聯(lián)通除氧器壓力控制系統(tǒng)優(yōu)化

王金梁，王 孟

(中國能源建設(shè)集團華東電力試驗研究院有限公司，浙江 杭州 311200)

0 引言

聯(lián)通除氧器指的是兩臺或多臺除氧器通過汽平衡母管和水平衡母管相連的除氧器系統(tǒng)[1]，常見于熱力發(fā)電機組和化工生產(chǎn)領(lǐng)域動力工程項目中的母管制除氧給水系統(tǒng)。在母管制火力發(fā)電機組及化工生產(chǎn)領(lǐng)域，對控制系統(tǒng)自動化水平要求不高，目前尚未有一套成熟的控制邏輯與方法應(yīng)用于聯(lián)通除氧器壓力的控制?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是讓兩臺或多臺除氧器壓力之間迅速達到平衡，同時這也是整個給水除氧系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。本文通過對聯(lián)通除氧器工藝流程特點的分析，在傳統(tǒng)控制方法的基礎(chǔ)上，深入研究聯(lián)通除氧器壓力控制優(yōu)化的關(guān)鍵點與難點，最終成功實現(xiàn)聯(lián)通除氧器壓力快速調(diào)節(jié)、快速平衡的功能，大大提高調(diào)節(jié)品質(zhì)與系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。

1 機組除氧給水系統(tǒng)配置簡介

某循環(huán)經(jīng)濟煤炭綜合利用項目(一階段工程)動力裝置位于其所在城市工業(yè)區(qū)清水煤化學(xué)工業(yè)園，本期工程除氧給水系統(tǒng)為動力中心的公用系統(tǒng)，設(shè)置2臺700 t/h的高壓內(nèi)置式除氧器，除氧器工作壓力為0.588 MPa，除氧水箱有效容積為130 m3。同時為保證化工裝置變換且未換熱時除氧器的進水溫度，動力中心設(shè)置2臺330 t/h的補水加熱器，將除鹽水加熱至125 ℃。

2臺除氧器、2臺補水加熱器的加熱蒸汽均來自低壓蒸汽母管(1.1 MPa)，加熱蒸汽在進入除氧器前設(shè)置有調(diào)節(jié)閥組，以保證除氧器的工作壓力。補水加熱器疏水通過調(diào)節(jié)閥組送入高壓除氧器。2臺除氧器之間設(shè)有汽平衡母管和水平衡母管，連排、高壓疏擴蒸汽接至除氧器。

動力中心設(shè)2臺100%容量的電動定速給水泵和1臺200%容量的汽動給水泵，3臺高壓鍋爐給水泵的給水均從低壓給水母管上引出；給水泵出口的高壓給水管道分別接至高壓給水冷母管，在冷母管匯總后分別送至本期工程設(shè)置的2套高壓加熱器，在經(jīng)過高壓加熱器加熱至215 ℃后，直接接至本期工程設(shè)置的2臺鍋爐給水操作臺。在高壓加熱器給水系統(tǒng)中設(shè)置給水旁路系統(tǒng)，在高壓加熱器故障停運時，將通過旁路系統(tǒng)直接供應(yīng)冷高壓給水，從而保證鍋爐的穩(wěn)定運行。

該機組除氧給水系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 機組除氧給水系統(tǒng)

2 除氧器壓力的作用及壓力自動控制原理

2.1 除氧器壓力的作用

除氧器的主要作用是除去鍋爐給水中的氧氣和其他不凝結(jié)氣體，以保證給水的品質(zhì)[2]。若水中溶解氧氣，與水接觸的金屬就會被腐蝕，同時在熱交換器中若有氣體聚積，將使傳熱的熱阻增加，降低設(shè)備的傳熱效果，直接威脅設(shè)備的運行安全。為達到良好的熱力除氧效果，必須滿足以下條件：

1)有足夠的蒸汽將水加熱到除氧器壓力下的飽和溫度；

2)及時排走析出的氣體，防止水面的氣體分壓力增加，影響析出；

3)增大水與蒸汽接觸的表面積，增加水與蒸汽接觸的時間，蒸汽與水采用逆向流動，以維持足夠大的傳熱面積和足夠長的傳熱、傳質(zhì)時間。

由此可見，通過控制除氧器壓力及液位以保證除氧器達到良好的除氧效果對機組的安全運行具有重要作用。

2.2 除氧器壓力控制原理

影響除氧器壓力變化的主要因素是低壓蒸汽母管的進汽量和熱除鹽水流量。為滿足除氧器水位控制要求，熱除鹽水流量將不斷調(diào)整，如將除鹽水流量作為除氧器壓力的控制變量，控制系統(tǒng)很難達到自平衡。所以較為理想的控制手段是通過控制低壓蒸汽母管流量來控制除氧器壓力。本文采用除氧器進汽壓力調(diào)閥來控制進入除氧器的蒸汽流量。

除氧器壓力信號，即過程值(process value，PV)，數(shù)據(jù)由除氧器壓力變送器實測獲得；設(shè)定值(set point，SP)是機組運行時除氧器需要達到的壓力值，由運行人員在進汽壓力調(diào)閥操作面板上手動設(shè)定[3]。除氧器壓力控制器在切換到自動控制方式時，將根據(jù)除氧器壓力與設(shè)定值的偏差，調(diào)節(jié)除氧器進汽壓力調(diào)節(jié)閥的開度，從而控制壓力PV趨于設(shè)定值SP變化。

3 除氧器壓力自動控制所遇問題及策略優(yōu)化

原除氧器壓力控制邏輯為單比例積分微分(proportion integration differentiation，PID)控制，#5、#6除氧器壓力分別由各自進汽壓力調(diào)閥單獨控制，除氧器壓力調(diào)閥邏輯如圖2所示。

圖2 除氧器壓力調(diào)閥邏輯

3.1 所遇問題

1)由于兩側(cè)除氧器的加熱蒸汽均來自低壓蒸汽母管，低壓蒸汽管道壓力的波動對除氧器進汽的流量有很大影響，而除氧器壓力調(diào)閥的大幅度調(diào)節(jié)動作也會對低壓蒸汽母管壓力穩(wěn)定造成一定影響[4]。低壓蒸汽母管壓力調(diào)閥控制壓力時需要控制調(diào)門調(diào)節(jié)速率。

2)由于本機組#5、#6號除氧器聯(lián)通使用，初始設(shè)置兩個調(diào)閥的PID參數(shù)相同，由于兩閥門機械死區(qū)不同，#5號除氧器壓力調(diào)閥死區(qū)小于#6號除氧器壓力調(diào)閥，當兩側(cè)除氧器壓力調(diào)閥均投入自動控制，設(shè)定壓力相同時，受閥門機械死區(qū)的影響，兩閥門的開度偏差越來越大，因此兩側(cè)進氣量不平衡，#5除氧器進氣量大于#6除氧器，最終導(dǎo)致#5除氧器向#6除氧器壓水。因此需要將兩側(cè)調(diào)閥開度偏差控制在±3%以內(nèi)，保持兩側(cè)除氧器進汽平衡。

3.2 控制策略優(yōu)化

3.2.1 低壓蒸汽母管壓力調(diào)節(jié)速率優(yōu)化

針對低壓蒸汽母管壓力波動大的問題，主要采取的措施是完善低壓蒸汽母管壓力調(diào)節(jié)閥PID參數(shù)，使低壓蒸汽母管壓力穩(wěn)定。其次，調(diào)整除氧器壓力調(diào)節(jié)閥PID參數(shù)[5]，減小比例作用，以防調(diào)閥開度變化大引起低壓蒸汽母管壓力大幅度波動。

3.2.2 限制兩側(cè)壓力調(diào)閥開度偏差

針對兩調(diào)閥開度偏差大的問題，在邏輯中增加兩調(diào)閥開度交叉限制邏輯，當一側(cè)調(diào)閥開度比另一側(cè)調(diào)閥開度大3%時，限制開；當一側(cè)調(diào)閥開度比另一側(cè)調(diào)閥開度小3%時，限制關(guān)。從而限制兩側(cè)調(diào)閥開度偏差大的問題。優(yōu)化方案1邏輯如圖3所示。

圖3 優(yōu)化方案1邏輯

邏輯修改投運后，兩側(cè)調(diào)閥開度受到交叉限制作用，有效控制開度偏差，解決了除氧器壓水的隱患，自動效果得到明顯改善。但投運過程中仍存在以下問題：

1)兩側(cè)調(diào)閥指令偏差一直存在，無法消除偏差；

2)由于偏差限制的作用生效時PID仍然在計算，當偏差限制失效時閥門指令輸出會出現(xiàn)跳變現(xiàn)象，影響系統(tǒng)平衡，無法穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

如圖4所示為增加交叉限制后的除氧器壓力自動投用后的曲線。從曲線變化可以看出在交叉限制作用下兩調(diào)閥開度偏差可控，但除氧器壓力波動較大，控制效果一般。

圖4 增加交叉限制后投用曲線

3.2.3 調(diào)閥協(xié)調(diào)動作，統(tǒng)一調(diào)節(jié)

由于兩個除氧器進汽調(diào)閥分屬兩個調(diào)節(jié)系統(tǒng)，不可避免地產(chǎn)生閥門開度調(diào)節(jié)偏差，在偏差限制作用下，雖然在兩閥門開度偏差擴大的時候起到限制作用，同時也在偏差限制失效時，給系統(tǒng)帶來了擾動。因此，要解決這個問題，必須要改變原有的除氧器壓力調(diào)節(jié)控制策略。

因兩臺除氧器設(shè)有壓力聯(lián)通管，因此設(shè)置壓力設(shè)定值基本相同，參考兩臺引風(fēng)機控制爐膛負壓用到的平衡控制原理，即用一個PID功能塊來控制兩個調(diào)節(jié)裝置，兩套調(diào)節(jié)裝置在原有開度的基礎(chǔ)上，自動調(diào)節(jié)時達到開度增減相同。

將由兩個調(diào)閥獨立調(diào)節(jié)方式改為使用同一PID統(tǒng)一調(diào)節(jié)方式。即壓力指令統(tǒng)一生成，經(jīng)平衡塊分配至兩臺調(diào)閥的控制方式，并增加兩調(diào)閥開度偏置調(diào)節(jié)功能，兩臺除氧器進汽調(diào)閥指令趨于平衡，避免了大偏差的產(chǎn)生。優(yōu)化方案2邏輯如圖5所示。

圖5 優(yōu)化方案2邏輯

圖5中，邏輯修改為#5、#6除氧器壓力使用同一PID控制，切換到自動控制方式，兩臺除氧器進汽調(diào)閥指令一致，由于閥門存在機械死區(qū)，導(dǎo)致閥門部分位置仍然存在微小的開度偏差，但已不影響整體平衡。系統(tǒng)投用以后，兩側(cè)除氧器壓力基本保持一致，能夠避免除氧器壓水現(xiàn)象發(fā)生，同時可以在任意工況下實現(xiàn)手自動無擾切換，不會發(fā)生閥門指令跳變的現(xiàn)象。

3.2.4 考慮單臺除氧器運行時的策略優(yōu)化

考慮到使用單臺除氧器運行工況，增加了除氧器壓力選擇邏輯。當兩臺除氧器都不選擇時，默認除氧器壓力輸出#5除氧器壓力；當兩臺除氧器都選擇時，除氧器壓力輸出為#5、#6除氧器壓力的平均值；選擇單臺除氧器時，除氧器輸出為對應(yīng)的除氧器壓力。

同時，針對選用兩臺除氧器控制的方式下，增加邏輯：任一調(diào)閥切換到自動方式后，另一調(diào)閥延時5 s自動切換到自動方式；判斷若任一調(diào)閥未在自動方式則所有控制器均切為手動方式。這樣可以避免一側(cè)調(diào)閥手動方式，一側(cè)調(diào)閥自動方式產(chǎn)生閥門指令偏差，進而發(fā)生除氧器壓水現(xiàn)象。

4 控制策略優(yōu)化的投用效果

經(jīng)過對兩臺聯(lián)通除氧器壓力的自動控制策略的不斷優(yōu)化完善，最終成功投入兩臺除氧器壓力自動調(diào)節(jié)，各項參數(shù)均能達到機組運行要求?？刂撇呗詢?yōu)化完善后聯(lián)通除氧器壓力控制運行工況如圖6所示。

圖6 最終優(yōu)化后的除氧器壓力調(diào)節(jié)曲線

整個調(diào)節(jié)過程中#5、#6除氧器壓力偏差保持在0.1MPa以內(nèi)，#5、#6除氧器調(diào)閥閥位偏差始終在2%以內(nèi)，低壓蒸汽母管壓力波動幅度較之前也大幅度減小。出現(xiàn)除氧器壓力擾動時，在整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用下，除氧器壓力能夠快速平穩(wěn)地到達設(shè)定壓力。從曲線變化可以看出，優(yōu)化后的兩臺除氧器的壓力控制系統(tǒng)不僅解決了兩側(cè)壓力調(diào)閥開度偏差大的問題，還能穩(wěn)定控制兩臺除氧器的壓力，同時減小低壓蒸汽母管壓力波動，快速調(diào)節(jié)除氧器壓力，對壓力擾動進行快速調(diào)節(jié)響應(yīng)。

5 結(jié)語

本次聯(lián)通除氧器壓力控制系統(tǒng)的改造，是在原有設(shè)計未考慮聯(lián)通除氧器工藝特點的基礎(chǔ)上，對控制系統(tǒng)進行的改造和優(yōu)化。本次改造借鑒多臺風(fēng)機自動控制的平衡原理將聯(lián)通除氧器視為整體，使用統(tǒng)一的指令協(xié)調(diào)控制各自壓力調(diào)節(jié)單元，避免了不同調(diào)節(jié)單元開度偏差引起的除氧器間壓力不均導(dǎo)致的壓水現(xiàn)象。統(tǒng)一協(xié)調(diào)的指令也大大提高了整個系統(tǒng)的壓力響應(yīng)效率，提升了除氧器間壓力自平衡能力，有效地提升了控制品質(zhì)，保證了除氧器的除氧效果，同時減輕了操作員操作頻率，為機組安全穩(wěn)定運行提供了保障。