火电机组凝汽器水位控制系统设计策略

＊吕长春

（嘉峪关宏晟电热有限责任公司 甘肃 735100）

1.汽轮机发电机组凝汽器运行概述

当汽轮机组旁路或者气缸进汽后，排汽直接进入机组的凝汽器中，且在冷却介质作用下形成凝结水，当气体变为水后进入热水井中，凝结水主要停留在热井下方，以此促使真空泵和凝结泵自动运行。凝结水在一定程度上可以保证水位，一般情况下，通过二壳体底部出水管做出一个引流口，凝结水经过筛网后直接和凝结水泵连接。当凝汽器运行过程中，通过低压缸分两路排汽进水，另外还需要通过凝结水补水泵来补充盐水，当水压负荷稳定时，则汽水不会消耗，如果汽水水位平稳，则不需要补充盐水。一般情况下，机组汽水水质在循环的过程中会发生过大的损耗，因此需要不间断的补充盐水，当负荷降低时，则汽水水质下降，一些水会经过凝汽器排水回路直接进入凝结储水箱中，如果负荷不变则需要大量补充盐水。总之，为了确保整个循环过程中机组凝汽器的热经济性，需要通过凝汽器进行补水，但是一般补水管是多个回路设施，则需要设计并优化自动控制策略，以此有效解决多回路补水的问题，最终推动热工自动化发展。另外，如果凝结水水位过高会影响凝汽器受冷度，导致凝结水含氧量上升，促使凝汽器水管出现过度腐蚀，使得凝汽器真空值遭到破坏，热段抽气量增多，机组热效率下降。如果机组在高水位和高负荷下运行，会产生大量的推理，导致轴承大量磨损，轴向位移变化，最终导致机组中断运行[1]。

2.凝汽器的作用以及工作原理

汽轮机安装基础中两种新工艺方式会影响凝汽器的系统，如图1所示。火电机组中凝汽器主要的作用可以分成4大类。首先就是可以提高循环热效率，产生出的蒸汽在汽轮机中的膨胀的最低压力，增大蒸汽在汽轮机中的可用焓降。其次气体不好循环利用，凝汽器可以将汽轮机运转过程中产生的蒸汽凝结成水，然后凝结成的水方便被运输进锅炉中。再者，凝汽器可以降低流水浪费，将机器中的疏水聚集。最后凝汽器可以进行补水工作，增加除盐水。

图1 汽轮机安装基础

一般来说凝汽器内部装置中有许多铜管，火电机组中运行的液体通过这些铜管可以达到冷却水的效果。当汽轮机运行过程中排出汽回合凝汽器的铜管接触，排汽温度高，铜管温度较低，因此会发生气化反应，凝结成水。潜热被铜管中的水带走，排汽被凝结下来，温度降低，汽轮机排气口下凝汽器内部变成真空，因此在火力发电厂中凝汽器是非常重要的换热设备。

3.凝汽器水位控制系统

（1）凝汽器水位控制系统的任务。火力发电厂中凝汽器的运行方式有两种，自动控制器设备只在高水位运行时才装设。另一种低水位采用的是普通的方式。凝汽器中的凝结水泵运输的是接近饱和温度的水，运输环境是真空环境。接近饱和温度的水可能会出现汽蚀。气化现象会让水泵中的水变成水蒸气，为了避免此类现象水泵的的进水侧要有一定的灌注高度，因此凝汽器热水井中的凝结水泵一般在水下井的0.5～0.8m左右。并要求热水井的水位经常维持在水位计中能看到的一定位置。这种位置的运行叫做高水位运行。凝汽器水位的主要任务就是控制凝汽器的水输出量，将凝汽器热水井的水位控制在一定范围内。

（2）凝汽器水位控制系统。凝汽器水位控制采用补水调节阀来控制水位设计为单冲量调节系统。凝汽器热水井水位测量是真空容器。需要单室平衡容器再加一根补水管，并且在运行过程中少量补水可以维持正压头参比水柱。现阶段还有其他的检测方式。其他检测方式中远传毛细管配件的眼盒式差压变送器运用较多，采用远传检测头可以直接专用位置进行检测，测试到的压力可以通过毛细管传送到变送器膜盒内部，然后在进行检测。测试结果是由远传配件决定的，配件主要分成测头的形式系统，毛细管长度和冲灌液的品种等都会影响测试结果，因此为了避免测试问题的出现需要根据实际应用进行制造。制造的工厂根据提供的样品进行制造，在安装的过程中选择螺纹式形式或者法兰式安装形式。为了缩短反应的过程，可以剪短毛细管。变送器安装的地方一般低于取压孔的位置。冲液灌的要求就是要使用温度变化较大的环境。

（3）系统原理。凝汽器水位参数是非常重要的，在机组运行监控中可以提供重要的运行参数，如果凝汽器内部水位高过一定数值，凝汽器内部的真空会被影响，影响过于严重会导致汽轮机内部变成低压环境，凝汽器水位较低会对凝汽器水位的运行安全和热力系统的水循环造成影响。因此一定要及时控制凝汽器水位，在控制过程中采用自动控制方式。一般有两种方式控制调节水位，水位过低，采用调节进水量，在凝汽器中补充水量。另一种是水位过高是调节出水，调节凝结水流量的方式。

4.350MW汽轮发电机组凝汽器系统工艺分析

本文选择了某电厂350MW超临界汽轮发电机组凝汽器作为研究对象，对其系统构造进行了深入分析，该凝汽器选择了两路补水方法，每路都设置有电动调节阀和单独电动阀，真空泵负责调节凝汽器的真空程度。选择了3台凝结水泵主要对除氧器进行补水，确保锅炉设备可以正常使用，有2台凝结水泵管带和变频器直接连接，该系统调节凝汽器水位的主要有以下3种方式：（1）真空泵，真空泵负责调节凝汽器真空度，其对水位影响较小；（2）凝结水泵，其主要调节变频器的频率，改变凝水泵出水力以此影响水位；（3）补水阀，通过增加补水阀开关度来影响水位。第一种方法和机组的安全运行紧密相关，考虑到真空泵不具备变频模式，且其在机组启动时会自动运转，因此该方式一般情况下禁止采用。凝结水泵变频器频率的高低直接影响凝结水泵出水口母管压力，确保除氧器水位正常便于上水，保证锅炉正常运转，由此第二种方法也需要谨慎选择，对此只有第三种方法才可以有效改善凝汽器水位变动情况[2]。

5.一般控制策略

根据凝汽器水位控制系统特点可以选择单回路调节方案，具体控制策略如下所示：第一，预设水位标准值，根据被控变量确定凝汽器水位，一般可以通过主调节器计算调节阀门指令需求，且通过副调节器计算补水阀门指令需求，则补水调节阀最终指令可以作为控制系统变量。以上副调节器主要在补水主管道截面积和补水副管道截面积不相同时发生作用，通过调阀指令输入对应分配系数来分配开度指令，该控制策略可以有效控制水位，如果凝汽器水位降低，则可以通过计算控制回路来增大补水调节阀开度，以此提升水位。但是以上控制策略没有对补水电动阀进行优化设置，当补水电动阀自动闭位时，相应的补水阀开度会扩大，最终影响管道的实际补水能力。且如果补水阀同时运转，则导致执行活动频率增加，最终影响补水阀使用寿命，对此需要重点考虑此问题，提高补水调阀的节能效果。

6.控制策略优化

（1）控制系统优化策略。对于以上一般控制策略的问题，需要根据闭锁原理、机组安全性能，对控制策略进行优化处理，控制系统优化策略具体如下所示：优化后的水位控制策略主要设置了两个补水调节阀，分别控制水位回路，共用一个水位设定值，通过自身调节器计算补水阀开度指令。在主管道调阀1中，控制器设立闭锁增减回路时，主管道调阀2也需要设立闭锁增减回路，具体闭锁触发逻辑如下所示：①当调阀2在自动状态下、指令开度在10%以上时，则调阀1闭锁需要减1信号触发；②如果调阀1在自动状态下、指令开度在70%以下时，调阀2闭锁需要增加2信号触发；③如果补水电动阀1处于关闭状态时，闭锁减1信号和增1信号同时触发；④补水电动阀2处于关闭状态时，闭锁减2信号需要和闭锁增2信号同时触发；⑤如果闭锁只能在控制器自动状态下调节，补水调阀在人工操作状态下时就需要通过控制器跟踪补水调阀指令，以此确保自动状态下闭锁功能的有效发挥。

对以上逻辑进行优化处理后具体表现如下所示：①控制器独立操作可以缩减不同调节阀的耦合度，但是因为补水管道截面积的差异性会影响控制其参数稳定性，对此在控制回路中设置控制参数时，就需要考虑其差异特点。②当调节阀1在自动状态下，指令开度低于70%时，需要补水时，应该先打开调节阀1，当调节阀1大于70%时，才可以有效调节调节阀2。③对于以上调节阀2在自动状态下，指令开度高于10%时，需要降水位时，应该先降低调节阀2，确保调节阀2指令小于10%时，才可以有效调节调节阀1。④对于以上电动阀呈现闭合状态时，当调节阀处于人工操作状态时，才能进行开闭操作，以此确保调节阀动作的精准性，避免执行设备出现损耗[4]。

（2）控制系统闭锁原理。本文控制系统的闭锁增减功能主要对凝汽器补水调节阀的调节能力进行强化如图2所示，根据控制系统控制指令采取固定限制措施，以此有效控制补水阀开度、节流损坏等影响因素。当机组运行中出现意外情况时，为了保证设备运行的安全、稳定，需要机组自动增减负荷，其可以通过自动控制系统进行，该过程不需要人工干预，以此实现闭锁增减功能。一般系统调节能力在补水阀开度上的作用主要体现在凝汽器水位给定值的具体反应，一般可以通过给定值与实际值的偏差来判断[3]。

图2 控制系统

（3）控制参数设置。早期在设置系统控制参数时，主要凭借早期经验，单位因为水位控制系统指令传递周期长，惯性延迟时间长，难以根据控制器反映参数设置比例系数，也影响了积分的调整，想要有效处理该问题，需要采用凝汽器补水阀阀门开度来开展水位影响试验，具体对策如下所示：①补水调阀开度对水位的影响，其主要通过控制器比例系数参数的阶梯跳跃式试验获取，当机组在额定负荷状态下时，等凝汽器水位保持平稳时，可以手动操作提高补水调发开度，此时凝汽器水位会持续增加，当水位达到一个新的平衡值时，水位上升高度和调阀开度增加数值的比例则为比例系数。②积分时间可以通过观察获取，一般可以直接观察补水调阀的动作，获取水位变化的历史曲线，以此得到积分时间，另外，也可以扩大积分时间，通过比例作用，强化积分作用、减低积分时间，以此确保控制曲线不会超标，最终实现优化设计目标。③考虑到该系统的延时性、复杂性、变化性，需要在实际情况下不考虑发挥微分控制作用。

（4）逻辑优化具体作用。①该控制策略主要考虑补水电动阀具体位置，当补水电动阀处于闭合状态时，补水调阀自动比赛功能也会作用在该位置，以此保证执行设备的效率；②在调节两个补水调阀时，需要有一定的顺序性，以此控制执行设备的运动频率，确保设备使用不受影响。

7.再循环阀控制策略

（1）再循环阀常见控制策略。在350MW机组给水泵再循环阀的控制中，主要采用两种控制方式：开关式控制和连续式控制，前者主要应用于小容量机组，后者主要应用于大容量或者超临界机组，采用对应的控制方法可以确保水泵水流量调节的稳定性、经济性。一般情况下，再循环阀控制策略主要由单一曲线函数控制、回滞函数控制、PID调节控制，具体如下所述：①单一曲线函数控制。该方法操作便捷，其开度指令主要由一个给水泵入口流量相对应的曲线函数输出确定，在此曲线中，最高峰值的设置主要防治水泵出现汽蚀，根据具体要求开启再循环阀门，开启后，流量增加到指定值后，阀门关闭。该控制策略最初主要应用在给水泵再循环控制系统中，但是机组在低负荷运行中再循环阀门处于开启状态，影响给水泵的调节作用，不利于系统运行的经济效益，对此需要科学采用该控制策略。②回滞函数控制。回滞函数控制策略主要有两个函数来调节再循环阀门开度，根据水泵流量安全区域特点、水泵转速确定再循环指令函数关系。该策略和以上单一函数相似，其阀门也会随着流量曲线的变化频繁闭合，以此对阀门产生破坏性，对此也需要重点考虑。③PID调节控制。该控制器是工业社会生产中常用的一种控制元件，其主要由比例单元P、积分单元1、微分单元D组成，机组采用以上第1种和第2种控制策略能耗高、安全性能差、具有破坏性，对此可以采用PID调节控制策略，该策略可以在机组启动初期到运行负荷增加过程中应用，其自动调节不具备干扰性，可以有效保护在循环阀，最终实现提高机组运行效率[5]。

（2）PID调节控制优化。为了有效发挥PID调节控制作用，需要进行PID调节逻辑优化，优化后，当给水泵入口流量大时，PID调节器会自动控制，促使水泵入口流量下降到开启保护值，再循环阀门开度也会增加，如果流量过低，则保护功能会促使再循环阀开度扩大在100%。在具体的优化过程中，需要在给水泵转速控制逻辑中输入3个阀门开度指令，以此提升PID调节控制器的稳定性，最终保证系统安全运行。

8.结束语

总之，对以上350MW超临界机组凝汽器水位控制策略的研究和阐述，对系统控制进行了优化改进，有效改善了机组系统的控制功能，该优化策略可以为相关行业自动控制策略的制定提供科学的参考意见。