一种辅助RB过程汽包水位控制的主汽压力变速率控制方法

摘要

本发明涉及一种辅助RB过程汽包水位控制的主汽压力变速率控制方法，包括步骤：对汽包水位数值进行微分计算，得到汽包水位的变化速率；分别设计给水泵RB和非给水泵RB时汽包水位变化速率对应的主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间的模型函数，通过模型函数来校正主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间。本发明的有益效果是：本发明在RB过程推进时间对滑压速率及惯性时间校正的基础上，针对亚临界机组，结合RB推进时间、RB动作前负荷及汽包水位动态特征实时校正RB过程中的滑压速率与惯性时间，利用主汽压力变速率控制辅助稳定汽包水位，从而有效减少各类辅机RB过程中汽包水位的波动，确保机组的运行安全及运行状态的恢复。

说明书

技术领域

本发明属于火电机组设备故障领域，尤其涉及一种辅助RB过程汽包水位控制的主汽压力变速率控制方法。

背景技术

当火电机组出现重要辅助设备故障时，采取的快速减负荷控制策略称为RUNBACK，简称RB。火电机组根据设计容量有相对应的主蒸汽压力参数，机组正常运行时主汽压力设定值根据机组负荷值和设计好的速率和惯性时间进行自动控制，惯性时间设置的目的为模拟实际主汽压力的起压过程，在目前机组RB控制策略设计中，为实现快速平衡机组负荷与辅机带载能力，RB过程中机组的汽压滑压速率及惯性时间由正常运行设置的定值切换为RB动作设置的定值，直至负荷、主汽压力降至目标值，RB工况下汽水系统的动作速率较快，滑压速率和惯性时间参数也多根据试验及实际运行经验获得，各类型机组存在明显差异。

常见的RB有燃料RB、一次风机RB、送/引风机RB、给水泵RB等。在目前常见的控制策略中，RB动作触发后，机组的控制方式由协调控制模式(CCS)切换为汽机跟随模式(TF)。在TF方式下，汽机侧由汽轮机调门控制主汽压力，主汽压力实际值高于设定值则开大调门，主汽压力实际值低于设定值则关小调门，锅炉指令值直接由机组的RB目标负荷确定。不同辅机设备故障或跳闸引起的RB动作设计有不同的滑压速率，控制主汽压力快速跟随下降，一次风机和给水泵RB分别对燃烧和给水的扰动最为剧烈，因此设计的RB动作滑压速率更快、惯性时间更短。

另外，本申请发明人在先前的工作中研究了汽水系统变速率控制的辅机RB方法，通过RB推进时间和RB动作前机组负荷来校正RB过程中的滑压速率与汽压、给水惯性时间，使主汽压力的控制与各RB工况下的实际趋势相符合，能够有效提高火电机组RB控制的精度与稳定性，控制方法如附图1所示，设计的步骤简述如下：

1.设计了不同RB工况滑压设定的速率和惯性时间，通过RB过程推进时间对滑压速率及惯性时间进行校正。综合考虑机组RB前负荷和RB推进过程时间点，设计各个阶段的压力设定值的滑压速率和惯性时间。

2.为发挥主汽压力对主汽温的调节作用，在惯性时间设定环节中，增加了主汽温的补偿作用。

但是，在当前RB控制中，主汽压力设定值普遍采用的恒定速率、恒定惯性时间的设置方式，并不能很好地契合实际参数的变化，不仅影响RB过程中机组部分重要参数的控制，也不利于后续机组运行状态的恢复，特别是亚临界机组RB过程中汽包水位的控制；本申请发明人在汽水系统变速率控制的辅机RB方法中仅考虑了RB过程中主汽压力的变速率控制(滑压速率)，并根据RB过程的推进步骤设计各个阶段与实际趋势相符合的速率，却未考虑相关联运行参数之间的机理关系，仅根据RB时间的推进设计各个阶段的滑压速率和惯性时间，无法精准适应机组实时的工况变化，特别是没有考虑汽压对于机组其他运行参数的影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种辅助RB过程汽包水位控制的主汽压力变速率控制方法。

这种辅助RB过程汽包水位控制的主汽压力变速率控制方法，包括以下步骤：

步骤1、对汽包水位数值进行微分计算，得到汽包水位的变化速率；

步骤2、分别设计给水泵RB和非给水泵RB时汽包水位变化速率对应的主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间的模型函数，通过模型函数来校正主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间；

步骤3、当汽包水位的下降速率过快时，增大主汽压力速率，减小汽压指令生成惯性时间，加快汽压设定值的下降速率，开大汽机调门，降低实际主汽压力，通过汽水混合物膨胀来减缓水位的下降速率；

步骤4、当汽包水位的上升速率过快时，减小主汽压力速率，放缓主汽压力设定值的下降速率；关小汽机调门来延缓主汽压力下降，减缓水位上升。

作为优选，步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1、设计非给水泵RB时汽包水位变化速率对应的主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间的模型函数，通过模型函数来校正主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间；

步骤2.1.1、非给水泵RB第一阶段为汽包水位的下降阶段，根据实时汽包水位的下降速率来校正主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间；模型函数以偏置的方式校正主汽压力速率：通过汽包水位的下降速率来修正生成主汽压力速率设定值，将主汽压力速率设定值与偏置值相加；模型函数以增益的方式校正汽压指令生成惯性时间：将汽压指令生成惯性时间与增益相乘；

步骤2.1.2、汽包水位下降至最低值后开始回升，进入非给水泵RB第二阶段；模型函数根据实时汽包水位的下降速率，采用与步骤2.1.1中第一阶段相同的校正方式来校正主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间；随着RB时间的推进，减慢第二阶段主汽压力速率的校正速度；

步骤2.1.3、汽包水位上升至最高值且汽包水位开始下降时，进入非给水泵RB第三阶段；模型函数不再对主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间进行校正，不再通过主汽压力调整汽包水位，此时输出的主汽压力速率偏置值为0，输出的汽压指令生成惯性时间增益为1；

步骤2.2、设计给水泵RB时汽包水位变化速率对应的主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间的模型函数，通过模型函数来校正主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间；

步骤2.2.1、给水泵RB进入汽包水位的下降阶段，为给水泵RB的第一阶段；结合给水泵RB的推进时间，设置给水泵RB第一阶段对应的主汽压力速率的偏置值和汽压指令生成惯性时间的增益；

步骤2.2.2、给水泵RB进入汽包水位的回升阶段，为给水泵RB的第二阶段，给水泵RB第二阶段不对主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间进行校正；

步骤2.2.3、给水泵RB进入汽包水位的恢复平稳阶段，为给水泵RB的第三阶段，给水泵RB第三阶段不对主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间进行校正。

作为优选，步骤2中模型函数根据RB过程推进时间、汽包水位速率设置；模型函数依据机组运行试验数据拟合得到RB过程中水位速率较为合理的范围，作为控制死区。

作为优选，当步骤2中汽包水位变化速率在死区范围内时，汽包水位变化速率的偏置输出为0，并且不对主汽压力速率进行校正；当汽包水位变化速率在死区范围内时，汽包水位变化速率的增益输出为1，并且不对汽压指令生成惯性时间进行校正。

作为优选，步骤2中给水泵RB和非给水泵RB时模型函数的控制死区不同。

作为优选，步骤2中汽包水位变化速率的偏置或增益为：

Y＝aX+b

其中X为输入的汽包水位速率值,Y为输出的偏置或增益，a、b均为常数。

本发明的有益效果是：

RB过程中主蒸汽压力的控制对汽包水位的稳定至关重要，在RB过程推进时间对滑压速率及惯性时间校正的基础上，针对亚临界机组，结合RB推进时间、RB动作前负荷及汽包水位动态特征实时校正RB过程中的滑压速率与惯性时间，利用主汽压力变速率控制辅助稳定汽包水位，从而有效减少各类辅机RB过程中汽包水位的波动，确保机组的运行安全及运行状态的恢复。

本发明作为亚临界机组RB过程中对主汽压力变速率控制方法的补充，RB过程推进时间设计与汽包水位的变化特征相符合，随着RB进程的推进，机组各时段对汽压控制的需求有所不同，总体来说，RB初期汽包水位波动剧烈，需要主汽压力对汽包水位实现快速辅助控制，以稳定相关参数；RB后期燃烧趋于稳定，汽包水位波动明显降低，故汽包水位的校正作用应适当减弱，水位稳定主要靠给水系统完成。偏置函数、增益系数函数与汽包水位速率值预先拟合，通过试验和分析进一步精确数值。

附图说明

图1为现有的主汽压力变速率控制方法逻辑示意图；

图2为本发明的辅助RB过程汽包水位控制的主汽压力变速率控制方法的逻辑示意图。

附图标记说明：燃料RB动作1、给泵RB动作2、机组负荷设定值3、送引风机RB动作4、滑压设定值5、一次风机RB动作6、主汽压力设定值7、RB前机组负荷8、RB动作9、主气温10、RB动作(不含给水RB)11、汽包水位12。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

非给水泵RB：RB动作触发，机组运行方式切换为汽机跟随(TF方式)，锅炉负荷按照一定的速率降至目标值，磨煤机按照设计好的顺序及间隔时间跳闸，短时间内失去大量燃料，由于蒸发减弱汽包内汽水混合物的气泡数量减少，引起汽包水位呈现先下降的趋势，但此时水位下降并非由于蒸发量大于给水流量造成，而是燃烧变化造成的暂态下降，因而被称为“虚假水位”。随着主蒸汽压力快速下降，一方面使汽水混合物的比容增大，另一方面饱和温度的降低使蒸发金属和炉水放出热量生成更多的蒸汽，汽水混合物容积膨胀，促使水位很快上升，随着RB过程的推进，运行辅机的带载能力与机组负荷相适应，各项主要运行参数趋于稳定，蒸汽量减少汽水混合物容积减小，汽包水位逐渐降至正常范围内。可总结为非给水泵RB中，汽包水位呈现先下降，后上升，最终下降至稳定值的过程，各类辅机RB对燃烧的影响不同，各阶段动态特征略有差异。由于在此过程中，水位的变化并未实际反应给水的供需关系，因此如何解决虚假水位对给水控制的影响是RB控制成功的关键。

给水泵RB：

1、电泵自启：

a.电泵容量等于汽泵，则汽泵RB后电泵迅速自启，电泵启动过程初期可能汽包水位少量下跌后快速恢复，机组不触发RB动作，锅炉负荷不变，该工况不需要考虑汽包水位对滑压速率的修正；

b.电泵容量小于汽泵(例如30％容量电泵，30％电泵容量为电泵额定功率运行能够满足发电机组30％额定发电功率的需求，单台机组配置两台汽泵，每台汽泵能够满足发电机组50％额定发电功率的需求)，机组触发RB动作，锅炉按照设计的速率降至目标值，汽包水位呈现先下降，电泵启动后快速回升的趋势，热备电泵的快速启动使汽包水位在极短时间下降后快速回升，RB目标负荷值较高，一般为75％额定负荷左右，汽压参数的下降较少，RB过程相对较短，汽包水位的波动较小，不予考虑；

2、电泵不自启(启动失败)：

由于机组给水系统失去一半的带载能力，主汽压力、汽包水位均以较快的速率先下降，当单侧运行给水泵出力上升至与机组负荷相适应时，以及压力参数下降引起的汽水混合物膨胀，汽包水位开始回升，同时主汽压力的下降速率减缓，最后恢复平稳得动态特征，与非给水泵RB最主要的区别在：给水泵RB初期水位的下降主要由给水泵供水能力受限造成，其幅度更大，持续时间更长，因此在控制中需要进行一定区分。

综上可知，RB动作初期是失败风险最高的阶段，该阶段内锅炉燃烧或给水的扰动较为剧烈；因此在RB过程中主蒸汽压力的控制对汽包水位的稳定至关重要；本发明在现有RB过程推进时间对滑压速率及惯性时间校正的基础上，依据汽包水位的动态特征，实时利用汽压等其他参数进行辅助控制来校正汽压滑压速率和惯性时间，从而有效减少各类辅机RB过程中汽包水位的波动，确保机组的运行安全及运行状态的恢复。

如图1所示，现有的主汽压力变速率控制方法为根据RB时间推进设定变数值的设定速率和惯性时间，各种辅机RB动作情况设置有对应的速率和惯性时间，相乘和相加功能块各四项对应给泵RB、燃料RB、送/引风机RB、一次风机RB。而本发明在原有基础上增加了亚临界发电机组汽包水位对主汽压力设定速率和惯性时间的修正，通过汽包水位的变化速率修正主汽压力设定值的生成，主汽压力的设定速率与偏置值相加，惯性时间与增益系数相乘。

DCS系统中的函数功能块为简单折线函数，不同厂商的DCS系统函数功能块基本相同，设置方式如下，每两个点之间是函数式为Y＝aX+b的一维线性函数，X为输入的水位速率值,Y为输出的偏置或增益，如下表1所示，无固定表达式(X1,Y1)至(X2,Y2)为一段函数，控制系统自动根据设置的两点数值计算该段函数的表达式，以此类推(X2,Y2)与(X3,Y3)为一段函数，按照下表中所设置共计4个点，包含3段折线函数。DCS系统中应用的函数功能，包括本发明中的偏置与增益均为此类函数，水位速率为输入的X，输出的Y为对应的偏置或增益。

表1偏置与增益所属的无固定表达式取值表

实施例一

本申请实施例一在RB过程主蒸汽压力变速率控制方法的基础上，从RB过程中汽包水位动态特征与主蒸汽压力变化趋势的机理关系入手，提供了一种如图2所示辅助RB过程汽包水位控制的主汽压力变速率控制方法，分为给水泵RB工况和非给水泵RB工况：

步骤1、对汽包水位数值进行微分计算，得到汽包水位的变化速率；

步骤2、由于RB过程中锅炉燃烧和给水对汽包水位的影响不同，分别设计给水泵RB和非给水泵RB时汽包水位变化速率对应的主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间的模型函数，通过模型函数来校正主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间；

模型函数根据RB过程推进时间、汽包水位速率设置；模型函数依据机组运行试验数据拟合得到RB过程中水位速率较为合理的范围，作为控制死区；汽包水位变化速率在死区范围内时，汽包水位变化速率的偏置输出为0，并且不对主汽压力速率进行校正；当汽包水位变化速率在死区范围内时，汽包水位变化速率的增益输出为1，并且不对汽压指令生成惯性时间进行校正；死区：也被称为中性区或不作用区，控制系统的传递函数中，对应输出为零的输入信号范围，无特殊函数式，本发明中述及的死区即为偏置和增益的不作用区，偏置为相加，增益为相乘，以本发明为例，设定RB过程中汽包水位速率的合适值为0～100mm/min,如果实际速率在此区间则对应输出的Y数值为0(偏置)，1(增益)，各机组，此处提到拟合是根据大量的机组运行数据，通过数值统计计算得到合理的水位速率范围，不同的发电机组有不同的合理水位速率范围；给水泵RB和非给水泵RB时模型函数的控制死区不同；

汽包水位变化速率的偏置或增益为：

Y＝aX+b

其中X为输入的汽包水位速率值,Y为输出的偏置或增益，a、b均为常数；

步骤2.1、设计非给水泵RB时汽包水位变化速率对应的主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间的模型函数，通过模型函数来校正主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间；

步骤2.1.1、非给水泵RB第一阶段为汽包水位的下降阶段，根据实时汽包水位的下降速率来校正主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间，能够快速调整主汽压力的下降速率，减缓RB初期汽包水位的持续下降；模型函数以偏置的方式校正主汽压力速率：通过汽包水位的下降速率来修正生成主汽压力速率设定值，将主汽压力速率设定值与偏置值相加；模型函数以增益的方式校正汽压指令生成惯性时间：将汽压指令生成惯性时间与增益相乘；

步骤2.1.2、汽包水位下降至最低值后开始回升，进入非给水泵RB第二阶段；模型函数根据实时汽包水位的下降速率，采用与步骤2.1.1中第一阶段相同的校正方式来校正主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间；但由于第二阶段机组运行逐渐趋于稳定，为防止汽包水位过高，随着RB时间的推进，整体减慢第二阶段主汽压力速率的校正速度；

步骤2.1.3、汽包水位上升至最高值且汽包水位开始下降时，进入非给水泵RB第三阶段；模型函数不再对主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间进行校正，不再通过主汽压力调整汽包水位，此时输出的主汽压力速率偏置值为0，输出的汽压指令生成惯性时间增益为1；

步骤2.2、设计给水泵RB时汽包水位变化速率对应的主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间的模型函数，通过模型函数来校正主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间；

步骤2.2.1、给水泵RB进入汽包水位的下降阶段，为给水泵RB的第一阶段，第一阶段RB动作触发后锅炉瞬间失去大量给水流量，锅炉快速降负荷，蒸汽流量的减少引起主汽压力的快速下跌，汽包水位以较快的速率下降，下降速率快于其他辅机RB；结合给水泵RB的推进时间，设置给水泵RB第一阶段对应的主汽压力速率的偏置值和汽压指令生成惯性时间的增益；

步骤2.2.2、当运行给水泵出力与负荷相适应，水位停止下跌开始回升进入第二阶段，给水泵RB进入汽包水位的回升阶段，为给水泵RB的第二阶段,进入第二阶段后给水泵RB逐渐平稳，给水泵RB第二阶段不对主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间进行校正；

步骤2.2.3、给水泵RB进入汽包水位的恢复平稳阶段，为给水泵RB的第三阶段，给水泵RB第三阶段不对主汽压力速率和汽压指令生成惯性时间进行校正；

步骤3、当汽包水位的下降速率过快时，增大主汽压力速率，减小汽压指令生成惯性时间，加快汽压设定值的下降速率，开大汽机调门，降低实际主汽压力，通过汽水混合物膨胀来减缓水位的下降速率，快速降低主汽压力也有利于给水泵的出水顺畅，能够快速回复给水系统出力；

步骤4、当汽包水位的上升速率过快时，减小主汽压力速率，放缓主汽压力设定值的下降速率；关小汽机调门来延缓主汽压力下降，减缓水位上升。

实施例二

在实施例一的基础上，本申请实施例二提供了实施例一种方法在某330MW亚临界机组中的应用：

设计汽包水位变化速率对应的主汽压力速率和惯性时间的模型函数，非给水泵RB工况和给水泵RB工况分别详细说明；

1.非给水泵RB工况

对汽包水位的扰动来源于锅炉燃烧，汽包水位呈现先下降，后上升，最终下降至稳定值的趋势，根据其变化特征分为三个阶段，第一阶段为下降阶段，第二阶段为上升阶段，第三阶段为上升后逐渐恢复至稳定值。

第一阶段由于蒸发减弱汽包内汽水混合物的气泡数量减少，水位下降，跳磨的数量越多以及跳磨的间隔时间越短对炉内燃烧的影响越大，汽包水位下降的速率越快，主汽压力的下跌速率也就越快。根据实时水位的下降速率来校正滑压速率和汽压指令生成惯性时间，能够快速调整汽压指令的下降速率，减缓RB初期汽包水位的持续下降。例如一次风机故障跳闸影响煤粉送入炉膛，对锅炉燃烧的影响最大，非给水泵RB中主汽压力下跌最快，第一阶段汽包水位和主汽压力的下降速率均快于其他非给水泵RB。

水位下降至最低值开始回升，进入第二阶段，由于RB过程已经推进一段时间，锅炉快速降负荷，相比于第一阶段机组工况逐渐趋于稳定，由于主汽压力参数在短时间快速下降直接影响汽包压力，汽水混合物的体积膨胀引起水位上升，机组存在汽包水位过高的风险。水位的上升速率与主汽压力的下降速率密切相关，较第一阶段放缓，校正方式与第一阶段类似，但由于该阶段机组运行逐渐趋于稳定，随着RB推进时间的调节该阶段滑压速率整体放慢，第二阶段调节的目的为防止汽包水位过高。

水位上升至最高值开始下降，进入第三阶段，此时机组负荷逐渐接近目标负荷，运行过程基本平稳，汽水混合物体积减小，汽包水位缓慢下降至设定值附近，该阶段不需要进行校正，进入第三阶段后不再通过主汽压力调整汽包水位，偏置输出为0，增益系数输出为1。

2.给水泵RB工况

给水泵RB中，仅说明触发RB动作后电泵不自启的情况，同样分为三个阶段，第一阶段为水位下降阶段，第二阶段为水位回升阶段，第三阶段为水位恢复平稳阶段。第一阶段RB动作触发后锅炉瞬间失去大量给水流量，锅炉快速降负荷，蒸汽流量的减少引起主汽压力的快速下跌，汽包水位以较快的速率下降，下降速率快于其他辅机RB，当运行给水泵出力与负荷相适应，水位停止下跌开始回升进入第二阶段，进入第二阶段后给水泵RB逐渐平稳，第二阶段与第三阶段不予校正，结合RB推进时间设置给水泵RB第一阶段相应的滑压速率偏置和惯性时间增益，当汽包水位的下降速率过快，则增大滑压速率，减小惯性时间，汽压设定值的下降速率加快，汽机调门开大，实际主汽压力下降，汽水混合物膨胀减缓水位的下降速率。同时，快速降低主汽压力也有利于给水泵的出水顺畅，能够快速回复给水系统出力。

各机组设备型号、运行情况不相同，各机组适用的参数均需调试优化，以某330MW亚临界机组经多次试验后确定各RB动作的汽包水位速率变化值的合适范围为＜80mm/min，机组正常运行时汽压的变化速率为0.25MPa/min，惯性时间设置为一阶120s，当触发一次风机RB动作，汽压速率切换至0.4MPa/min，惯性时间切换为60s，本实施例数据设置如下：

一次风机RB变化速率的偏置函数如下表2所示，“-”符号代表减速率：

表2一次风机RB变化速率的偏置函数取值表

一次风机RB惯性时间的增益函数如下表3所示，“-”符号代表减速率：

表3一次风机RB惯性时间的增益函数取值表

以表2和表3中的设计参数作为参考，假设汽包水位的实际速率达到100mm/min,则汽压速率经修正后为0.51MPa/min，惯性时间为52.8，主汽压力的设定值曲线与原设计相比明显加快；

送/引风机RB变化速率的偏置函数如下表4所示：

表4送/引风机RB变化速率的偏置函数取值表

送/引风机RB惯性时间的增益函数如下表5所示：

表5送/引风机RB惯性时间的增益函数取值表

燃料RB设置方式类似，不重复描述。

由于给水泵RB过程中主要为防止水位下降过快，因此水位上升不予调节，给水泵RB变化速率的偏置函数取值如下表6所示：

表6给水泵RB变化速率的偏置函数取值表

其中一次风机RB惯性时间的增益函数如下表7所示：

表7一次风机RB惯性时间的增益函数取值表

图1和图2中：虚线表示开关量，值为0或1；实线表示模拟量；f(x)为关系函数，图中的两种形式，一个输入对应一个输出，两个输入对应一个输出；Σ表示相加，×表示相乘；V≯表示设置的变化速率，LAG表示滞后时间功能块，用来设置文中的惯性时间，图中设置为三阶，是DCS系统常用功能，速率和惯性时间联用为火电控制行业普遍采用的方法，模拟实际压力的变化趋势来设置主蒸汽压力设定值；M/A表示主控制器(手操器)，机组运行人员可设置手自动状态；TIME为计时器，当RB动作信号触发时开始计时；d/dt为微分环节，计算汽包水位数值的变化速率；T表示切换算式，当开关量为1，输出选择Y(Yes)侧，当开关量为0，输出选择N(NO)侧；图1和图2中的A为常数均为常数，为数值1。