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摘要：针对汽包炉的给水控制特点，本文对丰润电厂300MW发电机组的给水控制工作原理及控制策略进行了介绍。基于STAR-90仿真平台，通过仿真试验，验证了该控制策略的合理性，为汽包炉给水控制研究提供了借鉴和参考。
关键词：汽包炉 给水 控制 仿真
一、引言
汽包炉给水控制是保证锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在规定的范围内。汽包水位是锅炉安全运行的一个重要参数，它反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系，维持汽包水位在一定范围内是保证锅炉和汽机安全运行的必要条件，汽包水位过高会影响汽水分离装置的工作，严重时会导致汽轮机进水；汽包水位过低，会破坏锅炉的水循环，甚至引起爆管。随着锅炉容量的增大和参数的提高，汽包容积相对缩小，而锅炉蒸发受热面的热负荷提高，加快了负荷变化时水位变化的速度，因此对汽包炉的给水控制提出了更高的要求。
丰润电厂300MW发电机组采用的锅炉为亚临界自然循环汽包炉，单炉膛，一次中间再热，平衡通风，岛式布置，BMCR工况下过热蒸汽主要参数为：流量1025T/H，温度541℃，压力17.5Mpa。燃用王平（60%）和崔家寨（40%）煤矿煤，采用四角布置切圆燃烧摆动式燃烧器。本文将根据丰润电厂300MW发电机组的给水控制系统的仿真设计，详细介绍滑压运行的汽包炉给水控制的特点和思路。
二、汽包炉给水控制的特点
1.由于给水温度低于汽包内的饱和水温度，在有给水流量扰动时，给水进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽量下降，水面以下的汽泡总体积也就相应减小，从而导致水位下降。
2.在汽机蒸汽流量的扰动下，当汽机蒸汽流量突然增加，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使水位下降；另一方面，由于蒸汽流量的增加，锅炉内的汽泡数量增多，同时由于燃料量维持不变，汽包压力下降，使汽包水面下的汽泡膨胀，总体积增大，从而导致汽包水位上升。当后者的影响大于前者时，在负荷增加后的一段时间内水位不但不下降，反而明显上升，这种反常现象就是“虚假水位”现象。
3.燃料量的扰动必然引起蒸汽量的变化，因此同样有虚假水位现象；但是由于汽包和水循环系统中有大量水，汽包和水冷壁金属管道也会储存大量的热量，因此有一定热惯性；燃料量的增大只能蒸汽量使缓慢增大，而且汽包压力还慢慢上升，它将使汽泡体积减小；因而，燃料量扰动下的虚假水位比负荷扰动下要和缓得多；由以上分析可知，给水量扰动下水位响应过程具有纯迟延；负荷扰动下水位响应过程具有虚假水位现象；燃料量扰动下也会出现虚假水位现象；这些特性使控制汽包水位的任务变得比较困难和复杂[1]。
三、汽包炉给水控制系统的工作原理
丰润电厂300MW发电机组的给水控制是一个可以进行单、串级切换的控制系统，其设备为一台汽泵及一台电泵。常用的串级调节回路中外回路进行水位调节、内回路进行给水流量调节。内回路的指令分配到给水泵，并作为给水泵泵的入口流量调节回路的设定值。泵入口流量调节回路的指令通过函数发生器形成各泵转速设定值，最终通过转速调节回路来控制各泵的转速。这样，通过串级回路的内回路响应的快速性迅速作用到各给水泵，使得实际给水流量与设定值匹配，并最终通过外回路对汽包水位的调节，使得给水流量满足负荷要求。
丰润电厂300MW发电机组给水控制逻辑如图1所示。串级回路的外回路进行汽包水位的调节，其中主蒸汽流量作为该控制器的前馈，提高的该控制器动作的快速性。主蒸汽流量根据弗留格尔公式采用汽轮机第一级压力以及主蒸汽温度来进行计算。如果采用标准喷嘴测量蒸汽流量，一方面在高温高压下节流喷嘴容易磨损，检修维护也困难，测量误差较大，另一方面节流损失也大，因此一般不采用这种方法[2]。
串级回路的内回路进行给水流量的控制。经过汽轮机第一级压力计算，主蒸汽温度的校正，最终得到主蒸汽流量，其值应加上旁路流量得到最终的蒸汽流量。当蒸汽流量突然增大时，一方面由于虚假水位会暂时升高，它使调节器错误的指挥调节机构减小给水量；另一方面，蒸汽流量的增大也会使得调节机构增加给水量，这样可以克服虚假水位的影响。由主蒸汽流量作为前馈的外回路控制器指令作为内回路的设定值，消弱了虚假水位期间调节机构的误动作。串级控制内回路控制器的指令最终送至各给水泵的入口流量调节回路，来实现对各给水泵出力的控制。
各给水泵入口流量调节回路的设定值由串级控制的内回路输出通过BALANCE模块生成，实际值为各给水泵入口流量。给水流量指令与锅炉实际给水量的偏差经过PID运算，输出给水泵开度。当送至汽泵时，此开度信号还对应一个汽泵的手动设定的开度偏置值，这两部分求和值再与A泵入口流量的实际值进行PI运算，当小机在非遥控状态下流量控制器pid进行跟踪（跟踪对象为小机实际转速所拟合的控制值）如图所示，遥控状态下流量控制器pid的输出经过反拟合运算得到小机转速设定值，送往小机转速pid控制回路。
四、给水控制仿真运行结果
丰润电厂300MW发电机组的给水控制系统采用的就是上述的控制策略，在STAR-90仿真平台上得到了较好的控制效果。机组在满负荷的情况下运行时，汽包水位为7.76mm，给水流量950.7t/h，小机转速控制4920r/min（本文只取了汽泵为例）流量、水位、转速都很稳定，流量、水位、转速都跟踪设定值且偏差一直维持在很小的范围内。
当把机组目标负荷降至250MW时，机组的汽包水位如图2，给水控制如图3所示，小机的转速控制如图4所示。由图2、图3、图4可知，随着目标负荷的下降，机组实际负荷慢慢下降，汽包水位经过小幅震荡，最终趋于平稳接近设定值，其稳态误差控制在±1.1mm，水位最大偏差8.2mm。给水流量与小机转速一直处于相对稳定的状态，期间给水流量最大偏差8t/h，稳态时偏差在2t/h之内，转速最大偏差18r/min，稳态时偏差为2r/min。
图5、6、7为机组从250MW升到300MW满负荷运行时的整个过程。在此过程中，负荷以5MW/min的速度变化，变化幅度为50MW。汽包水位最大偏差为8.1mm，稳定后水位偏差控制在0.9mm内。由图6可知，给水实际流量，与设定值偏差的最大值为8.5t/h，稳定运行时偏差控制在±1t/h之内。由图7可以看到，小机的转速控制一直处于相对稳定的状态，实际转速和转速设定值的偏差最大时也控制在±20 r/min，绝大部分时间偏差都在±2.5r/min。由此可知，本文的给水控制策略在丰润电厂300MW发电机组的应用实践中，其稳定性、快速性、准确性都达到了较好的效果，保证了机组的安全运行。
五、结论
本文通过丰润电厂300MW发电机组的仿真机在STAR-90平台上的运行结果，证明了该给水控制策略是合理的，克服了给水系统内扰、外扰的影响，在虚假水位的情况下，能够进行可靠准确的自动调节，达到了良好的调节效果，为汽包炉给水控制的研究设计提供了借鉴和参考。
参考文献
[1]金以慧.过程控制[M].清华大学出版社，1993：250-251.
[2]姜宇超.火电机组给水自动控制系统[J].中国科技博览.2010，（31）：61-62.
[3]潘维加，鲁峰，袁钢等.超临界直流锅炉与汽包锅炉给水控制系统的对比分析[J].锅炉技术，2008，39（3）：25-28.
[4]华东六省一市电机工程学会.600MW火力发电机组培训教材（第二版）锅炉设备及其系统[M].中国电力出版设，2006.
[5]朱全利.锅炉设备及系统[M].北京：中国电力出版社，2006.
[6]肖大雏.控制设备及系统[M].北京：中国电力出版社，2006.
作者简介：都业尹：男，大学本科，现从事电力热工自动化控制设备技术管理工作。
陈玮超：男，大学本科，现从事电力热工自动化控制设备技术管理工作。
郝晋儒：男，大学本科，现从事电力热工自动化控制设备技术管理工作。
范星龙：男，高级工程师，丰润热电公司总经理，从事电力行业管理工作。
张卫宝：男，高级工程师，丰润热电公司副总经理，从事电力行业管理工作。
郭春源：男，高级工程师，丰润热电公司总工程师，从事电力行业技术管理工作。
李建军：男，助理工程师，丰润热电公司设备工程部部长，从事电力行业技术管理工作。
关键词：汽包炉 给水 控制 仿真
一、引言
汽包炉给水控制是保证锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在规定的范围内。汽包水位是锅炉安全运行的一个重要参数，它反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系，维持汽包水位在一定范围内是保证锅炉和汽机安全运行的必要条件，汽包水位过高会影响汽水分离装置的工作，严重时会导致汽轮机进水；汽包水位过低，会破坏锅炉的水循环，甚至引起爆管。随着锅炉容量的增大和参数的提高，汽包容积相对缩小，而锅炉蒸发受热面的热负荷提高，加快了负荷变化时水位变化的速度，因此对汽包炉的给水控制提出了更高的要求。
丰润电厂300MW发电机组采用的锅炉为亚临界自然循环汽包炉，单炉膛，一次中间再热，平衡通风，岛式布置，BMCR工况下过热蒸汽主要参数为：流量1025T/H，温度541℃，压力17.5Mpa。燃用王平（60%）和崔家寨（40%）煤矿煤，采用四角布置切圆燃烧摆动式燃烧器。本文将根据丰润电厂300MW发电机组的给水控制系统的仿真设计，详细介绍滑压运行的汽包炉给水控制的特点和思路。
二、汽包炉给水控制的特点
1.由于给水温度低于汽包内的饱和水温度，在有给水流量扰动时，给水进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽量下降，水面以下的汽泡总体积也就相应减小，从而导致水位下降。
2.在汽机蒸汽流量的扰动下，当汽机蒸汽流量突然增加，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使水位下降；另一方面，由于蒸汽流量的增加，锅炉内的汽泡数量增多，同时由于燃料量维持不变，汽包压力下降，使汽包水面下的汽泡膨胀，总体积增大，从而导致汽包水位上升。当后者的影响大于前者时，在负荷增加后的一段时间内水位不但不下降，反而明显上升，这种反常现象就是“虚假水位”现象。
3.燃料量的扰动必然引起蒸汽量的变化，因此同样有虚假水位现象；但是由于汽包和水循环系统中有大量水，汽包和水冷壁金属管道也会储存大量的热量，因此有一定热惯性；燃料量的增大只能蒸汽量使缓慢增大，而且汽包压力还慢慢上升，它将使汽泡体积减小；因而，燃料量扰动下的虚假水位比负荷扰动下要和缓得多；由以上分析可知，给水量扰动下水位响应过程具有纯迟延；负荷扰动下水位响应过程具有虚假水位现象；燃料量扰动下也会出现虚假水位现象；这些特性使控制汽包水位的任务变得比较困难和复杂[1]。
三、汽包炉给水控制系统的工作原理
丰润电厂300MW发电机组的给水控制是一个可以进行单、串级切换的控制系统，其设备为一台汽泵及一台电泵。常用的串级调节回路中外回路进行水位调节、内回路进行给水流量调节。内回路的指令分配到给水泵，并作为给水泵泵的入口流量调节回路的设定值。泵入口流量调节回路的指令通过函数发生器形成各泵转速设定值，最终通过转速调节回路来控制各泵的转速。这样，通过串级回路的内回路响应的快速性迅速作用到各给水泵，使得实际给水流量与设定值匹配，并最终通过外回路对汽包水位的调节，使得给水流量满足负荷要求。
丰润电厂300MW发电机组给水控制逻辑如图1所示。串级回路的外回路进行汽包水位的调节，其中主蒸汽流量作为该控制器的前馈，提高的该控制器动作的快速性。主蒸汽流量根据弗留格尔公式采用汽轮机第一级压力以及主蒸汽温度来进行计算。如果采用标准喷嘴测量蒸汽流量，一方面在高温高压下节流喷嘴容易磨损，检修维护也困难，测量误差较大，另一方面节流损失也大，因此一般不采用这种方法[2]。
串级回路的内回路进行给水流量的控制。经过汽轮机第一级压力计算，主蒸汽温度的校正，最终得到主蒸汽流量，其值应加上旁路流量得到最终的蒸汽流量。当蒸汽流量突然增大时，一方面由于虚假水位会暂时升高，它使调节器错误的指挥调节机构减小给水量；另一方面，蒸汽流量的增大也会使得调节机构增加给水量，这样可以克服虚假水位的影响。由主蒸汽流量作为前馈的外回路控制器指令作为内回路的设定值，消弱了虚假水位期间调节机构的误动作。串级控制内回路控制器的指令最终送至各给水泵的入口流量调节回路，来实现对各给水泵出力的控制。
各给水泵入口流量调节回路的设定值由串级控制的内回路输出通过BALANCE模块生成，实际值为各给水泵入口流量。给水流量指令与锅炉实际给水量的偏差经过PID运算，输出给水泵开度。当送至汽泵时，此开度信号还对应一个汽泵的手动设定的开度偏置值，这两部分求和值再与A泵入口流量的实际值进行PI运算，当小机在非遥控状态下流量控制器pid进行跟踪（跟踪对象为小机实际转速所拟合的控制值）如图所示，遥控状态下流量控制器pid的输出经过反拟合运算得到小机转速设定值，送往小机转速pid控制回路。
四、给水控制仿真运行结果
丰润电厂300MW发电机组的给水控制系统采用的就是上述的控制策略，在STAR-90仿真平台上得到了较好的控制效果。机组在满负荷的情况下运行时，汽包水位为7.76mm，给水流量950.7t/h，小机转速控制4920r/min（本文只取了汽泵为例）流量、水位、转速都很稳定，流量、水位、转速都跟踪设定值且偏差一直维持在很小的范围内。
当把机组目标负荷降至250MW时，机组的汽包水位如图2，给水控制如图3所示，小机的转速控制如图4所示。由图2、图3、图4可知，随着目标负荷的下降，机组实际负荷慢慢下降，汽包水位经过小幅震荡，最终趋于平稳接近设定值，其稳态误差控制在±1.1mm，水位最大偏差8.2mm。给水流量与小机转速一直处于相对稳定的状态，期间给水流量最大偏差8t/h，稳态时偏差在2t/h之内，转速最大偏差18r/min，稳态时偏差为2r/min。
图5、6、7为机组从250MW升到300MW满负荷运行时的整个过程。在此过程中，负荷以5MW/min的速度变化，变化幅度为50MW。汽包水位最大偏差为8.1mm，稳定后水位偏差控制在0.9mm内。由图6可知，给水实际流量，与设定值偏差的最大值为8.5t/h，稳定运行时偏差控制在±1t/h之内。由图7可以看到，小机的转速控制一直处于相对稳定的状态，实际转速和转速设定值的偏差最大时也控制在±20 r/min，绝大部分时间偏差都在±2.5r/min。由此可知，本文的给水控制策略在丰润电厂300MW发电机组的应用实践中，其稳定性、快速性、准确性都达到了较好的效果，保证了机组的安全运行。
五、结论
本文通过丰润电厂300MW发电机组的仿真机在STAR-90平台上的运行结果，证明了该给水控制策略是合理的，克服了给水系统内扰、外扰的影响，在虚假水位的情况下，能够进行可靠准确的自动调节，达到了良好的调节效果，为汽包炉给水控制的研究设计提供了借鉴和参考。
参考文献
[1]金以慧.过程控制[M].清华大学出版社，1993：250-251.
[2]姜宇超.火电机组给水自动控制系统[J].中国科技博览.2010，（31）：61-62.
[3]潘维加，鲁峰，袁钢等.超临界直流锅炉与汽包锅炉给水控制系统的对比分析[J].锅炉技术，2008，39（3）：25-28.
[4]华东六省一市电机工程学会.600MW火力发电机组培训教材（第二版）锅炉设备及其系统[M].中国电力出版设，2006.
[5]朱全利.锅炉设备及系统[M].北京：中国电力出版社，2006.
[6]肖大雏.控制设备及系统[M].北京：中国电力出版社，2006.
作者简介：都业尹：男，大学本科，现从事电力热工自动化控制设备技术管理工作。
陈玮超：男，大学本科，现从事电力热工自动化控制设备技术管理工作。
郝晋儒：男，大学本科，现从事电力热工自动化控制设备技术管理工作。
范星龙：男，高级工程师，丰润热电公司总经理，从事电力行业管理工作。
张卫宝：男，高级工程师，丰润热电公司副总经理，从事电力行业管理工作。
郭春源：男，高级工程师，丰润热电公司总工程师，从事电力行业技术管理工作。
李建军：男，助理工程师，丰润热电公司设备工程部部长，从事电力行业技术管理工作。