燃煤火電機組凝結水系統節能安全控制優化實施

王宏綱，王念龍，花道君

（1. 江蘇闞山發電有限公司，江蘇 徐州 221134；2. 上海明華電力科技有限公司，上海20090）

0 引言

為應對氣候變化，實現國內碳達峰和碳中和目標，繼續推進新能源產業發展和燃煤發電的節能減排成為必然路徑[1]。燃煤火電機組運行經濟性受鍋爐效率、汽機系統熱耗率和廠用電率等多方面影響[2]。在廠用電率方面，鍋爐系統六大風機、凝結水泵、循環水泵等6 kV 電力設備成為廠用電“大戶”，也是發電機組降低廠用電研究的重點研究和優化對象。

燃煤火電機組凝結水系統通常由凝汽器、凝結水泵、低壓回熱系統、除氧器系統等設備和系統組成，在機組運行過程中，具有維持給水工質平衡，抽汽回熱提升運行經濟性和熱力除氧等重要作用，對保證燃煤發電機組安全穩定經濟運行具有較大影響[3]。凝結水泵作為凝結水系統中的大型輔機，是凝結水疏水和除氧器上水的動力，還是部分工業水系統和旁路減溫水的水源。當前大型燃煤發電機組出于節約廠用電考慮，基本設計有凝泵變頻系統。其凝結水系統控制通常采用除氧器上水調閥控制除氧器水位或者凝泵變頻控制除氧器水位的方式，但普遍存在除氧器上水調閥和凝泵變頻協同性較差，無法較好解決運行經濟性和安全性協調問題。同時，凝泵變頻水位控制方式下還存在除氧器水位控制性能較差，無法適應機組快速負荷變動的靈活性調節需求[4]。

本文以典型600 MW 超超臨界燃煤火電機組為研究對象，綜合考慮凝結水系統控制經濟性、安全性和靈活性調整需求，合理設計凝泵變頻和除氧器上水調閥的協同控制策略，在保證凝結水系統安全穩定運行前提下，機組凝結水系統運行經濟性和靈活性得到較大提升，可作為燃煤火電機組節能降耗有效手段，助力“雙碳”目標的實現。

1 機組概況

1.1 機組凝結水系統概況

以某典型600 MW 超超臨界機組為凝結水系統控制優化研究和實施對象，該機組鍋爐為哈鍋HG-1792/26.14-YM1 型超超臨界參數變壓運行直流爐；汽輪機為哈汽600 MW 單軸、兩缸、兩排汽、一次中間再熱、凝汽式超超臨界汽輪機。凝結水系統配置兩臺100%容量凝泵，凝泵出水經化學精除鹽裝置、軸加、主輔調門、#8/#7 一體式加熱器、#6 低加、#5 低加至除氧器。凝結水泵型號：NLT500-570×4S 筒袋型立式多級離心泵，采用一拖二型式高壓變頻器，凝結水系統如圖1。

1.2 凝結水系統控制方式

日常運行過程中，上述機組凝結水系統僅具備除氧器水位控制功能，其中除氧器上水主調閥、副調閥和凝泵變頻均具備獨立的除氧器水位控制功能。投入除氧器水位控制自動后，其他設備只能通過運行人員手動操作。當機組負荷小于240 MW 時，凝泵采用工頻轉速運行，由除氧器上水主調閥、副調閥控制除氧器水位。負荷大于240 MW時，為提升凝結水系統運行經濟性，通常采用凝泵變頻水位控制，除氧器主/副調閥手動控制的控制方式。一方面，機組運行工況變化過程中運行人員需頻繁操作除氧器上水調閥開度；另一方面，當發生凝泵變頻異常切為手動，工頻凝泵聯啟，凝結水壓力低等異常工況時，機組凝結水系統保護控制策略欠缺，導致凝結水壓力及除氧器水位異常，無法實現凝結水系統安全穩定控制功能。

圖1 凝結水系統圖Fig.1 The system diagram of condensate system

2 凝結水系統節能安全控制策略

燃煤火電機組凝結水系統主要控制對象有除氧器水位、凝結水壓力、凝汽器水位和凝結水流量等。調節機構通常為除氧器上水調閥、凝泵變頻、凝汽器補水閥、凝結水再循環閥等設備。凝結水系統上述參數和設備相互耦合和關聯，往往一個參數或設備的調節會影響整個凝結水系統的安全經濟運行[5]。通過對凝結水系統工質流程梳理和主要被控對象特性試驗研究，研究凝結水系統節能安全控制策略。系統實際運行控制中同時兼顧運行經濟性和安全性，并解決凝結水系統控制較難適應機組快速負荷變動靈活性調節的控制難題。

2.1 凝結水系統經濟控制

影響凝結水系統經濟運行因素主要源于除氧器上水調閥的節流損失[6]。傳統上水調閥控制除氧器水位控制方式下，通過變頻改造，降低凝泵日常運行工況下轉速和電耗，同步減少除氧器上水調閥的節流度，提升凝結水系統運行經濟性。為進一步降低凝結水系統運行能耗，基于機組當前凝泵變頻水位控制系統，設計除氧器上水調閥凝結水壓力自動控制回路，其凝結水壓力控制定值在不同負荷工況下，按照除氧器上水調閥最大開度工況下對應的凝結水壓力設定，并疊加較小的負偏置，實現不同運行工況下除氧器上水調閥始終維持在最經濟運行開度，并能夠兼顧凝結水系統壓力安全穩定控制需求。凝結水系統經濟控制方式原理如圖2。

2.2 凝結水系統安全控制

圖2 凝結水系統經濟控制原理圖Fig.2 The economic control principle of condensate system

凝結水系統作為機組工質循環的重要組成部分，把凝汽器熱井內凝結水加壓送到除氧器，并滿足機組相關設備的減溫水、密封水、冷卻水和控制水等供水需求，凝結水系統的安全穩定控制對機組安全運行影響重大[7]。凝結水系統控制主要任務為維持凝結水壓力和除氧器水位安全穩定運行在設定范圍內。采用上述凝泵變頻控制除氧器水位和除氧器上水調閥控制凝結水壓力的控制方式，雖能夠滿足日常凝結水系統控制需求，但對凝泵變頻故障，凝結水壓力低，除氧器水位波動較大等異常工況控制困難，無法完全保障凝結水系統安全穩定運行[8]。

考慮到除氧器上水調閥的調節快速性和穩定性要優于凝泵變頻，設計凝結水系統安全控制策略。當出現凝結水系統運行和控制異常時，將凝結水系統上述經濟運行控制方式自動切換至除氧器上水調閥控制除氧器水位方式。同時，切換過程中基于凝泵的運行方式和機組所處負荷工況判斷凝結水系統的基礎運行狀態，將除氧器上水調閥超馳至對應開度，使凝結水安全控制系統快速進入有效控制狀態，維持凝結水系統主要參數的安全控制，保證凝結水系統和關聯系統的安全穩定運行。

2.3 凝結水系統靈活控制

當前燃煤火電機組面臨日益增長的靈活性調節需求，當機組處于快速負荷波動工況下，機組給水流量大幅變化，凝結水系統中凝結水壓力、除氧器水位和凝汽器水位容易出現大幅波動，影響機組安全穩定運行[9]。為進一步提升上述凝結水安全經濟控制系統的調節性能，適應機組靈活調整需求，針對機組快速靈活調節過程中凝結水系統內外部擾動較大的問題，設計除氧器水位變參數控制、凝結水壓力超馳控制和凝結水系統等效水位控制等控制策略，相關控制原理如圖4。

圖3 凝結水系統安全控制原理圖Fig.3 The safe control principle of condensate system

1）除氧器水位變參數控制。基于除氧器水位偏差和機組變負荷速率設定，及機組穩定和變負荷工況判別，采用不同的水位控制參數，適應不同工況下的控制需求，保證除氧器水位始終控制在安全范圍內。

2）凝結水壓力超馳控制。由于快速負荷工況變動容易造成凝結水壓力波動，當前凝泵變頻控制除氧器水位和除氧器上水調閥控制凝結水壓力的控制方式下，為提升凝結水系統經濟性，除氧器上水調閥通常處于全開或較大開度。考慮到除氧器上水調閥大開度行程下流量特性較差，設計凝結水壓力超馳控制功能。當凝結水壓力低于設定值且下降較快時，將除氧器上水調閥超馳至設定開度，加快凝結水壓力的控制速度，提升凝結水壓力控制穩定性和安全性。

3）凝結水系統等效水位控制。凝結水系統參數大幅波動工況下，容易導致凝結水工質在凝汽器和除氧器間進行反復轉移，導致凝汽器水位大幅波動。當凝汽器水位低于補水設定時，補水調閥會相應開啟，對凝結水系統進行補水。如僅是凝結水暫時轉移至除氧器而導致凝汽器水位偏低，此時補水容易導致凝結水系統水量偏多，影響凝結水系統安全穩定運行。設計等效水位控制，凝汽器補水基于除氧器和凝汽器加權水位，實現精準補水控制。

3 凝結水系統節能安全控制實施

圖4 凝結水系統靈活控制原理圖Fig.4 The flexibility control principle of condensate system

以上述600 MW 超超臨界機組為試驗對象，開展凝結水系統節能安全控制策略的優化實施。該機組除氧器上水副調閥僅在啟動過程中參與除氧器水位控制，正常負荷運行工況下維持全關狀態，僅除氧器主調閥參與凝結水系統調節。機組在大范圍快速變負荷過程中的凝結水系統主要參數控制情況如圖5。通過階躍改變凝結水壓力設定值，模擬凝結水壓力突然降低異常工況，檢驗凝結水系統安全穩定控制能力，該試驗工況下的凝結水系統主要參數控制曲線如圖6。

由圖5 和圖6 可知，實施凝結水節能安全控制系統后，機組正常投運凝泵變頻控制除氧器水位和除氧器上水調閥控制凝結水壓力的控制功能。在大范圍快速變負荷過程中，機組除氧器水位控制平穩，控制偏差較小，除氧器上水調閥能夠滿足不同負荷工況下凝結水壓力需求，并能夠維持在可行的最優經濟工況。機組不同負荷工況下的凝結水系統運行經濟性優化前后對比見表1。隨著機組負荷工況降低，機組凝結水系統節能效果愈加明顯。同時，在模擬凝結水壓力異常工況下，除氧器上水調閥超馳控制，快速維持凝結水壓力和系統安全穩定運行，減少對除氧器水位和凝結水系統用戶的擾動影響，較好地實現了凝結水系統安全和經濟控制。

圖5 凝結水系統變負荷工況控制曲線Fig.5 The control curve of condensate system under variable load conditions

圖6 凝結水系統模擬異常工況控制曲線Fig.6 The control curve of condensate system under simulation abnormal condition

表1 優化前后凝結水系統主要運行參數對比Table 1 The main operating parameters' comparison of condensate system between historical conditions and optimized conditions

4 結論

在碳達峰、碳中和目標愿景下，燃煤火電機組面臨節能減排和提升調節靈活性的雙重要求。凝結水系統作為燃煤火電機組工質循環的重要組成部分，其控制運行性能影響整個機組的經濟、安全和靈活運行性能。

針對燃煤火電機組凝結水系統運行特性，綜合考慮凝結水系統控制經濟性、安全性和靈活性調整需求，合理設計凝泵變頻和除氧器上水調閥的協同控制策略。在保證凝結水系統安全穩定運行的前提下，機組凝結水系統運行經濟性和靈活性得到較大提升，可作為燃煤火電機組節能降耗的有效手段，助力“雙碳”目標的實現。