農(nóng)林生物質(zhì)能熱電聯(lián)產(chǎn)項目小容量熱井水位和除氧器水位聯(lián)合控制策略

袁洪波 陳鵬 施英民 紀(jì)曉申 賀小磊

【摘要】本文以中電京安生物質(zhì)能熱電聯(lián)產(chǎn)項目為例，針對該項目凝汽器熱井設(shè)計過小、凝汽器補(bǔ)水閥設(shè)計偏大、除氧器上水調(diào)閥和凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)閥線性特性差等情況，無法有效控制凝汽器熱井水位和除氧器水位的問題，采取了一種新型控制策略，較好的解決了生物質(zhì)能熱電聯(lián)產(chǎn)項目小容量熱井水位和除氧器水位自動控制的問題。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)能熱電聯(lián)產(chǎn)? 小容量熱井水位和除氧器水位聯(lián)合控制? 新型控制策略

0. 引言

在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中，除氧器和凝汽器熱井是整個單元機(jī)組給水加熱系統(tǒng)中的緩沖環(huán)節(jié)，其水位是機(jī)組運行需監(jiān)控的幾個最重要的參數(shù)之一，水位過高或過低都會影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運行，適當(dāng)?shù)目刂撇呗院拖鄳?yīng)的參數(shù)整定是實現(xiàn)水位控制的保障。

1. 中電京安生物質(zhì)能發(fā)電項目除氧器和凝汽器熱井水位控制存在的問題

中電京安生物質(zhì)能發(fā)電項目除氧器、凝汽器熱井、凝結(jié)水泵等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該項目凝汽器熱井設(shè)計容量為額定負(fù)荷下3分鐘的主蒸汽流量，設(shè)計主蒸汽流量為120t/h，計算得熱井容量約為6t;除鹽水泵流量設(shè)計為10t/h;除氧器設(shè)計50t。

1.1 除氧器水位控制存在的問題：

此工程項目中除氧器上水調(diào)門選型偏大且線性較差，除氧器水位對水位調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)較慢。如除氧器水位高時其水調(diào)節(jié)門將關(guān)小，當(dāng)調(diào)節(jié)門關(guān)到20%時，除氧器水位尚未有明顯變化時，熱井水位卻已經(jīng)迅速增高至危險值。且如果對調(diào)門進(jìn)行限幅，當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)負(fù)荷變動時，自動的抗擾動性就會減弱，無法進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。

1.2 凝汽器熱井水位控制存在的問題：

此工程項目凝補(bǔ)水泵采用了工頻運行設(shè)計，且凝補(bǔ)水調(diào)門設(shè)計過大且線性較差，閥門開度在40%時已達(dá)到最大補(bǔ)水量，開度太小又會造成凝補(bǔ)水泵憋壓運行，在實際運行中通過凝補(bǔ)水調(diào)門無法有效控制補(bǔ)水量。

該項目在調(diào)試過程中采用了通過凝結(jié)水泵至除氧器補(bǔ)水門和凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)閥來控制熱井水位，熱井水位高時除氧器補(bǔ)水閥門開大，熱井水位低時除氧器補(bǔ)水閥門關(guān)小。在投入自動過程中，發(fā)現(xiàn)此調(diào)門開度在50%的時候，凝結(jié)水流量已經(jīng)到達(dá)最大值，而且當(dāng)調(diào)門開度變化幅度超過4%時，凝結(jié)水流量才會有變化，而且這個變化是一個突變。這就直接造成了PID控制器出現(xiàn)超調(diào)的現(xiàn)象，容易造成熱井水位的大幅度波動，不能進(jìn)行有效的自動調(diào)節(jié)。[2]

1.3 改造前除氧器水位和凝汽器熱井水位控制方式：

本項目改造前，運行人員通過手動控制除氧器水位和熱井水位。當(dāng)除氧器水位低時，通過減小凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)閥和增大上水門開度來增大除氧器上水量，同時啟動凝補(bǔ)水泵給凝汽器熱井補(bǔ)水，因為熱井設(shè)計較小，熱井水位下降較快，控制不好極易造成凝泵汽蝕。當(dāng)除氧器水位較高時，通過開大凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)閥和減小上水門開度來減少除氧器上水量，此時熱井水位會上升較快，控制不好就會超過熱井設(shè)計上限，給機(jī)組安全運行帶來隱患。

2. 除氧器、凝汽器熱井水位控制策略的優(yōu)化

結(jié)合除氧器和凝汽器熱井結(jié)構(gòu)特點，考慮到凝汽器熱井設(shè)計較小，對進(jìn)入熱井的水量容忍度較小，而除氧器設(shè)計較大，對進(jìn)入除氧器的水量容忍度較大?；谠摾砟?，控制策略設(shè)計要優(yōu)先考慮凝汽器熱井水位控制。

該控制策略中，我們把凝汽器熱井和除氧器看作是一個容器的上下部分，控制的目標(biāo)是首先保證熱井水位平穩(wěn)，其次保障除氧器水位相對平穩(wěn)。當(dāng)除氧器水位較低時，啟動凝補(bǔ)水泵給熱井補(bǔ)水，補(bǔ)充的水量通過變頻凝泵給到除氧器，使除氧器液位升高;當(dāng)除氧器水位較高時，停止凝補(bǔ)水泵補(bǔ)水，同時調(diào)整凝泵頻率使熱井水位保持穩(wěn)定，隨著機(jī)組水量的蒸發(fā)及損耗，在維持熱井水位穩(wěn)定時，除氧器水位會逐漸減低。除氧器水位較低時，再次開始本循環(huán)。該控制策略可保持熱井水位平穩(wěn)，除氧器水位在設(shè)定高液位和低液位間穩(wěn)定運行。在此過程中首先要對凝結(jié)水泵進(jìn)行由工頻到變頻的改造，改造過程不再贅述。在該控制策略中，凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)閥、凝補(bǔ)水調(diào)閥可不參與水位控制。

由于生物質(zhì)能鍋爐燃燒的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致負(fù)荷變化較為劇烈，汽輪機(jī)排汽量會隨負(fù)荷的變化而波動。凝泵在PID調(diào)節(jié)時要優(yōu)先考慮排汽量的變化對凝結(jié)水泵變頻控制的影響。

3. 基于新型控制策略的除氧器和熱井水位控制

3.1 基于新型控制策略的熱井水位控制方案

鑒于上述控制策略，我們優(yōu)先保障凝汽器熱井水位調(diào)節(jié)。在機(jī)組正常運行時低加疏水和抽汽管路疏水可以不考慮，汽輪機(jī)排汽和凝結(jié)水補(bǔ)水是影響熱井水位變化的主要因素。

本方案采用凝泵變頻調(diào)節(jié)熱井水位，由于熱井設(shè)計較小，凝汽器排汽量對熱井水位影響較大，熱井水位對主蒸汽流量變化比較敏感，故采用主蒸汽流量作為熱井水位調(diào)節(jié)前饋，加快負(fù)荷變化時PID反應(yīng)速度。

熱井水位控制采取串級PID控制，主調(diào)調(diào)節(jié)熱井水位，副調(diào)調(diào)節(jié)凝結(jié)水流量。經(jīng)反復(fù)整定，PID調(diào)節(jié)能平穩(wěn)運行，穩(wěn)態(tài)運行時熱井實際水位與設(shè)定值偏差在正負(fù)10mm波動，自動控制效果較好，滿足機(jī)組長期穩(wěn)定安全運行需要。

3.2除氧器水位控制方案

熱井水位控制投自動運行后，除氧器水位已很平穩(wěn)，熱井水位在正負(fù)10mm波動時除氧器水位基本不變。隨著機(jī)組水量的蒸發(fā)及損耗，除氧器水位會緩慢下降，在除氧器和熱井水位聯(lián)合控制策略中，我們設(shè)定除氧器水位從1650mm降至1450mm時聯(lián)鎖啟動除鹽水泵給凝汽器熱井補(bǔ)水，熱井水位自動控制下補(bǔ)進(jìn)來的水量會迅速轉(zhuǎn)移到除氧器中，熱井水位保持基本不變，除氧器水位會緩慢升高。除氧器水位達(dá)到1650mm后聯(lián)鎖停止除鹽水泵，除氧器水位隨后又開始緩慢降低，重復(fù)上述循環(huán)過程。

凝補(bǔ)水調(diào)門開或關(guān)時熱井水位變化正負(fù)50mm，隨后能迅速調(diào)整回設(shè)定值附近，因此不再在熱井水位控制PID中參與前饋調(diào)節(jié)。

3.3凝泵出口母管壓力控制方案

為保障除氧器正常上水，我們采用除氧器上水調(diào)門調(diào)節(jié)凝結(jié)水母管壓力，再次不再贅述。

4. 除氧器和熱井水位控制效果及效益

熱井水位、除氧器水位和凝結(jié)水母管壓力投自動運行后控制效果較好，熱井水位控制較為理想，凝結(jié)水母管壓力控制滿足除氧器上水需求，除氧器水位在1450-1650mm緩慢變化，除鹽水補(bǔ)水泵基本上一小時左右啟動一次，每次補(bǔ)水40分鐘左右。

相較于該項目以前的運行方式，自動控制投入后汽機(jī)側(cè)運行人員已實現(xiàn)無操作、全程監(jiān)視的目標(biāo)，大大減少了運行人員的工作量和勞動強(qiáng)度。該控制方式對小容量熱井水位和除氧器水位的控制具有極大的指導(dǎo)意義，具有較強(qiáng)的推廣價值。

參考文獻(xiàn)：

1.葉以沫.生物質(zhì)鍋爐自動化控制技術(shù)的應(yīng)用與分析 BEER TECH? 2013（08）

2.中電京安項目自動調(diào)試報告 山東電力建設(shè)第二工程公司調(diào)試所2017.09

3.王光輝.除氧器水位及凝汽器熱井水位的控制策略 冶金動力 2015（11）