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[摘 要]随着电力事业的发展，新建电厂要求机组的自动化程度越来越高，尤其在机组特殊情况下（如RB、FCB等），尽量减少操作员的操作，全自动控制使机组安全平稳的渡过这些特殊情况。本文通过给水控制对象的特性研究，设计出在FCB工况下给水控制系统的控制方案，并取得良好的效果。
[关键词]给水控制对象 给水控制系统 FCB 控制方案
中图分类号：T96 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）46-0378-02
[Abstract]With the development of the electric power industry， the new generation requirements more and more high degree of automation， especially in the unit under special circumstances （e.g.， RB， FCB， etc.）， try to reduce operator's operation， automatic control the generating unit smoothly and safely through these special cases. Through the study characteristics of the feed water control object， the paper designed the control scheme of the feed water control system under the FCB condition， and achieved good effect.
[Key words]the feed water control object the feed water control system FCB the control scheme
汽包水位是鍋炉运行中的一个重要监控参数，维持汽包水位是保证机组安全运行的重要条件，因此，给水控制系统的可靠性直接关系着机组的安全、稳定运行。
1 汽包锅炉给水控制系统的任务
使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中的水位保持在一定范围内，具体要求有以下两个方面：
（1） 维持汽包水位在一定范围内。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素。水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁的破裂。
（2） 保持稳定的给水量。给水量不应该时大时小地剧烈波动，否则，将对省煤器和给水管道的安全运行不利。
2 给水控制对象的动态特性
从上述物质平衡方程来看，加大了给水量G，水位应立即上升，但实际上并不是这样而是经过一段迟延，甚至先下降后再上升。
水位在给水扰动下的传递函数表示为：。
水位对象可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节并联的形式。
从上述物质平衡方程来看，蒸发量突然增加ΔD时，蒸发量高于给水量，汽包水位是无自平衡能力的，水位应该直线下降，但实际上是先上升后下降，存在“虚假水位”。
水位在蒸汽流量扰动下的传递函数为：
炉膛热负荷扰动下水位变化特性：
燃料量增加时，锅炉吸收更多的热量，使蒸发强度增大，如果不调节蒸汽阀门，由于锅炉出口汽压提高，蒸汽流量也增大，这时蒸发量高于给水量，水位应下降。但由于在热负荷增加时蒸发强度的提高，使汽水混合物中的汽泡容积增加，从而使汽包水位先升高，后下降。
根据给水控制系统对象动态特性，在蒸汽流量较小时采用单冲量给水控制系统，在蒸汽流量较大时，采用三冲量给水控制系统。
3 机组FCB工况时，影响汽包水位的因素：
（1） 给水流量
在机组FCB工况下，因汽泵汽源的切换问题，可能使汽泵转速瞬间降低，然后转速再慢慢恢复，期间给水流量波动剧烈，由最大的1900t/h瞬间到零，持续5秒左右，才慢慢恢复。
（2） 蒸汽流量
在机组FCB工况下，因汽轮机甩掉电厂外部负荷，汽轮机瞬间OPC动作，汽轮机调门全关，蒸汽通道瞬间堵塞，由调节级压力计算出来的蒸汽流量会瞬间降低很多，直到降为零；而高压旁路调节阀瞬间打开，由高压旁路调节阀的阀位换算的蒸汽流量瞬间达到最大；另外有可能因为锅炉侧的压力升高使锅炉侧的PCV阀联锁打开，蒸汽流入外界，因锅炉侧压力降低，PCV阀联锁关闭，蒸汽不再流入外界。由上述原因，蒸汽量变化剧烈，蒸汽量计算不准确，维持时间大约6秒左右。
（3） 汽包压力
在机组FCB工况下，因汽轮机调门的瞬间关闭，会使汽包压力瞬间升高到最大；高压旁路的瞬间开启，汽包压力在一定程度上降低；因锅炉侧压力达到PCV阀的动作值时，PCV阀联锁开启，汽包压力降低很明显，然后PCV阀联锁关闭。锅炉经过一段时间的定压运行后，由高压旁路阀控制进入滑压运行。由上述原因，在FCB工况开始时，汽包压力瞬间升高，不利于锅炉上水，经剧烈变化后，汽包压力恢复到高压旁路调节阀可控范围内。
（4） 燃料量
在机组FCB工况下，机组锅炉主控指令由FCB前的值按180%/min的速率降到40%BMCR，燃料量迅速降低，汽包水位因锅炉热量的减少，汽包中水下面的气泡体积减少，汽包水位一直减小，直到燃料量不再变化，期间即使给水泵恢复工作开始给锅炉上水，新上到汽包中的水吸收汽包中汽水混合物的热量，使汽包中水下面气泡的体积进一步减少，汽包水位继续降低，直到达到蒸发量等于给水量的物质平衡，汽包水位不再变化。汽包中物质平衡很快就能达到，但蒸汽量带走的热量和燃料量提供的热量平衡需要一定的时间，大约需要8分钟。物质平衡后汽包水位很平稳，但是能量平衡正在进行，燃料量不变，燃料提高的热量一方面满足锅炉金属储能，另一方面被蒸汽吸收带走，当锅炉金属储能完成，燃料提供的热量全部由蒸汽吸收，使锅炉压力和蒸汽流量增加，物质平衡打破，需要建立新的物质平衡。这样就会使锅炉汽包水位在不断的波动，由于给水控制系统的调节，汽包水位会最终稳定下来。 4 机组FCB时，汽包水位的控制方案
（1） 控制回路
因电泵与汽泵的动态特性不同，拉比格电厂设计相互独立的电泵与汽泵的控制回路，当电泵投自动时，汽泵切手动：当汽泵投自动时，电泵切手动。
（2） 避免给水主阀门与30%旁路阀反复切换回路
在机组FCB工况下，蒸汽流量有可能变为零，设计在FCB工况下，判断给水主阀门与30%旁路阀门的切换回路条件中蒸汽流量变为固定值，使判断输出一直是蒸汽流量大于15%，使给水主阀门一直打开，30%旁路调节阀一直关闭。其SAMA图如图1：
（3） 給水系统给水动力
给水压力足够高，给水泵才能将从除氧器中的水打入汽包，不断的补水，维持锅炉的安全运行。
以沙特拉比格电厂为例，汽泵汽源系统如图2：
由两台50%的汽泵和一台50%的电泵构成的给水泵系统，汽泵的汽源来自三处：第一处是辅助蒸汽；第二处是四段抽汽；第三处再热器冷段。机组正常运行时，来自辅助蒸汽或者四段抽汽。FCB时，汽泵的汽源由四段抽汽切换为再热器冷段供汽。
为使给水压力足够高，设计了两套方案：
a） 方案一是将电泵连锁启动，投自动，并使电泵勺管位置按着一定的速率变到FCB之前汽泵的指令所对应的电泵勺管位置。两台汽泵切手动，一台停运，另一台按着设定的速率降到3000rpm。给水控制方式由FCB前的汽泵三冲量变为FCB时电泵三冲量控制方式，可保证锅炉给水的稳定性。
b） 方案二是将电泵连锁启动，使电泵勺管位置按照一定的速率变到备用状态（根据实际的试验，设定勺管位置为30%），使电泵处于热备用状态；给水系统还是由汽泵给锅炉上水。
以下是对两种方案遇到问题及优点的对比：
a） 方案一中用电泵来代替汽泵的工作，原理是没问题的，但是这样会使电动给水泵失去热备用的作用，如果电泵出问题，机组必须停运。
b） 方案一中需要做电泵与汽泵的出力试验，计算出两台汽泵的阀位指令与电泵勺管指令的函数关系，FCB时，通过函数关系使电泵出力与FCB前汽泵的出力相符，电泵接替汽泵的工作。函数关系因工况不同而不同，这里只能粗略的做函数关系。
c） 方案一中电泵勺管对象调节速度快，对调节汽包水位有利。
d） 方案一中机组FCB时，电泵来代替汽泵工作，电泵投入需要大于30秒的时间，给水量才恢复。电泵代替汽泵时勺管指令是机组在FCB之前的指令，能够快速补水，然后电动给水泵勺管接受电泵三冲量控制系统的指令正常调节汽包水位。
e） 方案二，电泵连锁启动，使其处于热备用状态。
f） 方案二中，汽泵汽源切换问题：
由于汽轮机OPC动作，汽轮机调门全关，汽轮机的各段抽汽逆止门全关，抽汽压力迅速降低，四段抽汽消失，汽泵汽源需要切换到再热器冷段来供汽。在机组FCB工况下，汽泵维持自动状态，由于四段抽汽量降为零，转速降低，小机转速PID输出不断增加，使调节阀LCV慢慢全开后再开调节阀ECV，汽泵汽源由四段抽汽切换为再热器冷段供汽，这样切换方式时间长，而且使汽泵转速变化较大，转速PID超调量增大，变动周期增长；当该机组FCB时采用叠加控制输出量方法时，控制输出量直接由FCB前的输出增加到100%，然后无扰切换到转速PID来控制ECV调节阀，控制由再热器冷段来的供汽量，从而控制汽泵的转速，克服了LCV和ECV切换时的空行程问题，有利于汽泵的给水控制。FCB时，小汽轮机转速PID输出量叠加回路SAMA图如图3所示：
g） 方案二中，汽泵汽源由四段抽汽切换到再热器冷段供汽时，因机组正常运行时，四段抽汽的压力在0.8MPa左右，发生FCB时，再热器冷段蒸汽压力为3.5MPa以上，要考虑再热器冷段到小机管道的管径及通流面积，适当采取节流降压，便于ECV调阀的控制，防止小机超速。
（4） 汽包满水保护
汽包溢流阀保护投入，汽包水位大于高二值时，汽包溢流阀联锁打开，汽包水位小于高一值时，汽包溢流阀联锁关闭。
（5） 给水泵最小流量阀保护
在机组FCB工况下，给水流量波动剧烈，为防止电泵和汽泵损坏，最小流量阀保护及自动都应投入，单台泵的给水流量小于310t/h时联锁开最小流量阀；另为增加当汽包水位高于200mm时也连锁开最小流量阀并投入自动。（属于极端的手段来防止汽包满水）
5 试验证明
2013年1月9日沙特拉比格发电厂2号机组进行FCB试验。FCB时，该机组采用电泵处于热备用，汽泵给锅炉上水的控制方案。
FCB触发后，机组控制方式由协调自动切至基本方式，机组锅炉主控指令由100%下降到40%，10分钟后趋于稳定，FCB过程结束。在此过程中，汽包水位相关参数变化趋势如图4所示。
由上可见：（1）汽泵汽源切换迅速，10秒内汽泵恢复正常工作。（2）汽包水位经过两个大的波动趋于平稳，波动趋势越来越小，控制效果良好。
6 结论
沙特拉比格电厂经过试验检验，FCB工况下汽包水位波动最低为-180mm，最高为+97mm，已满足机组FCB工况时汽包水位的控制要求。对后续机组开展FCB相关工作有指导或参考的作用。
参考文献
【1】姚金环.对FCB若干问题的探讨.中国电力，2007（5）：59.62.
【2】李遵基. 热工自动控制系统 北京.中国电力出版社.1997
作者简介：孔繁林（1984—），男，助理工程师，从事电厂热控试验及调试工作。E-mail：kongfanlin6@163.com
[关键词]给水控制对象 给水控制系统 FCB 控制方案
中图分类号：T96 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）46-0378-02
[Abstract]With the development of the electric power industry， the new generation requirements more and more high degree of automation， especially in the unit under special circumstances （e.g.， RB， FCB， etc.）， try to reduce operator's operation， automatic control the generating unit smoothly and safely through these special cases. Through the study characteristics of the feed water control object， the paper designed the control scheme of the feed water control system under the FCB condition， and achieved good effect.
[Key words]the feed water control object the feed water control system FCB the control scheme
汽包水位是鍋炉运行中的一个重要监控参数，维持汽包水位是保证机组安全运行的重要条件，因此，给水控制系统的可靠性直接关系着机组的安全、稳定运行。
1 汽包锅炉给水控制系统的任务
使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中的水位保持在一定范围内，具体要求有以下两个方面：
（1） 维持汽包水位在一定范围内。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素。水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁的破裂。
（2） 保持稳定的给水量。给水量不应该时大时小地剧烈波动，否则，将对省煤器和给水管道的安全运行不利。
2 给水控制对象的动态特性
从上述物质平衡方程来看，加大了给水量G，水位应立即上升，但实际上并不是这样而是经过一段迟延，甚至先下降后再上升。
水位在给水扰动下的传递函数表示为：。
水位对象可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节并联的形式。
从上述物质平衡方程来看，蒸发量突然增加ΔD时，蒸发量高于给水量，汽包水位是无自平衡能力的，水位应该直线下降，但实际上是先上升后下降，存在“虚假水位”。
水位在蒸汽流量扰动下的传递函数为：
炉膛热负荷扰动下水位变化特性：
燃料量增加时，锅炉吸收更多的热量，使蒸发强度增大，如果不调节蒸汽阀门，由于锅炉出口汽压提高，蒸汽流量也增大，这时蒸发量高于给水量，水位应下降。但由于在热负荷增加时蒸发强度的提高，使汽水混合物中的汽泡容积增加，从而使汽包水位先升高，后下降。
根据给水控制系统对象动态特性，在蒸汽流量较小时采用单冲量给水控制系统，在蒸汽流量较大时，采用三冲量给水控制系统。
3 机组FCB工况时，影响汽包水位的因素：
（1） 给水流量
在机组FCB工况下，因汽泵汽源的切换问题，可能使汽泵转速瞬间降低，然后转速再慢慢恢复，期间给水流量波动剧烈，由最大的1900t/h瞬间到零，持续5秒左右，才慢慢恢复。
（2） 蒸汽流量
在机组FCB工况下，因汽轮机甩掉电厂外部负荷，汽轮机瞬间OPC动作，汽轮机调门全关，蒸汽通道瞬间堵塞，由调节级压力计算出来的蒸汽流量会瞬间降低很多，直到降为零；而高压旁路调节阀瞬间打开，由高压旁路调节阀的阀位换算的蒸汽流量瞬间达到最大；另外有可能因为锅炉侧的压力升高使锅炉侧的PCV阀联锁打开，蒸汽流入外界，因锅炉侧压力降低，PCV阀联锁关闭，蒸汽不再流入外界。由上述原因，蒸汽量变化剧烈，蒸汽量计算不准确，维持时间大约6秒左右。
（3） 汽包压力
在机组FCB工况下，因汽轮机调门的瞬间关闭，会使汽包压力瞬间升高到最大；高压旁路的瞬间开启，汽包压力在一定程度上降低；因锅炉侧压力达到PCV阀的动作值时，PCV阀联锁开启，汽包压力降低很明显，然后PCV阀联锁关闭。锅炉经过一段时间的定压运行后，由高压旁路阀控制进入滑压运行。由上述原因，在FCB工况开始时，汽包压力瞬间升高，不利于锅炉上水，经剧烈变化后，汽包压力恢复到高压旁路调节阀可控范围内。
（4） 燃料量
在机组FCB工况下，机组锅炉主控指令由FCB前的值按180%/min的速率降到40%BMCR，燃料量迅速降低，汽包水位因锅炉热量的减少，汽包中水下面的气泡体积减少，汽包水位一直减小，直到燃料量不再变化，期间即使给水泵恢复工作开始给锅炉上水，新上到汽包中的水吸收汽包中汽水混合物的热量，使汽包中水下面气泡的体积进一步减少，汽包水位继续降低，直到达到蒸发量等于给水量的物质平衡，汽包水位不再变化。汽包中物质平衡很快就能达到，但蒸汽量带走的热量和燃料量提供的热量平衡需要一定的时间，大约需要8分钟。物质平衡后汽包水位很平稳，但是能量平衡正在进行，燃料量不变，燃料提高的热量一方面满足锅炉金属储能，另一方面被蒸汽吸收带走，当锅炉金属储能完成，燃料提供的热量全部由蒸汽吸收，使锅炉压力和蒸汽流量增加，物质平衡打破，需要建立新的物质平衡。这样就会使锅炉汽包水位在不断的波动，由于给水控制系统的调节，汽包水位会最终稳定下来。 4 机组FCB时，汽包水位的控制方案
（1） 控制回路
因电泵与汽泵的动态特性不同，拉比格电厂设计相互独立的电泵与汽泵的控制回路，当电泵投自动时，汽泵切手动：当汽泵投自动时，电泵切手动。
（2） 避免给水主阀门与30%旁路阀反复切换回路
在机组FCB工况下，蒸汽流量有可能变为零，设计在FCB工况下，判断给水主阀门与30%旁路阀门的切换回路条件中蒸汽流量变为固定值，使判断输出一直是蒸汽流量大于15%，使给水主阀门一直打开，30%旁路调节阀一直关闭。其SAMA图如图1：
（3） 給水系统给水动力
给水压力足够高，给水泵才能将从除氧器中的水打入汽包，不断的补水，维持锅炉的安全运行。
以沙特拉比格电厂为例，汽泵汽源系统如图2：
由两台50%的汽泵和一台50%的电泵构成的给水泵系统，汽泵的汽源来自三处：第一处是辅助蒸汽；第二处是四段抽汽；第三处再热器冷段。机组正常运行时，来自辅助蒸汽或者四段抽汽。FCB时，汽泵的汽源由四段抽汽切换为再热器冷段供汽。
为使给水压力足够高，设计了两套方案：
a） 方案一是将电泵连锁启动，投自动，并使电泵勺管位置按着一定的速率变到FCB之前汽泵的指令所对应的电泵勺管位置。两台汽泵切手动，一台停运，另一台按着设定的速率降到3000rpm。给水控制方式由FCB前的汽泵三冲量变为FCB时电泵三冲量控制方式，可保证锅炉给水的稳定性。
b） 方案二是将电泵连锁启动，使电泵勺管位置按照一定的速率变到备用状态（根据实际的试验，设定勺管位置为30%），使电泵处于热备用状态；给水系统还是由汽泵给锅炉上水。
以下是对两种方案遇到问题及优点的对比：
a） 方案一中用电泵来代替汽泵的工作，原理是没问题的，但是这样会使电动给水泵失去热备用的作用，如果电泵出问题，机组必须停运。
b） 方案一中需要做电泵与汽泵的出力试验，计算出两台汽泵的阀位指令与电泵勺管指令的函数关系，FCB时，通过函数关系使电泵出力与FCB前汽泵的出力相符，电泵接替汽泵的工作。函数关系因工况不同而不同，这里只能粗略的做函数关系。
c） 方案一中电泵勺管对象调节速度快，对调节汽包水位有利。
d） 方案一中机组FCB时，电泵来代替汽泵工作，电泵投入需要大于30秒的时间，给水量才恢复。电泵代替汽泵时勺管指令是机组在FCB之前的指令，能够快速补水，然后电动给水泵勺管接受电泵三冲量控制系统的指令正常调节汽包水位。
e） 方案二，电泵连锁启动，使其处于热备用状态。
f） 方案二中，汽泵汽源切换问题：
由于汽轮机OPC动作，汽轮机调门全关，汽轮机的各段抽汽逆止门全关，抽汽压力迅速降低，四段抽汽消失，汽泵汽源需要切换到再热器冷段来供汽。在机组FCB工况下，汽泵维持自动状态，由于四段抽汽量降为零，转速降低，小机转速PID输出不断增加，使调节阀LCV慢慢全开后再开调节阀ECV，汽泵汽源由四段抽汽切换为再热器冷段供汽，这样切换方式时间长，而且使汽泵转速变化较大，转速PID超调量增大，变动周期增长；当该机组FCB时采用叠加控制输出量方法时，控制输出量直接由FCB前的输出增加到100%，然后无扰切换到转速PID来控制ECV调节阀，控制由再热器冷段来的供汽量，从而控制汽泵的转速，克服了LCV和ECV切换时的空行程问题，有利于汽泵的给水控制。FCB时，小汽轮机转速PID输出量叠加回路SAMA图如图3所示：
g） 方案二中，汽泵汽源由四段抽汽切换到再热器冷段供汽时，因机组正常运行时，四段抽汽的压力在0.8MPa左右，发生FCB时，再热器冷段蒸汽压力为3.5MPa以上，要考虑再热器冷段到小机管道的管径及通流面积，适当采取节流降压，便于ECV调阀的控制，防止小机超速。
（4） 汽包满水保护
汽包溢流阀保护投入，汽包水位大于高二值时，汽包溢流阀联锁打开，汽包水位小于高一值时，汽包溢流阀联锁关闭。
（5） 给水泵最小流量阀保护
在机组FCB工况下，给水流量波动剧烈，为防止电泵和汽泵损坏，最小流量阀保护及自动都应投入，单台泵的给水流量小于310t/h时联锁开最小流量阀；另为增加当汽包水位高于200mm时也连锁开最小流量阀并投入自动。（属于极端的手段来防止汽包满水）
5 试验证明
2013年1月9日沙特拉比格发电厂2号机组进行FCB试验。FCB时，该机组采用电泵处于热备用，汽泵给锅炉上水的控制方案。
FCB触发后，机组控制方式由协调自动切至基本方式，机组锅炉主控指令由100%下降到40%，10分钟后趋于稳定，FCB过程结束。在此过程中，汽包水位相关参数变化趋势如图4所示。
由上可见：（1）汽泵汽源切换迅速，10秒内汽泵恢复正常工作。（2）汽包水位经过两个大的波动趋于平稳，波动趋势越来越小，控制效果良好。
6 结论
沙特拉比格电厂经过试验检验，FCB工况下汽包水位波动最低为-180mm，最高为+97mm，已满足机组FCB工况时汽包水位的控制要求。对后续机组开展FCB相关工作有指导或参考的作用。
参考文献
【1】姚金环.对FCB若干问题的探讨.中国电力，2007（5）：59.62.
【2】李遵基. 热工自动控制系统 北京.中国电力出版社.1997
作者简介：孔繁林（1984—），男，助理工程师，从事电厂热控试验及调试工作。E-mail：kongfanlin6@163.com