基于双控制对象的除氧器液位自动调节应用与优化

基于双控制对象的除氧器液位自动调节应用与优化

孙永轩

大唐国际发电股份有限公司陡河热电分公司

摘要：本文论述了两台凝结水泵双控制对象的除氧器液位自动调节应用与分析，采用变频凝结水泵控制, 除氧器入口调整门调节共同控制除氧器水位控制，且通过凝结水母管压力大小闭锁用变频凝结水泵控制方案。

关键词：变频；控制；双控制对象；PID；除氧器液位

1 概况：

除氧器水位调节的意义除氧器水箱保证锅炉有一定的给水储存量，一般要求能满足锅炉额定负荷下连续运行15-20min的给水量。水位太低会因储水量不足而危及锅炉上水，还可能使给水泵入口汽化导致给水泵不能正常工作；水位太高，可能淹没除氧头而影响除氧效果，甚至可能导致汽轮机汽封进水，抽气管发生水击，威胁汽轮机的安全运行。一般要求水位在规定值的士100mm一士200mm范围内，所以除氧器设计有水位自动控制系统，并有高、低水位异常报警和连锁保护。直流炉凝结水泵的作用是把凝汽器热井中的凝结水经低压加热器打入除氧器，既维持凝汽器热井水位稳定又保证除氧器中的水量，既要满足生产工艺要求又不造成电能的浪费，因此保持凝结水泵的安全可靠运行显得至关重要。凝结水泵的工作是在高度真空的条件下输送接近于饱和温度的水。因此生产过程中怎样即满足除氧器液位的稳定，又保证凝结水泵工作的经济性成为了我们研究的课题。

某热电350MW 超临界机组锅炉为超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧、平衡通风、尾部挡板调温、П型露天布置、固态排渣、全钢架悬吊结构。锅炉设计燃用烟煤。锅炉尾部设置SCR 脱硝装置；炉后尾部布置一台四分仓容克式空气预热器；锅炉制造商为上海电气集团上海锅炉厂。机组控制系统由分散控制系统（DCS）和子控制系统构成。DCS 是整个机组控制系统的核心。DCS 是由上海新华控制技术（集团）科技有限公司提供的新华XDC800控制系统。

机组安装有两台凝结水泵。两台凝结水泵用来控制凝结水母管压力大小，通过除氧器入口调整门控制维持除氧器水位。

实际运行过程中，由于这些调节方法仅仅是改变通道的流通阻力，而驱动源的输出功率并没有改变，节流损失相当大，浪费了大量电能。

通过对进一年来的运行情况分析，可见在负荷175MW时，除氧器变频器为36Hz，调整门开度36%，且为此凝结水母管压力1.89Mpa远超设计值，即形成了节流损失，母管压力大又导致安全隐患的生成，所以要采用通过凝结水泵变频调节与除氧器入口调整门共同控制维持除氧器水位的方式，耦合两种控制，以达到减少溢流和节流损失，提高系统运行的经济性、安全性的效果。

2 除氧器液位控制结构：

火电厂液位度控制一般采用多级控制，通过调节调整门来调节温度，各级控制采用相同的控制结构，经典的结构是三冲量控制，除氧器液位是主变量，除氧器入口流量为副变量，主给水流量是前馈信号的控制结构。过程如下：

凝结水泵变频调节与除氧器入口调整门共同对除氧器液位进行调节，将凝结水泵变频调节除氧器液位定值定为1850mm，将除氧器入口调整门液位定值定为1900mm。正常情况下，除氧器入口调整门全开液位定于1850mm，当凝结水泵变频调节降至23Hz最小出力，液位继续上涨，定值超出1900mm后，由除氧器入口调整门进行辅助调节。

由于凝结水泵变频调节设为三冲量调节，液位超出定值，但除氧器入口流量也以减小，无法响应机组负荷变化的快速性。就会出现变频器未关回而调整门回关现象，将母管压力憋大的现象产生。

通过反复思考，将凝结水泵变频调节自动设为PID单回路调节。除氧器入口调整门保持三冲量控制结构辅助调节除氧器液位。为确保凝结水母管压力大于0.8Mpa设计值，增加闭锁逻辑，对凝结水泵变频调节回路增加闭锁减逻辑。使凝结水母管压力小于0.8Mpa后，凝结水泵变频频率不允许减少，以保证凝结水母管压力。由于启动过程中，主给水流量小于400t/h时，主给水流量测量不准波动较大，增加凝结水泵变频调节单冲量调节切换逻辑，当主给水流量小于420t/h时，凝结水泵变频调节回路只有除氧器液位一个调节变量。

3 双控制对象的除氧器液位自动调节失败原因分析：

将双控制对象的除氧器液位自动调节系统投入使用，在高负荷时系统运行顺畅，调节调整门位于全开状态，随负荷变化，凝结水泵变频增减稳定，使除氧器液位保持在1850mm。但在低负荷运行时，此控制出现不稳定现象。

a．当机组在低负荷运行时，凝结水泵频率降至最低值时，液位持续上升，当超过运行人员的除氧器入口调整门液位定值1900mm。调门开始关门，调门开度关至小开度时，压力上涨。并产生了管道震动问题。

b. 当机组在低负荷运行时，负荷变动对水位扰动大，经常出现除氧器入口调整门不是全开状态，此时由于定值扰动，使除氧器入口调整门与凝结水变频泵出现抢调现象，此时除氧器入口调整门与凝结水变频泵均对除氧器液位产生扰动。

c. 当低负荷运行时，负荷指令连续下降，导致液位上涨，由于此时凝结水泵频率降至最低负荷，只能通过关调整门进行调节，但随调整门进行关小，除氧器入口流量降低，除氧器入口流量作为凝结水变频泵三冲量的副变量，所以使得凝结水变频泵频率迅速上涨，导致凝结水母管压力上涨，对系统产生巨大扰动，危及生产安全稳定运行。

4 双控制对象的除氧器液位自动调节应用与优化

为防止凝结水母管压力异常偏高危及设备运行安全。另外，为改善除氧器水位、凝器器水位自动调节系统的调节品质，提高凝结水系统的控制水平，优化控制策略，通过对历史数据分析，调出近一年的历史数据,比对出给水流量与机组负荷之间的变化趋势，即负荷增减过程中给水流量的变化量,又通过给水流量与除氧器入口流量的变化趋势总结出其大概的对应关系，给水流量、除氧器流量的变化量对除氧器水箱液位的影响，通过液位对给水流量、除氧器流量进行归一化，将归一化的给水流量与归一化的除氧器入口流量进行相减得出补水的相应量，将其作为凝结水变频泵的前馈量，将凝结水变频泵对除氧器水位的三冲量控制改为归一化的给水流量与归一化的除氧器入口流量的差值作为前馈量的单回路控制方式，此理论即满足了负荷变化时凝结水变频泵的快速响应又减小由于除氧器入口调整门对除氧器入口流量扰动而影响凝结水变频泵频率的调节品质。对逻辑进行优化。

又通过对除氧器入口调整门进行流量特性实验，得出除氧器入口调整门在75%以上无节流影响，通过这一特性对除氧器入口调整门开度进行限制，除氧器入口调整门投入自动控制模式时只允许除氧器入口调整门最大开至75%，解决了除氧器液位调节迟缓与除氧器液位超调的现象。

通过对参数进行优化，使除氧器液位保持在1770mm至1970mm，未出现凝结泵出口压力增加，化水导旁路现象，每台凝结水泵电流每小时降低6A，每天节约电量4800瓦。

5 结论

通过增加前馈，将归一化的给水流量与归一化的除氧器入口流量进行相减得出补水的相应量，即作为凝结水变频泵的前馈量，将凝结水变频泵对除氧器水位的三冲量控制改为归一化的给水流量与归一化的除氧器入口流量的差值作为前馈量的单回路控制方式，此理论即满足了负荷变化时凝结水变频泵的快速响应又减小由于除氧器入口调整门对除氧器入口流量扰动而影响凝结水变频泵频率的调节品质。双控制对象的除氧器液位自动调节应用与优化后，节能效果显著。变频器最低可达到23Hz，每台凝结水泵电流每小时降低6A，每天节约电量4800瓦。同时有效的解决了凝结水系统管道在低负荷时震动大，调门节流损失严重，控制系统滞后、相互偶合严重，控制对象不确定的难题。在变频调节下，除氧器水位控制的很平稳，动态和静态指标都非常好，为机组安全经济运行做出了很大贡献。

参考文献：

[1]王常力，罗安.分布式控制系统(DCS)设计与应用实例[M].北京:电子工业出版社.2004.1-638

[2]送奎明 时海刚 ，热工自动化，中国电力出版社