母管制多除氧器并列运行的水位控制方法研究

严鸿平,陈 欢,陈巍文

(1.浙江浙能绍兴滨海热电有限责任公司,浙江 绍兴 312073;2.杭州意能电力技术有限公司,浙江 杭州 310012;3.浙江大学工程师学院,浙江 杭州 310015)

0 引言

作为火力发电机组的重要设备之一,除氧器的主要功能为除去溶于水中的氧及其他不凝气体、降低锅炉水中的氧含量至规定标准,以保障锅炉、汽轮机组和整个系统的金属部件在高温下不发生过度的氧化腐蚀[1]。

近年来,随着能源产业的升级及电力技术的快速发展,单元制超临界/超超临界机组的自动控制技术日趋成熟,研究成果及研究方向也丰富多样。许多专业技术人员将研究对象集中于以除氧器为代表的抽汽回热系统,从经济性、稳定性、灵活性等多方面出发,研究了诸如凝泵变频控除氧器水位[2-3]、除氧器自动加氧系统改造[4]、凝结水节流响应自动发电控制(automatic generation control,AGC)及一次调频[5-6]等一系列复制性高、推广性强的实用新技术。但对于“以热定电”的母管制热电联产供热机组而言,其运行方式及控制模式与常规的单元制机组并不相同。并列运行的除氧器水位具有更强的非线性、大迟延、强耦合性和不确定性,导致许多母管制机组的除氧器水位长期无法投入自动。

对于发电机组而言,过高或过低的除氧器水位都会影响整个控制系统的运行。除氧器水位过高,会导致汽容积少。若进汽量保持不变,则除氧器内部压力增大,使进入其中的蒸汽减少。这会造成除氧器内水温过低,从而影响除氧效果。除氧器水位过低,则进入其中的蒸汽较多,在影响除氧效果的同时还易造成给水泵汽化进而损坏。因此,除氧器水位的准确、合理控制关乎发电机组的安全、稳定[7-8]。目前,对于除氧器水位的控制,无论是凝泵变频还是除氧器上水阀,大多采用基于串级比例积分微分(proportional integral differential,PID)控制器的常规控制方案。

并列运行的除氧器除自身水位能表征其内部实际水量以外,除氧器的进口流量、出口流量均无法准确体现工质的流入流出。因此,简单采用常规串级PID来控制并联运行时的除氧器水位,无法满足机组正常运行时的调节需要。对于产业集聚升级重要配套保障项目的供热机组而言,设计一种母管制多除氧器水位自动控制方法尤为重要。

本文设计了一种母管制多除氧器水位控制方法,通过自适应切换除氧器上水阀、补充阀的控制策略和被控对象,实现了多除氧器单列、并列运行方式下的水位自动控制。

1 系统介绍

某电厂二期扩建工程四台机组均为50 MW级抽汽背压式供热燃煤机组。锅炉采用某公司生产的高压、无再热、自然循环、固态排渣、露天布置、全钢构架、全悬吊结构Π型煤粉锅炉。汽机采用某公司生产的EHNG71/63型50 MW级高温高压抽汽背压式汽轮机。四台机组均配有单列、正立式、U形管、双流程(1#、2#)高压加热器和一台除氧器、一台补水加热器。内置式除氧器为卧式一体化(内置式)无头除氧器。其设计压力为1.3 MPa、最高出水温度为158 ℃、有效容积为120 m3、容量为100%。各除氧器进水管路主要有除氧器上水(来自化学制)、高加正常疏水、补水加热器疏水、汽泵出口再循环及全厂疏水箱疏水。其中,除氧器上水(来自化学制)占总上水量的近70%。除氧器汽、水系统如图1所示。图1中:虚线箭头表示汽管路;实线箭头表示水管路。

图1 除氧器汽、水系统图

2 除氧器水位自动控制设计

本文根据母管制机组除氧器系统的特殊情况,结合现有常规单除氧器水位控制技术的不足,在经过一段时间的运行经验积累后,分析、设计了母管制多除氧器单列、并列运行控制水位的方法。该方法适用于除氧器单列运行或母管制联通并列运行。

在除氧器汽、水侧未投入连通运行的情况下,即除氧器单列单独运行时,除氧器补汽阀控制对应除氧器压力[9],除氧器上水阀以“单冲量”方式控制对应的除氧器水位。为确保控制品质,本文控制方法增加了汽泵排汽压力、汽泵出口母管压力、补水加热水箱液位等多个变量前馈。

当若干台除氧器汽、水侧连通运行后,除氧器母管制并列运行。此时,除氧器上水阀控制所有连通的除氧器补水,以匹配所有汽泵的总出水量。除氧器补汽阀控制连通的除氧器水位。需要指出的是,补汽阀控制的除氧器水位不同于常规PID的控制方式,并不要求对水位控制的精确性,而是要求控制水位的相对平衡。

2.1 除氧器上水阀控制

当除氧器母管并列运行时,任意一个上水阀投入自动后,流量控制PID将参与调节。处于自动方式的上水阀将根据PID的输出以同增同减的形式一起变化,而处于手动方式的上水阀则保持不变。

2.1.1 上水阀控流量功能投用

上水阀控流量功能投用需同时满足以下条件。

①任意一个上水阀在自动。

②所有上水阀的最大/最小开度偏差小于10%。

2.1.2 上水阀控流量功能失效

上水阀控流量功能失效需满足无上水阀在自动的条件。

由于上水阀对汽泵小机排汽压力换热效果的影响,若阀门下关过小,会造成换热效果降低,导致排汽压力升高,从而触发汽泵小机的保护条件。因此,本文设计增加了小机排汽压力闭锁减功能。

2.1.3 上水阀闭锁减(以3#上水阀为例)

上水阀闭锁减需满足以下任一条件。

①3#小机排汽压力大于0.1 Mpa。

②3#补水加热器水侧出口温度每分钟增加10 ℃。

③3#补水加热器水侧出口温度大于100 ℃。

④补水加热器水位高于550 mm。

⑤3#汽泵转速每分钟增加50 r/min。

2.1.4 上水阀撤自动(以3#上水阀为例)

上水阀撤自动需满足以下任一条件。

①3#除氧器水位质量坏点。

②3#除氧器进口流量质量坏点。

③3#除氧器水位低。

④各汽泵出口流量质量坏点。

上水阀控制逻辑如图2所示。

图2 上水阀控制逻辑图

图2中:虚线为模拟量跟踪信号;T为选择功能块;M/A为手/自动功能块;Y和N均为输入。选择块触发条件为false时,选择N端的输入;为true时,选择Y端的输入。

2.2 除氧器补汽阀控制

根据文献[10]的论述经验,补汽阀的微弱变化会对除氧器水位造成较大影响,且除氧器汽侧平衡管打通后,不能保证各台除氧器汽压的完全平衡。因此在除氧器母管制并列时,可将补汽阀控制对象切换为除氧器水位,以此阀的开大关小来保持除氧器水位的稳定。

2.2.1 补汽阀调节控制

通过对各上水阀、补汽阀均在自动方式的除氧器水位进行比较,本文选取最高水位值Lmax,将该值与设定水位作差。若差值高于50 mm,则对应补汽阀调节开大,调节时间为10 s,间隔10 s之后继续调节,并依次交替。当有任一补汽阀处于调节状态时,其余处在自动方式的补汽阀均减弱调节作用。区分调节作用强弱的目的在于保证水位的单向调整,避免因多个阀门交替变化导致各除氧器内的压力变化,从而造成水位震荡。若参与调节的补汽阀所对应的除氧器水位在经过60 s后不再是最高水位,则该补汽阀将按0.5%/min的速率恢复至调节开始的初始值。反之,则继续调整。补汽阀水位控制逻辑如图3所示。

图3 补汽阀水位控制逻辑图

图3中:R、S、Q为触发器功能块;H/L为高/低限功能块;PV为被控量;TD ON为延时功能块;K为系数功能块;NOT为取非功能块。

2.2.2 补汽阀调节闭锁

由于除氧器压力应处于特定范围,过高或过低的除氧器压力不利于系统的稳定,本文设计增加除氧器压力闭锁功能。以下条件任一满足时,闭锁功能触发。

①除氧器压力大于0.39 MPa,闭锁增该除氧器对应的补汽阀。

②除氧器压力小于0.29 MPa,闭锁减该除氧器对应的补汽阀。

2.2.3 补汽阀调节最小液位闭锁

随着补汽阀的开大,对应除氧器压力也会随之上升。若该补汽阀出现闭锁增信号,则保持其阀位开度。与此同时,控制策略选取最低除氧器液位Lmin对应的补汽阀,按照1%/min的速率逐渐减小该补汽阀的开度。调节时间20 s,稳定时间20 s,两者交替进行。

若在减小补汽阀开度的过程中触发闭锁减信号,则调整结束,保持开度不变,并在10 min后按照0.5%/min的速率恢复至调节初始值。若减少过程中未触发闭锁减信号,则调节直至除氧器水位不再是Lmin。水位稳定10 min后恢复至调节初始值。补汽阀最小液位闭锁控制逻辑如图4所示。图4中,TD OFF为反延时功能块。

2.2.4 补汽阀调节修正

在上述控制策略的基础上,结合各台汽泵小机排汽压力、各除氧器汽侧压力、补水加热器疏水、高加正常疏水等变量参数,控制策略设计增加了相应量值前馈,以提高除氧器液位的稳定性。

3 试验方法及控制效果

根据上述设计方法,为有效验证整个控制方法的控制效果,试验区分三个除氧器补汽阀自动和四个除氧器补汽阀自动这两种方式。试验结合运行过程中可能会出现的情况,按实际最高水位高于设定水位、所有实际水位小于设定水位、水位设定值阶跃扰动三个工况,全方位测试了除氧器水位的控制效果。

3.1实际最高水位高于设定水位控制效果

三个除氧器补汽阀在自动且最高水位高于水位设定值时的控制曲线如图5所示。

图5 三个除氧器补汽阀在自动且最高水位高于水位设定值时的控制曲线

由图5可知,当6#除氧器水位为最高水位时,6#补汽阀按照既定的调节方式自动将开度由25.89%增大至28.61%,而其他补汽阀开度基本不变。

四个除氧器补汽阀在自动且最高水位高于水位设定值时的控制曲线如图6所示。

图6 四个除氧器补汽阀在自动且最高水位高于水位设定值时的控制曲线

图6控制过程同图5。由图6可知,其调节动作正确、调节量值合理、调节效果合适。

3.2 水位设定值阶跃扰动控制效果

当各除氧器水位介于设定值之间时,通过对水位设定值阶跃扰动,可整体抬高或降低所有并联运行的除氧器水位。图7为四个除氧器补汽阀在自动水位阶跃扰动控制曲线。

图7 四个除氧器补汽阀在自动水位阶跃扰动控制曲线

由图7可知,当水位设定值抬高100 mm后,最高水位与设定水位偏差减小,除氧器补汽阀几乎不作调整。此时,若机组汽、水平衡,除氧器进水及汽泵出水保持稳定,则最低除氧器液位对应的补汽阀将按照前文阐述的以1%/min的速率“逐次逐步”减小补汽阀开度,从而间接提高整体的除氧器水位;若机组汽、水不平衡,则整体除氧器水位会根据总的补水量、总的汽泵出口流量变化、除氧器水位的实际变化来开大或关小补汽阀开度。

4 结论

本文控制方法适用于除氧器单列、并列两种运行模式。本文方法实施后,机组实现了多除氧器并联运行方式下的水位自动控制。现场试验结果充分验证了该方法具有较高的灵活性和较强的适应性。该方法能够适应除氧器单列或并列运行的多种工况需求,有效解决“多输入多输出”控制系统之间的强耦合,降低了运行人员的操作强度,提高了母管制机组的自动控制水平,保证了除氧器系统控制的可靠和稳定。该研究能够为同类母管制机组提供技术参考。