燃煤火電機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)節(jié)能安全控制優(yōu)化實(shí)施

王宏綱，王念龍，花道君

（1. 江蘇闞山發(fā)電有限公司，江蘇 徐州 221134；2. 上海明華電力科技有限公司，上海20090）

0 引言

為應(yīng)對(duì)氣候變化，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)，繼續(xù)推進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展和燃煤發(fā)電的節(jié)能減排成為必然路徑[1]。燃煤火電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性受鍋爐效率、汽機(jī)系統(tǒng)熱耗率和廠用電率等多方面影響[2]。在廠用電率方面，鍋爐系統(tǒng)六大風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵等6 kV 電力設(shè)備成為廠用電“大戶”，也是發(fā)電機(jī)組降低廠用電研究的重點(diǎn)研究和優(yōu)化對(duì)象。

燃煤火電機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)通常由凝汽器、凝結(jié)水泵、低壓回?zé)嵯到y(tǒng)、除氧器系統(tǒng)等設(shè)備和系統(tǒng)組成，在機(jī)組運(yùn)行過程中，具有維持給水工質(zhì)平衡，抽汽回?zé)崽嵘\(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和熱力除氧等重要作用，對(duì)保證燃煤發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有較大影響[3]。凝結(jié)水泵作為凝結(jié)水系統(tǒng)中的大型輔機(jī)，是凝結(jié)水疏水和除氧器上水的動(dòng)力，還是部分工業(yè)水系統(tǒng)和旁路減溫水的水源。當(dāng)前大型燃煤發(fā)電機(jī)組出于節(jié)約廠用電考慮，基本設(shè)計(jì)有凝泵變頻系統(tǒng)。其凝結(jié)水系統(tǒng)控制通常采用除氧器上水調(diào)閥控制除氧器水位或者凝泵變頻控制除氧器水位的方式，但普遍存在除氧器上水調(diào)閥和凝泵變頻協(xié)同性較差，無法較好解決運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性協(xié)調(diào)問題。同時(shí)，凝泵變頻水位控制方式下還存在除氧器水位控制性能較差，無法適應(yīng)機(jī)組快速負(fù)荷變動(dòng)的靈活性調(diào)節(jié)需求[4]。

本文以典型600 MW 超超臨界燃煤火電機(jī)組為研究對(duì)象，綜合考慮凝結(jié)水系統(tǒng)控制經(jīng)濟(jì)性、安全性和靈活性調(diào)整需求，合理設(shè)計(jì)凝泵變頻和除氧器上水調(diào)閥的協(xié)同控制策略，在保證凝結(jié)水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行前提下，機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和靈活性得到較大提升，可作為燃煤火電機(jī)組節(jié)能降耗有效手段，助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1 機(jī)組概況

1.1 機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)概況

以某典型600 MW 超超臨界機(jī)組為凝結(jié)水系統(tǒng)控制優(yōu)化研究和實(shí)施對(duì)象，該機(jī)組鍋爐為哈鍋HG-1792/26.14-YM1 型超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐；汽輪機(jī)為哈汽600 MW 單軸、兩缸、兩排汽、一次中間再熱、凝汽式超超臨界汽輪機(jī)。凝結(jié)水系統(tǒng)配置兩臺(tái)100%容量凝泵，凝泵出水經(jīng)化學(xué)精除鹽裝置、軸加、主輔調(diào)門、#8/#7 一體式加熱器、#6 低加、#5 低加至除氧器。凝結(jié)水泵型號(hào)：NLT500-570×4S 筒袋型立式多級(jí)離心泵，采用一拖二型式高壓變頻器，凝結(jié)水系統(tǒng)如圖1。

1.2 凝結(jié)水系統(tǒng)控制方式

日常運(yùn)行過程中，上述機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)僅具備除氧器水位控制功能，其中除氧器上水主調(diào)閥、副調(diào)閥和凝泵變頻均具備獨(dú)立的除氧器水位控制功能。投入除氧器水位控制自動(dòng)后，其他設(shè)備只能通過運(yùn)行人員手動(dòng)操作。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷小于240 MW 時(shí)，凝泵采用工頻轉(zhuǎn)速運(yùn)行，由除氧器上水主調(diào)閥、副調(diào)閥控制除氧器水位。負(fù)荷大于240 MW時(shí)，為提升凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，通常采用凝泵變頻水位控制，除氧器主/副調(diào)閥手動(dòng)控制的控制方式。一方面，機(jī)組運(yùn)行工況變化過程中運(yùn)行人員需頻繁操作除氧器上水調(diào)閥開度；另一方面，當(dāng)發(fā)生凝泵變頻異常切為手動(dòng)，工頻凝泵聯(lián)啟，凝結(jié)水壓力低等異常工況時(shí)，機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)保護(hù)控制策略欠缺，導(dǎo)致凝結(jié)水壓力及除氧器水位異常，無法實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制功能。

圖1 凝結(jié)水系統(tǒng)圖Fig.1 The system diagram of condensate system

2 凝結(jié)水系統(tǒng)節(jié)能安全控制策略

燃煤火電機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)主要控制對(duì)象有除氧器水位、凝結(jié)水壓力、凝汽器水位和凝結(jié)水流量等。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通常為除氧器上水調(diào)閥、凝泵變頻、凝汽器補(bǔ)水閥、凝結(jié)水再循環(huán)閥等設(shè)備。凝結(jié)水系統(tǒng)上述參數(shù)和設(shè)備相互耦合和關(guān)聯(lián)，往往一個(gè)參數(shù)或設(shè)備的調(diào)節(jié)會(huì)影響整個(gè)凝結(jié)水系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[5]。通過對(duì)凝結(jié)水系統(tǒng)工質(zhì)流程梳理和主要被控對(duì)象特性試驗(yàn)研究，研究凝結(jié)水系統(tǒng)節(jié)能安全控制策略。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行控制中同時(shí)兼顧運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性，并解決凝結(jié)水系統(tǒng)控制較難適應(yīng)機(jī)組快速負(fù)荷變動(dòng)靈活性調(diào)節(jié)的控制難題。

2.1 凝結(jié)水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)控制

影響凝結(jié)水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行因素主要源于除氧器上水調(diào)閥的節(jié)流損失[6]。傳統(tǒng)上水調(diào)閥控制除氧器水位控制方式下，通過變頻改造，降低凝泵日常運(yùn)行工況下轉(zhuǎn)速和電耗，同步減少除氧器上水調(diào)閥的節(jié)流度，提升凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。為進(jìn)一步降低凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行能耗，基于機(jī)組當(dāng)前凝泵變頻水位控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)除氧器上水調(diào)閥凝結(jié)水壓力自動(dòng)控制回路，其凝結(jié)水壓力控制定值在不同負(fù)荷工況下，按照除氧器上水調(diào)閥最大開度工況下對(duì)應(yīng)的凝結(jié)水壓力設(shè)定，并疊加較小的負(fù)偏置，實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行工況下除氧器上水調(diào)閥始終維持在最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行開度，并能夠兼顧凝結(jié)水系統(tǒng)壓力安全穩(wěn)定控制需求。凝結(jié)水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)控制方式原理如圖2。

2.2 凝結(jié)水系統(tǒng)安全控制

圖2 凝結(jié)水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)控制原理圖Fig.2 The economic control principle of condensate system

凝結(jié)水系統(tǒng)作為機(jī)組工質(zhì)循環(huán)的重要組成部分，把凝汽器熱井內(nèi)凝結(jié)水加壓送到除氧器，并滿足機(jī)組相關(guān)設(shè)備的減溫水、密封水、冷卻水和控制水等供水需求，凝結(jié)水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行影響重大[7]。凝結(jié)水系統(tǒng)控制主要任務(wù)為維持凝結(jié)水壓力和除氧器水位安全穩(wěn)定運(yùn)行在設(shè)定范圍內(nèi)。采用上述凝泵變頻控制除氧器水位和除氧器上水調(diào)閥控制凝結(jié)水壓力的控制方式，雖能夠滿足日常凝結(jié)水系統(tǒng)控制需求，但對(duì)凝泵變頻故障，凝結(jié)水壓力低，除氧器水位波動(dòng)較大等異常工況控制困難，無法完全保障凝結(jié)水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[8]。

考慮到除氧器上水調(diào)閥的調(diào)節(jié)快速性和穩(wěn)定性要優(yōu)于凝泵變頻，設(shè)計(jì)凝結(jié)水系統(tǒng)安全控制策略。當(dāng)出現(xiàn)凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行和控制異常時(shí)，將凝結(jié)水系統(tǒng)上述經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制方式自動(dòng)切換至除氧器上水調(diào)閥控制除氧器水位方式。同時(shí)，切換過程中基于凝泵的運(yùn)行方式和機(jī)組所處負(fù)荷工況判斷凝結(jié)水系統(tǒng)的基礎(chǔ)運(yùn)行狀態(tài)，將除氧器上水調(diào)閥超馳至對(duì)應(yīng)開度，使凝結(jié)水安全控制系統(tǒng)快速進(jìn)入有效控制狀態(tài)，維持凝結(jié)水系統(tǒng)主要參數(shù)的安全控制，保證凝結(jié)水系統(tǒng)和關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 凝結(jié)水系統(tǒng)靈活控制

當(dāng)前燃煤火電機(jī)組面臨日益增長(zhǎng)的靈活性調(diào)節(jié)需求，當(dāng)機(jī)組處于快速負(fù)荷波動(dòng)工況下，機(jī)組給水流量大幅變化，凝結(jié)水系統(tǒng)中凝結(jié)水壓力、除氧器水位和凝汽器水位容易出現(xiàn)大幅波動(dòng)，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行[9]。為進(jìn)一步提升上述凝結(jié)水安全經(jīng)濟(jì)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能，適應(yīng)機(jī)組靈活調(diào)整需求，針對(duì)機(jī)組快速靈活調(diào)節(jié)過程中凝結(jié)水系統(tǒng)內(nèi)外部擾動(dòng)較大的問題，設(shè)計(jì)除氧器水位變參數(shù)控制、凝結(jié)水壓力超馳控制和凝結(jié)水系統(tǒng)等效水位控制等控制策略，相關(guān)控制原理如圖4。

圖3 凝結(jié)水系統(tǒng)安全控制原理圖Fig.3 The safe control principle of condensate system

1）除氧器水位變參數(shù)控制。基于除氧器水位偏差和機(jī)組變負(fù)荷速率設(shè)定，及機(jī)組穩(wěn)定和變負(fù)荷工況判別，采用不同的水位控制參數(shù)，適應(yīng)不同工況下的控制需求，保證除氧器水位始終控制在安全范圍內(nèi)。

2）凝結(jié)水壓力超馳控制。由于快速負(fù)荷工況變動(dòng)容易造成凝結(jié)水壓力波動(dòng)，當(dāng)前凝泵變頻控制除氧器水位和除氧器上水調(diào)閥控制凝結(jié)水壓力的控制方式下，為提升凝結(jié)水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，除氧器上水調(diào)閥通常處于全開或較大開度。考慮到除氧器上水調(diào)閥大開度行程下流量特性較差，設(shè)計(jì)凝結(jié)水壓力超馳控制功能。當(dāng)凝結(jié)水壓力低于設(shè)定值且下降較快時(shí)，將除氧器上水調(diào)閥超馳至設(shè)定開度，加快凝結(jié)水壓力的控制速度，提升凝結(jié)水壓力控制穩(wěn)定性和安全性。

3）凝結(jié)水系統(tǒng)等效水位控制。凝結(jié)水系統(tǒng)參數(shù)大幅波動(dòng)工況下，容易導(dǎo)致凝結(jié)水工質(zhì)在凝汽器和除氧器間進(jìn)行反復(fù)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致凝汽器水位大幅波動(dòng)。當(dāng)凝汽器水位低于補(bǔ)水設(shè)定時(shí)，補(bǔ)水調(diào)閥會(huì)相應(yīng)開啟，對(duì)凝結(jié)水系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水。如僅是凝結(jié)水暫時(shí)轉(zhuǎn)移至除氧器而導(dǎo)致凝汽器水位偏低，此時(shí)補(bǔ)水容易導(dǎo)致凝結(jié)水系統(tǒng)水量偏多，影響凝結(jié)水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)計(jì)等效水位控制，凝汽器補(bǔ)水基于除氧器和凝汽器加權(quán)水位，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)補(bǔ)水控制。

3 凝結(jié)水系統(tǒng)節(jié)能安全控制實(shí)施

圖4 凝結(jié)水系統(tǒng)靈活控制原理圖Fig.4 The flexibility control principle of condensate system

以上述600 MW 超超臨界機(jī)組為試驗(yàn)對(duì)象，開展凝結(jié)水系統(tǒng)節(jié)能安全控制策略的優(yōu)化實(shí)施。該機(jī)組除氧器上水副調(diào)閥僅在啟動(dòng)過程中參與除氧器水位控制，正常負(fù)荷運(yùn)行工況下維持全關(guān)狀態(tài)，僅除氧器主調(diào)閥參與凝結(jié)水系統(tǒng)調(diào)節(jié)。機(jī)組在大范圍快速變負(fù)荷過程中的凝結(jié)水系統(tǒng)主要參數(shù)控制情況如圖5。通過階躍改變凝結(jié)水壓力設(shè)定值，模擬凝結(jié)水壓力突然降低異常工況，檢驗(yàn)?zāi)Y(jié)水系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制能力，該試驗(yàn)工況下的凝結(jié)水系統(tǒng)主要參數(shù)控制曲線如圖6。

由圖5 和圖6 可知，實(shí)施凝結(jié)水節(jié)能安全控制系統(tǒng)后，機(jī)組正常投運(yùn)凝泵變頻控制除氧器水位和除氧器上水調(diào)閥控制凝結(jié)水壓力的控制功能。在大范圍快速變負(fù)荷過程中，機(jī)組除氧器水位控制平穩(wěn)，控制偏差較小，除氧器上水調(diào)閥能夠滿足不同負(fù)荷工況下凝結(jié)水壓力需求，并能夠維持在可行的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)工況。機(jī)組不同負(fù)荷工況下的凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化前后對(duì)比見表1。隨著機(jī)組負(fù)荷工況降低，機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)節(jié)能效果愈加明顯。同時(shí)，在模擬凝結(jié)水壓力異常工況下，除氧器上水調(diào)閥超馳控制，快速維持凝結(jié)水壓力和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，減少對(duì)除氧器水位和凝結(jié)水系統(tǒng)用戶的擾動(dòng)影響，較好地實(shí)現(xiàn)了凝結(jié)水系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)控制。

圖5 凝結(jié)水系統(tǒng)變負(fù)荷工況控制曲線Fig.5 The control curve of condensate system under variable load conditions

圖6 凝結(jié)水系統(tǒng)模擬異常工況控制曲線Fig.6 The control curve of condensate system under simulation abnormal condition

表1 優(yōu)化前后凝結(jié)水系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)對(duì)比Table 1 The main operating parameters' comparison of condensate system between historical conditions and optimized conditions

4 結(jié)論

在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)愿景下，燃煤火電機(jī)組面臨節(jié)能減排和提升調(diào)節(jié)靈活性的雙重要求。凝結(jié)水系統(tǒng)作為燃煤火電機(jī)組工質(zhì)循環(huán)的重要組成部分，其控制運(yùn)行性能影響整個(gè)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)、安全和靈活運(yùn)行性能。

針對(duì)燃煤火電機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行特性，綜合考慮凝結(jié)水系統(tǒng)控制經(jīng)濟(jì)性、安全性和靈活性調(diào)整需求，合理設(shè)計(jì)凝泵變頻和除氧器上水調(diào)閥的協(xié)同控制策略。在保證凝結(jié)水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和靈活性得到較大提升，可作為燃煤火電機(jī)組節(jié)能降耗的有效手段，助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。