超超临界发电机组除氧器水位调节整定与设计

(神华广东国华粤电台山发电有限公司，广东 台山529228)

除氧器水位的稳定对锅炉给水泵、汽轮机轴封冷却器、凝结水泵和汽轮机背压以及凝结水杂用水用户都有重要影响[1-3]。目前普遍采用调节阀调节除氧器水位的方法[4]，还有少数采用变频凝结水泵控制除氧器水位。鉴于电力行业内近期发生的变频设备(凝结水泵)运行中机械设备损坏事件，以及基于1 000 MW机组凝结水调负荷节能型协调控制系统的开发及研究项目[5-6]。对除氧器水位控制提出了更高的要求，本文给出除氧器水位自动调节器参数整定计算方法和无扰切换判断逻辑设计。

1 除氧器工艺流程

除氧器是发电机组热力循环当中的储水设备，与其连接的设备主要有来自低压加热器的供给凝结水的管道和供给锅炉用水的给水管道，还有抽汽管道、辅助蒸汽管道、排汽到疏水扩容器管道、排水到凝汽器管道、来自高加正常疏水管道、高加连续排汽管道、排水到机组排水槽管道。

某厂为1 000 MW超超临界燃煤发电机组。除氧器型号为GC-3250/GS-350。除氧水箱设计压力为1.46 MPa，设计温度为390 ℃。除氧水箱为卧式圆筒形容器，内径4 200 mm，筒长33 400 mm。

除氧器的出水管道连接2台电动给水前置泵、2台汽泵，供给锅炉的用水。

发电机组的热工控制系统采用国产的和利时MACS V6控制系统[7]。

2 除氧器水位调节系统的结构和整定计算

2.1 系统结构

除氧器水位调节系统设计为自动选择性调节系统，见图1。当给水流量小于等于450 t/h时，构成单冲量调节系统，此时调节器3输出被选中；当给水流量大于450 t/h时，构成串级三冲量自动调节系统，此时副调节器的输出被选中；调节系统接受3个信号，即被调量信号除氧器水位信号、凝结水流量信号、给水流量信号。配置主调节阀、副调节阀两台调节机构，构成分段调节，见图1。

图1 串级三冲量除氧器水位调节系统方框图

2.2 整片计算

2.2.1 除氧器的等效环节和传递函数

除氧器水位的调节对象(连接管道、低压加热器、除氧器水箱)被认为是有迟延的积分环节[8-14]。根据阶跃响应实验数据计算，其中水位响应速度ε=0.000 355 7 mm·s-1·h· t-1，迟延时间τ=11.72 s。对象调节通道传递函数为

2.2.2 副回路的分析与整定

由Wa1(s)副调节器、Kv执行机构、γC凝结水流量测量单元、WC(s)凝结水流量反馈装置构成的回路为副回路，见图2。图中：C1为调节作用下的凝结水量；C2为内扰作用下的凝结水量；C(C=C1+C2)为总凝结水量；V为主调节器输出信号；VC为C经过变换后的反馈信号。

图2 副回路系统框图

根据图2可以写出闭环特征方程式。

假设副调节器的传递函数为

式中：δ1为比例带；Ti1为积分时间。

闭环特征方程式为

由特征方程式可见，副回路为一阶系统。即从理论上来讲无论取多小的值，系统都不会出现振荡现象。现场整定时，一般用实验法来确定副调节器的参数：先将Ti1设置为一较小的值(在10～30 s范围内选取)，然后调整比例带δ1，使得副回路的衰减率满足ψ≥0.9(基本不振荡为准)，本案例副调节器参数δ=70%，Ti1=65 s。副回路经过正确整定后，调节动作会很快速，一旦发生凝结水侧扰动，副回路将迅速达到平衡，使得凝结水量C基本不变或变化很小。而当主调节器的输出信号V变化时，凝结水量将随之成比例变化，使得VC≈V。

假设WbC(s)=αC，则有VC=(αCγC)C，所以C≈V/(αCγC)。即在主调节器输出V的作用下，副回路的传递函数为比例关系，C/V≈1/(αCγC)，近似等效为一个比例环节，这样的副回路可视为快速随动系统。

根据图1中副调节器入口系数0.03可知：1/(αCγC)≈33.3。

2.2.3 主回路的分析与整定

副回路整定好后，主回路可用图3表示。图中：H为除氧器水位信号；V0为除氧器水位给定值信号；VH为H经过变换后的电压信号；γH为H信号的测量单元传递函数。

图3 主回路等效框图

假设主调节器的传递函数为

因为副回路动作速度很快，主、副回路主振频率相差很大，满足串级系统主、副回路分别整定的原则。

除WOC(s)以外都视为调节器的一部分，则等效主调节器为

利用定m法计算调节器的最佳整定值，m是二阶系统的衰减指数。令s=-mω+jω带入Wa(s)，其中ω是角频率，j是虚数单位，得二阶系统的实频特性和虚频特性为

调节对象传递函数的倒数为

根据定m法整定公式

将调节器和被调对象的实频特性和虚频特性带入上式，整理得

当给定衰减指数值m=0.366后，计算数据见表1。依据S0×S1为最大值的一组参数为最佳整定参数的原则，由表1可知，τω=1.1时，S0×S1栏的数值最大，即：S0=5.47，S1=173.61。

所以主调节器参数整定为：δ=1/(αCγC)/173.61≈0.192=19.2%，Ti=1/(αCγC)/0.192/5.47≈31.7(s)。

表1 S0×S1计算表

2.2.4 前馈回路的分析和整定

给水流量作为前馈信号，在生产实际中总结出凝结水流量与给水流量的比值与负荷的函数关系f(x)，见表2。以f(x)取代恒值系数0.76。

表2 凝结水流量与给水流量的系数表

2.2.5 单冲量调节系统的整定

发电机组锅炉点火时凝结水流量约为400 t/h。随着炉膛温度逐渐升高，锅炉需要的给水增多，凝结水量随之上升到800 t/h以上，当给水流量约达到1 481 t/h时发电机组并网运行。所以单冲量调节系统工作在发电机组启动的前半程。在调节对象传递函数相同的情况下，串级三冲量自动调节系统的主调节器参数整定结果也适用于单冲量调节系统的调节器3。

3 除氧器水位调节系统的信号分析

3.1 调节系统稳态分析

图1中，给水流量的系数0.76不精准，造成调节系统稳态时的三冲量主调节器输出不为零。若把副调节器给定值=主调节器输出+给水流量×0.76×0.03，改为副调节器给定值=(主调节器输出+给水流量×0.76)×0.03，那么系数0.03造成主调节器输出非零值进一步扩大，如表3所示。主调节器输出非零值意味着主调节器进口有调节偏差，造成不必要的调节过渡过程之后才达到稳态。此处的系数0.03造成主调节器作用非常弱，调节系统稳态误差很大。

表3 主调节器输出信号表

3.2 关于无扰切换的分析

存在扰动的两个来源：变比例调节与分段调节。为了实现调节系统状态切换无扰，调节器应有跟踪功能，设置跟踪开关、跟踪信号选择逻辑，见图4和图5。当调节系统状态切换扰动无法避免时，在主调节阀手操器入口、副调节阀手操器入口设置限速器加以抑制，见图6。

图4 跟踪开关逻辑图

图5 选择跟踪值逻辑图

图6 变比例调节和分段调节逻辑图

注意跟踪值不应位于其信号死区。跟踪值从高到低优先依次为自动状态的阀门指令，有值班员干预的、被监视的阀门指令。

各个功能切换状态如下。

1)两个调节阀全手动时调节器跟踪，跟踪值为副调节阀阀位。

2)仅主调节阀切到手动的瞬间，对副调节阀无影响，无变比例调节扰动。

3)仅副调节阀切到手动的瞬间，对主调节阀有影响，有变比例调节扰动。应跟踪主调节阀阀位。见图7跟踪开关及跟踪值时序图中的“A情况”。

4)仅副调节阀切到自动的瞬间，应跟踪副调节阀阀位。

5)仅主调节阀切到自动的瞬间，应跟踪主调节阀阀位。

6)主调节阀居于第二个切到自动的瞬间，应跟踪副调节阀阀位。见图7中的“B情况”。

7)副调节阀居于第二个切到自动的瞬间，对主调节阀有变比例调节扰动，应跟踪副调节阀阀位。此时主调节阀指令由变比例函数切换到分段函数，造成立即关小主阀，同时副调节阀迅速开大。此时预备操作方法为开大副调节阀，同时关小主调节阀，靠近和满足分段函数的主、副阀位分配关系，先投入副调节阀自动，后投入主调节阀自动。这种状况无法避免扰动，应将正确的预备操作方法写入操作规程。见图7中的“C情况”。

图7 跟踪开关及跟踪值时序图

3.3 调节阀指令限速器使能的分析

由图6可知，发生图7中A情况时，除氧器水位主调节阀指令由分段函数f(x1)的输出切换到变比例函数f(x3)的输出，可能置位主调节阀手操器前的限速器使能。若跟踪主调节阀指令，则无扰。

发生图7中B情况时，除氧器水位主调节阀指令由当前值班员预设的位置，阶跃变化到分段函数f(x1)的输出，可能置位主调节阀手操器前的限速器使能。

发生图7中C情况时，除氧器水位主调节阀指令由变比例函数f(x3)的输出切换到分段函数f(x1)的输出，必然置位主调节阀手操器前的限速器使能。

从图7中看出，副调节阀手操器前限速作用总不使能，说明跟踪开关和跟踪值选择逻辑的效果使得副调节阀无扰动跳变。

3.4 对除氧器水位调节系统逻辑设计建议

1)以折线函数f(x)取代恒值0.76，用以确定凝结水流量与给水流量的配比，以生产实际的量值修正函数关系。

2)依照副调节器给定值=主调节器输出+给水流量×0.03×f(x)，注意运算次序。

3)副调节器跟踪开关、调节器3跟踪开关增加条件：主阀自动并且副阀切入手动0.5 s脉冲，或主阀自动并且副阀切入自动0.5 s脉冲。

4)主、副调节阀手操器进口限速器限速条件：主调节阀手动时不限速，限速器进出口差值大于2时限速。

4 结语

除氧器水位自动调节应充分利用除氧器的容积裕量，兼顾凝结水压力稳定的要求，采用较大的衰减率。这样有利于凝结水杂用水用户、轴封冷却器和凝结水泵的稳定运行。

充分利用逻辑编程功能，构成复杂调节系统，防止状态切换的扰动。

实践当中的热工自动调节系统经常优化参数和变更逻辑设计方案，此时应配合数学工具进行，防止疏漏和没有化简的逻辑，应该调试和验收。