基于數(shù)據(jù)擬合的除氧器汽水系統(tǒng)自啟動升溫控制策略

譚祥帥，李 昭，辛志波，劉 帥，李長海，牛利濤，郭云飛，高 奎

(西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

在火電廠鍋爐給水系統(tǒng)中，除氧器作為關鍵設備之一，利用啟動鍋爐供汽或者臨機供汽，在機組啟動前對鍋爐給水加熱，依據(jù)道爾頓分壓定律、亨利定律及傳熱傳質(zhì)方程等原理，不僅能除去鍋爐給水中的溶解氧，而且能除去水中游離的CO2、NH3、H2S等腐蝕性氣體，防止熱力設備被腐蝕，除氧器安全穩(wěn)定運行對鍋爐給水系統(tǒng)具有極其重要的作用[1-2]。

在機組啟動過程中，除氧器的運行存在諸多問題，如除氧器振動、汽水共騰、水位震蕩等，其中以除氧器振動最為常見。除氧器振動不僅使鍋爐給水處理系統(tǒng)存在運行安全隱患，而且使除氧器投運的不可靠性大幅度提高，同時導致機組啟動時間延長，達不到機組整體啟動的安全經(jīng)濟性[3-5]。

目前，國內(nèi)外火電廠對除氧器汽水系統(tǒng)升溫過程的控制策略尚未見報道。從火電廠實際運行情況來看，除氧器汽水系統(tǒng)升溫過程的控制方法不符合先進控制技術和實時優(yōu)化控制技術的發(fā)展要求[6]。本文基于數(shù)據(jù)模型的除氧器汽水系統(tǒng)自啟動升溫技術通過對最優(yōu)的手動啟動過程數(shù)據(jù)擬合分析，將分析結果轉化為實際控制方法，對機組快速安全啟動以及節(jié)能降耗提高機組經(jīng)濟效益都具有極其重要的意義。同時，該技術為智能發(fā)電技術在工程中的實際應用提供了一定的參考。

1 除氧器系統(tǒng)

某電廠除氧器采用型號DFST-1280·160/184 的臥式內(nèi)置除氧器，該除氧器設計壓力為1.35 MPa，設計溫度為361 ℃，額定出力為1 280 t/h，有效容積為160 m3，排汽量≤1‰，提升溫度（VWO 工況）37.6 ℃，冷態(tài)啟動中所需的預暖時間90 min。

在機組冷態(tài)啟動初期，除氧器系統(tǒng)的加熱蒸汽來自輔助蒸汽系統(tǒng)。輔助蒸汽系統(tǒng)內(nèi)蒸汽由啟動鍋爐系統(tǒng)或其他運行的相鄰機組供給，加熱蒸汽通過輔汽聯(lián)箱，依次經(jīng)過手動截止閥、電動截止閥、蒸汽加熱控制閥后進入除氧器，通過蒸汽與除鹽水在除氧器內(nèi)部相混合的加熱方式，將除氧器系統(tǒng)容積內(nèi)的除鹽水加熱到相應溫度，以達到后續(xù)鍋爐上水的要求。

2 除氧器運行特性控制策略分析

實際運行中，除氧器汽水系統(tǒng)的整體溫度具有滯后、時變、非線性等特點。當除氧器完成上水，輔助蒸汽系統(tǒng)或臨機供汽系統(tǒng)準備就緒后，在除氧器升溫系統(tǒng)手動投入初期，蒸汽加熱控制閥打開過快，會使除氧器汽水系統(tǒng)升溫速率過快，當溫度較高的過熱蒸汽與溫度較低的除鹽水接觸時，使得局部的除鹽水升溫過快而瞬間產(chǎn)生大量汽泡，對除氧器形成熱沖擊從而導致除氧器振動；當蒸汽加熱控制閥打開過慢，加熱蒸汽進入除氧器后冷凝所形成的負壓區(qū)域會產(chǎn)生不同程度振動，并且會延長機組啟動時間，影響機組啟動的經(jīng)濟性。由于運行調(diào)整不當而導致的除氧器振動會嚴重影響除氧器汽水系統(tǒng)的運行安全，系統(tǒng)長時間振動會造成除氧器內(nèi)霧化裝置掉落，無法霧化則會致使系統(tǒng)內(nèi)振動更加嚴重，造成惡性循環(huán)，嚴重影響除氧器汽水系統(tǒng)的正常運行[7-10]。同時在機組啟動過程中，除鹽水必須通過除氧器熱力除氧，并達到鍋爐水冷壁上水溫度的要求，確保機組在啟動投運過程中安全經(jīng)濟穩(wěn)定運行[11-13]。

在除氧器汽水系統(tǒng)加熱升溫過程中，蒸汽由輔汽聯(lián)箱或臨機供汽系統(tǒng)通過蒸汽加熱控制閥進入除氧器，通過對機組手動冷態(tài)啟動過程分析得出：因無法準確判斷蒸汽加熱控制閥的開啟速率，常規(guī)PID 控制方式不適于除氧器汽水系統(tǒng)自啟動升溫過程，常需要運行人員手動干預升溫過程。但運行人員手動控制無法實現(xiàn)最佳條件下除氧器汽水系統(tǒng)加熱升溫，升溫時間過長必然會造成能量損失與機組啟動時間延長，機組啟動的整體效率降低[14-15]。

基于上述分析，根據(jù)除氧器運行特性要求，采取一種基于時間動態(tài)調(diào)節(jié)除氧器汽水系統(tǒng)溫度的控制策略尤為必要。本文采用一種基于數(shù)據(jù)模型的動態(tài)控制方法，在除氧器系統(tǒng)升溫初期確保系統(tǒng)處于安全運行范圍內(nèi)，除氧器加熱控制閥按照時間、控制閥指令和除氧器汽水系統(tǒng)溫度溫升率進行動態(tài)控制，三者之間的關系則根據(jù)歷次手動投入除氧器加熱時的數(shù)據(jù)進行分析擬合得出。

在除氧器汽水系統(tǒng)升溫過程中，以除氧器汽水系統(tǒng)的溫升率作為判別條件，動態(tài)調(diào)整除氧器汽水系統(tǒng)內(nèi)除鹽水的溫升速率，在溫升率過快時，保持當前閥門指令等待汽水充分混合，減少除氧器系統(tǒng)升溫過程中存在的安全風險。除氧器系統(tǒng)溫度升到一定程度且除氧器振動現(xiàn)象消除后，根據(jù)鍋爐上水溫度要求，將蒸汽加熱控制閥切換為動態(tài)控制，實現(xiàn)除氧器系統(tǒng)在全部自啟動升溫過程中，溫度能快速平穩(wěn)升高，振動安全可控，提高除氧器汽水系統(tǒng)冷態(tài)啟動過程中的性能和效率。

3 啟動升溫過程的數(shù)據(jù)曲線擬合

通過采用MATLAB(R2019b)對該機組投產(chǎn)以來7 次有效手動除氧器升溫啟動過程數(shù)據(jù)分析，分別得到蒸汽加熱控制閥開度與除氧器系統(tǒng)汽水溫度隨時間變化的范圍，通過變化范圍進行數(shù)據(jù)分析計算及曲線擬合，分別得到蒸汽加熱控制閥開度與除氧器汽水系統(tǒng)溫度專家曲線方程。機組啟動過程中，除氧器液位由除氧器上水沖洗的相關程序控制，除氧器上水沖洗完成后由凝結水系統(tǒng)自動維持除氧器液位。除氧器汽水系統(tǒng)冷態(tài)啟動手動升溫過程部分數(shù)據(jù)見表1。

表1 除氧器汽水系統(tǒng)冷態(tài)啟動手動升溫過程部分數(shù)據(jù)Tab.1 Part data of the manual heating process of steam-water system of the deaerator during cold state start-up

3.1 蒸汽加熱控制閥開度數(shù)據(jù)擬合

蒸汽加熱控制閥開度的數(shù)據(jù)擬合公式為

根據(jù)式中系數(shù)（95%置信區(qū)間），擬合結果的評價參數(shù)分別為：誤差平方和432.5、線性回歸擬合確定系數(shù)0.977 0、調(diào)整后回歸擬合確定系數(shù)0.976 8、均方根誤差0.854 0。根據(jù)這些評價參數(shù)可知：曲線擬合度較高，能夠反映蒸汽加熱控制閥實際的變化過程。蒸汽加熱控制閥升溫過程數(shù)據(jù)擬合曲線如圖1所示。

圖1 蒸汽加熱控制閥開度數(shù)據(jù)擬合曲線Fig.1 Fitting curves of opening degree of the steam heating control valve

3.2 除氧器汽水系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)擬合

除氧器汽水系統(tǒng)實時溫度數(shù)據(jù)擬合公式為

根據(jù)式中系數(shù)（95%置信區(qū)間），擬合結果的評價參數(shù)分別為：誤差平方和393.8、線性回歸擬合確定系數(shù)0.998 8、調(diào)整后回歸擬合確定系數(shù)0.998 8、均方根誤差0.814 9。根據(jù)這些評價參數(shù)可知：曲線擬合度較高，能夠反映除氧器汽水系統(tǒng)實時溫度在機組冷態(tài)啟動過程中的真實變化過程。除氧器汽水系統(tǒng)升溫過程數(shù)據(jù)擬合曲線如圖2所示。

圖2 除氧器汽水系統(tǒng)升溫過程數(shù)據(jù)擬合曲線Fig.2 Fitting curves of temperature rise data of the deaerator’s steam-water system

3.3 組合控制算法

在電廠分散控制系統(tǒng)（DCS）中，以式(1)、式(2)為基礎，通過對比式(2)中除氧器汽水系統(tǒng)溫度 理論值T1與采用式(1)閉環(huán)控制時所對應的除氧器汽水系統(tǒng)實時溫度T2，采用相應系數(shù)對式(1)的控制過程進行實時修正，以達到精準控制除氧器溫升率的目的，具體組合控制策略算法如圖3所示。

圖3 組合控制策略算法示意Fig.3 Schematic diagram of the combined control algorithm

4 除氧器汽水系統(tǒng)升溫控制策略

圖4 為本文除氧器汽水系統(tǒng)自啟動升溫控制策略邏輯，由圖4 可見，該控制策略通過延時脈沖動態(tài)控制的思路進行累加計算，得出除氧器蒸汽加熱控制閥閥位修正指令，在動態(tài)控制的基礎上設置除氧器汽水系統(tǒng)溫升率判斷，當溫升率過快時，閉鎖除氧器蒸汽加熱控制閥修正指令保持當前狀態(tài)。其中溫升率過快的判斷依據(jù)是除氧器加熱投入過程中的升溫特性要求，結合升溫過程數(shù)據(jù)擬合曲線。在啟動過程中，通過對比除氧器實時參數(shù)與啟動升溫過程數(shù)據(jù)擬合曲線中偏差值，對蒸汽加熱控制閥閥位指令進行偏差修正。

圖4 除氧器汽水系統(tǒng)自啟動升溫控制策略邏輯Fig.4 Logic diagram of the self-starting temperature rising control strategy for steam-water system of the deaerator

5 動態(tài)投運過程

將本文除氧器汽水系統(tǒng)自啟動升溫控制策略邏輯在某電廠進行投運驗證，投運過程中除氧器汽水系統(tǒng)輔助蒸汽溫度為348.9 ℃，輔助蒸汽壓力為1.09 MPa，除氧器液位為2 002 mm，圖5 為除氧器汽水系統(tǒng)自啟動升溫過程變化曲線。

由圖5 可見：在除氧器汽水系統(tǒng)自啟動升溫控制策略投入初期，系統(tǒng)自動控制溫升率比啟動升溫過程數(shù)據(jù)擬合曲線的溫升率更為平緩，能有效降低除氧器冷態(tài)啟動時汽水沖擊所造成振動，提高機組啟動運行的安全性；在除氧器汽水系統(tǒng)自啟動升溫控制策略投入中期，系統(tǒng)自動控制溫升率能達到啟動升溫過程數(shù)據(jù)擬合曲線的溫升率，極大縮短除氧器系統(tǒng)投入所需升溫時間，減少機組啟動耗時，提高機組啟動效率；在除氧器汽水系統(tǒng)自啟動升溫控制策略投入后期，系統(tǒng)自動控制溫升率比啟動升溫過程數(shù)據(jù)擬合曲線的溫升率更快，能有效配合鍋爐上水點火，降低電耗、水耗及煤耗等相關指標，減少機組啟動耗時。除氧器汽水系統(tǒng)自啟動升溫控制策略在滿足鍋爐給水系統(tǒng)安全運行的同時，減輕了運行人員的工作任務，達到了無人值守的目的。

圖5 除氧器汽水系統(tǒng)自啟動升溫過程變化曲線Fig.5 Dynamic commissioning process of the self-starting temperature rise for steam-water system of the deaerator

當機組在冷態(tài)啟動方式時，以除氧器汽水系統(tǒng)升溫至80 ℃為判斷依據(jù)，作為滿足鍋爐水冷壁上水溫度要求。對比分析發(fā)現(xiàn)，采用啟動升溫過程數(shù)據(jù)擬合曲線，投入過程平均調(diào)節(jié)閥開度指令與啟動時間分別為24.55%與279.6 min。而采用除氧器汽水系統(tǒng)自啟動升溫控制策略，投入過程平均調(diào)節(jié)閥開度指令與啟動時間分別為19.99%與169.0 min。優(yōu)化后除氧器汽水系統(tǒng)升溫至所需溫度耗時更短，蒸汽加熱控制閥開度更小，整體升溫過程更貼近除氧器性能參數(shù)。

6 結語

快速安全地實現(xiàn)除氧器汽水系統(tǒng)升溫是機組冷態(tài)啟動過程中鍋爐進入冷態(tài)沖洗的基準點，本文基于數(shù)據(jù)擬合分析，提出除氧器汽水系統(tǒng)自啟動升溫控制策略，在某電廠實際投運后，同比歷次機組啟動過程相關數(shù)據(jù)，縮短了機組啟動耗時，達到了節(jié)能增效及無人值守的目的，杜絕了由于人為操作不當?shù)仍蚩赡茉斐稍O備系統(tǒng)運行安全的風險。

基于數(shù)據(jù)擬合除氧器汽水系統(tǒng)自啟動升溫控制策略，為同類型機組同類型除氧器汽水系統(tǒng)冷態(tài)加熱升溫的自動啟動提供了參考，同時為智能發(fā)電技術的發(fā)展提供了新的思路，對推動智慧電站的發(fā)展有著極其重要的意義。