不同控制策略的对比

为使给水系统能够可靠运作，需要在热控系统中引入给水再循环系统[4-5]。该项系统经历了时间的推敲，如今逐渐趋于三个类别：第一类是规定值启闭开环控制系统，第二类是同滞函数开环控制系统，第三类是PID 闭环调节系统。在前文的叙述中，PID 控制策略已为读者所理解，因此后文不再多加赘述。下文将对前两种控制系统加以介绍并进行优缺点对比。

3.1 规定值启闭开环控制系统

给水泵再循环规定值启闭的开环控制系统的工作机理可概括为以下：当给水量高于所规定的数值时，给水泵再循环阀门闭合；反之，其最大限度开启。其规范值的设定一般受给水泵最大转速的影响。在机组低负荷运转这一情况下，给水泵具有较低的转速，则最小给水水流量明显偏小，此时规定值的设定应当偏高。为此，在机组低负荷运转时，操作人员为防止能源的浪费应该提前打开再循环阀门，但这会增加其操作风险。

3.2 回滞函数开环控制系统

同滞函数开环控制系统是一种比较基本的给水泵再循环控制策略，与前述控制系统相同，该系统亦不能使给水泵的优势最大限度发挥出来，也不能降低在给水水流量较小的情况下再循环阀门受损的程度。

3.3 三种给水泵再循环阀控制策略优劣比较

前两类控制系统的参数设定均是按照给水泵额定转速为边界条件的。当机组处于低负荷运行或深度调峰的状态时，规范值的设定一般都偏高，若前两类控制策略处于自动运转的状态，则致使给水泵再循环阀门将反复启闭，这在影响给水控制的正常运作的同时，对阀门的损害程度将大幅度上升，最为关键的是能源被浪费。基于以上劣势，一般新型机组大多不选取前两种控制策略。为此，应运而生的PID 闭环调节系统能有效改善传统控制策略劣势，逐渐被大型机组所采纳。

4 给水泵再循环系统优化控制策略

正如上文所述，PID 系统虽能改善以往的劣势，但仍然无法实现全面化自动控制，为此需要对给水泵循环系统进行更加规范的优化。

4.1 PID 闭环调节优化系统

本策略的主要控制要点在于：当给水泵满足安全运行的基础上，给水泵再循环阀门的开启次数应该尽量偏低。这种控制要点能有效减少再循环阀门对主给水的影响。同时，该策略能有效提高系统安全性，也避免了再循环阀门的启闭导致的能源浪费以及对给水系统造成的扰动。

其控制步骤如下：当给水前置泵流量高于最小流量的规定倍数时，由PID 调节器直接进行控制；在给水前置泵流量进一步降低到超驰打开定值并经过十秒的延时后，给水再循环阀门将以50%的超驰开启；当给水前置泵水流量严重告急时，保护动作将给水再循环阀门最大限度开启。

本控制策略是根据水泵的转速从而确定以上三层次的流量控制规定值，这种操作能保证给水泵可靠运作的同时，也能对给水泵的安全有所保障，另外能够降低机组低负荷运转时的耗能。

其具体实现主要包括以下环节：死区控制设计入PID 定值回路。因在调节器输出值低于15%时给水泵再循环阀门处于闭合状态，当阀门打开时其输出值瞬间高于15%，如果此时对定值回路没能进行有效控制，阀门将在开启和闭合间反复跳跃，从而对给水泵极易造成损坏，从而对给水系统造成影响；在给水前置泵运行时，将再循环阀门控制回路加入其中；为保证控制系统能全程高效运作，杜绝短时间干扰造成自动退出这一现象，需要将一定延时考虑在内。

4.2 PID 闭环优化调节系统控制效果

PID 优化系统改善了传统控制策略劣势，提高了给水系统的调节性能以及安全性能，另外能有效降低操作人员的干预。此外，在优化后的PID 系统中，由于相关规范值的设定需要贴合给水泵转速函数，因此能使给水系统运行范围得以扩大化，其表现在调节器输出值高于15%时再循环阀门无需开启，只需其输出值低于50%时再循环阀门开启，从而有效降低能耗。

综上，本文就某一火力发电厂的事故问题进行原因分析，并就传统的三种控制系统加以比较，从而提出了最为先进的PID 控制系统策略。PID 优化控制策略经验证是可靠且低耗的，在未来的发展中将会有越来越多的火力发电厂将之应用于实践，其前景亦是可观的。