農林生物質能熱電聯產項目小容量熱井水位和除氧器水位聯合控制策略

袁洪波 陳鵬 施英民 紀曉申 賀小磊

【摘要】本文以中電京安生物質能熱電聯產項目為例，針對該項目凝汽器熱井設計過小、凝汽器補水閥設計偏大、除氧器上水調閥和凝結水再循環調閥線性特性差等情況，無法有效控制凝汽器熱井水位和除氧器水位的問題，采取了一種新型控制策略，較好的解決了生物質能熱電聯產項目小容量熱井水位和除氧器水位自動控制的問題。

關鍵詞：生物質能熱電聯產? 小容量熱井水位和除氧器水位聯合控制? 新型控制策略

0. 引言

在熱電聯產機組中，除氧器和凝汽器熱井是整個單元機組給水加熱系統中的緩沖環節，其水位是機組運行需監控的幾個最重要的參數之一，水位過高或過低都會影響機組的安全經濟運行，適當的控制策略和相應的參數整定是實現水位控制的保障。

1. 中電京安生物質能發電項目除氧器和凝汽器熱井水位控制存在的問題

中電京安生物質能發電項目除氧器、凝汽器熱井、凝結水泵等系統結構如圖1所示。該項目凝汽器熱井設計容量為額定負荷下3分鐘的主蒸汽流量，設計主蒸汽流量為120t/h，計算得熱井容量約為6t;除鹽水泵流量設計為10t/h;除氧器設計50t。

1.1 除氧器水位控制存在的問題：

此工程項目中除氧器上水調門選型偏大且線性較差，除氧器水位對水位調節閥的響應較慢。如除氧器水位高時其水調節門將關小，當調節門關到20%時，除氧器水位尚未有明顯變化時，熱井水位卻已經迅速增高至危險值。且如果對調門進行限幅，當機組出現負荷變動時，自動的抗擾動性就會減弱，無法進行有效調節。

1.2 凝汽器熱井水位控制存在的問題：

此工程項目凝補水泵采用了工頻運行設計，且凝補水調門設計過大且線性較差，閥門開度在40%時已達到最大補水量，開度太小又會造成凝補水泵憋壓運行，在實際運行中通過凝補水調門無法有效控制補水量。

該項目在調試過程中采用了通過凝結水泵至除氧器補水門和凝結水再循環調閥來控制熱井水位，熱井水位高時除氧器補水閥門開大，熱井水位低時除氧器補水閥門關小。在投入自動過程中，發現此調門開度在50%的時候，凝結水流量已經到達最大值，而且當調門開度變化幅度超過4%時，凝結水流量才會有變化，而且這個變化是一個突變。這就直接造成了PID控制器出現超調的現象，容易造成熱井水位的大幅度波動，不能進行有效的自動調節。[2]

1.3 改造前除氧器水位和凝汽器熱井水位控制方式：

本項目改造前，運行人員通過手動控制除氧器水位和熱井水位。當除氧器水位低時，通過減小凝結水再循環調閥和增大上水門開度來增大除氧器上水量，同時啟動凝補水泵給凝汽器熱井補水，因為熱井設計較小，熱井水位下降較快，控制不好極易造成凝泵汽蝕。當除氧器水位較高時，通過開大凝結水再循環調閥和減小上水門開度來減少除氧器上水量，此時熱井水位會上升較快，控制不好就會超過熱井設計上限，給機組安全運行帶來隱患。

2. 除氧器、凝汽器熱井水位控制策略的優化

結合除氧器和凝汽器熱井結構特點，考慮到凝汽器熱井設計較小，對進入熱井的水量容忍度較小，而除氧器設計較大，對進入除氧器的水量容忍度較大。基于該理念，控制策略設計要優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容器的上下部分，控制的目標是首先保證熱井水位平穩，其次保障除氧器水位相對平穩。當除氧器水位較低時，啟動凝補水泵給熱井補水，補充的水量通過變頻凝泵給到除氧器，使除氧器液位升高;當除氧器水位較高時，停止凝補水泵補水，同時調整凝泵頻率使熱井水位保持穩定，隨著機組水量的蒸發及損耗，在維持熱井水位穩定時，除氧器水位會逐漸減低。除氧器水位較低時，再次開始本循環。該控制策略可保持熱井水位平穩，除氧器水位在設定高液位和低液位間穩定運行。在此過程中首先要對凝結水泵進行由工頻到變頻的改造，改造過程不再贅述。在該控制策略中，凝結水再循環調閥、凝補水調閥可不參與水位控制。

由于生物質能鍋爐燃燒的不穩定性，導致負荷變化較為劇烈，汽輪機排汽量會隨負荷的變化而波動。凝泵在PID調節時要優先考慮排汽量的變化對凝結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，我們優先保障凝汽器熱井水位調節。在機組正常運行時低加疏水和抽汽管路疏水可以不考慮，汽輪機排汽和凝結水補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節熱井水位，由于熱井設計較小，凝汽器排汽量對熱井水位影響較大，熱井水位對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節前饋，加快負荷變化時PID反應速度。

熱井水位控制采取串級PID控制，主調調節熱井水位，副調調節凝結水流量。經反復整定，PID調節能平穩運行，穩態運行時熱井實際水位與設定值偏差在正負10mm波動，自動控制效果較好，滿足機組長期穩定安全運行需要。

3.2除氧器水位控制方案

熱井水位控制投自動運行后，除氧器水位已很平穩，熱井水位在正負10mm波動時除氧器水位基本不變。隨著機組水量的蒸發及損耗，除氧器水位會緩慢下降，在除氧器和熱井水位聯合控制策略中，我們設定除氧器水位從1650mm降至1450mm時聯鎖啟動除鹽水泵給凝汽器熱井補水，熱井水位自動控制下補進來的水量會迅速轉移到除氧器中，熱井水位保持基本不變，除氧器水位會緩慢升高。除氧器水位達到1650mm后聯鎖停止除鹽水泵，除氧器水位隨后又開始緩慢降低，重復上述循環過程。

凝補水調門開或關時熱井水位變化正負50mm，隨后能迅速調整回設定值附近，因此不再在熱井水位控制PID中參與前饋調節。

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門調節凝結水母管壓力，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、除氧器水位和凝結水母管壓力投自動運行后控制效果較好，熱井水位控制較為理想，凝結水母管壓力控制滿足除氧器上水需求，除氧器水位在1450-1650mm緩慢變化，除鹽水補水泵基本上一小時左右啟動一次，每次補水40分鐘左右。

相較于該項目以前的運行方式，自動控制投入后汽機側運行人員已實現無操作、全程監視的目標，大大減少了運行人員的工作量和勞動強度。該控制方式對小容量熱井水位和除氧器水位的控制具有極大的指導意義，具有較強的推廣價值。

參考文獻：

1.葉以沫.生物質鍋爐自動化控制技術的應用與分析 BEER TECH? 2013（08）

2.中電京安項目自動調試報告 山東電力建設第二工程公司調試所2017.09

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