除氧器水位及凝汽器熱井水位的控制策略

王光輝

1 前言

熱電機組系統內，凝汽器及除氧器承擔機組低壓汽缸排除的蒸汽回收、蒸汽冷凝、凝結水補給、凝結水加熱與除氧的任務。其中，凝汽器熱井是整個機組唯一補給凝結水的容器；除氧器是整個單元機組給水加熱系統中唯一的緩沖環節。除氧器與凝汽器熱井水位是機組運行需監控的幾個最重要的參數之一。因此，精準且快速地控制除氧器與凝汽器熱井水位對單元機組的正常運行是必須的，先進的控制策略和相應的精確控制參數是實現除氧器與凝汽器熱井水位正常的保證。

2 通用的除氧器水位及凝汽器熱井水位控制方案介紹

2.1 普通的除氧器水位控制方案

除氧器水位是通過控制除氧器入口調節閥或凝結水泵的轉速，直接改變進入除氧器的凝結水流量實現的。以往的除氧器水位控制模式，采用的是單沖量和串級三沖量相結合的控制方案。

除氧器水位控制系統原理說明：以DEA1_PID和DEA2_PID為核心組成串級三沖量控制系統，DEA1_PID是主調器，DEA2_PID是副調器；以DEA3_PID為核心組成單沖量控制系統，所有的PID均全程工作在CloseLoop模式，外配置一個三沖量、單沖量切換功能塊DEA_SW完成三沖量、單沖量自動選擇或直接切換到手動模式。除氧器水位（三選中）是主信號，該信號與運行人員設置的水位定值信號的偏差，分別送到單沖量和串級三沖量主調器的入口，給水流量和凝結水流量是系統的輔助信號：給水流量為除氧器的所有流出量的總和，為省煤器入口給水流量與過熱器一、二級噴水流量之和；凝結水流量是除氧器的流入量。在三沖量模式下，主調器DEA1_PID接受除氧器水位設定值與檢測值（三選中）的偏差信號，經比例積分PI運算后的輸出與給水流量的前饋量之和，減去凝結水流量，其偏差值送至副調器DEA2_PID，副調器的輸出去控制除氧器入口的凝結水流量調節閥開度，作用于凝結水流量的改變以穩定除氧器水位；在單沖量模式下，DEA3_PID直接根據水位的偏差信號控制凝結水流量以調節除氧器的水位。

三沖量與單沖量模式的切換邏輯（以300 MW機組為例）是：

a、當凝結水流量<200T/H，為單沖量模式；

b、當凝結水流量>300T/H，為串級三沖量模式；

c、當200 t/h<凝結水流量<300 t/h，維持當前的控制模式不變

除氧器水位控制系統原理圖如圖1所示。

圖1 除氧器水位控制系統原理圖

2.2 普通的凝汽器熱井水位控制方案

凝汽器水位是通過控制凝汽器補給水調節閥直接改變補給到凝汽器的凝結水流量實現的。以往的凝汽器水位控制模式，采用的是一個單回路的控制方案。

凝汽器熱井水位控制系統原理(見圖2)說明：凝汽器熱井水位（三選中）與運行人員的水位設定值的偏差信號，送至CND_PID調節器入口，經PI運算后，直接控制熱井補水門的開度，改變補給到熱井的凝結水流入量，穩定熱井水位。

2.3 普通的除氧器及凝汽器熱井水位控制方式的不足

圖2 凝汽器熱井水位控制系統原理圖

在通用的除氧器和凝汽器水位控制策略中，除氧器的水位控制策略與汽包水位控制類似，采用單沖量和串級三沖量相結合的控制方案；而凝汽器熱井水位控制系統是一個簡單的單回路控制系統，并且兩個控制系統沒有作解耦運算處理。在實際的現場運行過程中，頻繁出現水位超高/超低的報警，凝汽器水位過高，將直接影響凝汽器的真空，嚴重時將導致汽輪機低壓缸進水，凝汽器熱井水位過低，也將危及凝結水泵的安全運行和整個熱力系統的水循環；除氧器水位過高，影響凝結水的除氧效果，除氧器水位過低又將危及給水泵的安全運行，并且上述的控制方案無法實現全程水位CloseLoop模式，主要的設計缺陷如下：

a、除氧器的截面容積與凝結水瞬時入口流量的比值過大，改變凝結水流量后至PID檢測到的偏差開始變化存在較大的滯后，除氧器水位的偏差恢復到正常值的過程中，除氧器水位存在振蕩的可能性；

b、同樣的問題也存在與凝汽器熱井水位的控制中，凝汽器的截面容積與其補水瞬時流量比值過大，改變其補水流量后至PID檢測到的偏差變化存在非常大的滯后，而且影響凝汽器熱井水位變化的因素太多，包括：機組負荷、除氧器水位目標預期值、凝汽器水位目標預期值、除氧器補給水的流量、凝汽器補給水的流量等因素，一個單回路控制模式是無法正常工作在全程凝汽器水位CloseLoop模式，并且導致凝汽器熱井水位的偏差恢復到正常值的過程中，凝汽器熱井水位存在振蕩的可能性。

3 全新的除氧器水位、凝汽器熱井水位控制系統策略

針對上述的除氧器、凝汽器水位控制系統的不足，通過分析除氧器、凝汽器在機組中所承擔的任務和設備工藝特性，我們開發了全新的控制策略，以便滿足機組全工況運行過程中，除氧器、凝汽器水位的調節模式均工作在CloseLoop模式（閉環），同步也可以相應地簡化兩個控制系統組態邏輯及控制參數的整定。

3.1 形成相應控制策略的理論基礎

a)機組運行過程中負荷增加時，凝補水系統工作介質第一反應為低壓缸來蒸汽增加，凝汽器熱井水位的升高，負荷增加延后一段時間，汽包水位開始下降而加大給水泵的出力，增加汽包給水，除氧器水位下降，除氧器入口的凝結水閥加大開度，增加凝結水量，穩定除氧器水位，凝汽器水位下降。如果機組定壓運行，熱井水位恢復，保持相對穩定；如果機組滑壓運行，蒸汽管道內的蒸汽量存續增加，熱井水位的設定值須升高，滿足機組對凝結水的總量增加的需求預期，才可以保持熱井水位相對穩定；

b)機組運行過程中負荷降低時，凝補水系統工作介質第一反應為低壓缸來蒸汽減少，凝汽器熱井水位的下降，負荷降低延后一段時間，汽包水位升高而降低給水泵的出力，減少汽包給水，除氧器水位上升，除氧器入口的凝結水閥減小開度，降低凝結水量，穩定除氧器水位，凝汽器水位上升如果機組定壓運行，熱井水位恢復，保持相對穩定；如果機組滑壓運行，由于機組蒸汽管道內的蒸汽量存續降低，熱井水位的設定值須下降，滿足機組對凝結水的總量減少的需求預期，才可以保持熱井水位相對穩定；

3.2 全新控制策略的形成

影響除氧器水位變化的因素有入口凝結水流量和除氧器出口的給水流量，影響凝汽器熱井水位變化的因素有低壓缸來蒸汽（機組負荷）、除氧器入口的凝結水流量和凝汽器補給水流量（代表運行過程凝結水的損耗而需要及時補給量），再加上凝汽器熱井水位設定值（代表預期的機組工作介質總量變化）、除氧器水位設定值（代表預期的機組運行過程中對主給水量變化），機組運行過程中所有上述介質的變化都存在關聯的。我們通過機組運行過程工作介質的動態描述，可以看出，在單元機組運行過程中，所有給水的補給均來自凝結水補水，凝結水的水-汽-水的汽液態的變化過程中，剔除凝結水的機組做功的正常損耗，只要沒有改變熱井水位設定值，整個機組的凝結水量應該是平衡的，凝結水理論上是不存在額外的增補需求的。并且除氧器水位設定值、凝汽器熱井水位設定值之間需要耦合，做到同步響應，才可能及時消除傳統的三沖量、單沖量模式（除氧器水位）、單回路控制模式（凝汽器熱井水位）中控制動作的滯后和過調的現象。

通過上述的分析，我們設計了全新的控制策略，基于凝汽器與除氧器的耦合特性，將熱井和除氧器虛擬為一個大的“容器”，并且“容器”分成上下2格，分別表示凝汽器水位和除氧器水位；通過凝汽器熱井水位調節閥控制“容器”的總水位（除氧器水位+熱井水位），通過控制調節除氧器主水位調節閥、除氧器副水位調節閥來達到控制“容器”上下2格之間的水位差(除氧器水位-熱井水位)。

3.3 相應的控制系統原理說明

參見圖3。

（1）除氧器水位調節與凝汽器水位調節看作一個“容器”的兩個設備，兩個PID同步投/切CloseLoop模式；

（2）將除氧器水位設定DEA_SP乘以除氧器面積系數DEA_SK與凝汽器水位CND_SP設定之和作為凝汽器水位調節CND_PID的設定；

圖3 除氧器/凝汽器水位控制

（3）將凝汽器水位CND_SP設定乘以凝汽器面積系數CND_SK與除氧器水位設定DEA_SP之差作為除氧器水位調節DEA_PID的設定；

（4）將除氧器水位DEA_L乘以除氧器面積系數DEA_SK與凝汽器水位CND_L之和作為凝汽器水位調節CND_PID的測量值；

（5）將凝汽器水位DEA_L乘以凝汽器面積系數CND_SK與除氧器水位DEA_L之差作為除氧器水位調節DEA_PID的測量值；

（6）除氧器主水位調節閥、除氧器副水位調節閥同時接受除氧器水位的動作指令，但設計了動作的順序：當副閥的閥位≯86%，主閥的增加動作閉鎖；當主閥的閥位＞3%，副閥的減小動作閉鎖；

相應的控制策略如除氧器、凝汽器水位一體化控制圖。

圖3 除氧器、凝汽器水位一體化控制圖

3.4 除氧器水位與凝汽器水位調節控制系統回路中的相應的邏輯保護

(1)除氧器水位DEA_PID或凝汽器熱井水位CND_PID如果存在投CloseLoop模式的動作，將自動地將凝汽器熱井水位CND_PID或除氧器水位DEA_PID投入CloseLoop模式；

(2)除氧器水位DEA_PID或凝汽器熱井水位CND_PID如果存在切CloseLoop模式的動作，將自動地將凝汽器熱井水位CND_PID或除氧器水位DEA_PID切至OpenLoop模式；

(3)除氧器水位或凝汽器水位信號質量碼如果有存在“壞值”判斷碼，將同步切除控制器DEA_PID、CND_PID至OpenLoop模式；

(4)除氧器水位DEA_PID及凝汽器熱井水位CND_PID的過程控制保護中，當控制目標值SP與測量值PV偏差過大時，采用閉鎖相應PID增加/減少的方式，閉鎖閥門向更加惡劣的方向動作，來保護水位調節器的輸出方向，不設計切除CloseLoop模式的動作命令。

4 優化后的控制系統的實際運行效果

通過100多套運行的300 MW以上機組的實踐，采用我們提出和整定參數的除氧器水位&凝汽器熱井水位一體化控制策略，可以完全實現機組運行過程中除氧器、凝汽器熱井水位的全程自動，完全可以適應機組負荷的快速變化和頻繁變化，除氧器和凝汽器熱井水位在3個動作周期內均可以達到平衡，沒有出現振蕩的情況，運行效果優良。