火力發(fā)電廠新型串級前饋自動加氧系統(tǒng)的改造與應(yīng)用

戴　旭，謝宙樺，董勇衛(wèi)，吳再燦，張劍民

（1.華能國際電力股份有限公司長興電廠，浙江　長興　313105；2.西安熱工研究院有限公司，西安　710032）

0　引言

OT（給水加氧處理）技術(shù)可以減少鍋爐內(nèi)部沉積物，降低腐蝕損壞，同時降低鍋爐的清洗頻率，延長凝結(jié)水凈化裝置的運行周期，還可以解決直流爐爐管以及加熱器壓降快速升高等問題。目前，雖然OT技術(shù)應(yīng)用廣泛[1-2]，但是由于加氧設(shè)備的局限性和控制技術(shù)的不完善，使得加氧過程的控制不理想，運行過程中過分依靠人工維護和干預(yù)，使OT技術(shù)的效果大打折扣。華能長興發(fā)電廠通過對加氧設(shè)備和控制的改造，應(yīng)用流量傳感器和新型控制算法，提高了溶氧值的穩(wěn)定性，同時減少了運行人員的工作量。

1　影響溶氧波動的原因

鍋爐加氧[3]是指通過在鍋爐工藝設(shè)計的2處加氧點，即給水加氧點和凝結(jié)水加氧點進行氧氣的加入，通過向換熱管表面不斷地均勻提供氧氣，使其表面形成致密而穩(wěn)定的氧化膜，起到保護性的作用。鍋爐的加氧系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　鍋爐加氧系統(tǒng)

根據(jù)圖1可知，鍋爐加氧屬于一個滯后性較大的系統(tǒng)，主要是因為加氧點和采樣點之間距離較長。同時，影響溶氧穩(wěn)定的原因還有負荷的變化，當(dāng)負荷產(chǎn)生變化時，給水流量發(fā)生改變，且系統(tǒng)壓力發(fā)生變化，影響加氧量的穩(wěn)定性，導(dǎo)致溶氧發(fā)生波動[4]。

2　加氧系統(tǒng)的改進思路

影響溶氧穩(wěn)定性具體有以下3個因素[5]：系統(tǒng)壓力的變化、給水流量的變化、加氧系統(tǒng)的滯后性。

2.1　系統(tǒng)壓力的變化

當(dāng)系統(tǒng)壓力發(fā)生變化時，由于加氧設(shè)備的管路距離長，且壓差發(fā)生改變，會影響加氧量的準(zhǔn)確性，使溶氧發(fā)生改變[6]。所以加氧設(shè)備的改進采用以下2種解決辦法。

2.1.1增加就地穩(wěn)壓柜

加氧設(shè)備是由匯流排、控制柜和就地穩(wěn)壓柜組成的。其中匯流排經(jīng)過兩級減壓，使得進入控制柜的壓力達到恒定值，凝結(jié)水一般在4.5 MPa，給水在2.5 MPa。在控制柜內(nèi)部增加穩(wěn)壓閥，維持控制柜入口和出口之間的壓差在0.5 MPa，即控制柜出口的凝結(jié)水側(cè)壓力在4 MPa，給水側(cè)在2 MPa。再在加氧點處增加穩(wěn)壓柜，保證進入加氧點的壓力穩(wěn)定，即凝水穩(wěn)壓柜在3.5 MPa，給水穩(wěn)壓柜在1.5 MPa。通過以上二級減壓和二級穩(wěn)壓，大大減小了因加氧管道過長、系統(tǒng)壓力波動對加氧量穩(wěn)定性的影響。

2.1.2微量加氧量采樣及控制

加氧設(shè)備增加了微量流量采樣裝置，使得對流量的控制形成了閉環(huán)回路，微量流量采樣裝置要求的壓差在0.3～1.0 MPa之間，將加氧量信號采集傳入控制器，方便對系統(tǒng)加氧量的準(zhǔn)確控制，由此改善了加氧量在壓差改變后，無法達到設(shè)定值而影響溶氧值波動的的問題[7]。

2.2　給水流量和系統(tǒng)滯后性

針對負荷發(fā)生變化時，給水流量改變引起的溶氧值波動和加氧系統(tǒng)自身的滯后性問題，通過對控制算法進行改進，使其控制性能得到改進。

傳統(tǒng)的單閉環(huán)PID（比例-積分-微分）算法無法在給水流量發(fā)生變化時，使溶氧值快速地達到期望值，通過加入給水流量的前饋量，同時由于增加了微量流量信號，采用能夠更好解決滯后性問題的串級+前饋控制算法，起到了改善控制效果的作用，控制邏輯如圖2所示。

圖2　加氧設(shè)備控制邏輯

如圖2所示，采用串級+前饋的控制算法，串級中的外環(huán)控制使用的是PI算法塊，可以增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時加上給水流量的前饋信號，使得在負荷發(fā)生變化時能夠讓控制系統(tǒng)直接快速地增減加氧量；串級的內(nèi)環(huán)控制器選用的是P算法塊，可以增加系統(tǒng)的快速性，使得加氧量快速且準(zhǔn)確地進入加氧點。

3　設(shè)備的改進應(yīng)用

加氧設(shè)備改進后，系統(tǒng)如圖3所示。設(shè)備包括凝水氧氣匯流排、給水氧氣匯流排、加氧控制柜、凝水穩(wěn)壓柜、給水穩(wěn)壓柜5個部分組成?？蓾M足發(fā)電機組給水和凝結(jié)水系統(tǒng)兩點自動連續(xù)加氧的需求[8]。

圖3　加氧設(shè)備系統(tǒng)

加氧設(shè)備穩(wěn)壓柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要是通過穩(wěn)壓閥來穩(wěn)定閥前壓力，穩(wěn)壓閥是機械結(jié)構(gòu)，通過機械調(diào)節(jié)彈簧，改變穩(wěn)壓閥內(nèi)部腔室的空間，即可得到所需的穩(wěn)壓閥前壓力，從而保證控制柜出口至就地加氧點之間的壓差。穩(wěn)壓柜正常運行是關(guān)閉旁路截止閥，更換穩(wěn)壓閥時可以打開截止閥，即切至旁路運行。

3.1　加氧系統(tǒng)控制邏輯

控制采集除氧器入口溶氧值、省煤器入口溶氧值、給水流量、除氧器入口氫導(dǎo)、省煤器入口氫導(dǎo)5個信號，同時通過加氧匯流排上的壓力變送器傳送匯流排氧氣壓力，實現(xiàn)加氧過程的自動控制。

圖4　加氧設(shè)備穩(wěn)壓柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)

具體邏輯說明，控制包括2個方面，即電磁開關(guān)閥和電磁調(diào)節(jié)閥。

3.1.1凝結(jié)水電磁開關(guān)閥

凝結(jié)水電磁開關(guān)閥的控制邏輯：

（1）省煤器入口氫導(dǎo)和除氧器入口氫導(dǎo)同時小于 0.15 μs/cm。

（2）給水流量大于 400 t/h。

（3）凝結(jié)水匯流排壓力大于5 MPa。

以上3個條件同時滿足，則凝結(jié)水電磁開關(guān)閥打開，否則電磁開關(guān)閥關(guān)閉。

凝結(jié)水電磁調(diào)節(jié)閥的主要是控制除氧器入口溶氧的，由于溶氧的對象模型是一階大滯后模型，主要受到加氧量的影響，通常加氧量改變后120 s左右溶氧才會發(fā)生變化，同時給水流量的變化可以直接快速地影響溶氧變化，所以為了克服對象模型的滯后性，選擇了串級PI-P（比例積分-比例）的控制方式，同時為了克服給水流量的影響，加入了增加前饋的方式，凝結(jié)水電磁調(diào)節(jié)閥的控制邏輯如圖5所示。

圖5　凝結(jié)水電磁調(diào)節(jié)閥控制邏輯示意　

串級系統(tǒng)整定的方法是先調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)P控制器參數(shù)，后整定外環(huán)PI控制器參數(shù)。首先將內(nèi)環(huán)P控制器設(shè)置為自動，之后改變給定加氧量，觀察調(diào)閥動作過程，確定其能夠快速地達到期望的加氧量，從而確定內(nèi)環(huán)P控制器參數(shù)。之后外環(huán)PI控制器再設(shè)置為自動，給定溶氧的期望值，調(diào)節(jié)參數(shù)，保證溶氧能夠快速準(zhǔn)確地達到期望值。

如圖6所示，凝結(jié)水電磁調(diào)節(jié)閥控制除氧器入口的溶氧是通過外環(huán)PI控制器，同時加上給水流量的前饋作用，使得更快地計算出此時所需要的凝結(jié)水加氧量，前饋系數(shù)的整定是通過觀察系統(tǒng)給水流量變化時，溶氧是否產(chǎn)生較大波動，如果給水流量增加時，溶氧大幅降低，則增加前饋系數(shù)；而溶氧大幅增加，則減小前饋系數(shù)。此時內(nèi)環(huán)的P控制器通過流量傳感器采樣回來的實時加氧量和外環(huán)計算出的所需加氧量進行比較，從而對凝結(jié)水電磁調(diào)節(jié)閥控制，改變此時的進入凝結(jié)水加氧點的加氧量，起到控制除氧器入口溶氧的作用。

3.1.2給水電磁開關(guān)閥

給水電磁開關(guān)閥的控制邏輯：

（1）省煤器入口氫導(dǎo)和除氧器入口氫導(dǎo)同時小于 0.15 μs/cm。

（2）給水流量大于 400 t/h。

（3）給水匯流排壓力大于3 MPa。

以上3個條件同時滿足，則給水電磁開關(guān)閥打開，否則電磁開關(guān)閥關(guān)閉。

給水電磁調(diào)節(jié)閥控制邏輯與凝結(jié)水電磁調(diào)節(jié)閥一致，兩者均通過DCS（分散控制系統(tǒng)）實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制和自動調(diào)節(jié)，如圖6所示。

圖6　給水溶氧DCS邏輯

3.2　加氧設(shè)備運行維護

加氧系統(tǒng)改進后，控制性能提高，降低了加氧量對穩(wěn)壓閥穩(wěn)定性的依賴。與傳統(tǒng)加氧設(shè)備比較，具有免維護的特點[9]，只需要在上位機提示氣瓶壓力低時，對氣瓶進行更換，就可以滿足系統(tǒng)自動加氧的功能，大大減少了運行人員的工作。

4　加氧設(shè)備應(yīng)用效果

加氧設(shè)備投運前，將設(shè)備的各級壓力進行定義[10-12]，定義參數(shù)如下所示：

（1）精處理減壓閥1出口壓力為5.0 MPa。

（2）精處理減壓閥2出口壓力為4.5 MPa。

（3）精處理穩(wěn)壓閥入口壓力（控制柜1P2）為4.0 MPa。

（4）精處理加氧點穩(wěn)壓閥入口壓力（穩(wěn)壓柜P1）為 3.4～3.7 MPa。

（5）除氧器減壓閥1出口壓力為3 MPa。

（6）除氧器減壓閥2出口壓力為2.5 MPa。

（7）除氧器穩(wěn)壓閥入口壓力（控制柜2P2）為2 MPa。

（8）除氧器加氧點穩(wěn)壓閥入口壓力（穩(wěn)壓柜P1）為 1.7～1.8 MPa。

DCS操作畫面完成后，如圖7所示。

圖7　給水溶氧控制效果

圖7中，可以對2號機組的給水和凝水的調(diào)節(jié)閥和電磁開關(guān)閥進行手動和自動的操作，保證了運行人員的可操作性。

2號機組的凝結(jié)水和給水加氧在改進前其PV（設(shè)定）值和SP（測量）值如圖8與9所示。

根據(jù)圖8與9可以看出，省煤器入口溶氧和凝結(jié)水入口溶氧在負荷穩(wěn)定時波動比較大。當(dāng)負荷發(fā)生變化時，省煤器入口溶氧和凝結(jié)水入口溶氧的波動更加明顯。

當(dāng)改進后，各級壓力正常，將設(shè)備投入自動運行，調(diào)節(jié)PID參數(shù)，正常運行后，觀察效果如圖10與11所示。

圖8　改進前凝結(jié)水加氧效果

圖9　改進前給水加氧效果

圖10　改進后凝結(jié)水溶氧控制效果

根據(jù)圖10與11可以看出，省煤器入口溶氧在負荷穩(wěn)定時為20±1 mg/L，負荷發(fā)生變化時為20±3 mg/L；凝結(jié)水入口溶氧在負荷穩(wěn)定時為70±3 mg/L，負荷發(fā)生變化時為70±5 mg/L。

圖11　凝結(jié)水溶氧控制效果

5　結(jié)語

華能長興發(fā)電廠通過對自動加氧裝置的改進，為機組鍋爐給水和凝結(jié)水提供穩(wěn)定的加氧，使溶氧值的穩(wěn)定性得到了進一步的提高，且提高了汽水品質(zhì)，促進了OT技術(shù)的進一步應(yīng)用。