袁洪波 陳鵬 施英民 紀(jì)曉申 賀小磊

【摘要】本文以中電京安生物質(zhì)能熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目為例，針對(duì)該項(xiàng)目凝汽器熱井設(shè)計(jì)過(guò)小、凝汽器補(bǔ)水閥設(shè)計(jì)偏大、除氧器上水調(diào)閥和凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)閥線(xiàn)性特性差等情況，無(wú)法有效控制凝汽器熱井水位和除氧器水位的問(wèn)題，采取了一種新型控制策略，較好的解決了生物質(zhì)能熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目小容量熱井水位和除氧器水位自動(dòng)控制的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)能熱電聯(lián)產(chǎn)? 小容量熱井水位和除氧器水位聯(lián)合控制? 新型控制策略

0. 引言

在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中，除氧器和凝汽器熱井是整個(gè)單元機(jī)組給水加熱系統(tǒng)中的緩沖環(huán)節(jié)，其水位是機(jī)組運(yùn)行需監(jiān)控的幾個(gè)最重要的參數(shù)之一，水位過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，適當(dāng)?shù)目刂撇呗院拖鄳?yīng)的參數(shù)整定是實(shí)現(xiàn)水位控制的保障。

1. 中電京安生物質(zhì)能發(fā)電項(xiàng)目除氧器和凝汽器熱井水位控制存在的問(wèn)題

中電京安生物質(zhì)能發(fā)電項(xiàng)目除氧器、凝汽器熱井、凝結(jié)水泵等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該項(xiàng)目凝汽器熱井設(shè)計(jì)容量為額定負(fù)荷下3分鐘的主蒸汽流量，設(shè)計(jì)主蒸汽流量為120t/h，計(jì)算得熱井容量約為6t;除鹽水泵流量設(shè)計(jì)為10t/h;除氧器設(shè)計(jì)50t。

1.1 除氧器水位控制存在的問(wèn)題：

此工程項(xiàng)目中除氧器上水調(diào)門(mén)選型偏大且線(xiàn)性較差，除氧器水位對(duì)水位調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)較慢。如除氧器水位高時(shí)其水調(diào)節(jié)門(mén)將關(guān)小，當(dāng)調(diào)節(jié)門(mén)關(guān)到20%時(shí)，除氧器水位尚未有明顯變化時(shí)，熱井水位卻已經(jīng)迅速增高至危險(xiǎn)值。且如果對(duì)調(diào)門(mén)進(jìn)行限幅，當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，自動(dòng)的抗擾動(dòng)性就會(huì)減弱，無(wú)法進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。

1.2 凝汽器熱井水位控制存在的問(wèn)題：

此工程項(xiàng)目凝補(bǔ)水泵采用了工頻運(yùn)行設(shè)計(jì)，且凝補(bǔ)水調(diào)門(mén)設(shè)計(jì)過(guò)大且線(xiàn)性較差，閥門(mén)開(kāi)度在40%時(shí)已達(dá)到最大補(bǔ)水量，開(kāi)度太小又會(huì)造成凝補(bǔ)水泵憋壓運(yùn)行，在實(shí)際運(yùn)行中通過(guò)凝補(bǔ)水調(diào)門(mén)無(wú)法有效控制補(bǔ)水量。

該項(xiàng)目在調(diào)試過(guò)程中采用了通過(guò)凝結(jié)水泵至除氧器補(bǔ)水門(mén)和凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)閥來(lái)控制熱井水位，熱井水位高時(shí)除氧器補(bǔ)水閥門(mén)開(kāi)大，熱井水位低時(shí)除氧器補(bǔ)水閥門(mén)關(guān)小。在投入自動(dòng)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)此調(diào)門(mén)開(kāi)度在50%的時(shí)候，凝結(jié)水流量已經(jīng)到達(dá)最大值，而且當(dāng)調(diào)門(mén)開(kāi)度變化幅度超過(guò)4%時(shí)，凝結(jié)水流量才會(huì)有變化，而且這個(gè)變化是一個(gè)突變。這就直接造成了PID控制器出現(xiàn)超調(diào)的現(xiàn)象，容易造成熱井水位的大幅度波動(dòng)，不能進(jìn)行有效的自動(dòng)調(diào)節(jié)。[2]

1.3 改造前除氧器水位和凝汽器熱井水位控制方式：

本項(xiàng)目改造前，運(yùn)行人員通過(guò)手動(dòng)控制除氧器水位和熱井水位。當(dāng)除氧器水位低時(shí)，通過(guò)減小凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)閥和增大上水門(mén)開(kāi)度來(lái)增大除氧器上水量，同時(shí)啟動(dòng)凝補(bǔ)水泵給凝汽器熱井補(bǔ)水，因?yàn)闊峋O(shè)計(jì)較小，熱井水位下降較快，控制不好極易造成凝泵汽蝕。當(dāng)除氧器水位較高時(shí)，通過(guò)開(kāi)大凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)閥和減小上水門(mén)開(kāi)度來(lái)減少除氧器上水量，此時(shí)熱井水位會(huì)上升較快，控制不好就會(huì)超過(guò)熱井設(shè)計(jì)上限，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。

2. 除氧器、凝汽器熱井水位控制策略的優(yōu)化

結(jié)合除氧器和凝汽器熱井結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮到凝汽器熱井設(shè)計(jì)較小，對(duì)進(jìn)入熱井的水量容忍度較小，而除氧器設(shè)計(jì)較大，對(duì)進(jìn)入除氧器的水量容忍度較大。基于該理念，控制策略設(shè)計(jì)要優(yōu)先考慮凝汽器熱井水位控制。

該控制策略中，我們把凝汽器熱井和除氧器看作是一個(gè)容器的上下部分，控制的目標(biāo)是首先保證熱井水位平穩(wěn)，其次保障除氧器水位相對(duì)平穩(wěn)。當(dāng)除氧器水位較低時(shí)，啟動(dòng)凝補(bǔ)水泵給熱井補(bǔ)水，補(bǔ)充的水量通過(guò)變頻凝泵給到除氧器，使除氧器液位升高;當(dāng)除氧器水位較高時(shí)，停止凝補(bǔ)水泵補(bǔ)水，同時(shí)調(diào)整凝泵頻率使熱井水位保持穩(wěn)定，隨著機(jī)組水量的蒸發(fā)及損耗，在維持熱井水位穩(wěn)定時(shí)，除氧器水位會(huì)逐漸減低。除氧器水位較低時(shí)，再次開(kāi)始本循環(huán)。該控制策略可保持熱井水位平穩(wěn)，除氧器水位在設(shè)定高液位和低液位間穩(wěn)定運(yùn)行。在此過(guò)程中首先要對(duì)凝結(jié)水泵進(jìn)行由工頻到變頻的改造，改造過(guò)程不再贅述。在該控制策略中，凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)閥、凝補(bǔ)水調(diào)閥可不參與水位控制。

由于生物質(zhì)能鍋爐燃燒的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致負(fù)荷變化較為劇烈，汽輪機(jī)排汽量會(huì)隨負(fù)荷的變化而波動(dòng)。凝泵在PID調(diào)節(jié)時(shí)要優(yōu)先考慮排汽量的變化對(duì)凝結(jié)水泵變頻控制的影響。

3. 基于新型控制策略的除氧器和熱井水位控制

3.1 基于新型控制策略的熱井水位控制方案

鑒于上述控制策略，我們優(yōu)先保障凝汽器熱井水位調(diào)節(jié)。在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)低加疏水和抽汽管路疏水可以不考慮，汽輪機(jī)排汽和凝結(jié)水補(bǔ)水是影響熱井水位變化的主要因素。

本方案采用凝泵變頻調(diào)節(jié)熱井水位，由于熱井設(shè)計(jì)較小，凝汽器排汽量對(duì)熱井水位影響較大，熱井水位對(duì)主蒸汽流量變化比較敏感，故采用主蒸汽流量作為熱井水位調(diào)節(jié)前饋，加快負(fù)荷變化時(shí)PID反應(yīng)速度。

熱井水位控制采取串級(jí)PID控制，主調(diào)調(diào)節(jié)熱井水位，副調(diào)調(diào)節(jié)凝結(jié)水流量。經(jīng)反復(fù)整定，PID調(diào)節(jié)能平穩(wěn)運(yùn)行，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)熱井實(shí)際水位與設(shè)定值偏差在正負(fù)10mm波動(dòng)，自動(dòng)控制效果較好，滿(mǎn)足機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定安全運(yùn)行需要。

3.2除氧器水位控制方案

熱井水位控制投自動(dòng)運(yùn)行后，除氧器水位已很平穩(wěn)，熱井水位在正負(fù)10mm波動(dòng)時(shí)除氧器水位基本不變。隨著機(jī)組水量的蒸發(fā)及損耗，除氧器水位會(huì)緩慢下降，在除氧器和熱井水位聯(lián)合控制策略中，我們?cè)O(shè)定除氧器水位從1650mm降至1450mm時(shí)聯(lián)鎖啟動(dòng)除鹽水泵給凝汽器熱井補(bǔ)水，熱井水位自動(dòng)控制下補(bǔ)進(jìn)來(lái)的水量會(huì)迅速轉(zhuǎn)移到除氧器中，熱井水位保持基本不變，除氧器水位會(huì)緩慢升高。除氧器水位達(dá)到1650mm后聯(lián)鎖停止除鹽水泵，除氧器水位隨后又開(kāi)始緩慢降低，重復(fù)上述循環(huán)過(guò)程。

凝補(bǔ)水調(diào)門(mén)開(kāi)或關(guān)時(shí)熱井水位變化正負(fù)50mm，隨后能迅速調(diào)整回設(shè)定值附近，因此不再在熱井水位控制PID中參與前饋調(diào)節(jié)。

3.3凝泵出口母管壓力控制方案

為保障除氧器正常上水，我們采用除氧器上水調(diào)門(mén)調(diào)節(jié)凝結(jié)水母管壓力，再次不再贅述。

4. 除氧器和熱井水位控制效果及效益

熱井水位、除氧器水位和凝結(jié)水母管壓力投自動(dòng)運(yùn)行后控制效果較好，熱井水位控制較為理想，凝結(jié)水母管壓力控制滿(mǎn)足除氧器上水需求，除氧器水位在1450-1650mm緩慢變化，除鹽水補(bǔ)水泵基本上一小時(shí)左右啟動(dòng)一次，每次補(bǔ)水40分鐘左右。

相較于該項(xiàng)目以前的運(yùn)行方式，自動(dòng)控制投入后汽機(jī)側(cè)運(yùn)行人員已實(shí)現(xiàn)無(wú)操作、全程監(jiān)視的目標(biāo)，大大減少了運(yùn)行人員的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度。該控制方式對(duì)小容量熱井水位和除氧器水位的控制具有極大的指導(dǎo)意義，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

1.葉以沫.生物質(zhì)鍋爐自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用與分析 BEER TECH? 2013（08）

2.中電京安項(xiàng)目自動(dòng)調(diào)試報(bào)告 山東電力建設(shè)第二工程公司調(diào)試所2017.09

3.王光輝.除氧器水位及凝汽器熱井水位的控制策略 冶金動(dòng)力 2015（11）