燃气联合循环机组汽包水位控制系统的特点

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摘 要：燃气联合循环机组的汽水系统复杂性导致了汽包水位控制成为整个机组控制模拟量控制的难点。文章通过对燃气联合循环机组汽包水位控制的分析，并结合机组运行过程中出现的问题，讨论了该类型机组汽包水位控制的特点，同时提出了有效的解决办法并取得了良好的控制效果。

关键词：燃气联合循环；汽包水位；余热锅炉；控制系统

中图分类号：TK316 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）07-0024-03

0 引 言

某电厂燃气蒸汽联合循环机组的配置型式为：1台燃机+l台汽机+1台发电机+1台余热锅炉。余热锅炉为三压、再热、无补燃、卧式、自然循环余热锅炉。凝结水在经过低压省煤器之后进入低压汽包，一部分炉水直接加热为低压过热蒸汽进入低压缸，另一部分炉水经过中压给水泵和高压给水泵分别进入中压和高压加热系统，加热为中压过热蒸汽和高压过热蒸汽。

1 汽包水位控制

图1为本文所研究机组的汽水流程图。汽包水位是机组运行参数中重要的一个监控对象。汽包水位过高，会影响汽水分离效果，使蒸汽带水；汽包水位过低，会影响汽水循环，甚至干锅。汽包水位控制系统的任务就是维持锅炉汽包水位为设定值，实现全程水位自动控制。某电厂给水系统有三个压力等级：高压给水泵采用液力耦合泵，并配置有旁路调节阀门，所以高压给水系统在机组启动过程中采用主路电动门关闭、旁路调节阀门开启的方法来控制高压汽包水位。当高压蒸汽流量超过40 t/h时，旁路调节门全开，主路电动门全开，高压汽包水位通过勺管开度来实现调节。中压和低压给水泵都采用定速泵，直接用节流阀门来控制汽包水位。三个压力等级的水位控制都采用单/三冲量控制方法，利用各压力等级的蒸汽流量的大小作为单/三冲量控制的切换条件[2-5]。

图1 机组汽水流程图

2 燃气联合循环机组的汽包水位控制

燃气联合循环机组的热力系统特点决定了该类型机组汽包水位的控制也有其自身的独特之处。

2.1 汽包启动水位的确定

汽包水位作为电厂自动化控制的一个重要控制目标，汽包水位控制的效果也是实现整个电厂的自启停功能能否实现的一个关键。既然要实现电厂的自启停，汽包水位就要实现从启机前的准备到满负荷的全程自动控制，而汽包启动水位的确定便成为一项重要工作。联合循环机组的升负荷比较快，导致余热锅炉的压力、温度提升速度很快。由于压力和温度的变化，会引起汽包虚假水位，因此在机组启动阶段，汽包的虚假水位非常严重。如果按照正常运行值调节水位，水位会无法控制，经常的结果会引起机组跳闸。所以在启动阶段，水位的定值应比正常运行值低50～100 mm。在膨胀结束之后，锅炉受热面继续受热就会产生蒸汽，如果这时不给锅炉补水，就会使得汽包水位降低，也就是说汽包膨胀后的水位才是汽包水位控制的一个基本起始点。如果启动水位确定不当，就会使汽包水位波动加大，水位控制难度增加，从而影响汽包水位控制的效果，影响整个机组的平稳启动。为了能确定汽包的膨胀程度，我们专门为三个汽包做了汽包膨胀试验。过程如下：启机之前，先将汽包水位控制在一定数值，然后将汽包水位调节阀门关闭，将所有影响汽包水位的放水阀关闭。在机组点火之后，汽包水位会不断升高直到一个最高点，观察汽包水位变化实时曲线，记录汽包水位最高点，然后根据汽包水位最高值及汽包水位起始数值计算出汽包水位的膨胀数值。在得到汽包水位膨胀数值之后，就可以用零水位减去汽包水位膨胀数值得到汽包的启动水位，将汽包启动水位作为汽包水位控制的初始设定值，在机组点火之后再将汽包水位设定值按照一定速率慢慢增加至零水位。这就会使整个过程汽包水位的控制变得更加平稳，不会因为汽包水位的膨胀而使水位波动加剧，从而有利于整个电厂的全自动启动。其汽包水位设定曲线如图2所示。

图2 余热锅炉汽包水位设定值曲线

2.2 热态启机时的高压汽包水位控制

本类型机组具有启动速度快的优点，所以，在整个电网中，担任调峰任务的机组基本上每天都要进行启停操作。当天的启停通常会使机组在热态或者极热态状况下启动，机组在热态或极热态情况下启机，高压系统压力很高，汽包压力大于6 MPa，高压主蒸汽压力大于6 MPa，高压旁路阀很早就进入最小压力控制模式，高压旁路阀快速地打开和关闭，使得高压汽包水位波动很大。另外，高压旁路阀的开关引起高压蒸汽流量的变化，使得高压给水主旁路来回切换，高压水位的调节在单冲量和三冲量之间来回切换。这种情况下，由于汽包水位的急剧变化，忽高忽低，已经失控，只能通过运行人员手动干预，如果措施不急时，很容易造成跳机。综合分析热态启动时的情况，其原因主要有以下两点：一是高压汽包压力高，高压旁路阀的快速动作对高压汽包的水位影响很大。在热态启动时，由于机组停机时间短，汽机和锅炉仍然保持着很高的温度，高压汽包压力依然保持得很高，高压主蒸汽如此高的压力使得高压旁路阀很快进入最小压力控制模式。为维持高压主汽门前压力稳定，高压旁路阀很快打开，在高压旁路阀打开后高压主蒸汽的压力下降很快，高压旁路阀为维持压力稳定随后迅速关小。在整个过程中，高压旁路阀的动作速率是很快的，高压旁路阀的快速动作使高压汽包的压力变化也很大，最终导致高压汽包的水位大幅度的波动。二是高压旁路阀的快速开关引起高压汽包蒸汽流量的变化，使得高压给水主、旁路来回切换，高压水位的调节模式在单冲量和三冲量之间来回切换。当高压汽包蒸汽流量超过60 t/h时，高压水位切至主路，高压水位调节切换至三冲量调节，这时候高压汽包的水位还处在高位，并且还在上升中，液力耦合泵转速降低。在高压旁路阀关闭之后，水位急剧下降，高压汽包蒸汽流量也随之减小。当流量减小至40 t/h时，给水主路和旁路又进行了一次切换，这样的反复切换会使得水位不断地大幅波动。

解决这一问题的方法就是给水主旁路切换条件中添加机组并网信号，因为正常情况下机组在未并网之前蒸汽流量不会达到切换值，除非由于高旁的快开导致蒸汽流量会突然跃升至切换值，添加这一条件后高旁的开启就不会引起水位控制方式的频繁切换。另一个补充的方法就是对汽包水位采取变参数控制方法，针对汽包水位在不同启机状态下所表现出的不同的变化过程，对基本的PID控制参数采取变参数方法来完善控制过程，在热态情况下可以放缓PID调节过程，防止控制过程出现振荡。

2.3 中压汽包水位的控制

中压汽包由于其在整个热力系统中所处的位置，其水位变化的情况最为复杂。中压汽包所产生的蒸汽通过中压过热器与冷再段来的蒸汽汇集后进入中压再热器，然后到达中压缸和中压旁路。这一过程中任何一点的压力变化都会对中压汽包的水位造成影响，而且中压汽包容量非常小，其直径仅为1 600 mm，水位可波动范围小，如果控制不当，很容易造成水位超限跳机。尤其是在机组启动过程中，高压旁路和中压并汽调节门的动作都会引起中压过热器出口压力的变化，中压汽包水位很容易造成波动。从机组汽水流程图可看出，中压汽包水位控制因为影响因素较多，已经不能通过简单的三冲量水位控制方法来达到控制效果，必须从多方面考虑，充分认识各个影响因素，从源头抓起，把这些影响降低到最低，从而稳定住中压汽包水位。

高压旁路在启机过程中为了维持机前压力，会在高压过热蒸汽压力上升过程中开启，并且随着压力的继续上升会逐渐关闭。在这一过程中，中压过热器出口压力会受到其影响出现异常波动，它的后果就是引起中压汽包的虚假水位，造成中压汽包水位的波动剧烈，而且不易控制。对于这一现象与高压汽包出现的问题类似，其解决方法也类似，此处不再赘述。

中压并汽门的作用是在中压蒸汽达到一定压力后控制中压过热蒸汽与冷再的蒸汽进行合并，随之进入再热器进行加热。由于并汽过程比较复杂，既要保证并汽的平稳性，保持压力的稳定，保持水位的稳定，而且还要提高并汽的效率，避免过热蒸汽的浪费，所以并汽阀的控制在整个机组启动过程中是一个难点。水位的波动应该反映整个热力系统对于给水量的要求，但是并汽门突然的开启和关闭所引起的中压汽包的压力剧烈波动会导致中压汽包出现严重的虚假水位。这种现象一旦出现，中压的水位就很难控制住，因为此时的水位已经不能真实反映系统对于给水量的需求。解决这一问题的方法就是优化并汽门的控制，减少中压蒸汽的压力波动。于是在并汽门控制改进过程中，着重对并汽门前后的压力差进行幅度限制，防止并汽门的突然开启和关闭。

经过这两方面的优化，中压汽包水位的控制效果已经达到了正常机组运行的要求。

3 机组汽包水位的变化结果

图3所示是该机组在一键启动过程中机组汽包水位的变化曲线。

图3 机组在一键启动过程中机组汽包水位的变化曲线

从图3中可看出，转速和负荷曲线均较为平滑，而汽包水位波动则比较剧烈，但均在可控范围之内。其中，高压汽包水位最高-112 mm，最低-352 mm，正常水位-250 mm；中压汽包水位最高-86 mm，最低-213 mm，正常水位-150 mm。

4 结 语

通过对机组实际运行经验的总结，我们对于燃气联合循环机组的汽包水位控制基本上采取了常规火电机组单/三冲量控制方法，但是由于此类型机组热力系统自身的特点，也加入了一些特殊的方法，有针对性地改进了其在机组运行过程中出现的问题，达到了满意的效果。

参 考 文 献

[1] 梁朝，吴恒运.燃气-蒸汽联合循环机组自动起停控制系统（APS）的应用[J].热力发电，2009（10）：58-60.