给水泵是火力发电厂中最重要的辅助机械之一，其可靠性直接关系到发电机组运行的安全稳定运行。本文分析了某电厂350 MW汽轮发电机组给水泵再循环阀现有控制策略的不足，结合实际工程案例，提出了控制策略的优化方法，实施后提高了机组的安全稳定性与经济性。

给水泵正常运行时，为防止发生汽蚀，要求泵的实际流量必须大于设计最小流量。给水泵的最小运行流量由运行特性曲线决定，主要影响因素有泵的设计转速、制造结构、设计流量等^[1]。给水泵运行的安全性和经济性均与流量有关，当泵的必需汽蚀余量和有效汽蚀余量相等时，此时的流量即为给水泵必需的最小流量。

给水泵的运行工况复杂多变，为了保证给水泵不发生汽蚀，始终运行在安全区域（尤其在给水泵启动初期或机组低负荷运行时），要求再循环阀的控制策略能够始终保持稳定、可靠，保证给水泵的最小流量满足要求^[1]。

给水泵再循环阀的控制方式通常可分为开关式控制和连续式控制2种方式。开关式控制方式适用于小容量机组，超临界或大容量机组一般采用连续式控制方式，以保证运行经济性及给水流量调节的稳定性。再循环阀的常见控制策略有单一曲线函数控制、回滞函数控制及PID调节控制^[2]。

单一曲线函数控制方法比较简单，再循环阀的打开指令是由1个与给水泵入口流量对应的曲线函数F（x）的输出给定的，单一曲线函数控制曲线示意图如图 1所示。

图 1

图 1 单一函数控制曲线

图 1中，180 t/h为防止给水泵发生汽蚀的最小流量，此时要求将再循环阀打开；阀门开启后，流量增加至320 t/h时，再循环阀关闭。该控制策略在早期设计的给水泵再循环控制系统使用过，机组低负荷时再循环阀经常处于开启状态，限制了给水泵自身调节能力的发挥，系统运行的经济性很低，对汽包水位的自动控制也会造成较大影响。

采用该控制策略的阀门在实际运行过程中动作较频繁、摆动幅度较大，阀门动作瞬间会引起机组给水流量的大幅度波动，而给水流量的波动又会反过来影响阀门的开度指令。采用这种控制策略的给水泵运行安全、经济性较差，易导致给水系统频繁发生振荡^[3]。

回滞函数曲线示意图见图 2。这种控制策略设置了2段函数共同调节再循环阀开度，结合给水泵的最小流量安全运行区域，确定给水泵转速对应的再循环阀指令的函数关系F₁ （x）和F₂ （x）。当给水泵入口流量增加时，阀门会随着F₁ （x）的设定慢慢关闭，反之阀门会慢慢开启。F₁ （x）和F₂ （x）之间存在1个间隙区域（不灵敏区），当给水泵入口流量在该区域内变化时，阀门保持当前开度不变，减少了阀门的动作次数，相当于在再循环阀的控制特性中增加了1个非线性死区环节^[2]。

图 2

图 2 回滞函数控制曲线

回滞函数的控制策略基本与单一函数相同，在机组刚启动时，锅炉需要的给水流量比较小，阀门会跟随着流量曲线频繁启闭，大大加重了阀门的负担，严重时甚至会损坏阀芯。

PID控制器是工业过程控制中最常用的反馈回路元件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D共同组成。机组采用单一函数控制和回滞函数控制方法的能耗较大、安全性不高，不能长时间投入，而且极易损坏阀门，而PID调节可以在机组启动初期直到满负荷的全过程中投入运行，对自动调节的干扰很小，在保护再循环阀的同时，可以达到节能降耗的优良效果。

本工程采用的控制策略为PID调节控制，在机组启动初期，自动功能不能正常调节给水泵入口流量。试验过程中发现主要存在以下问题。

（1） 运行过程中再循环阀频繁开启和关闭，造成给水系统频繁波动。经过分析，发现原因为：在再循环阀打开瞬间，给水泵入口流量增加，这时给水泵入口流量大于函数f₁ （x）的设定值，PID控制器输出指令减小，直到再循环阀关闭；而阀门关闭后，又会引起给水泵入口流量减小，如果小于f₁ （x）的设定值，阀门又会重新打开，阀门的反复动作给整个给水系统的稳定运行带来极大的安全隐患。

（2） PID控制器的设定函数f（x）与给水泵入口流量超驰打开定值的设置不符合现场实际工况的要求。优化前，控制逻辑设计目标是锅炉给水流量较低时，由PID控制器来调节，这样可以保持给水泵入口流量大于超驰打开定值，不会对给水系统形成大的扰动。但在PID调节器调节过程中，当给水系统有较大的扰动时，给水泵入口流量会降低至再循环阀超驰打开的定值，PID调节器的调节范围会变得非常小，不能起到正常的调节作用。

（3） 逻辑中未设置PID调节器的死区定值。给水泵再循环阀经常工作在高差压的状态下，阀门在小开度时频繁动作极易造成损坏。经分析优化后将小信号切除定值暂定为15%。

（4） 给水泵设备说明书中的给水泵转速对应的最小流量函数关系不适合现场机组的实际工况，需加以调整，使其与给水泵实际运行过程中的状态相匹配。

优化后，在给水泵入口流量较高时，由PID调节器控制；在给水泵入口流量降低到保护开启定值时，再循环阀超驰打开一定开度（50%~70%）；当给水泵入口流量严重不足时，保护功能将再循环阀全开（开度100%）。图 3、图 4分别为优化后的再循环流量控制逻辑及PID调节控制系统图。

图 3

图 3 优化后的再循环流量控制逻辑（红色部分为优化部分）

图 4

图 4 优化后的PID调节控制系统

优化时，在给水泵转速控制逻辑中设置了3个阀门开度指令特性函数曲线，目的是增加PID调节器的调节稳定性，防止给水泵发生汽蚀现象，提高给水系统运行的经济性。

（1） 在PID 调节器的出口位置设置了函数曲线。阀门开度较小时，对水量的调节作用已经非常有限，没有必要再参与调节，所以优化后将其关闭，这样既可以保证阀芯不被水长时间冲刷，也可以降低电泵的功耗^[4]。

（2） 为了实现各种工况的有效配合，逻辑中设置了3个函数f₁（x）、f₂（x）、f₃（x），各函数分别对应的是超驰打开、保护打开、PID调节器的设定值，具体定值可根据工程实际情况进行设定^[3]。

（3） 为了保证PID调节功能在机组运行过程中全程投入，避免因给水系统的瞬间扰动将PID调节自动功能切为手动状态，在自动切除逻辑中加入了延时触发环节^[4]。

（4） 在PID调节器设定值中加入死区环节。在调节器输出指令低于15%时，由于再循环阀一直保持关闭状态，一旦调节器输出指令大于15%，在不设置死区的情况下，PID调节器将反复打开和关闭再循环阀门，从而对给水系统造成较大的扰动，也会损坏阀门。经优化设计，本工程死区设置为(-40~40 t/h）^[2]。

经过反复进行扰动试验，优化后逻辑在满足锅炉上水量要求的前提下，给水泵再循环阀动作次数明显减少，既减小了再循环阀的动作对给水系统造成的扰动，又保护了再循环阀；PID调节器可以稳定地控制再循环阀开度，从而降低了给水泵的电耗，提高了给水泵的经济性^[5]。图 5为优化后的给水泵入口流量变化趋势曲线。

图 5

图 5 优化后的给水泵入口流量变化曲线

经过对350 MW汽轮发电机组给水泵再循环阀控制策略进行优化，在满足锅炉上水量要求的前提下，给水泵再循环阀动作次数明显减少，减小了再循环阀的动作对给水系统造成的扰动；PID调节器可以稳定地控制再循环阀开度，降低了给水泵的电耗，提高了给水泵系统运行的安全稳定性和经济性。