除氧器水位及凝汽器熱井水位的控制策略

王光輝

1 前言

熱電機(jī)組系統(tǒng)內(nèi)，凝汽器及除氧器承擔(dān)機(jī)組低壓汽缸排除的蒸汽回收、蒸汽冷凝、凝結(jié)水補(bǔ)給、凝結(jié)水加熱與除氧的任務(wù)。其中，凝汽器熱井是整個(gè)機(jī)組唯一補(bǔ)給凝結(jié)水的容器；除氧器是整個(gè)單元機(jī)組給水加熱系統(tǒng)中唯一的緩沖環(huán)節(jié)。除氧器與凝汽器熱井水位是機(jī)組運(yùn)行需監(jiān)控的幾個(gè)最重要的參數(shù)之一。因此，精準(zhǔn)且快速地控制除氧器與凝汽器熱井水位對(duì)單元機(jī)組的正常運(yùn)行是必須的，先進(jìn)的控制策略和相應(yīng)的精確控制參數(shù)是實(shí)現(xiàn)除氧器與凝汽器熱井水位正常的保證。

2 通用的除氧器水位及凝汽器熱井水位控制方案介紹

2.1 普通的除氧器水位控制方案

除氧器水位是通過控制除氧器入口調(diào)節(jié)閥或凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，直接改變進(jìn)入除氧器的凝結(jié)水流量實(shí)現(xiàn)的。以往的除氧器水位控制模式，采用的是單沖量和串級(jí)三沖量相結(jié)合的控制方案。

除氧器水位控制系統(tǒng)原理說明：以DEA1_PID和DEA2_PID為核心組成串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)，DEA1_PID是主調(diào)器，DEA2_PID是副調(diào)器；以DEA3_PID為核心組成單沖量控制系統(tǒng)，所有的PID均全程工作在CloseLoop模式，外配置一個(gè)三沖量、單沖量切換功能塊DEA_SW完成三沖量、單沖量自動(dòng)選擇或直接切換到手動(dòng)模式。除氧器水位（三選中）是主信號(hào)，該信號(hào)與運(yùn)行人員設(shè)置的水位定值信號(hào)的偏差，分別送到單沖量和串級(jí)三沖量主調(diào)器的入口，給水流量和凝結(jié)水流量是系統(tǒng)的輔助信號(hào)：給水流量為除氧器的所有流出量的總和，為省煤器入口給水流量與過熱器一、二級(jí)噴水流量之和；凝結(jié)水流量是除氧器的流入量。在三沖量模式下，主調(diào)器DEA1_PID接受除氧器水位設(shè)定值與檢測值（三選中）的偏差信號(hào)，經(jīng)比例積分PI運(yùn)算后的輸出與給水流量的前饋量之和，減去凝結(jié)水流量，其偏差值送至副調(diào)器DEA2_PID，副調(diào)器的輸出去控制除氧器入口的凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)閥開度，作用于凝結(jié)水流量的改變以穩(wěn)定除氧器水位；在單沖量模式下，DEA3_PID直接根據(jù)水位的偏差信號(hào)控制凝結(jié)水流量以調(diào)節(jié)除氧器的水位。

三沖量與單沖量模式的切換邏輯（以300 MW機(jī)組為例）是：

a、當(dāng)凝結(jié)水流量<200T/H，為單沖量模式；

b、當(dāng)凝結(jié)水流量>300T/H，為串級(jí)三沖量模式；

c、當(dāng)200 t/h<凝結(jié)水流量<300 t/h，維持當(dāng)前的控制模式不變

除氧器水位控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 除氧器水位控制系統(tǒng)原理圖

2.2 普通的凝汽器熱井水位控制方案

凝汽器水位是通過控制凝汽器補(bǔ)給水調(diào)節(jié)閥直接改變補(bǔ)給到凝汽器的凝結(jié)水流量實(shí)現(xiàn)的。以往的凝汽器水位控制模式，采用的是一個(gè)單回路的控制方案。

凝汽器熱井水位控制系統(tǒng)原理(見圖2)說明：凝汽器熱井水位（三選中）與運(yùn)行人員的水位設(shè)定值的偏差信號(hào)，送至CND_PID調(diào)節(jié)器入口，經(jīng)PI運(yùn)算后，直接控制熱井補(bǔ)水門的開度，改變補(bǔ)給到熱井的凝結(jié)水流入量，穩(wěn)定熱井水位。

2.3 普通的除氧器及凝汽器熱井水位控制方式的不足

圖2 凝汽器熱井水位控制系統(tǒng)原理圖

在通用的除氧器和凝汽器水位控制策略中，除氧器的水位控制策略與汽包水位控制類似，采用單沖量和串級(jí)三沖量相結(jié)合的控制方案；而凝汽器熱井水位控制系統(tǒng)是一個(gè)簡單的單回路控制系統(tǒng)，并且兩個(gè)控制系統(tǒng)沒有作解耦運(yùn)算處理。在實(shí)際的現(xiàn)場運(yùn)行過程中，頻繁出現(xiàn)水位超高/超低的報(bào)警，凝汽器水位過高，將直接影響凝汽器的真空，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致汽輪機(jī)低壓缸進(jìn)水，凝汽器熱井水位過低，也將危及凝結(jié)水泵的安全運(yùn)行和整個(gè)熱力系統(tǒng)的水循環(huán)；除氧器水位過高，影響凝結(jié)水的除氧效果，除氧器水位過低又將危及給水泵的安全運(yùn)行，并且上述的控制方案無法實(shí)現(xiàn)全程水位CloseLoop模式，主要的設(shè)計(jì)缺陷如下：

a、除氧器的截面容積與凝結(jié)水瞬時(shí)入口流量的比值過大，改變凝結(jié)水流量后至PID檢測到的偏差開始變化存在較大的滯后，除氧器水位的偏差恢復(fù)到正常值的過程中，除氧器水位存在振蕩的可能性；

b、同樣的問題也存在與凝汽器熱井水位的控制中，凝汽器的截面容積與其補(bǔ)水瞬時(shí)流量比值過大，改變其補(bǔ)水流量后至PID檢測到的偏差變化存在非常大的滯后，而且影響凝汽器熱井水位變化的因素太多，包括：機(jī)組負(fù)荷、除氧器水位目標(biāo)預(yù)期值、凝汽器水位目標(biāo)預(yù)期值、除氧器補(bǔ)給水的流量、凝汽器補(bǔ)給水的流量等因素，一個(gè)單回路控制模式是無法正常工作在全程凝汽器水位CloseLoop模式，并且導(dǎo)致凝汽器熱井水位的偏差恢復(fù)到正常值的過程中，凝汽器熱井水位存在振蕩的可能性。

3 全新的除氧器水位、凝汽器熱井水位控制系統(tǒng)策略

針對(duì)上述的除氧器、凝汽器水位控制系統(tǒng)的不足，通過分析除氧器、凝汽器在機(jī)組中所承擔(dān)的任務(wù)和設(shè)備工藝特性，我們開發(fā)了全新的控制策略，以便滿足機(jī)組全工況運(yùn)行過程中，除氧器、凝汽器水位的調(diào)節(jié)模式均工作在CloseLoop模式（閉環(huán)），同步也可以相應(yīng)地簡化兩個(gè)控制系統(tǒng)組態(tài)邏輯及控制參數(shù)的整定。

3.1 形成相應(yīng)控制策略的理論基礎(chǔ)

a)機(jī)組運(yùn)行過程中負(fù)荷增加時(shí)，凝補(bǔ)水系統(tǒng)工作介質(zhì)第一反應(yīng)為低壓缸來蒸汽增加，凝汽器熱井水位的升高，負(fù)荷增加延后一段時(shí)間，汽包水位開始下降而加大給水泵的出力，增加汽包給水，除氧器水位下降，除氧器入口的凝結(jié)水閥加大開度，增加凝結(jié)水量，穩(wěn)定除氧器水位，凝汽器水位下降。如果機(jī)組定壓運(yùn)行，熱井水位恢復(fù)，保持相對(duì)穩(wěn)定；如果機(jī)組滑壓運(yùn)行，蒸汽管道內(nèi)的蒸汽量存續(xù)增加，熱井水位的設(shè)定值須升高，滿足機(jī)組對(duì)凝結(jié)水的總量增加的需求預(yù)期，才可以保持熱井水位相對(duì)穩(wěn)定；

b)機(jī)組運(yùn)行過程中負(fù)荷降低時(shí)，凝補(bǔ)水系統(tǒng)工作介質(zhì)第一反應(yīng)為低壓缸來蒸汽減少，凝汽器熱井水位的下降，負(fù)荷降低延后一段時(shí)間，汽包水位升高而降低給水泵的出力，減少汽包給水，除氧器水位上升，除氧器入口的凝結(jié)水閥減小開度，降低凝結(jié)水量，穩(wěn)定除氧器水位，凝汽器水位上升如果機(jī)組定壓運(yùn)行，熱井水位恢復(fù)，保持相對(duì)穩(wěn)定；如果機(jī)組滑壓運(yùn)行，由于機(jī)組蒸汽管道內(nèi)的蒸汽量存續(xù)降低，熱井水位的設(shè)定值須下降，滿足機(jī)組對(duì)凝結(jié)水的總量減少的需求預(yù)期，才可以保持熱井水位相對(duì)穩(wěn)定；

3.2 全新控制策略的形成

影響除氧器水位變化的因素有入口凝結(jié)水流量和除氧器出口的給水流量，影響凝汽器熱井水位變化的因素有低壓缸來蒸汽（機(jī)組負(fù)荷）、除氧器入口的凝結(jié)水流量和凝汽器補(bǔ)給水流量（代表運(yùn)行過程凝結(jié)水的損耗而需要及時(shí)補(bǔ)給量），再加上凝汽器熱井水位設(shè)定值（代表預(yù)期的機(jī)組工作介質(zhì)總量變化）、除氧器水位設(shè)定值（代表預(yù)期的機(jī)組運(yùn)行過程中對(duì)主給水量變化），機(jī)組運(yùn)行過程中所有上述介質(zhì)的變化都存在關(guān)聯(lián)的。我們通過機(jī)組運(yùn)行過程工作介質(zhì)的動(dòng)態(tài)描述，可以看出，在單元機(jī)組運(yùn)行過程中，所有給水的補(bǔ)給均來自凝結(jié)水補(bǔ)水，凝結(jié)水的水-汽-水的汽液態(tài)的變化過程中，剔除凝結(jié)水的機(jī)組做功的正常損耗，只要沒有改變熱井水位設(shè)定值，整個(gè)機(jī)組的凝結(jié)水量應(yīng)該是平衡的，凝結(jié)水理論上是不存在額外的增補(bǔ)需求的。并且除氧器水位設(shè)定值、凝汽器熱井水位設(shè)定值之間需要耦合，做到同步響應(yīng)，才可能及時(shí)消除傳統(tǒng)的三沖量、單沖量模式（除氧器水位）、單回路控制模式（凝汽器熱井水位）中控制動(dòng)作的滯后和過調(diào)的現(xiàn)象。

通過上述的分析，我們?cè)O(shè)計(jì)了全新的控制策略，基于凝汽器與除氧器的耦合特性，將熱井和除氧器虛擬為一個(gè)大的“容器”，并且“容器”分成上下2格，分別表示凝汽器水位和除氧器水位；通過凝汽器熱井水位調(diào)節(jié)閥控制“容器”的總水位（除氧器水位+熱井水位），通過控制調(diào)節(jié)除氧器主水位調(diào)節(jié)閥、除氧器副水位調(diào)節(jié)閥來達(dá)到控制“容器”上下2格之間的水位差(除氧器水位-熱井水位)。

3.3 相應(yīng)的控制系統(tǒng)原理說明

參見圖3。

（1）除氧器水位調(diào)節(jié)與凝汽器水位調(diào)節(jié)看作一個(gè)“容器”的兩個(gè)設(shè)備，兩個(gè)PID同步投/切CloseLoop模式；

（2）將除氧器水位設(shè)定DEA_SP乘以除氧器面積系數(shù)DEA_SK與凝汽器水位CND_SP設(shè)定之和作為凝汽器水位調(diào)節(jié)CND_PID的設(shè)定；

圖3 除氧器/凝汽器水位控制

（3）將凝汽器水位CND_SP設(shè)定乘以凝汽器面積系數(shù)CND_SK與除氧器水位設(shè)定DEA_SP之差作為除氧器水位調(diào)節(jié)DEA_PID的設(shè)定；

（4）將除氧器水位DEA_L乘以除氧器面積系數(shù)DEA_SK與凝汽器水位CND_L之和作為凝汽器水位調(diào)節(jié)CND_PID的測量值；

（5）將凝汽器水位DEA_L乘以凝汽器面積系數(shù)CND_SK與除氧器水位DEA_L之差作為除氧器水位調(diào)節(jié)DEA_PID的測量值；

（6）除氧器主水位調(diào)節(jié)閥、除氧器副水位調(diào)節(jié)閥同時(shí)接受除氧器水位的動(dòng)作指令，但設(shè)計(jì)了動(dòng)作的順序：當(dāng)副閥的閥位≯86%，主閥的增加動(dòng)作閉鎖；當(dāng)主閥的閥位＞3%，副閥的減小動(dòng)作閉鎖；

相應(yīng)的控制策略如除氧器、凝汽器水位一體化控制圖。

圖3 除氧器、凝汽器水位一體化控制圖

3.4 除氧器水位與凝汽器水位調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)回路中的相應(yīng)的邏輯保護(hù)

(1)除氧器水位DEA_PID或凝汽器熱井水位CND_PID如果存在投CloseLoop模式的動(dòng)作，將自動(dòng)地將凝汽器熱井水位CND_PID或除氧器水位DEA_PID投入CloseLoop模式；

(2)除氧器水位DEA_PID或凝汽器熱井水位CND_PID如果存在切CloseLoop模式的動(dòng)作，將自動(dòng)地將凝汽器熱井水位CND_PID或除氧器水位DEA_PID切至OpenLoop模式；

(3)除氧器水位或凝汽器水位信號(hào)質(zhì)量碼如果有存在“壞值”判斷碼，將同步切除控制器DEA_PID、CND_PID至OpenLoop模式；

(4)除氧器水位DEA_PID及凝汽器熱井水位CND_PID的過程控制保護(hù)中，當(dāng)控制目標(biāo)值SP與測量值PV偏差過大時(shí)，采用閉鎖相應(yīng)PID增加/減少的方式，閉鎖閥門向更加惡劣的方向動(dòng)作，來保護(hù)水位調(diào)節(jié)器的輸出方向，不設(shè)計(jì)切除CloseLoop模式的動(dòng)作命令。

4 優(yōu)化后的控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果

通過100多套運(yùn)行的300 MW以上機(jī)組的實(shí)踐，采用我們提出和整定參數(shù)的除氧器水位&凝汽器熱井水位一體化控制策略，可以完全實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行過程中除氧器、凝汽器熱井水位的全程自動(dòng)，完全可以適應(yīng)機(jī)組負(fù)荷的快速變化和頻繁變化，除氧器和凝汽器熱井水位在3個(gè)動(dòng)作周期內(nèi)均可以達(dá)到平衡，沒有出現(xiàn)振蕩的情況，運(yùn)行效果優(yōu)良。