智慧电厂干货｜APS导引的锅炉给水一键启停控制

北极星火力发电网讯:火电燃煤机组的锅炉给水系统可以“一键启停”吗？当然可以。本文介绍的就是这样一套由APS（APS-Automatic Procedure Start-up／Shut-down）导引的全自动程序控制锅炉给水系统，1999年在国内600MW等级机组上开始运用，效果嘛，当然的好。控制水平可以做到“投后不管”，亦即机组启动前把给水系统管控的设备，做好启动准备，控制方式无论开关量还是模拟量全部投入“自动”，后面的事情，就都是DCS的事情了。

一、 锅炉给水系统概述

1 、 设备配置及控制分级分组

通常，300MW及以上火电燃煤湿冷机组绝大多数锅炉给水系统配备两台汽动给水泵和一台电动给水泵。本文讨论的600MW等级机组汽动给水泵单台容量50%MCR，额定转速5260rpm，流量1278 t/h，用于机组正常运行，一台25%MCR容量液力偶合器调速电动给水泵，额定最高转速5250rpm；流量660 t/h，主要用于在机组启、停阶段。三台给水泵都能够通过转速调节给水流量控制锅炉汽包水位，汽动给水泵由调速型汽轮机驱动，给水泵汽轮机配备电液控制装置（MEH）。电动给水泵有两种流量调节方式，液力偶合器调速和给水调节阀节流。电动给水泵出口有按“一二一”方式布置的两条给水管路去给水母管，一条为电动给水泵主给水，见图1的⑤，另外一条为给水大旁路，见图1的④，给水大旁路上安装有调节阀。

图1 锅炉给水系统图

锅炉给水控制系统合计管控37台套设备，其中给水系统17台套以及汽动给水泵小汽机蒸汽与润滑油单元的20台套设备（详见图5）。给水系统自动控制分组见图2、图3、图4，包括7个顺序控制单元，4套成组联动，2组自动联锁和9个模拟量自动调节回路，前置泵暖泵阀为远方手动操作。给水顺序控制为系统级设计，汽动给水泵小汽机蒸汽与润滑油顺序控制设计为单元级，为汽动给水泵小汽机专属配置。

图2 给水系统控制分级分组

图3 汽动给水泵小汽机蒸汽系统控制分级分组

图4 汽动给水泵小汽机润滑油系统控制分级分组

2 、 给水泵启停概述

机组启动初期，APS“机组辅助系统启动”（UNIT START PREPARATION）阶段发出指令，电动给水泵首先投入运行，实发负荷＜75MW之前，给水流量相对较低，液力偶合器定速，锅炉给水走大旁路，使用给水调节阀调节给水流量。机组负荷升高＞98MW或给水调节阀开度＞90%，液力偶合器调节电动给水泵转速控制给水流量，锅炉给水走主给水。机组负荷20%ECR第一台汽动给水泵投入，电动给水泵解列、停运，21%ECR负荷第二台汽动给水泵并列。APS导引机组停运过程中，目标负荷＜25%ECR解列第一台汽动给水泵， APS “机组降负荷”（LOAD DOWN）阶段再次启动电动给水泵，目标负荷≯22%ECR电动给水泵并列、第二台汽动给水泵解列，电动给水泵置换汽动给水泵，两台汽动给水泵采用后投先退的顺序解列、停泵。

表1 机组启动电动给水泵单元设备状态表

图5 汽泵小汽机蒸汽与润滑油系统

3 、 本文的专用术语

1）给水泵已启动：给水泵组已经运行，但还没有向给水母管供水，通过出口最小流量阀去除氧器，再经除氧器下降管回到给水前置泵入口，形成闭路循环。

2）给水泵并列：给水泵已启动，出口电动门已经打开，向给水母管供水，关闭最小流量阀。

3）给水泵解列：给水泵组关闭出口电动门，打开最小流量阀，闭路循环，停止向给水母管供水，但给水泵仍在运行。

4）给水泵已经停止：给水泵解列后，停止运行（电泵分闸、汽泵小汽机打闸）。

5）给水泵排出流量：给水泵入口流量减去再循环流量（最小流量阀流量），进入给水母管的给水流量。

4 、 控制功能

APS导引下的机组启动或停止，锅炉给水系统启、停操作相对较多。APS导引启动机组 “机炉辅助系统启动”阶段分布式主控器步序逻辑向锅炉顺序控制系统发出指令：启动锅炉给水系统（FEED WATER GR “ON”），由此开始APS对锅炉给水系统的控制。锅炉给水系统设备顺控启动的开关量操作在锅炉顺序自动控制系统中完成，给水流量调节由锅炉给水自动调节回路实现，两种不同特性的参数在控制过程中交叉互动。APS启动机组时导引锅炉给水系统的范围包括：① 电动给水泵的顺序启动和停止；电动给水泵定速大旁路调节阀调节；② 电动给水泵锅炉上水；③ 电动给水泵液力偶合器调速；④ 电动给水泵出口管路大旁路/主给水切换；⑤ 汽动给水泵的顺序启动；⑥ 汽动给水泵自动调节回路与给水泵汽轮机MEH控制信号认证互连；⑦ 汽动给水泵自动调节回路“自举纠偏”与定值平衡；⑧ 给水泵汽/电切换；⑨ 汽动给水泵的并列。APS停止机组时，第一阶段“机组降负荷”（LOAD DOWN）分布式主控器步序逻辑发出指令：启动锅炉给水系统（FEED WATER GR ON）。锅炉顺序控制系统和模拟量调节系统控制的范围包括：① 汽动给水泵的解列；② 汽动给水泵的顺序停止；③ 电动给水泵的顺控启动和停止；④ 电动给水泵液力偶合器调速；⑤ 电动给水泵调节回路“自举纠偏”与定值平衡；⑥ 给水泵电/汽切换；⑦ 电动给水泵出口管路主给水/大旁路切换；⑧ 电动给水泵定速大旁路调节阀调节。

5 、 自动调节回路

锅炉水位自动属于模拟量调节（MCS），给水系统顺控归属锅炉顺序控制（SCS），APS对给水泵的启、停、并列、解列、切换直接进行导引。APS的锅炉给水实现了全工况自动控制和调节，APS、SCS、MEH和MCS相互之间结成一体、随机互动。基础逻辑和回路设计与常规SCS、MEH和MCS有很大不同，许多控制方法和实现的功能也是常规SCS、MEH和MCS所不具备的。在应用方面，APS理念下的锅炉给水自动调节具有更高的自动化程度和安全性能。

锅炉汽包水位调节采用典型三冲量信号，汽包水位压力补偿、给水流量温度修正、主汽流量经“弗莱格尔”函数变换汽轮机复速级压力得出。锅炉给水调节系统采用三级串级PID调节，包含汽包水位调节器、给水调节器（Master）和给水泵（电动给水泵、A汽动给水泵、B汽动给水泵）PI转速调节器，汽包水位调节器是给水自动调节回路顶层的校正调节器，输出汽包水位给定信号，作用于锅炉给水自动调节的大环校正。给水调节器共有三套，分别为电泵定速给水调节门PI调节、单冲量给水泵变速调节和三冲量给水变速调节。三冲量给水自动调节是给水自动调节回路的主调节器（Master），在三冲量主调节器的入口综合了锅炉汽包水位、给水流量和蒸汽流量等输入信号，运算后输出给水流量给定信号。两台50%MCR容量汽动给水泵和一台25%MCR容量电动给水泵的给水流量调节，各由一个给水泵转速PI调节器作为给水调节回路的副调节器，构成给水自动调节的内回路，给水Master调节器输出作为给水泵转速PI调节器偏差给定信号（SV SET），给水泵给水流量（DISCH.FLOW）信号作为给水泵转速PI调节器输入偏差的过程信号（PV）。给水泵排出流量（DISCH.FLOW）等于给水泵入口流量（SUCT FLOW）减去给水泵再循环流量的差值。给水泵再循环流量即通过给水泵最小流量阀返回除氧器的流量，利用给水泵最小流量阀开度经给水泵出口压力补偿后计算得出。

锅炉给水自动全部调节回路都采用“三态式自举纠偏无扰投自动”的功能（原理另文中详细介绍）设计，无需人为干预就能够完成调节回路从手动转为自动。纠偏过程中对于过程信号的监测、设备和系统工况的认知以及对控制方式的选择、决策完全依靠DCS来实现。自举纠偏控制策略能够在机组启动过程中自动地完成电动给水泵与汽动给水泵的并列、解列和切换，第二台汽动给水泵与第一台汽动给水泵的并列，在机组停运过程中自动地实现电动给水泵与第二台投运汽动给水泵的并列、解列和切换，以及第一台汽动汽动给水泵的解列退出。给水泵自动并列、解列是一套复杂的自动控制过程，需要汽包水位调节器和给水主、副调节回路密切协同，给水泵并列、解列的发起和结束与SCS、MEH和APS都有直接关联。

图6 锅炉给水自动调节原理图