660 MW超超臨界機組低負荷下凝結(jié)水系統(tǒng)控制優(yōu)化

（華能國際電力股份有限公司長興電廠，浙江長興313100）

660 MW超超臨界機組低負荷下凝結(jié)水系統(tǒng)控制優(yōu)化

鄭冬浩，曹志華，董勇衛(wèi)，錢鋒，沈正華

（華能國際電力股份有限公司長興電廠，浙江長興313100）

某發(fā)電廠660 MW超超臨界機組的凝結(jié)水控制系統(tǒng)在高負荷時調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)良、經(jīng)濟性良好，但是在低負荷及高低負荷切換時，出現(xiàn)了除氧器水位和凝結(jié)水泵出口壓力參數(shù)波動、凝結(jié)水泵經(jīng)濟性下降等問題。通過對控制策略的分析和優(yōu)化，提高了凝結(jié)水控制系統(tǒng)在低負荷時的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

低負荷；凝結(jié)水；控制系統(tǒng)；優(yōu)化

0 引言

機組凝結(jié)水泵變頻控制技術(shù)是目前國內(nèi)凝結(jié)水系統(tǒng)的主流改造方案之一，該技術(shù)一方面克服了工頻泵電能損失大的缺點，節(jié)約了能耗；另一方面減少了除氧器上水調(diào)節(jié)閥的動作頻率，降低了節(jié)流損失和閥門磨損。某發(fā)電廠凝結(jié)水系統(tǒng)2臺凝結(jié)水泵公用1臺變頻裝置，采用一拖二的運行方式，在正常運行工況下，具有較好的經(jīng)濟性和可靠性。然而，隨著電力市場競爭日趨激烈，機組在投入AGC（自動發(fā)電控制）方式及參與深度調(diào)峰時，不可避免地長時間在較低負荷狀態(tài)下運行，由此引發(fā)了凝結(jié)水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性大幅下降。針對這一情況，需要對凝結(jié)水系統(tǒng)控制邏輯進行分析和優(yōu)化。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 設備簡介

某發(fā)電廠2×660 MW機組鍋爐采用哈爾濱鍋爐廠有限責任公司制造的變壓運行直流爐，汽輪機采用上海電氣集團股份有限公司生產(chǎn)的中間再熱凝汽式汽輪機，凝結(jié)水系統(tǒng)設計為中壓凝結(jié)水精處理系統(tǒng)，采用一拖二運行方式，2臺凝結(jié)水泵公用1臺變頻裝置。凝結(jié)水泵將凝汽器熱井中的水，經(jīng)精處理和軸封冷卻器后，輸送至除氧器，參與到熱力系統(tǒng)的汽水循環(huán)中，工藝流程如圖1所示。凝結(jié)水泵的詳細參數(shù)如表1所示。

1.2 優(yōu)化前控制策略

凝結(jié)水系統(tǒng)采用水位調(diào)節(jié)和壓力調(diào)節(jié)2種控制模式。設置實際負荷300 MW為控制模式切換點，負荷小于300 MW時，采用壓力調(diào)節(jié)模式；負荷高于300 MW時，采用水位調(diào)節(jié)模式；并設置了10 MW的控制模式切換死區(qū)，防止頻繁切換調(diào)節(jié)模式。凝結(jié)水泵系統(tǒng)控制邏輯如圖2所示。

圖1 凝結(jié)水系統(tǒng)工藝流程

表1 凝結(jié)水泵參數(shù)

壓力調(diào)節(jié)模式，除氧器上水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)除氧器水位，變頻泵調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵出口壓力，除氧器上水調(diào)節(jié)閥和變頻泵調(diào)節(jié)回路均采用單回路閉環(huán)控制。在這一模式下，調(diào)閥開度基本在15%左右波動，節(jié)流損失較大。

水位調(diào)節(jié)模式，除氧器上水調(diào)節(jié)閥快速開至100%開度，變頻泵采用三沖量串級調(diào)節(jié)控制，主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)除氧器水位，副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)除氧器入口凝結(jié)水流量，給水流量作為前饋輸入主調(diào)節(jié)器，由于副調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)頻率大于主調(diào)，因此副調(diào)可以在主調(diào)動作前消除微小擾動，維持了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另外，由于副調(diào)是一個時變系統(tǒng)，系統(tǒng)對各種工況的適應能力也得到了提高。

1.3 存在問題

原有的控制策略在高負荷下具有優(yōu)良的調(diào)節(jié)效果，既保證了系統(tǒng)穩(wěn)定，也體現(xiàn)了很好的經(jīng)濟性。但是，在低負荷下還存在一些不足。圖3是凝結(jié)水系統(tǒng)在調(diào)節(jié)模式切換點附近典型的壓力曲線。通過圖3可以發(fā)現(xiàn)原有控制策略在300 MW負荷附近存在以下不足：

圖2 優(yōu)化前凝結(jié)水泵控制邏輯

圖3 優(yōu)化前凝結(jié)水泵出口壓力曲線

（1）穩(wěn)定性較弱。在壓力模式切換至水位模式時，由于除氧器上水調(diào)節(jié)閥和變頻泵同時改變控制方式，互相交換了控制對象，控制系統(tǒng)在一段時間內(nèi)出現(xiàn)了較大擾動，除氧器水位高于設定值使變頻指令減小，調(diào)門快開邏輯使調(diào)門開度變大，二者聯(lián)合作用直接導致凝結(jié)水泵出口壓力快速下降了900 kPa，并在回調(diào)過程中產(chǎn)生了500 kPa的超調(diào)量，且震蕩時間長達150 min，對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成了嚴重影響。

（2）經(jīng)濟性較差。在壓力模式下，除氧器上水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)除氧器水位，由于PID參數(shù)設置較弱，調(diào)節(jié)能力小于凝結(jié)水泵出力，導致除氧器水位一直高于設定值，因此調(diào)閥開度基本保持在15%，不再開大。在這一開度，系統(tǒng)的節(jié)流損失較大，對調(diào)閥的磨損也較大，同時，維持除氧器水位高于設定值也具有一定的能耗，系統(tǒng)經(jīng)濟性較低。

2 優(yōu)化內(nèi)容

2.1 總體優(yōu)化策略

在當前電力市場形勢下，機組在300 MW附近甚至以下低負荷運行成為新常態(tài)。凝結(jié)水控制系統(tǒng)雖然在控制方式切換點附近設置了10 MW的切換死區(qū)，但相比于機組投入AGC后最高1.5%Pe/min的負荷變化率，系統(tǒng)仍然不可避免地頻繁切換控制模式。這會對低負荷下凝結(jié)水泵出口壓力的波動產(chǎn)生疊加效應，使系統(tǒng)震蕩更加劇烈，危及機組安全，且變頻泵的經(jīng)濟性優(yōu)勢得不到發(fā)揮。

針對以上情況，在不對現(xiàn)有設備進行改造的情況下，通過對控制邏輯的優(yōu)化來滿足運行工況的要求。具體策略如下：

（1）取消變頻泵壓力調(diào)節(jié)模式，變頻泵全程調(diào)節(jié)除氧器水位。

（2）在除氧器上水調(diào)節(jié)閥邏輯中添加單回路壓力調(diào)節(jié)功能，在變頻運行方式下調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵出口壓力。

（3）在除氧器上水調(diào)節(jié)閥邏輯中添加切換功能塊，使閥門在凝結(jié)水泵變頻方式下調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵出口壓力，工頻方式下調(diào)節(jié)除氧器水位。

2.2 變頻泵邏輯優(yōu)化

在變頻泵控制邏輯中，取消回路中水位調(diào)節(jié)模式和壓力調(diào)節(jié)模式相互切換的功能塊，并刪除壓力調(diào)節(jié)相關邏輯，使變頻泵始終以除氧器水位為控制對象，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后變頻泵控制邏輯

變頻泵水位調(diào)節(jié)采用單/三沖量切換方式，當負荷大于300 MW時，沿用優(yōu)化前的三沖量調(diào)節(jié)邏輯。由于低負荷下給水擾動較大，采用三沖量調(diào)節(jié)策略會產(chǎn)生較大調(diào)節(jié)誤差，因此在變頻泵邏輯中添加單沖量調(diào)節(jié)回路，并添加切換功能塊，當負荷小于300 MW時，切換至單沖量調(diào)節(jié)。為了保證單/三沖量切換時除氧器水位穩(wěn)定，采取以下措施：

（1）在切換條件判定時，負荷條件設置50 MW的死區(qū)。

（2）利用跟蹤功能實現(xiàn)2種方式之間的無擾切換。

（3）在切換功能塊中設置切換速率限制，防止指令過快變化。

同時，為了防止除氧器上水調(diào)閥調(diào)節(jié)能力不足或其他擾動導致凝結(jié)水泵出口壓力過低，設計了當凝結(jié)水泵出口壓力低于設定值0.1 MPa時，閉鎖減小變頻泵出力的功能，保證出口壓力穩(wěn)定。

2.3 除氧器上水調(diào)節(jié)閥邏輯優(yōu)化

除氧器上水調(diào)節(jié)閥邏輯由變頻和工頻兩部分組成。在凝結(jié)水泵工頻模式下，調(diào)節(jié)除氧器水位，原有的邏輯經(jīng)過實際檢驗，能滿足除氧器水位調(diào)節(jié)的要求，因此不做修改。在工頻模式的PID輸出下游，增加切換功能塊，當變頻泵在自動狀態(tài)下時，自動切換至變頻模式，調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵出口壓力，如圖5所示。

圖5 除氧器上水調(diào)節(jié)閥壓力調(diào)節(jié)邏輯

凝結(jié)水泵出口壓力調(diào)節(jié)采用單回路比例-積分閉環(huán)控制系統(tǒng)，同時根據(jù)調(diào)門閥位設計了變參數(shù)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，以達到不同閥位狀態(tài)下的控制目標。具體策略是：

（1）當閥位較小時，比例和積分作用較強，閥門對擾動的響應速度較快，消除偏差的能力較強，可以快速地適應機組啟動和變負荷時的復雜工況。

（2）隨著凝結(jié)水泵出力增加，閥位增大，當閥位大于40%后，比例和積分作用隨著閥位的增大逐漸減弱，此時工況相對啟動階段較為穩(wěn)定，閥門對壓力進行微調(diào)。

（3）當閥位開至100%時，比例、積分作用達到最小，這樣一方面避免了短暫、微小的擾動使閥門過度關小，造成不必要的節(jié)流損失，另一方面也防止了積分飽和，使壓力偏低時，閥門能及時關小。

2.4 畫面優(yōu)化

在DCS系統(tǒng)中的凝結(jié)水系統(tǒng)畫面上增加除氧器上水調(diào)節(jié)閥壓力調(diào)節(jié)控制面板，并添加當前控制模式（壓力、水位）顯示，取消原來變頻泵的壓力調(diào)節(jié)控制面板。

3 優(yōu)化后效果

3.1 穩(wěn)定性

優(yōu)化方案實施后，對系統(tǒng)進行了除氧器水位和凝結(jié)水泵出口壓力的負荷擾動實驗，并選取110 MW，220 MW，330 MW，440 MW 4個負荷點的區(qū)間段觀察調(diào)節(jié)效果。圖6是凝結(jié)水系統(tǒng)在300 MW區(qū)間段的參數(shù)曲線，圖中顯示，當負荷在280～310 MW變動時，凝結(jié)水泵出口壓力在設定值上下100 kPa以內(nèi)波動，除氧器水位保持穩(wěn)定，滿足實際運行中的穩(wěn)定性要求。實驗結(jié)果顯示，在低負荷（小于330 MW）狀態(tài)下，由于全程采用了同一控制策略，除氧器水位和凝結(jié)水泵出口壓力一直穩(wěn)定在設定值附近，穩(wěn)態(tài)偏差和穩(wěn)定時間都符合規(guī)程要求。除氧器上水調(diào)節(jié)閥在300 MW負荷區(qū)間時開大至100%，因此在高負荷下（高于330 MW），控制策略和優(yōu)化前相同，系統(tǒng)延續(xù)了之前優(yōu)良的穩(wěn)定性。

圖6 優(yōu)化后的負荷-壓力曲線

3.2 經(jīng)濟性

由于優(yōu)化后，除氧器上水調(diào)節(jié)閥開度提前開大，減少了節(jié)流損失，變頻泵的經(jīng)濟性也有了一定提高，圖7為系統(tǒng)優(yōu)化前后凝結(jié)水泵在不同負荷段的電流統(tǒng)計對比。

圖7 優(yōu)化前后凝結(jié)水泵能耗對比

由圖7可以看出，在220 MW—300 MW負荷段，由于減少了調(diào)門節(jié)流損失，凝結(jié)水泵電流明顯下降。以機組在298 MW負荷運行時為例，凝結(jié)水泵電流相較于優(yōu)化前下降了23 A，累計運行1 000 h可節(jié)約廠用電能耗23萬kWh，提高了機組低負荷時發(fā)電的經(jīng)濟性。

4 結(jié)語

通過凝結(jié)水系統(tǒng)控制邏輯的優(yōu)化提高了機組在低負荷時除氧器水位和凝結(jié)水泵出口壓力的穩(wěn)定性及凝結(jié)水泵的經(jīng)濟性，為機組更可靠地應對低負荷運行提供了支持。但凝結(jié)水系統(tǒng)的控制性能仍然有進一步提升的空間，通過特性實驗，總結(jié)不同工況下調(diào)門開度與變頻指令之間最優(yōu)匹配關系，并通過前饋、變參數(shù)調(diào)節(jié)等手段實現(xiàn)最優(yōu)控制，將對進一步減少節(jié)流損失，維持壓力穩(wěn)定，有很大的作用。

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（本文編輯：張彩）

Optimization Control of Condensate Water System of 660 MW Ultra-supercritical Unit under Low Load

ZHENG Donghao，CAO Zhihua，DONG Yongwei，QIAN Feng，SHEN Zhenghua
（Huaneng Power International，INC.，Changxing Power Plant，Changxing Zhejiang 313100，China）

The condensate water system of a 660 MW ultra-supercritical unit in a power plant was of good quality and economy under high load.However，during switching from low load to high load，parameters of deaerator water level and outlet pressure of condensate water pump fluctuated，and economy of condensate water pump decreased.After control strategy analysis and optimization，stability and economy of condensate water system under low load are enhanced.

low load；condensate water；control system；optimization

10.19585/j.zjdl.201707005

1007-1881（2017）07-0020-04

TK38

B

2017-05-09

鄭冬浩（1990），男，助理工程師，從事火電廠自動化控制方面工作。