母管制多除氧器并列運(yùn)行的水位控制方法研究

嚴(yán)鴻平,陳 歡,陳巍文

(1.浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司,浙江 紹興 312073;2.杭州意能電力技術(shù)有限公司,浙江 杭州 310012;3.浙江大學(xué)工程師學(xué)院,浙江 杭州 310015)

0 引言

作為火力發(fā)電機(jī)組的重要設(shè)備之一,除氧器的主要功能為除去溶于水中的氧及其他不凝氣體、降低鍋爐水中的氧含量至規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),以保障鍋爐、汽輪機(jī)組和整個系統(tǒng)的金屬部件在高溫下不發(fā)生過度的氧化腐蝕[1]。

近年來,隨著能源產(chǎn)業(yè)的升級及電力技術(shù)的快速發(fā)展,單元制超臨界/超超臨界機(jī)組的自動控制技術(shù)日趨成熟,研究成果及研究方向也豐富多樣。許多專業(yè)技術(shù)人員將研究對象集中于以除氧器為代表的抽汽回?zé)嵯到y(tǒng),從經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、靈活性等多方面出發(fā),研究了諸如凝泵變頻控除氧器水位[2-3]、除氧器自動加氧系統(tǒng)改造[4]、凝結(jié)水節(jié)流響應(yīng)自動發(fā)電控制(automatic generation control,AGC)及一次調(diào)頻[5-6]等一系列復(fù)制性高、推廣性強(qiáng)的實(shí)用新技術(shù)。但對于“以熱定電”的母管制熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機(jī)組而言,其運(yùn)行方式及控制模式與常規(guī)的單元制機(jī)組并不相同。并列運(yùn)行的除氧器水位具有更強(qiáng)的非線性、大遲延、強(qiáng)耦合性和不確定性,導(dǎo)致許多母管制機(jī)組的除氧器水位長期無法投入自動。

對于發(fā)電機(jī)組而言,過高或過低的除氧器水位都會影響整個控制系統(tǒng)的運(yùn)行。除氧器水位過高,會導(dǎo)致汽容積少。若進(jìn)汽量保持不變,則除氧器內(nèi)部壓力增大,使進(jìn)入其中的蒸汽減少。這會造成除氧器內(nèi)水溫過低,從而影響除氧效果。除氧器水位過低,則進(jìn)入其中的蒸汽較多,在影響除氧效果的同時還易造成給水泵汽化進(jìn)而損壞。因此,除氧器水位的準(zhǔn)確、合理控制關(guān)乎發(fā)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定[7-8]。目前,對于除氧器水位的控制,無論是凝泵變頻還是除氧器上水閥,大多采用基于串級比例積分微分(proportional integral differential,PID)控制器的常規(guī)控制方案。

并列運(yùn)行的除氧器除自身水位能表征其內(nèi)部實(shí)際水量以外,除氧器的進(jìn)口流量、出口流量均無法準(zhǔn)確體現(xiàn)工質(zhì)的流入流出。因此,簡單采用常規(guī)串級PID來控制并聯(lián)運(yùn)行時的除氧器水位,無法滿足機(jī)組正常運(yùn)行時的調(diào)節(jié)需要。對于產(chǎn)業(yè)集聚升級重要配套保障項(xiàng)目的供熱機(jī)組而言,設(shè)計(jì)一種母管制多除氧器水位自動控制方法尤為重要。

本文設(shè)計(jì)了一種母管制多除氧器水位控制方法,通過自適應(yīng)切換除氧器上水閥、補(bǔ)充閥的控制策略和被控對象,實(shí)現(xiàn)了多除氧器單列、并列運(yùn)行方式下的水位自動控制。

1 系統(tǒng)介紹

某電廠二期擴(kuò)建工程四臺機(jī)組均為50 MW級抽汽背壓式供熱燃煤機(jī)組。鍋爐采用某公司生產(chǎn)的高壓、無再熱、自然循環(huán)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型煤粉鍋爐。汽機(jī)采用某公司生產(chǎn)的EHNG71/63型50 MW級高溫高壓抽汽背壓式汽輪機(jī)。四臺機(jī)組均配有單列、正立式、U形管、雙流程(1#、2#)高壓加熱器和一臺除氧器、一臺補(bǔ)水加熱器。內(nèi)置式除氧器為臥式一體化(內(nèi)置式)無頭除氧器。其設(shè)計(jì)壓力為1.3 MPa、最高出水溫度為158 ℃、有效容積為120 m3、容量為100%。各除氧器進(jìn)水管路主要有除氧器上水(來自化學(xué)制)、高加正常疏水、補(bǔ)水加熱器疏水、汽泵出口再循環(huán)及全廠疏水箱疏水。其中,除氧器上水(來自化學(xué)制)占總上水量的近70%。除氧器汽、水系統(tǒng)如圖1所示。圖1中:虛線箭頭表示汽管路;實(shí)線箭頭表示水管路。

圖1 除氧器汽、水系統(tǒng)圖

2 除氧器水位自動控制設(shè)計(jì)

本文根據(jù)母管制機(jī)組除氧器系統(tǒng)的特殊情況,結(jié)合現(xiàn)有常規(guī)單除氧器水位控制技術(shù)的不足,在經(jīng)過一段時間的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累后,分析、設(shè)計(jì)了母管制多除氧器單列、并列運(yùn)行控制水位的方法。該方法適用于除氧器單列運(yùn)行或母管制聯(lián)通并列運(yùn)行。

在除氧器汽、水側(cè)未投入連通運(yùn)行的情況下,即除氧器單列單獨(dú)運(yùn)行時,除氧器補(bǔ)汽閥控制對應(yīng)除氧器壓力[9],除氧器上水閥以“單沖量”方式控制對應(yīng)的除氧器水位。為確保控制品質(zhì),本文控制方法增加了汽泵排汽壓力、汽泵出口母管壓力、補(bǔ)水加熱水箱液位等多個變量前饋。

當(dāng)若干臺除氧器汽、水側(cè)連通運(yùn)行后,除氧器母管制并列運(yùn)行。此時,除氧器上水閥控制所有連通的除氧器補(bǔ)水,以匹配所有汽泵的總出水量。除氧器補(bǔ)汽閥控制連通的除氧器水位。需要指出的是,補(bǔ)汽閥控制的除氧器水位不同于常規(guī)PID的控制方式,并不要求對水位控制的精確性,而是要求控制水位的相對平衡。

2.1 除氧器上水閥控制

當(dāng)除氧器母管并列運(yùn)行時,任意一個上水閥投入自動后,流量控制PID將參與調(diào)節(jié)。處于自動方式的上水閥將根據(jù)PID的輸出以同增同減的形式一起變化,而處于手動方式的上水閥則保持不變。

2.1.1 上水閥控流量功能投用

上水閥控流量功能投用需同時滿足以下條件。

①任意一個上水閥在自動。

②所有上水閥的最大/最小開度偏差小于10%。

2.1.2 上水閥控流量功能失效

上水閥控流量功能失效需滿足無上水閥在自動的條件。

由于上水閥對汽泵小機(jī)排汽壓力換熱效果的影響,若閥門下關(guān)過小,會造成換熱效果降低,導(dǎo)致排汽壓力升高,從而觸發(fā)汽泵小機(jī)的保護(hù)條件。因此,本文設(shè)計(jì)增加了小機(jī)排汽壓力閉鎖減功能。

2.1.3 上水閥閉鎖減(以3#上水閥為例)

上水閥閉鎖減需滿足以下任一條件。

①3#小機(jī)排汽壓力大于0.1 Mpa。

②3#補(bǔ)水加熱器水側(cè)出口溫度每分鐘增加10 ℃。

③3#補(bǔ)水加熱器水側(cè)出口溫度大于100 ℃。

④補(bǔ)水加熱器水位高于550 mm。

⑤3#汽泵轉(zhuǎn)速每分鐘增加50 r/min。

2.1.4 上水閥撤自動(以3#上水閥為例)

上水閥撤自動需滿足以下任一條件。

①3#除氧器水位質(zhì)量壞點(diǎn)。

②3#除氧器進(jìn)口流量質(zhì)量壞點(diǎn)。

③3#除氧器水位低。

④各汽泵出口流量質(zhì)量壞點(diǎn)。

上水閥控制邏輯如圖2所示。

圖2 上水閥控制邏輯圖

圖2中:虛線為模擬量跟蹤信號;T為選擇功能塊;M/A為手/自動功能塊;Y和N均為輸入。選擇塊觸發(fā)條件為false時,選擇N端的輸入;為true時,選擇Y端的輸入。

2.2 除氧器補(bǔ)汽閥控制

根據(jù)文獻(xiàn)[10]的論述經(jīng)驗(yàn),補(bǔ)汽閥的微弱變化會對除氧器水位造成較大影響,且除氧器汽側(cè)平衡管打通后,不能保證各臺除氧器汽壓的完全平衡。因此在除氧器母管制并列時,可將補(bǔ)汽閥控制對象切換為除氧器水位,以此閥的開大關(guān)小來保持除氧器水位的穩(wěn)定。

2.2.1 補(bǔ)汽閥調(diào)節(jié)控制

通過對各上水閥、補(bǔ)汽閥均在自動方式的除氧器水位進(jìn)行比較,本文選取最高水位值Lmax,將該值與設(shè)定水位作差。若差值高于50 mm,則對應(yīng)補(bǔ)汽閥調(diào)節(jié)開大,調(diào)節(jié)時間為10 s,間隔10 s之后繼續(xù)調(diào)節(jié),并依次交替。當(dāng)有任一補(bǔ)汽閥處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時,其余處在自動方式的補(bǔ)汽閥均減弱調(diào)節(jié)作用。區(qū)分調(diào)節(jié)作用強(qiáng)弱的目的在于保證水位的單向調(diào)整,避免因多個閥門交替變化導(dǎo)致各除氧器內(nèi)的壓力變化,從而造成水位震蕩。若參與調(diào)節(jié)的補(bǔ)汽閥所對應(yīng)的除氧器水位在經(jīng)過60 s后不再是最高水位,則該補(bǔ)汽閥將按0.5%/min的速率恢復(fù)至調(diào)節(jié)開始的初始值。反之,則繼續(xù)調(diào)整。補(bǔ)汽閥水位控制邏輯如圖3所示。

圖3 補(bǔ)汽閥水位控制邏輯圖

圖3中:R、S、Q為觸發(fā)器功能塊;H/L為高/低限功能塊;PV為被控量;TD ON為延時功能塊;K為系數(shù)功能塊;NOT為取非功能塊。

2.2.2 補(bǔ)汽閥調(diào)節(jié)閉鎖

由于除氧器壓力應(yīng)處于特定范圍,過高或過低的除氧器壓力不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定,本文設(shè)計(jì)增加除氧器壓力閉鎖功能。以下條件任一滿足時,閉鎖功能觸發(fā)。

①除氧器壓力大于0.39 MPa,閉鎖增該除氧器對應(yīng)的補(bǔ)汽閥。

②除氧器壓力小于0.29 MPa,閉鎖減該除氧器對應(yīng)的補(bǔ)汽閥。

2.2.3 補(bǔ)汽閥調(diào)節(jié)最小液位閉鎖

隨著補(bǔ)汽閥的開大,對應(yīng)除氧器壓力也會隨之上升。若該補(bǔ)汽閥出現(xiàn)閉鎖增信號,則保持其閥位開度。與此同時,控制策略選取最低除氧器液位Lmin對應(yīng)的補(bǔ)汽閥,按照1%/min的速率逐漸減小該補(bǔ)汽閥的開度。調(diào)節(jié)時間20 s,穩(wěn)定時間20 s,兩者交替進(jìn)行。

若在減小補(bǔ)汽閥開度的過程中觸發(fā)閉鎖減信號,則調(diào)整結(jié)束,保持開度不變,并在10 min后按照0.5%/min的速率恢復(fù)至調(diào)節(jié)初始值。若減少過程中未觸發(fā)閉鎖減信號,則調(diào)節(jié)直至除氧器水位不再是Lmin。水位穩(wěn)定10 min后恢復(fù)至調(diào)節(jié)初始值。補(bǔ)汽閥最小液位閉鎖控制邏輯如圖4所示。圖4中,TD OFF為反延時功能塊。

2.2.4 補(bǔ)汽閥調(diào)節(jié)修正

在上述控制策略的基礎(chǔ)上,結(jié)合各臺汽泵小機(jī)排汽壓力、各除氧器汽側(cè)壓力、補(bǔ)水加熱器疏水、高加正常疏水等變量參數(shù),控制策略設(shè)計(jì)增加了相應(yīng)量值前饋,以提高除氧器液位的穩(wěn)定性。

3 試驗(yàn)方法及控制效果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方法,為有效驗(yàn)證整個控制方法的控制效果,試驗(yàn)區(qū)分三個除氧器補(bǔ)汽閥自動和四個除氧器補(bǔ)汽閥自動這兩種方式。試驗(yàn)結(jié)合運(yùn)行過程中可能會出現(xiàn)的情況,按實(shí)際最高水位高于設(shè)定水位、所有實(shí)際水位小于設(shè)定水位、水位設(shè)定值階躍擾動三個工況,全方位測試了除氧器水位的控制效果。

3.1實(shí)際最高水位高于設(shè)定水位控制效果

三個除氧器補(bǔ)汽閥在自動且最高水位高于水位設(shè)定值時的控制曲線如圖5所示。

圖5 三個除氧器補(bǔ)汽閥在自動且最高水位高于水位設(shè)定值時的控制曲線

由圖5可知,當(dāng)6#除氧器水位為最高水位時,6#補(bǔ)汽閥按照既定的調(diào)節(jié)方式自動將開度由25.89%增大至28.61%,而其他補(bǔ)汽閥開度基本不變。

四個除氧器補(bǔ)汽閥在自動且最高水位高于水位設(shè)定值時的控制曲線如圖6所示。

圖6 四個除氧器補(bǔ)汽閥在自動且最高水位高于水位設(shè)定值時的控制曲線

圖6控制過程同圖5。由圖6可知,其調(diào)節(jié)動作正確、調(diào)節(jié)量值合理、調(diào)節(jié)效果合適。

3.2 水位設(shè)定值階躍擾動控制效果

當(dāng)各除氧器水位介于設(shè)定值之間時,通過對水位設(shè)定值階躍擾動,可整體抬高或降低所有并聯(lián)運(yùn)行的除氧器水位。圖7為四個除氧器補(bǔ)汽閥在自動水位階躍擾動控制曲線。

圖7 四個除氧器補(bǔ)汽閥在自動水位階躍擾動控制曲線

由圖7可知,當(dāng)水位設(shè)定值抬高100 mm后,最高水位與設(shè)定水位偏差減小,除氧器補(bǔ)汽閥幾乎不作調(diào)整。此時,若機(jī)組汽、水平衡,除氧器進(jìn)水及汽泵出水保持穩(wěn)定,則最低除氧器液位對應(yīng)的補(bǔ)汽閥將按照前文闡述的以1%/min的速率“逐次逐步”減小補(bǔ)汽閥開度,從而間接提高整體的除氧器水位;若機(jī)組汽、水不平衡,則整體除氧器水位會根據(jù)總的補(bǔ)水量、總的汽泵出口流量變化、除氧器水位的實(shí)際變化來開大或關(guān)小補(bǔ)汽閥開度。

4 結(jié)論

本文控制方法適用于除氧器單列、并列兩種運(yùn)行模式。本文方法實(shí)施后,機(jī)組實(shí)現(xiàn)了多除氧器并聯(lián)運(yùn)行方式下的水位自動控制。現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了該方法具有較高的靈活性和較強(qiáng)的適應(yīng)性。該方法能夠適應(yīng)除氧器單列或并列運(yùn)行的多種工況需求,有效解決“多輸入多輸出”控制系統(tǒng)之間的強(qiáng)耦合,降低了運(yùn)行人員的操作強(qiáng)度,提高了母管制機(jī)組的自動控制水平,保證了除氧器系統(tǒng)控制的可靠和穩(wěn)定。該研究能夠?yàn)橥惸腹苤茩C(jī)組提供技術(shù)參考。