母管制多除氧器并列運行的水位控制方法研究

嚴鴻平,陳 歡,陳巍文

(1.浙江浙能紹興濱海熱電有限責任公司,浙江 紹興 312073;2.杭州意能電力技術有限公司,浙江 杭州 310012;3.浙江大學工程師學院,浙江 杭州 310015)

0 引言

作為火力發電機組的重要設備之一,除氧器的主要功能為除去溶于水中的氧及其他不凝氣體、降低鍋爐水中的氧含量至規定標準,以保障鍋爐、汽輪機組和整個系統的金屬部件在高溫下不發生過度的氧化腐蝕[1]。

近年來,隨著能源產業的升級及電力技術的快速發展,單元制超臨界/超超臨界機組的自動控制技術日趨成熟,研究成果及研究方向也豐富多樣。許多專業技術人員將研究對象集中于以除氧器為代表的抽汽回熱系統,從經濟性、穩定性、靈活性等多方面出發,研究了諸如凝泵變頻控除氧器水位[2-3]、除氧器自動加氧系統改造[4]、凝結水節流響應自動發電控制(automatic generation control,AGC)及一次調頻[5-6]等一系列復制性高、推廣性強的實用新技術。但對于“以熱定電”的母管制熱電聯產供熱機組而言,其運行方式及控制模式與常規的單元制機組并不相同。并列運行的除氧器水位具有更強的非線性、大遲延、強耦合性和不確定性,導致許多母管制機組的除氧器水位長期無法投入自動。

對于發電機組而言,過高或過低的除氧器水位都會影響整個控制系統的運行。除氧器水位過高,會導致汽容積少。若進汽量保持不變,則除氧器內部壓力增大,使進入其中的蒸汽減少。這會造成除氧器內水溫過低,從而影響除氧效果。除氧器水位過低,則進入其中的蒸汽較多,在影響除氧效果的同時還易造成給水泵汽化進而損壞。因此,除氧器水位的準確、合理控制關乎發電機組的安全、穩定[7-8]。目前,對于除氧器水位的控制,無論是凝泵變頻還是除氧器上水閥,大多采用基于串級比例積分微分(proportional integral differential,PID)控制器的常規控制方案。

并列運行的除氧器除自身水位能表征其內部實際水量以外,除氧器的進口流量、出口流量均無法準確體現工質的流入流出。因此,簡單采用常規串級PID來控制并聯運行時的除氧器水位,無法滿足機組正常運行時的調節需要。對于產業集聚升級重要配套保障項目的供熱機組而言,設計一種母管制多除氧器水位自動控制方法尤為重要。

本文設計了一種母管制多除氧器水位控制方法,通過自適應切換除氧器上水閥、補充閥的控制策略和被控對象,實現了多除氧器單列、并列運行方式下的水位自動控制。

1 系統介紹

某電廠二期擴建工程四臺機組均為50 MW級抽汽背壓式供熱燃煤機組。鍋爐采用某公司生產的高壓、無再熱、自然循環、固態排渣、露天布置、全鋼構架、全懸吊結構Π型煤粉鍋爐。汽機采用某公司生產的EHNG71/63型50 MW級高溫高壓抽汽背壓式汽輪機。四臺機組均配有單列、正立式、U形管、雙流程(1#、2#)高壓加熱器和一臺除氧器、一臺補水加熱器。內置式除氧器為臥式一體化(內置式)無頭除氧器。其設計壓力為1.3 MPa、最高出水溫度為158 ℃、有效容積為120 m3、容量為100%。各除氧器進水管路主要有除氧器上水(來自化學制)、高加正常疏水、補水加熱器疏水、汽泵出口再循環及全廠疏水箱疏水。其中,除氧器上水(來自化學制)占總上水量的近70%。除氧器汽、水系統如圖1所示。圖1中:虛線箭頭表示汽管路;實線箭頭表示水管路。

圖1 除氧器汽、水系統圖

2 除氧器水位自動控制設計

本文根據母管制機組除氧器系統的特殊情況,結合現有常規單除氧器水位控制技術的不足,在經過一段時間的運行經驗積累后,分析、設計了母管制多除氧器單列、并列運行控制水位的方法。該方法適用于除氧器單列運行或母管制聯通并列運行。

在除氧器汽、水側未投入連通運行的情況下,即除氧器單列單獨運行時,除氧器補汽閥控制對應除氧器壓力[9],除氧器上水閥以“單沖量”方式控制對應的除氧器水位。為確保控制品質,本文控制方法增加了汽泵排汽壓力、汽泵出口母管壓力、補水加熱水箱液位等多個變量前饋。

當若干臺除氧器汽、水側連通運行后,除氧器母管制并列運行。此時,除氧器上水閥控制所有連通的除氧器補水,以匹配所有汽泵的總出水量。除氧器補汽閥控制連通的除氧器水位。需要指出的是,補汽閥控制的除氧器水位不同于常規PID的控制方式,并不要求對水位控制的精確性,而是要求控制水位的相對平衡。

2.1 除氧器上水閥控制

當除氧器母管并列運行時,任意一個上水閥投入自動后,流量控制PID將參與調節。處于自動方式的上水閥將根據PID的輸出以同增同減的形式一起變化,而處于手動方式的上水閥則保持不變。

2.1.1 上水閥控流量功能投用

上水閥控流量功能投用需同時滿足以下條件。

①任意一個上水閥在自動。

②所有上水閥的最大/最小開度偏差小于10%。

2.1.2 上水閥控流量功能失效

上水閥控流量功能失效需滿足無上水閥在自動的條件。

由于上水閥對汽泵小機排汽壓力換熱效果的影響,若閥門下關過小,會造成換熱效果降低,導致排汽壓力升高,從而觸發汽泵小機的保護條件。因此,本文設計增加了小機排汽壓力閉鎖減功能。

2.1.3 上水閥閉鎖減(以3#上水閥為例)

上水閥閉鎖減需滿足以下任一條件。

①3#小機排汽壓力大于0.1 Mpa。

②3#補水加熱器水側出口溫度每分鐘增加10 ℃。

③3#補水加熱器水側出口溫度大于100 ℃。

④補水加熱器水位高于550 mm。

⑤3#汽泵轉速每分鐘增加50 r/min。

2.1.4 上水閥撤自動(以3#上水閥為例)

上水閥撤自動需滿足以下任一條件。

①3#除氧器水位質量壞點。

②3#除氧器進口流量質量壞點。

③3#除氧器水位低。

④各汽泵出口流量質量壞點。

上水閥控制邏輯如圖2所示。

圖2 上水閥控制邏輯圖

圖2中:虛線為模擬量跟蹤信號;T為選擇功能塊;M/A為手/自動功能塊;Y和N均為輸入。選擇塊觸發條件為false時,選擇N端的輸入;為true時,選擇Y端的輸入。

2.2 除氧器補汽閥控制

根據文獻[10]的論述經驗,補汽閥的微弱變化會對除氧器水位造成較大影響,且除氧器汽側平衡管打通后,不能保證各臺除氧器汽壓的完全平衡。因此在除氧器母管制并列時,可將補汽閥控制對象切換為除氧器水位,以此閥的開大關小來保持除氧器水位的穩定。

2.2.1 補汽閥調節控制

通過對各上水閥、補汽閥均在自動方式的除氧器水位進行比較,本文選取最高水位值Lmax,將該值與設定水位作差。若差值高于50 mm,則對應補汽閥調節開大,調節時間為10 s,間隔10 s之后繼續調節,并依次交替。當有任一補汽閥處于調節狀態時,其余處在自動方式的補汽閥均減弱調節作用。區分調節作用強弱的目的在于保證水位的單向調整,避免因多個閥門交替變化導致各除氧器內的壓力變化,從而造成水位震蕩。若參與調節的補汽閥所對應的除氧器水位在經過60 s后不再是最高水位,則該補汽閥將按0.5%/min的速率恢復至調節開始的初始值。反之,則繼續調整。補汽閥水位控制邏輯如圖3所示。

圖3 補汽閥水位控制邏輯圖

圖3中:R、S、Q為觸發器功能塊;H/L為高/低限功能塊;PV為被控量;TD ON為延時功能塊;K為系數功能塊;NOT為取非功能塊。

2.2.2 補汽閥調節閉鎖

由于除氧器壓力應處于特定范圍,過高或過低的除氧器壓力不利于系統的穩定,本文設計增加除氧器壓力閉鎖功能。以下條件任一滿足時,閉鎖功能觸發。

①除氧器壓力大于0.39 MPa,閉鎖增該除氧器對應的補汽閥。

②除氧器壓力小于0.29 MPa,閉鎖減該除氧器對應的補汽閥。

2.2.3 補汽閥調節最小液位閉鎖

隨著補汽閥的開大,對應除氧器壓力也會隨之上升。若該補汽閥出現閉鎖增信號,則保持其閥位開度。與此同時,控制策略選取最低除氧器液位Lmin對應的補汽閥,按照1%/min的速率逐漸減小該補汽閥的開度。調節時間20 s,穩定時間20 s,兩者交替進行。

若在減小補汽閥開度的過程中觸發閉鎖減信號,則調整結束,保持開度不變,并在10 min后按照0.5%/min的速率恢復至調節初始值。若減少過程中未觸發閉鎖減信號,則調節直至除氧器水位不再是Lmin。水位穩定10 min后恢復至調節初始值。補汽閥最小液位閉鎖控制邏輯如圖4所示。圖4中,TD OFF為反延時功能塊。

2.2.4 補汽閥調節修正

在上述控制策略的基礎上,結合各臺汽泵小機排汽壓力、各除氧器汽側壓力、補水加熱器疏水、高加正常疏水等變量參數,控制策略設計增加了相應量值前饋,以提高除氧器液位的穩定性。

3 試驗方法及控制效果

根據上述設計方法,為有效驗證整個控制方法的控制效果,試驗區分三個除氧器補汽閥自動和四個除氧器補汽閥自動這兩種方式。試驗結合運行過程中可能會出現的情況,按實際最高水位高于設定水位、所有實際水位小于設定水位、水位設定值階躍擾動三個工況,全方位測試了除氧器水位的控制效果。

3.1實際最高水位高于設定水位控制效果

三個除氧器補汽閥在自動且最高水位高于水位設定值時的控制曲線如圖5所示。

圖5 三個除氧器補汽閥在自動且最高水位高于水位設定值時的控制曲線

由圖5可知,當6#除氧器水位為最高水位時,6#補汽閥按照既定的調節方式自動將開度由25.89%增大至28.61%,而其他補汽閥開度基本不變。

四個除氧器補汽閥在自動且最高水位高于水位設定值時的控制曲線如圖6所示。

圖6 四個除氧器補汽閥在自動且最高水位高于水位設定值時的控制曲線

圖6控制過程同圖5。由圖6可知,其調節動作正確、調節量值合理、調節效果合適。

3.2 水位設定值階躍擾動控制效果

當各除氧器水位介于設定值之間時,通過對水位設定值階躍擾動,可整體抬高或降低所有并聯運行的除氧器水位。圖7為四個除氧器補汽閥在自動水位階躍擾動控制曲線。

圖7 四個除氧器補汽閥在自動水位階躍擾動控制曲線

由圖7可知,當水位設定值抬高100 mm后,最高水位與設定水位偏差減小,除氧器補汽閥幾乎不作調整。此時,若機組汽、水平衡,除氧器進水及汽泵出水保持穩定,則最低除氧器液位對應的補汽閥將按照前文闡述的以1%/min的速率“逐次逐步”減小補汽閥開度,從而間接提高整體的除氧器水位;若機組汽、水不平衡,則整體除氧器水位會根據總的補水量、總的汽泵出口流量變化、除氧器水位的實際變化來開大或關小補汽閥開度。

4 結論

本文控制方法適用于除氧器單列、并列兩種運行模式。本文方法實施后,機組實現了多除氧器并聯運行方式下的水位自動控制。現場試驗結果充分驗證了該方法具有較高的靈活性和較強的適應性。該方法能夠適應除氧器單列或并列運行的多種工況需求,有效解決“多輸入多輸出”控制系統之間的強耦合,降低了運行人員的操作強度,提高了母管制機組的自動控制水平,保證了除氧器系統控制的可靠和穩定。該研究能夠為同類母管制機組提供技術參考。