1000MW火电机组凝结水变频调节应用与控制策略

1000MW火电机组凝结水变频调节应用与控制策略

葛瑞刚包呼群

（四川神华天明发电有限责任公司四川绵阳621700）

摘要：为响应国家节能减排号召，百万机组均采用凝结水变频调节控制。变频控制过程中既要保证除氧器水位的有效控制，又要满足凝结水其它用户对压力的需求。结合单冲量和三冲量控制模式的优点，介绍了某百万机组兼顾除氧器水位和凝结水最小压力情况下的复合控制策略，该控制策略可满足从机组启动到满负荷运行过程中每个阶段凝结水各用户的需求，实现了机组全过程节能的目标。

关键词：变频控制、单变量控制模式、三冲量控制模式

引言

目前国内已投运的百万机组超过百台，直流锅炉除氧器液位控制是电厂运行人员关心的一个重要参数。为响应国家节能减排号召，许多电厂对凝结水泵进行了变频改造，但变频改造后应在满足机组运行的基本要求下，继续探索变频器的最小变频，达到节能减排的目的。

为了实现除氧器水位和凝结水母管压力的稳定控制，目前百万机组凝结水上水门大多采用双调门带旁路的控制方式，在机组运行的各个阶段都可以保证良好的阀门调节特性，以实现对机组除氧器水位和凝结水母管压力的有效控制。由于除氧器液位控制系统存在较大的延迟特性，除氧器进口存在较多的流量来源以及除氧器出口给水流量随着功率的变化而变化等特性，单纯依靠除氧器液位信号对除氧器液位进行控制已不能满足系统对稳定性、快速性和准确性的要求，往往会引起系统的调节时间过长、超调量过大，甚至振荡。因此根据机组不同的负荷采用不同的控制模式:单冲量控制模式和三冲量控制模式，并在控制模式切换过程中通过对凝结水主调节阀和凝结水副调节阀的输出进行控制，从而避免除氧器液位出现剧烈波动，改善系统的动态性能成为一种需求。

1、除氧器液位控制基本组成和系统特性

1.1除氧器系统构成

除氧器上水系统主要由凝汽器、两台变频凝结水泵、凝结水精处理装置、凝结水杂项用户、轴封加热器、低压加热器、除氧器、凝结水再循环管路、凝结水主调节阀、凝结水副调节阀、旁路阀以及各水汽管道、流量仪表、液位仪表以及控制器等构成，其中凝结水泵采用一拖一的形式，除氧器液位调节阀由100%的旁路阀和30%辅助调节阀以及100%的主调节阀构成，如图1所示。凝结水在经过变频凝结水泵升压后经过凝结水精处理装置对凝结水品质近一步提高后，一路作为凝结水杂项母管分别输送到各用户，另一路经过轴封加热器进一步提高温度后再通过凝结水调门以及各低压加热器后被输送到除氧器进行除氧加热后进入高压加热系统，然后被送往锅炉产生高温高压的蒸汽推动汽轮机做功，做完功的蒸汽在凝汽器中冷却变成凝结水，这样就完成了一个大循环。

1.2系统特性

除氧器水位主要由高压加热器的疏水、凝结水以及汽轮机蒸汽需求量三者共同维持，其中凝结水是主要的供水来源。低负荷阶段，凝结水流量较低，主调阀在低流量下调节特性较差，在调节过程中不能对除氧器水位进行精确的控制。图1所示的调节系统中，凝结水主、副调阀的管径分别为额定给水流量的100%和30%设计。在机组启动及低负荷阶段由副调阀根据除氧器实际液位与设定液位的偏差来维持除氧器液位稳定。在中、高负荷时候，副调阀全部关闭，由主调节阀进行水位调节，这样设计能够避免在低流量时主调门的开关精确度，避免因在低流量主调阀调节特性问题导致的除氧器水位大幅度波动。此外在对除氧器水位控制过程中扔需要保证其他用户的对水压的需求，如除氧器凝结水杂项用户中的汽动给水泵的密封水和低压旁路的减温水。

2、控制策略分析

2.1控制思路

对除氧器水位控制过程中还需要保证其他用户的对凝结水压力的满足，凝结水杂项用户中汽动给水泵密封水和低压旁路减温水对水压的要求最高，因此只要满足了这两个用户对水压的最低要求就可以保证其它杂项用户的压力需求。同时还需要考虑变频器的最低变频频率和保证凝结水泵不汽蚀的最低水量，避免因频率过低导致凝结水泵震动加剧损坏设备，因此凝结水泵的最小变频量不一定就是凝结水泵保证设备安全时的最小频率，而是由凝结水用户需求压力条件下的水量与除氧器需补充水量两者较大的部分决定凝结水泵的综合最小频率。在控制设计过程中需要综合考虑各方面因素对除氧器水位的影响，减少水量突变引起系统的震荡。图2是控制过程示意图。

如图2所示，在升负荷阶段除氧器液位控制过程可分为如下三个阶段：第一阶段为机组在启动过程中，此时凝结水供水量大于需求量，凝结水主要走再循环管路。为了减少启动瞬间凝结水对管道和设备的冲击，变频凝结水泵以综合最小频率启动。随着锅炉点火完成以及带初负荷，副调门根据除氧器水位需求逐渐打开，同时凝结水再循环门逐渐关闭来保证除氧器水位的稳定。在此阶段主调门一直处于关闭状态，除氧器副调节阀在250mw负荷下进行除氧器水位单冲量控制。由于机组启动阶段锅炉蒸发量较小，凝结水泵综合最小频率由凝结水杂项母管所需压力确定，除氧器水位由副调门的开度来控制；当机组250MW负荷以上后进入第二个阶段，当副调门全开后，凝结水供水量不能满足除氧器水位的要求，此后机组主调门逐渐开启，副调门逐渐关小直至全关。在主副阀切换完成后，主阀进行三冲量控制，凝结水泵主要对母管压力进行控制；当机组负荷大于550MW后进入第三个阶段，在此阶段凝结水泵的提供的压力已经能够完全满足凝结水杂项母管的所需要的压力，凝结水泵的频率转为除氧器液位控制，主调节阀进行压力控制。

在降负荷阶段，当机组负荷降至540MW时，切除凝结水泵液位控制，当负荷降至200MW时主阀三冲量切换为单冲量，保证凝结水母管压力，此时不再进行主副阀之间的切换，减少机组在停机阶段不必要的操作，加速机组停机。

2.2控制策略

通过对机组不同负荷下分段控制，不同的调节方式实现机组运行全过程的过程控制，以下为具体控制策略。

主阀液位控制采用三冲量控制，单冲量为控制除氧器液位与设定值偏差。单冲量与三冲量切换条件为锅炉主控指令大于250mw；主阀三冲量为给水流量、凝结水流量、除氧器液位，给水流量做为前馈叠加至主调输出，与凝结水的偏差做为副调的输入，除氧器液位做为主调的输入。在机组负荷小于200MW，切除主阀三冲量调节，保证了负荷波动时阀门不会反复抖动。压力控制输入为凝结水母管实际压力、设定值和凝结水杂项母管需求最小压力三者中最大压力作为PID输入压力。主阀的压力控制和液位控制切换由凝结水泵控制对象决定。凝泵三冲量设计与除氧器上水主阀三冲量设计一致。在凝结水泵变频控制液位时主阀压力控制投入。凝结水泵变频压力控制时保证调阀控制除氧器液位，从而保证了各阶段压力、液位都处在可控状态。

3、实际运行结果

主辅调阀切换过程:

当机组负荷大于250MW后，主、辅调阀在自动方式下，将除氧器水位三冲量作为切换信号，进行开启主调阀和关闭辅调阀动作。在一定的限速率下，通过不断的降低辅调阀输出上限OT直至输出上限为0来达到关闭辅调阀的目的。在辅调阀关闭过程中，主调阀开始缓慢开启。图3为三冲量投入时主辅阀切换过程系统参数画面。从图中看出当单冲量切换三冲量信号来之后，辅调阀以一定的速率关闭，主调阀快速开启，除氧器水位和凝结水母管压力比较平稳。

凝泵控液位控制切换：凝泵液位控制条件为锅炉主控指令大于550WM，或除氧器调门旁路门全开。凝泵进入液位控制，液位控制始终只为三冲量控制，不进行单冲量切换。由于在切换时机组已经处于较高负荷，需要将给水、凝结水流量纳入控制。图4为凝泵流量控制投入时系统参数画面。由图中可以看出，除氧器凝结水位阀出现了一个垂直下降，这是因为机组在550MW后凝结水控制阀由除氧器水位控制转成压力控制，凝结水位控制阀此时表征的是凝结水母管压力。

4、结束语

本控制策有效的实现了机组在全过程凝结水泵变频控制。在主副调阀切换过程中凝结水母管压力和除氧器水位稳定未出现大的幅波动，保证了凝结水其他用户的需求，有效的提高了系统的控制精度和调节品质，增强了设备的可靠性。在负荷变动过程中凝结水母管压力在机组安全运行的最低要求附近，降低了凝结水泵的处理，提升了对凝结水母管压力的控制能力，减少了在特殊工况下的人为操作，为火电机组的安全、经济运行奠定了坚实的基础，也为企业节能减排的重要贡献。

参考文献：

［1］王树青，戴连奎，于玲．过程控制工程［M］．北京:化学工业出版社，2008．

［2］王二贵，魏凯．对电厂机组除氧器水位控制的分析［J］．科技致富向导，2014(17):245～245．

［3］李力.除氧器液位控制策略研究技［J］.华电技术，2016,38（3）：10～13.

［4］舒晓明．汽轮机除氧器水位控制逻辑优化［J］．科技与企业，2013(13):333～333．

［5］谢建育，黄卫剑．热力除氧机理及除氧器水位控制系统的调整策略［J］．广东电力，2006，19(12):41～43．

作者简介：第一作者：葛瑞刚（1987-10），男，汉，陕西咸阳，集控巡检，研究生，研究方向：热力发电厂设备优化与改造。

第二作者：包呼群（1994-5），男，蒙古族，内蒙古呼可浩特，学士，研究方向：热力发电厂过程控制