给水泵最小流量再循环阀控制方法的改进

        超临界机组给水泵为多级离心泵，其入口为经过给水泵前置泵升压的中压给水，中压给水接近饱和，当给水泵低于最小流量运行时，泵体摩擦的发热量不能被给水带走，使泵内温度升高，当泵内温度超过泵所处压力下的饱和温度时，给水就会发生汽化，造成给水泵汽蚀。为此，在给水泵出口至除氧器之间设置再循环系统。给水泵再循环系统由再循环管、最小流量再循环阀（简称“再循环阀”）和再循环调节阀前、后阀门组成。当给水泵低于最小流量运行时，通过再循环系统增加给水泵的入口给水流量，保证给水泵的安全运行；当给水泵流量大于最小流量并有一定余量时，关闭再循环阀，以提高经济性。
        1 给水泵的安全工作区
        给水泵最小流量定值，根据各给水泵运行特性曲线确定，给水泵必须运行在特性曲线的安全工作区，给水泵运行特性曲线见文献[1]。考虑给水泵运行的不同工况，在给水泵投运或机组运行在低负荷期间，为了使泵工作在安全区，必须由再循环阀来保证流过给水泵的最小流量。[1]
        2 再循环阀控制方法及存在的问题
        再循环阀的控制方法一般分为开关式控制和连续式控制：前者通常用于小容量机组；对于大容量或超临界机组为保证给水流量调节的稳定及提高经济性，再循环阀控制应采用连续式控制。常规的再循环阀连续控制方法有PID调节控制和单一曲线函数控制。
        2.1 PID调节控制
        PID调节使用单冲量、闭环反馈控制再循环阀，给水泵入口流量与设定值偏差输入PI调节器，再循环阀为PI调节器控制对象，从而实现最小流量的连续控制。
        再循环阀工作在高温、高压且前后压差大的工况中，频繁调整可能导致阀门故障。此控制方法为连续控制，能够保证给水泵安全运行，但再循环阀的频繁调整，增加了再循环阀故障率；同时，再循环阀的开度变化，会影响锅炉给水流量，从而影响锅炉给水自动的调整，严重时可能造成给水自动控制发散，影响机组运行安全。
        2.2 单一曲线函数控制
        设一个单一曲线函数F（x），由F（x）直接给出给水泵入口流量和再循环阀开度指令的关系。采用该控制方法在机组运行过程中阀门动作频繁，幅度较大，在阀门的开关瞬间会引起给水流量的大幅波动，而流量的波动又影响阀门的动作，既不利于给水泵的安全经济运行，也会使整个给水系统振荡[2]。
        以FK6F32M型给水泵为例，其最大出口流量为690.35t/h，给水泵单一函数F（x）曲线见图1。

图1 单一函数F（x）曲线

        3 再循环阀控制原则
        再循环阀控制的基本原则为，避免给水泵低于最小流量运行，保证给水泵自身安全可靠运行；流量测点实际使用过程中为连续变化量，且会受环境影响出现波动情况，控制方法应可以屏蔽流量小幅波动造成的再循环阀调整，避免再循环阀开度随流量波动，降低再循环阀故障率。控制再循环阀调整给水泵再循环流量的同时，锅炉给水流量随之发生的变化，影响锅炉给水自动控制，再循环阀的自动控制应尽可能减小对锅炉给水自动控制的影响。    
        4 控制方法的改进
        4.1 回滞函数控制方法
        此控制方法基于回滞函数控制再循环阀门开度，根据给水泵的运行安全区域，确定再循环阀的关闭和开启方向函数F1（x）和F2（x），随着再循环流量的增加，F1（x）给定阀门关闭方向的开度；随着再循环流量的减小，F2（x）给定阀门开启方向的开度。F1（x）与F2（x）之间的间隙区域为再循环阀关闭与开启方向转换过程中的间隙大小，在该间隙范围的流量变动不改变阀门开度，相当于给再循环阀的控制特性增加了具有非线性的间隙环节，间隙特性可消除流量测量误差以及给水流量波动对再循环阀控制的影响，避免再循环阀的频繁调整，影响锅炉给水流量，提高了给水系统的稳定性，有利于给水自动控制稳定运行；再循环阀调整次数减少，使阀门的故障率降低。间隙特性环节由F1（x）和F2（x）组成，控制曲线见图2，控制的逻辑实现，见图3。［3]  

  
图2 回滞函数控制曲线

图3 回滞函数控制方法的部分逻辑

        实际应用中，根据给水泵的运行安全区域初步确定F1（x），且F1（x）应大于再循环阀开启保护特性函数（给水泵厂提供），以保证给水泵的安全运行。给水泵设有入口流量低于190t/h时联开再循环阀联锁，F1（x）对应阀门全开位置的流量应大于190t/h，并保留间隙特性所需余量，因此确定F1（x）对应阀门全开位置的流量220t/h；给水泵要求流量大于400t/h时联关再循环阀，依次确定F1（x）对应阀门全关位置的流量400t/h，最终确定函数F1（x），见表1。

表1 F1（x）在函数逻辑块中的参数设置

注：x为给水泵入口流量；F1（x）为再循环阀门开度。

        F2（x）应根据给水泵各种工况入口流量测点的波动值δ（x）及F1（x）选取，可参照公式（1）确定F2（x），以防止再循环阀频繁调整对给水流量造成大的扰动，同时不影响机组经济行。
        F2（x）＝F1（x）＋δ（x）＋b（x） （1）
        式中：δ（x）为给水泵入口流量测点的波动值随入口流量变化的函数，应通过试验测量流量测点在各种流量下的实际波动值得到；b（x）为给水泵入口流量波动时，保证再循环阀不作调整的安全余量函数，设置中随给水泵入口流量而增加，与泵的额定流量成比例，可根据泵的运行情况修改参数。最终确定的函数F2（x），见表2。

表2　F2（x）在函数逻辑块中的参数设置

        4.2 增大单一函数曲线死区
        在单一线性函数控制方法的基础上，增大流量变量的相应死区，以避免流量波动引起再循环调门频繁调整，减少给水流量的波动。
        采用单一曲线函数F（x），增大流量变量的死区α，相当于将函数F（x）左右平移，形成两条新的曲线F（x+α）、F（x-α），假充流量为x1，阀门开度为F（x1），当流量在死区范围内（x1-α和x1＋α之间）波动时，阀门开度始终保持为F（x1）；当流量大于x1＋α并持续增大时，阀门开度按F（x-α）曲线调整；若流量小于x1-α并持续降低时，阀门开度按F（x＋α）曲线调整，控制曲线见图4。

图4 增大死区的单一函数曲线

        由于死区的影响，降低了系统的跟踪精度。另外，当系统输入端存在较小扰动信号时，可以减小扰动信号的影响。此方法控制逻辑简单，参数设置方便。
        给水泵的再循环阀控制单一函数，根据各给水泵的运行特性曲线选取，也可根据给水泵运行说明书中给定的再循环阀参数增加一定安全余量设置。
        死区的选择应根据给水泵入口流量测点的波动情况，取各种工况流量波动最大值。
        5 改进方法的应用及效果
        将以上2种改进控制方法分别应用于某厂300MW供热机组汽动给水泵再循环阀控制。给水泵型号为FK6F32M，额定流量690.8t/h，扬程2313m，给水泵要求流量小于190t/h时打开再循环阀，流量大于400t/h时关闭再循环阀，信号取自前置泵出口流量孔板。
        单一曲线函数增大死区控制方法参数设置见图4。回滞函数控制方法参数设置见图2。2种改进的再循环阀控制方法在汽动给水泵中应用效果见图5、图6。2种改进的给水泵再循环阀控制方法均能实现再循环阀自动控制，给水泵入口流量小于200t/h或大于400t/h时，再循环流量分别保持最小流量发的全开或全关状态；当给水泵入口流量在200～400t/h时，2种控制方法分别根据自身函数调整，回滞函数组成的非线性间隙区间及单一曲线函数的死区均能良好控制再循环阀不受给水泵入口流量小幅波动及环境干扰的影响，再循环阀开度无波动现象。

图5 增大死区的单一函数流量阀门开度控制曲线

图6 回滞函数流量阀门开度控制曲线

        再循环阀调整过程中对锅炉给水自动干扰较PID控制方法及单一函数控制方法有明显改善；2种控制方法能适应机组正常运行，启、停机及负荷、给水流量大幅波动时的极端工况，确保给水泵的安全运行。
        给水泵厂家要求再循环阀全开情况下，入口流量大于400t/h时全关再循环阀，在自动控制中再循环阀全关时对应的流量点可以相应减小，以不超出泵的安全工作区域为限。
        减小再循环全关时对应的流量点可以减小对应泵入口流量的再循环流量，有利于提高机组经济性，但这样会使调整函数斜率的绝对值增加，对应流量变化再循环阀开度调整量增加，对锅炉给水自动影响加大，实际应用中可以根据锅炉给水自动调节性能，在保证锅炉给水自动调节稳定和不超出泵的安全工作区域的基础上，降低再循环阀全关时对应的流量点，以提高机组经济性。
        6 结束语
        单一曲线函数增大死区控制方法参数设置简单，但单一死区设置缺乏灵活性，不能根据流量变化改变调节死区；回滞函数控制方法参数设置较单一曲线函数增大死区控制方法复杂，但调节过程中可以根据流量变化设置不同的死区。对于某些流量测点，测点的波动量随实际流量的变化而变化，这时，设置非线性的死区提高了调节的灵活性和精度。
        对于流量波动值不随流量变化的给水泵流量测点建议采用单一曲线函数增大死区控制方法，可以简化逻辑；相反，则采用回滞函数控制方法，以适应流量测点波动值的变化，提高控制的精度。2种控制方法在调节再循环阀的过程中仍会造成给水泵入口流量变化，影响锅炉给水流量，但较PID控制方法及单一函数控制方法有明显改善。应用过程中，在保证锅炉给水自动调节稳定和不超出泵的安全工作区域的情况下，减小再循环阀全关时对应的流量点可以减小对应泵入口流量的再循环流量，有利于提高机组经济性。    
        参考文献：
        [1]赖加良，戈黎红.超临界机组给水泵最小流量控制方法的改进［J］.发电设备，2009（5）：358-360.
        [2]孙津，汪蓉，金国强.回滞函数法在防止给水泵汽蚀中的应用[J].热力发电，2009，38（12）：95-97.
        [3]胡寿松.自动控制理论[M].北京：北京科学出版社，2004