基于數據擬合的除氧器汽水系統自啟動升溫控制策略

譚祥帥，李 昭，辛志波，劉 帥，李長海，牛利濤，郭云飛，高 奎

(西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

在火電廠鍋爐給水系統中，除氧器作為關鍵設備之一，利用啟動鍋爐供汽或者臨機供汽，在機組啟動前對鍋爐給水加熱，依據道爾頓分壓定律、亨利定律及傳熱傳質方程等原理，不僅能除去鍋爐給水中的溶解氧，而且能除去水中游離的CO2、NH3、H2S等腐蝕性氣體，防止熱力設備被腐蝕，除氧器安全穩定運行對鍋爐給水系統具有極其重要的作用[1-2]。

在機組啟動過程中，除氧器的運行存在諸多問題，如除氧器振動、汽水共騰、水位震蕩等，其中以除氧器振動最為常見。除氧器振動不僅使鍋爐給水處理系統存在運行安全隱患，而且使除氧器投運的不可靠性大幅度提高，同時導致機組啟動時間延長，達不到機組整體啟動的安全經濟性[3-5]。

目前，國內外火電廠對除氧器汽水系統升溫過程的控制策略尚未見報道。從火電廠實際運行情況來看，除氧器汽水系統升溫過程的控制方法不符合先進控制技術和實時優化控制技術的發展要求[6]。本文基于數據模型的除氧器汽水系統自啟動升溫技術通過對最優的手動啟動過程數據擬合分析，將分析結果轉化為實際控制方法，對機組快速安全啟動以及節能降耗提高機組經濟效益都具有極其重要的意義。同時，該技術為智能發電技術在工程中的實際應用提供了一定的參考。

1 除氧器系統

某電廠除氧器采用型號DFST-1280·160/184 的臥式內置除氧器，該除氧器設計壓力為1.35 MPa，設計溫度為361 ℃，額定出力為1 280 t/h，有效容積為160 m3，排汽量≤1‰，提升溫度（VWO 工況）37.6 ℃，冷態啟動中所需的預暖時間90 min。

在機組冷態啟動初期，除氧器系統的加熱蒸汽來自輔助蒸汽系統。輔助蒸汽系統內蒸汽由啟動鍋爐系統或其他運行的相鄰機組供給，加熱蒸汽通過輔汽聯箱，依次經過手動截止閥、電動截止閥、蒸汽加熱控制閥后進入除氧器，通過蒸汽與除鹽水在除氧器內部相混合的加熱方式，將除氧器系統容積內的除鹽水加熱到相應溫度，以達到后續鍋爐上水的要求。

2 除氧器運行特性控制策略分析

實際運行中，除氧器汽水系統的整體溫度具有滯后、時變、非線性等特點。當除氧器完成上水，輔助蒸汽系統或臨機供汽系統準備就緒后，在除氧器升溫系統手動投入初期，蒸汽加熱控制閥打開過快，會使除氧器汽水系統升溫速率過快，當溫度較高的過熱蒸汽與溫度較低的除鹽水接觸時，使得局部的除鹽水升溫過快而瞬間產生大量汽泡，對除氧器形成熱沖擊從而導致除氧器振動；當蒸汽加熱控制閥打開過慢，加熱蒸汽進入除氧器后冷凝所形成的負壓區域會產生不同程度振動，并且會延長機組啟動時間，影響機組啟動的經濟性。由于運行調整不當而導致的除氧器振動會嚴重影響除氧器汽水系統的運行安全，系統長時間振動會造成除氧器內霧化裝置掉落，無法霧化則會致使系統內振動更加嚴重，造成惡性循環，嚴重影響除氧器汽水系統的正常運行[7-10]。同時在機組啟動過程中，除鹽水必須通過除氧器熱力除氧，并達到鍋爐水冷壁上水溫度的要求，確保機組在啟動投運過程中安全經濟穩定運行[11-13]。

在除氧器汽水系統加熱升溫過程中，蒸汽由輔汽聯箱或臨機供汽系統通過蒸汽加熱控制閥進入除氧器，通過對機組手動冷態啟動過程分析得出：因無法準確判斷蒸汽加熱控制閥的開啟速率，常規PID 控制方式不適于除氧器汽水系統自啟動升溫過程，常需要運行人員手動干預升溫過程。但運行人員手動控制無法實現最佳條件下除氧器汽水系統加熱升溫，升溫時間過長必然會造成能量損失與機組啟動時間延長，機組啟動的整體效率降低[14-15]。

基于上述分析，根據除氧器運行特性要求，采取一種基于時間動態調節除氧器汽水系統溫度的控制策略尤為必要。本文采用一種基于數據模型的動態控制方法，在除氧器系統升溫初期確保系統處于安全運行范圍內，除氧器加熱控制閥按照時間、控制閥指令和除氧器汽水系統溫度溫升率進行動態控制，三者之間的關系則根據歷次手動投入除氧器加熱時的數據進行分析擬合得出。

在除氧器汽水系統升溫過程中，以除氧器汽水系統的溫升率作為判別條件，動態調整除氧器汽水系統內除鹽水的溫升速率，在溫升率過快時，保持當前閥門指令等待汽水充分混合，減少除氧器系統升溫過程中存在的安全風險。除氧器系統溫度升到一定程度且除氧器振動現象消除后，根據鍋爐上水溫度要求，將蒸汽加熱控制閥切換為動態控制，實現除氧器系統在全部自啟動升溫過程中，溫度能快速平穩升高，振動安全可控，提高除氧器汽水系統冷態啟動過程中的性能和效率。

3 啟動升溫過程的數據曲線擬合

通過采用MATLAB(R2019b)對該機組投產以來7 次有效手動除氧器升溫啟動過程數據分析，分別得到蒸汽加熱控制閥開度與除氧器系統汽水溫度隨時間變化的范圍，通過變化范圍進行數據分析計算及曲線擬合，分別得到蒸汽加熱控制閥開度與除氧器汽水系統溫度專家曲線方程。機組啟動過程中，除氧器液位由除氧器上水沖洗的相關程序控制，除氧器上水沖洗完成后由凝結水系統自動維持除氧器液位。除氧器汽水系統冷態啟動手動升溫過程部分數據見表1。

表1 除氧器汽水系統冷態啟動手動升溫過程部分數據Tab.1 Part data of the manual heating process of steam-water system of the deaerator during cold state start-up

3.1 蒸汽加熱控制閥開度數據擬合

蒸汽加熱控制閥開度的數據擬合公式為

根據式中系數（95%置信區間），擬合結果的評價參數分別為：誤差平方和432.5、線性回歸擬合確定系數0.977 0、調整后回歸擬合確定系數0.976 8、均方根誤差0.854 0。根據這些評價參數可知：曲線擬合度較高，能夠反映蒸汽加熱控制閥實際的變化過程。蒸汽加熱控制閥升溫過程數據擬合曲線如圖1所示。

圖1 蒸汽加熱控制閥開度數據擬合曲線Fig.1 Fitting curves of opening degree of the steam heating control valve

3.2 除氧器汽水系統溫度數據擬合

除氧器汽水系統實時溫度數據擬合公式為

根據式中系數（95%置信區間），擬合結果的評價參數分別為：誤差平方和393.8、線性回歸擬合確定系數0.998 8、調整后回歸擬合確定系數0.998 8、均方根誤差0.814 9。根據這些評價參數可知：曲線擬合度較高，能夠反映除氧器汽水系統實時溫度在機組冷態啟動過程中的真實變化過程。除氧器汽水系統升溫過程數據擬合曲線如圖2所示。

圖2 除氧器汽水系統升溫過程數據擬合曲線Fig.2 Fitting curves of temperature rise data of the deaerator’s steam-water system

3.3 組合控制算法

在電廠分散控制系統（DCS）中，以式(1)、式(2)為基礎，通過對比式(2)中除氧器汽水系統溫度 理論值T1與采用式(1)閉環控制時所對應的除氧器汽水系統實時溫度T2，采用相應系數對式(1)的控制過程進行實時修正，以達到精準控制除氧器溫升率的目的，具體組合控制策略算法如圖3所示。

圖3 組合控制策略算法示意Fig.3 Schematic diagram of the combined control algorithm

4 除氧器汽水系統升溫控制策略

圖4 為本文除氧器汽水系統自啟動升溫控制策略邏輯，由圖4 可見，該控制策略通過延時脈沖動態控制的思路進行累加計算，得出除氧器蒸汽加熱控制閥閥位修正指令，在動態控制的基礎上設置除氧器汽水系統溫升率判斷，當溫升率過快時，閉鎖除氧器蒸汽加熱控制閥修正指令保持當前狀態。其中溫升率過快的判斷依據是除氧器加熱投入過程中的升溫特性要求，結合升溫過程數據擬合曲線。在啟動過程中，通過對比除氧器實時參數與啟動升溫過程數據擬合曲線中偏差值，對蒸汽加熱控制閥閥位指令進行偏差修正。

圖4 除氧器汽水系統自啟動升溫控制策略邏輯Fig.4 Logic diagram of the self-starting temperature rising control strategy for steam-water system of the deaerator

5 動態投運過程

將本文除氧器汽水系統自啟動升溫控制策略邏輯在某電廠進行投運驗證，投運過程中除氧器汽水系統輔助蒸汽溫度為348.9 ℃，輔助蒸汽壓力為1.09 MPa，除氧器液位為2 002 mm，圖5 為除氧器汽水系統自啟動升溫過程變化曲線。

由圖5 可見：在除氧器汽水系統自啟動升溫控制策略投入初期，系統自動控制溫升率比啟動升溫過程數據擬合曲線的溫升率更為平緩，能有效降低除氧器冷態啟動時汽水沖擊所造成振動，提高機組啟動運行的安全性；在除氧器汽水系統自啟動升溫控制策略投入中期，系統自動控制溫升率能達到啟動升溫過程數據擬合曲線的溫升率，極大縮短除氧器系統投入所需升溫時間，減少機組啟動耗時，提高機組啟動效率；在除氧器汽水系統自啟動升溫控制策略投入后期，系統自動控制溫升率比啟動升溫過程數據擬合曲線的溫升率更快，能有效配合鍋爐上水點火，降低電耗、水耗及煤耗等相關指標，減少機組啟動耗時。除氧器汽水系統自啟動升溫控制策略在滿足鍋爐給水系統安全運行的同時，減輕了運行人員的工作任務，達到了無人值守的目的。

圖5 除氧器汽水系統自啟動升溫過程變化曲線Fig.5 Dynamic commissioning process of the self-starting temperature rise for steam-water system of the deaerator

當機組在冷態啟動方式時，以除氧器汽水系統升溫至80 ℃為判斷依據，作為滿足鍋爐水冷壁上水溫度要求。對比分析發現，采用啟動升溫過程數據擬合曲線，投入過程平均調節閥開度指令與啟動時間分別為24.55%與279.6 min。而采用除氧器汽水系統自啟動升溫控制策略，投入過程平均調節閥開度指令與啟動時間分別為19.99%與169.0 min。優化后除氧器汽水系統升溫至所需溫度耗時更短，蒸汽加熱控制閥開度更小，整體升溫過程更貼近除氧器性能參數。

6 結語

快速安全地實現除氧器汽水系統升溫是機組冷態啟動過程中鍋爐進入冷態沖洗的基準點，本文基于數據擬合分析，提出除氧器汽水系統自啟動升溫控制策略，在某電廠實際投運后，同比歷次機組啟動過程相關數據，縮短了機組啟動耗時，達到了節能增效及無人值守的目的，杜絕了由于人為操作不當等原因可能造成設備系統運行安全的風險。

基于數據擬合除氧器汽水系統自啟動升溫控制策略，為同類型機組同類型除氧器汽水系統冷態加熱升溫的自動啟動提供了參考，同時為智能發電技術的發展提供了新的思路，對推動智慧電站的發展有著極其重要的意義。