火電機組凝汽器水位控制系統設計策略

＊呂長春

（嘉峪關宏晟電熱有限責任公司 甘肅 735100）

1.汽輪機發電機組凝汽器運行概述

當汽輪機組旁路或者氣缸進汽后，排汽直接進入機組的凝汽器中，且在冷卻介質作用下形成凝結水，當氣體變為水后進入熱水井中，凝結水主要停留在熱井下方，以此促使真空泵和凝結泵自動運行。凝結水在一定程度上可以保證水位，一般情況下，通過二殼體底部出水管做出一個引流口，凝結水經過篩網后直接和凝結水泵連接。當凝汽器運行過程中，通過低壓缸分兩路排汽進水，另外還需要通過凝結水補水泵來補充鹽水，當水壓負荷穩定時，則汽水不會消耗，如果汽水水位平穩，則不需要補充鹽水。一般情況下，機組汽水水質在循環的過程中會發生過大的損耗，因此需要不間斷的補充鹽水，當負荷降低時，則汽水水質下降，一些水會經過凝汽器排水回路直接進入凝結儲水箱中，如果負荷不變則需要大量補充鹽水?？傊?，為了確保整個循環過程中機組凝汽器的熱經濟性，需要通過凝汽器進行補水，但是一般補水管是多個回路設施，則需要設計并優化自動控制策略，以此有效解決多回路補水的問題，最終推動熱工自動化發展。另外，如果凝結水水位過高會影響凝汽器受冷度，導致凝結水含氧量上升，促使凝汽器水管出現過度腐蝕，使得凝汽器真空值遭到破壞，熱段抽氣量增多，機組熱效率下降。如果機組在高水位和高負荷下運行，會產生大量的推理，導致軸承大量磨損，軸向位移變化，最終導致機組中斷運行[1]。

2.凝汽器的作用以及工作原理

汽輪機安裝基礎中兩種新工藝方式會影響凝汽器的系統，如圖1所示?；痣姍C組中凝汽器主要的作用可以分成4大類。首先就是可以提高循環熱效率，產生出的蒸汽在汽輪機中的膨脹的最低壓力，增大蒸汽在汽輪機中的可用焓降。其次氣體不好循環利用，凝汽器可以將汽輪機運轉過程中產生的蒸汽凝結成水，然后凝結成的水方便被運輸進鍋爐中。再者，凝汽器可以降低流水浪費，將機器中的疏水聚集。最后凝汽器可以進行補水工作，增加除鹽水。

圖1 汽輪機安裝基礎

一般來說凝汽器內部裝置中有許多銅管，火電機組中運行的液體通過這些銅管可以達到冷卻水的效果。當汽輪機運行過程中排出汽回合凝汽器的銅管接觸，排汽溫度高，銅管溫度較低，因此會發生氣化反應，凝結成水。潛熱被銅管中的水帶走，排汽被凝結下來，溫度降低，汽輪機排氣口下凝汽器內部變成真空，因此在火力發電廠中凝汽器是非常重要的換熱設備。

3.凝汽器水位控制系統

（1）凝汽器水位控制系統的任務?；鹆Πl電廠中凝汽器的運行方式有兩種，自動控制器設備只在高水位運行時才裝設。另一種低水位采用的是普通的方式。凝汽器中的凝結水泵運輸的是接近飽和溫度的水，運輸環境是真空環境。接近飽和溫度的水可能會出現汽蝕。氣化現象會讓水泵中的水變成水蒸氣，為了避免此類現象水泵的的進水側要有一定的灌注高度，因此凝汽器熱水井中的凝結水泵一般在水下井的0.5～0.8m左右。并要求熱水井的水位經常維持在水位計中能看到的一定位置。這種位置的運行叫做高水位運行。凝汽器水位的主要任務就是控制凝汽器的水輸出量，將凝汽器熱水井的水位控制在一定范圍內。

（2）凝汽器水位控制系統。凝汽器水位控制采用補水調節閥來控制水位設計為單沖量調節系統。凝汽器熱水井水位測量是真空容器。需要單室平衡容器再加一根補水管，并且在運行過程中少量補水可以維持正壓頭參比水柱?，F階段還有其他的檢測方式。其他檢測方式中遠傳毛細管配件的眼盒式差壓變送器運用較多，采用遠傳檢測頭可以直接專用位置進行檢測，測試到的壓力可以通過毛細管傳送到變送器膜盒內部，然后在進行檢測。測試結果是由遠傳配件決定的，配件主要分成測頭的形式系統，毛細管長度和沖灌液的品種等都會影響測試結果，因此為了避免測試問題的出現需要根據實際應用進行制造。制造的工廠根據提供的樣品進行制造，在安裝的過程中選擇螺紋式形式或者法蘭式安裝形式。為了縮短反應的過程，可以剪短毛細管。變送器安裝的地方一般低于取壓孔的位置。沖液灌的要求就是要使用溫度變化較大的環境。

（3）系統原理。凝汽器水位參數是非常重要的，在機組運行監控中可以提供重要的運行參數，如果凝汽器內部水位高過一定數值，凝汽器內部的真空會被影響，影響過于嚴重會導致汽輪機內部變成低壓環境，凝汽器水位較低會對凝汽器水位的運行安全和熱力系統的水循環造成影響。因此一定要及時控制凝汽器水位，在控制過程中采用自動控制方式。一般有兩種方式控制調節水位，水位過低，采用調節進水量，在凝汽器中補充水量。另一種是水位過高是調節出水，調節凝結水流量的方式。

4.350MW汽輪發電機組凝汽器系統工藝分析

本文選擇了某電廠350MW超臨界汽輪發電機組凝汽器作為研究對象，對其系統構造進行了深入分析，該凝汽器選擇了兩路補水方法，每路都設置有電動調節閥和單獨電動閥，真空泵負責調節凝汽器的真空程度。選擇了3臺凝結水泵主要對除氧器進行補水，確保鍋爐設備可以正常使用，有2臺凝結水泵管帶和變頻器直接連接，該系統調節凝汽器水位的主要有以下3種方式：（1）真空泵，真空泵負責調節凝汽器真空度，其對水位影響較??；（2）凝結水泵，其主要調節變頻器的頻率，改變凝水泵出水力以此影響水位；（3）補水閥，通過增加補水閥開關度來影響水位。第一種方法和機組的安全運行緊密相關，考慮到真空泵不具備變頻模式，且其在機組啟動時會自動運轉，因此該方式一般情況下禁止采用。凝結水泵變頻器頻率的高低直接影響凝結水泵出水口母管壓力，確保除氧器水位正常便于上水，保證鍋爐正常運轉，由此第二種方法也需要謹慎選擇，對此只有第三種方法才可以有效改善凝汽器水位變動情況[2]。

5.一般控制策略

根據凝汽器水位控制系統特點可以選擇單回路調節方案，具體控制策略如下所示：第一，預設水位標準值，根據被控變量確定凝汽器水位，一般可以通過主調節器計算調節閥門指令需求，且通過副調節器計算補水閥門指令需求，則補水調節閥最終指令可以作為控制系統變量。以上副調節器主要在補水主管道截面積和補水副管道截面積不相同時發生作用，通過調閥指令輸入對應分配系數來分配開度指令，該控制策略可以有效控制水位，如果凝汽器水位降低，則可以通過計算控制回路來增大補水調節閥開度，以此提升水位。但是以上控制策略沒有對補水電動閥進行優化設置，當補水電動閥自動閉位時，相應的補水閥開度會擴大，最終影響管道的實際補水能力。且如果補水閥同時運轉，則導致執行活動頻率增加，最終影響補水閥使用壽命，對此需要重點考慮此問題，提高補水調閥的節能效果。

6.控制策略優化

（1）控制系統優化策略。對于以上一般控制策略的問題，需要根據閉鎖原理、機組安全性能，對控制策略進行優化處理，控制系統優化策略具體如下所示：優化后的水位控制策略主要設置了兩個補水調節閥，分別控制水位回路，共用一個水位設定值，通過自身調節器計算補水閥開度指令。在主管道調閥1中，控制器設立閉鎖增減回路時，主管道調閥2也需要設立閉鎖增減回路，具體閉鎖觸發邏輯如下所示：①當調閥2在自動狀態下、指令開度在10%以上時，則調閥1閉鎖需要減1信號觸發；②如果調閥1在自動狀態下、指令開度在70%以下時，調閥2閉鎖需要增加2信號觸發；③如果補水電動閥1處于關閉狀態時，閉鎖減1信號和增1信號同時觸發；④補水電動閥2處于關閉狀態時，閉鎖減2信號需要和閉鎖增2信號同時觸發；⑤如果閉鎖只能在控制器自動狀態下調節，補水調閥在人工操作狀態下時就需要通過控制器跟蹤補水調閥指令，以此確保自動狀態下閉鎖功能的有效發揮。

對以上邏輯進行優化處理后具體表現如下所示：①控制器獨立操作可以縮減不同調節閥的耦合度，但是因為補水管道截面積的差異性會影響控制其參數穩定性，對此在控制回路中設置控制參數時，就需要考慮其差異特點。②當調節閥1在自動狀態下，指令開度低于70%時，需要補水時，應該先打開調節閥1，當調節閥1大于70%時，才可以有效調節調節閥2。③對于以上調節閥2在自動狀態下，指令開度高于10%時，需要降水位時，應該先降低調節閥2，確保調節閥2指令小于10%時，才可以有效調節調節閥1。④對于以上電動閥呈現閉合狀態時，當調節閥處于人工操作狀態時，才能進行開閉操作，以此確保調節閥動作的精準性，避免執行設備出現損耗[4]。

（2）控制系統閉鎖原理。本文控制系統的閉鎖增減功能主要對凝汽器補水調節閥的調節能力進行強化如圖2所示，根據控制系統控制指令采取固定限制措施，以此有效控制補水閥開度、節流損壞等影響因素。當機組運行中出現意外情況時，為了保證設備運行的安全、穩定，需要機組自動增減負荷，其可以通過自動控制系統進行，該過程不需要人工干預，以此實現閉鎖增減功能。一般系統調節能力在補水閥開度上的作用主要體現在凝汽器水位給定值的具體反應，一般可以通過給定值與實際值的偏差來判斷[3]。

圖2 控制系統

（3）控制參數設置。早期在設置系統控制參數時，主要憑借早期經驗，單位因為水位控制系統指令傳遞周期長，慣性延遲時間長，難以根據控制器反映參數設置比例系數，也影響了積分的調整，想要有效處理該問題，需要采用凝汽器補水閥閥門開度來開展水位影響試驗，具體對策如下所示：①補水調閥開度對水位的影響，其主要通過控制器比例系數參數的階梯跳躍式試驗獲取，當機組在額定負荷狀態下時，等凝汽器水位保持平穩時，可以手動操作提高補水調發開度，此時凝汽器水位會持續增加，當水位達到一個新的平衡值時，水位上升高度和調閥開度增加數值的比例則為比例系數。②積分時間可以通過觀察獲取，一般可以直接觀察補水調閥的動作，獲取水位變化的歷史曲線，以此得到積分時間，另外，也可以擴大積分時間，通過比例作用，強化積分作用、減低積分時間，以此確保控制曲線不會超標，最終實現優化設計目標。③考慮到該系統的延時性、復雜性、變化性，需要在實際情況下不考慮發揮微分控制作用。

（4）邏輯優化具體作用。①該控制策略主要考慮補水電動閥具體位置，當補水電動閥處于閉合狀態時，補水調閥自動比賽功能也會作用在該位置，以此保證執行設備的效率；②在調節兩個補水調閥時，需要有一定的順序性，以此控制執行設備的運動頻率，確保設備使用不受影響。

7.再循環閥控制策略

（1）再循環閥常見控制策略。在350MW機組給水泵再循環閥的控制中，主要采用兩種控制方式：開關式控制和連續式控制，前者主要應用于小容量機組，后者主要應用于大容量或者超臨界機組，采用對應的控制方法可以確保水泵水流量調節的穩定性、經濟性。一般情況下，再循環閥控制策略主要由單一曲線函數控制、回滯函數控制、PID調節控制，具體如下所述：①單一曲線函數控制。該方法操作便捷，其開度指令主要由一個給水泵入口流量相對應的曲線函數輸出確定，在此曲線中，最高峰值的設置主要防治水泵出現汽蝕，根據具體要求開啟再循環閥門，開啟后，流量增加到指定值后，閥門關閉。該控制策略最初主要應用在給水泵再循環控制系統中，但是機組在低負荷運行中再循環閥門處于開啟狀態，影響給水泵的調節作用，不利于系統運行的經濟效益，對此需要科學采用該控制策略。②回滯函數控制?；販瘮悼刂撇呗灾饕袃蓚€函數來調節再循環閥門開度，根據水泵流量安全區域特點、水泵轉速確定再循環指令函數關系。該策略和以上單一函數相似，其閥門也會隨著流量曲線的變化頻繁閉合，以此對閥門產生破壞性，對此也需要重點考慮。③PID調節控制。該控制器是工業社會生產中常用的一種控制元件，其主要由比例單元P、積分單元1、微分單元D組成，機組采用以上第1種和第2種控制策略能耗高、安全性能差、具有破壞性，對此可以采用PID調節控制策略，該策略可以在機組啟動初期到運行負荷增加過程中應用，其自動調節不具備干擾性，可以有效保護在循環閥，最終實現提高機組運行效率[5]。

（2）PID調節控制優化。為了有效發揮PID調節控制作用，需要進行PID調節邏輯優化，優化后，當給水泵入口流量大時，PID調節器會自動控制，促使水泵入口流量下降到開啟保護值，再循環閥門開度也會增加，如果流量過低，則保護功能會促使再循環閥開度擴大在100%。在具體的優化過程中，需要在給水泵轉速控制邏輯中輸入3個閥門開度指令，以此提升PID調節控制器的穩定性，最終保證系統安全運行。

8.結束語

總之，對以上350MW超臨界機組凝汽器水位控制策略的研究和闡述，對系統控制進行了優化改進，有效改善了機組系統的控制功能，該優化策略可以為相關行業自動控制策略的制定提供科學的參考意見。