(神華廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東 臺山529228)

除氧器水位的穩(wěn)定對鍋爐給水泵、汽輪機軸封冷卻器、凝結(jié)水泵和汽輪機背壓以及凝結(jié)水雜用水用戶都有重要影響[1-3]。目前普遍采用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)除氧器水位的方法[4]，還有少數(shù)采用變頻凝結(jié)水泵控制除氧器水位。鑒于電力行業(yè)內(nèi)近期發(fā)生的變頻設(shè)備(凝結(jié)水泵)運行中機械設(shè)備損壞事件，以及基于1 000 MW機組凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的開發(fā)及研究項目[5-6]。對除氧器水位控制提出了更高的要求，本文給出除氧器水位自動調(diào)節(jié)器參數(shù)整定計算方法和無擾切換判斷邏輯設(shè)計。

1 除氧器工藝流程

除氧器是發(fā)電機組熱力循環(huán)當(dāng)中的儲水設(shè)備，與其連接的設(shè)備主要有來自低壓加熱器的供給凝結(jié)水的管道和供給鍋爐用水的給水管道，還有抽汽管道、輔助蒸汽管道、排汽到疏水?dāng)U容器管道、排水到凝汽器管道、來自高加正常疏水管道、高加連續(xù)排汽管道、排水到機組排水槽管道。

某廠為1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機組。除氧器型號為GC-3250/GS-350。除氧水箱設(shè)計壓力為1.46 MPa，設(shè)計溫度為390 ℃。除氧水箱為臥式圓筒形容器，內(nèi)徑4 200 mm，筒長33 400 mm。

除氧器的出水管道連接2臺電動給水前置泵、2臺汽泵，供給鍋爐的用水。

發(fā)電機組的熱工控制系統(tǒng)采用國產(chǎn)的和利時MACS V6控制系統(tǒng)[7]。

2 除氧器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和整定計算

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

除氧器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計為自動選擇性調(diào)節(jié)系統(tǒng)，見圖1。當(dāng)給水流量小于等于450 t/h時，構(gòu)成單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，此時調(diào)節(jié)器3輸出被選中；當(dāng)給水流量大于450 t/h時，構(gòu)成串級三沖量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，此時副調(diào)節(jié)器的輸出被選中；調(diào)節(jié)系統(tǒng)接受3個信號，即被調(diào)量信號除氧器水位信號、凝結(jié)水流量信號、給水流量信號。配置主調(diào)節(jié)閥、副調(diào)節(jié)閥兩臺調(diào)節(jié)機構(gòu)，構(gòu)成分段調(diào)節(jié)，見圖1。

圖1 串級三沖量除氧器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖

2.2 整片計算

2.2.1 除氧器的等效環(huán)節(jié)和傳遞函數(shù)

除氧器水位的調(diào)節(jié)對象(連接管道、低壓加熱器、除氧器水箱)被認(rèn)為是有遲延的積分環(huán)節(jié)[8-14]。根據(jù)階躍響應(yīng)實驗數(shù)據(jù)計算，其中水位響應(yīng)速度ε=0.000 355 7 mm·s-1·h· t-1，遲延時間τ=11.72 s。對象調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)為

2.2.2 副回路的分析與整定

由Wa1(s)副調(diào)節(jié)器、Kv執(zhí)行機構(gòu)、γC凝結(jié)水流量測量單元、WC(s)凝結(jié)水流量反饋裝置構(gòu)成的回路為副回路，見圖2。圖中：C1為調(diào)節(jié)作用下的凝結(jié)水量；C2為內(nèi)擾作用下的凝結(jié)水量；C(C=C1+C2)為總凝結(jié)水量；V為主調(diào)節(jié)器輸出信號；VC為C經(jīng)過變換后的反饋信號。

圖2 副回路系統(tǒng)框圖

根據(jù)圖2可以寫出閉環(huán)特征方程式。

假設(shè)副調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

式中：δ1為比例帶；Ti1為積分時間。

閉環(huán)特征方程式為

由特征方程式可見，副回路為一階系統(tǒng)。即從理論上來講無論取多小的值，系統(tǒng)都不會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象?，F(xiàn)場整定時，一般用實驗法來確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)：先將Ti1設(shè)置為一較小的值(在10～30 s范圍內(nèi)選取)，然后調(diào)整比例帶δ1，使得副回路的衰減率滿足ψ≥0.9(基本不振蕩為準(zhǔn))，本案例副調(diào)節(jié)器參數(shù)δ=70%，Ti1=65 s。副回路經(jīng)過正確整定后，調(diào)節(jié)動作會很快速，一旦發(fā)生凝結(jié)水側(cè)擾動，副回路將迅速達(dá)到平衡，使得凝結(jié)水量C基本不變或變化很小。而當(dāng)主調(diào)節(jié)器的輸出信號V變化時，凝結(jié)水量將隨之成比例變化，使得VC≈V。

假設(shè)WbC(s)=αC，則有VC=(αCγC)C，所以C≈V/(αCγC)。即在主調(diào)節(jié)器輸出V的作用下，副回路的傳遞函數(shù)為比例關(guān)系，C/V≈1/(αCγC)，近似等效為一個比例環(huán)節(jié)，這樣的副回路可視為快速隨動系統(tǒng)。

根據(jù)圖1中副調(diào)節(jié)器入口系數(shù)0.03可知：1/(αCγC)≈33.3。

2.2.3 主回路的分析與整定

副回路整定好后，主回路可用圖3表示。圖中：H為除氧器水位信號；V0為除氧器水位給定值信號；VH為H經(jīng)過變換后的電壓信號；γH為H信號的測量單元傳遞函數(shù)。

圖3 主回路等效框圖

假設(shè)主調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

因為副回路動作速度很快，主、副回路主振頻率相差很大，滿足串級系統(tǒng)主、副回路分別整定的原則。

除WOC(s)以外都視為調(diào)節(jié)器的一部分，則等效主調(diào)節(jié)器為

利用定m法計算調(diào)節(jié)器的最佳整定值，m是二階系統(tǒng)的衰減指數(shù)。令s=-mω+jω帶入Wa(s)，其中ω是角頻率，j是虛數(shù)單位，得二階系統(tǒng)的實頻特性和虛頻特性為

調(diào)節(jié)對象傳遞函數(shù)的倒數(shù)為

根據(jù)定m法整定公式

將調(diào)節(jié)器和被調(diào)對象的實頻特性和虛頻特性帶入上式，整理得

當(dāng)給定衰減指數(shù)值m=0.366后，計算數(shù)據(jù)見表1。依據(jù)S0×S1為最大值的一組參數(shù)為最佳整定參數(shù)的原則，由表1可知，τω=1.1時，S0×S1欄的數(shù)值最大，即：S0=5.47，S1=173.61。

所以主調(diào)節(jié)器參數(shù)整定為：δ=1/(αCγC)/173.61≈0.192=19.2%，Ti=1/(αCγC)/0.192/5.47≈31.7(s)。

表1 S0×S1計算表

2.2.4 前饋回路的分析和整定

給水流量作為前饋信號，在生產(chǎn)實際中總結(jié)出凝結(jié)水流量與給水流量的比值與負(fù)荷的函數(shù)關(guān)系f(x)，見表2。以f(x)取代恒值系數(shù)0.76。

表2 凝結(jié)水流量與給水流量的系數(shù)表

2.2.5 單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定

發(fā)電機組鍋爐點火時凝結(jié)水流量約為400 t/h。隨著爐膛溫度逐漸升高，鍋爐需要的給水增多，凝結(jié)水量隨之上升到800 t/h以上，當(dāng)給水流量約達(dá)到1 481 t/h時發(fā)電機組并網(wǎng)運行。所以單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作在發(fā)電機組啟動的前半程。在調(diào)節(jié)對象傳遞函數(shù)相同的情況下，串級三沖量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器參數(shù)整定結(jié)果也適用于單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器3。

3 除氧器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的信號分析

3.1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析

圖1中，給水流量的系數(shù)0.76不精準(zhǔn)，造成調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的三沖量主調(diào)節(jié)器輸出不為零。若把副調(diào)節(jié)器給定值=主調(diào)節(jié)器輸出+給水流量×0.76×0.03，改為副調(diào)節(jié)器給定值=(主調(diào)節(jié)器輸出+給水流量×0.76)×0.03，那么系數(shù)0.03造成主調(diào)節(jié)器輸出非零值進一步擴大，如表3所示。主調(diào)節(jié)器輸出非零值意味著主調(diào)節(jié)器進口有調(diào)節(jié)偏差，造成不必要的調(diào)節(jié)過渡過程之后才達(dá)到穩(wěn)態(tài)。此處的系數(shù)0.03造成主調(diào)節(jié)器作用非常弱，調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差很大。

表3 主調(diào)節(jié)器輸出信號表

3.2 關(guān)于無擾切換的分析

存在擾動的兩個來源：變比例調(diào)節(jié)與分段調(diào)節(jié)。為了實現(xiàn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)切換無擾，調(diào)節(jié)器應(yīng)有跟蹤功能，設(shè)置跟蹤開關(guān)、跟蹤信號選擇邏輯，見圖4和圖5。當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)切換擾動無法避免時，在主調(diào)節(jié)閥手操器入口、副調(diào)節(jié)閥手操器入口設(shè)置限速器加以抑制，見圖6。

圖4 跟蹤開關(guān)邏輯圖

圖5 選擇跟蹤值邏輯圖

圖6 變比例調(diào)節(jié)和分段調(diào)節(jié)邏輯圖

注意跟蹤值不應(yīng)位于其信號死區(qū)。跟蹤值從高到低優(yōu)先依次為自動狀態(tài)的閥門指令，有值班員干預(yù)的、被監(jiān)視的閥門指令。

各個功能切換狀態(tài)如下。

1)兩個調(diào)節(jié)閥全手動時調(diào)節(jié)器跟蹤，跟蹤值為副調(diào)節(jié)閥閥位。

2)僅主調(diào)節(jié)閥切到手動的瞬間，對副調(diào)節(jié)閥無影響，無變比例調(diào)節(jié)擾動。

3)僅副調(diào)節(jié)閥切到手動的瞬間，對主調(diào)節(jié)閥有影響，有變比例調(diào)節(jié)擾動。應(yīng)跟蹤主調(diào)節(jié)閥閥位。見圖7跟蹤開關(guān)及跟蹤值時序圖中的“A情況”。

4)僅副調(diào)節(jié)閥切到自動的瞬間，應(yīng)跟蹤副調(diào)節(jié)閥閥位。

5)僅主調(diào)節(jié)閥切到自動的瞬間，應(yīng)跟蹤主調(diào)節(jié)閥閥位。

6)主調(diào)節(jié)閥居于第二個切到自動的瞬間，應(yīng)跟蹤副調(diào)節(jié)閥閥位。見圖7中的“B情況”。

7)副調(diào)節(jié)閥居于第二個切到自動的瞬間，對主調(diào)節(jié)閥有變比例調(diào)節(jié)擾動，應(yīng)跟蹤副調(diào)節(jié)閥閥位。此時主調(diào)節(jié)閥指令由變比例函數(shù)切換到分段函數(shù)，造成立即關(guān)小主閥，同時副調(diào)節(jié)閥迅速開大。此時預(yù)備操作方法為開大副調(diào)節(jié)閥，同時關(guān)小主調(diào)節(jié)閥，靠近和滿足分段函數(shù)的主、副閥位分配關(guān)系，先投入副調(diào)節(jié)閥自動，后投入主調(diào)節(jié)閥自動。這種狀況無法避免擾動，應(yīng)將正確的預(yù)備操作方法寫入操作規(guī)程。見圖7中的“C情況”。

圖7 跟蹤開關(guān)及跟蹤值時序圖

3.3 調(diào)節(jié)閥指令限速器使能的分析

由圖6可知，發(fā)生圖7中A情況時，除氧器水位主調(diào)節(jié)閥指令由分段函數(shù)f(x1)的輸出切換到變比例函數(shù)f(x3)的輸出，可能置位主調(diào)節(jié)閥手操器前的限速器使能。若跟蹤主調(diào)節(jié)閥指令，則無擾。

發(fā)生圖7中B情況時，除氧器水位主調(diào)節(jié)閥指令由當(dāng)前值班員預(yù)設(shè)的位置，階躍變化到分段函數(shù)f(x1)的輸出，可能置位主調(diào)節(jié)閥手操器前的限速器使能。

發(fā)生圖7中C情況時，除氧器水位主調(diào)節(jié)閥指令由變比例函數(shù)f(x3)的輸出切換到分段函數(shù)f(x1)的輸出，必然置位主調(diào)節(jié)閥手操器前的限速器使能。

從圖7中看出，副調(diào)節(jié)閥手操器前限速作用總不使能，說明跟蹤開關(guān)和跟蹤值選擇邏輯的效果使得副調(diào)節(jié)閥無擾動跳變。

3.4 對除氧器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)邏輯設(shè)計建議

1)以折線函數(shù)f(x)取代恒值0.76，用以確定凝結(jié)水流量與給水流量的配比，以生產(chǎn)實際的量值修正函數(shù)關(guān)系。

2)依照副調(diào)節(jié)器給定值=主調(diào)節(jié)器輸出+給水流量×0.03×f(x)，注意運算次序。

3)副調(diào)節(jié)器跟蹤開關(guān)、調(diào)節(jié)器3跟蹤開關(guān)增加條件：主閥自動并且副閥切入手動0.5 s脈沖，或主閥自動并且副閥切入自動0.5 s脈沖。

4)主、副調(diào)節(jié)閥手操器進口限速器限速條件：主調(diào)節(jié)閥手動時不限速，限速器進出口差值大于2時限速。

4 結(jié)語

除氧器水位自動調(diào)節(jié)應(yīng)充分利用除氧器的容積裕量，兼顧凝結(jié)水壓力穩(wěn)定的要求，采用較大的衰減率。這樣有利于凝結(jié)水雜用水用戶、軸封冷卻器和凝結(jié)水泵的穩(wěn)定運行。

充分利用邏輯編程功能，構(gòu)成復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)，防止?fàn)顟B(tài)切換的擾動。

實踐當(dāng)中的熱工自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)常優(yōu)化參數(shù)和變更邏輯設(shè)計方案，此時應(yīng)配合數(shù)學(xué)工具進行，防止疏漏和沒有化簡的邏輯，應(yīng)該調(diào)試和驗收。