趙 軍(1968-)男，
     高級(jí)工程師，
     大學(xué)本科，
     從事電廠自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用研究。





    摘要：火力發(fā)電機(jī)組凝結(jié)泵變頻改造是電力行業(yè)節(jié)能降耗的一個(gè)技術(shù)方向。凝結(jié)泵變頻改造對(duì)凝結(jié)水系統(tǒng)中的自動(dòng)控制系統(tǒng)影響很大。文章研究對(duì)比改造前后的凝結(jié)水系統(tǒng)特點(diǎn),介紹除氧器水位自動(dòng)控制和凝結(jié)器水位自動(dòng)控制不同方案，并對(duì)各方案進(jìn)行分析對(duì)比，介紹了方案的參數(shù)調(diào)整方法。

　　關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制;變頻改造;凝結(jié)泵;除氧器水位;凝汽器水位

　　Abstract: The condenser pump frequency conversion revolution of thermal Power generator Units is a technical direction for energy-saving of the power industry.The condenser pump frequency conversion revolution plays a key role in the condensed water system automatic control loop.Performance comparison of the condensed water system before and after revolution is analyzed，The papers also introduces the different control methods for Automatic control of deaerator water level and condenser water level. It also comparative analysis each scheme and the method for adjusting parameter of the scheme.

　　Key words: automatic control;requency conversion revolution;condenser pump;deaerator water level;condenser water level;

　　1 前言

　　國(guó)家高度重視能源發(fā)展戰(zhàn)略，提出了“十一五”期間單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低20%的目標(biāo)，電力行業(yè)對(duì)此配套出臺(tái)了“上大壓小、節(jié)能減排”等能源政策，國(guó)華公司響應(yīng)國(guó)家政策,在各方面展開節(jié)能研究。其中大型電機(jī)將動(dòng)力電源的50Hz頻率工作方式改為變化可調(diào)頻率工作方式(簡(jiǎn)稱工頻改變頻)成為一個(gè)研究方向，通過對(duì)目前下屬發(fā)電企業(yè)中變頻器的應(yīng)用調(diào)研和工藝系統(tǒng)的分析，確定對(duì)凝結(jié)水泵先行執(zhí)行變頻改造。

　　凝結(jié)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，凝結(jié)泵工頻改變頻后，帶來了一些系統(tǒng)上的問題，以及對(duì)原有的凝結(jié)水系統(tǒng)的除氧器水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和凝汽器水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)造成影響，如何通過自動(dòng)控制策略的設(shè)計(jì)優(yōu)化來解決變頻改造后的問題，是自動(dòng)化專業(yè)研究的一個(gè)問題。

　　2 凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行原理及變頻改造后的問題

　　機(jī)組旁路或汽缸進(jìn)汽后，排汽進(jìn)入凝汽器，排汽受到冷卻介質(zhì)的冷卻而凝結(jié)成水，汽體凝結(jié)成水后，進(jìn)入熱水井，熱井布置在管束的下方，熱井下部為凝結(jié)水停留區(qū)域，為適應(yīng)真空泵和凝結(jié)泵運(yùn)行，凝結(jié)水需要保證一定的水位。凝結(jié)水通過二殼體底部出水管引向一個(gè)出口流出，經(jīng)濾網(wǎng)后與凝結(jié)水泵入口相連接。

　　凝汽器正常運(yùn)行時(shí)，有兩路進(jìn)水，主要是低壓缸排汽凝結(jié)水，其次是從凝結(jié)水補(bǔ)水泵來除鹽水補(bǔ)水，負(fù)荷平穩(wěn)時(shí)理想狀態(tài)下汽水損失為零，則凝汽器水位穩(wěn)定，除鹽水補(bǔ)水量為零。機(jī)組的汽水工質(zhì)在實(shí)際做功循環(huán)過程中損失是較大的，因此需要不停補(bǔ)充除鹽水。負(fù)荷大幅度下降時(shí)，汽水工質(zhì)減少，多余的水通過除氧器或凝汽器緊急放水回路疏水到凝結(jié)水儲(chǔ)水箱;反之，需要快速大量補(bǔ)水。為提高整個(gè)循環(huán)的熱經(jīng)濟(jì)性，大型機(jī)組均采用補(bǔ)水到凝汽器。采用除氧器上水閥確保除氧器水量，造成的凝汽器水量變化由除鹽水補(bǔ)水閥來保障。

　　大型單元機(jī)組通常設(shè)計(jì)兩臺(tái)定速凝結(jié)水泵，一運(yùn)一備，當(dāng)凝結(jié)水母管壓力低時(shí)聯(lián)動(dòng)備用泵實(shí)現(xiàn)雙泵運(yùn)行，或者運(yùn)行泵故障跳閘聯(lián)動(dòng)備用泵。低負(fù)荷時(shí)除氧器上水不需要太大的給水量，因此為了保證泵的最小流量，設(shè)計(jì)凝結(jié)水泵再循環(huán)門到凝汽器，維持泵的最小出力。

　　除氧器是大型火電機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)中重要輔機(jī)之一，它的主要功能是除去凝結(jié)水中的氧和二氧化碳等非冷凝氣體;其次除氧器同時(shí)又是給水回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)中的一個(gè)加熱器和儲(chǔ)水器，加熱汽源采用汽機(jī)抽汽等將凝結(jié)水加熱至除氧器運(yùn)行壓力下的飽和溫度，當(dāng)負(fù)荷大于一定值時(shí)，除氧器進(jìn)入滑壓階段，因此除氧器上水壓阻是隨時(shí)變化的，因此也影響著定速凝結(jié)泵的效率。除氧器為鍋爐主給水泵提供水源，因此必須保證一定的水位。

　　進(jìn)行凝結(jié)水系統(tǒng)水量調(diào)節(jié)時(shí)要考慮凝汽器水位和除氧器水位的雙重影響，增加了調(diào)節(jié)的復(fù)雜性[1]。以國(guó)華太倉600MW機(jī)組為例，凝結(jié)水泵配6kV/2000kW電機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)還有一定的富裕量，每臺(tái)機(jī)組配備2臺(tái)凝結(jié)水泵，1臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用。保證凝結(jié)水泵連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行是保障發(fā)電機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，將定速泵改為變速泵,其經(jīng)濟(jì)性不言而喻。但習(xí)慣設(shè)計(jì)將原來的上水門調(diào)水位改為變頻泵調(diào)水位,發(fā)生故障后又要切回上水門調(diào)水位的方式,其方案較復(fù)雜。

　　凝結(jié)水母管還要為其他系統(tǒng)供水：機(jī)側(cè)疏水?dāng)U容器噴水、小汽輪機(jī)排汽減溫，輔助蒸汽減溫器、低壓缸噴水、低壓缸汽封減溫器、主機(jī)軸封減溫器、低旁減溫、定子冷卻水補(bǔ)水、閉式水補(bǔ)水、采暖補(bǔ)水、低旁三級(jí)減溫、給水泵密封水、真空破壞門密封水、自身密封水等。由此可見維持凝結(jié)水母管壓力在某一定值的重要性。

　　3 凝結(jié)水系統(tǒng)的自動(dòng)控制回路

　　3.1 凝汽器水位自動(dòng)控制系統(tǒng)

　　凝汽器水位控制系統(tǒng)通常選擇單回路調(diào)節(jié)方案，被控變量選擇凝汽器水位，控制變量選擇除鹽水補(bǔ)水閥，雖然是單回路控制系統(tǒng)，但該閉環(huán)控制的品質(zhì)一直是火力發(fā)電廠控制中的一個(gè)難點(diǎn)，影響凝汽器水位的主要因素是汽輪機(jī)做工結(jié)束后的蒸汽凝結(jié)水和凝結(jié)泵向外的抽水，以及其它輔助系統(tǒng)收集的凝結(jié)水疏水等，前兩個(gè)擾動(dòng)是造成水位波動(dòng)的主要因素。

　　當(dāng)機(jī)組增加負(fù)荷時(shí)汽輪機(jī)首先進(jìn)汽，隨后除氧器上水閥響應(yīng)除氧器水位下降而過開，在經(jīng)過短暫的循環(huán)后，系統(tǒng)汽水工質(zhì)出現(xiàn)短缺，而且這種勢(shì)態(tài)逐漸擴(kuò)大直至新的負(fù)荷目標(biāo)值穩(wěn)定，反映到汽水循環(huán)系統(tǒng)中，就是凝汽器水位的下降，因此需要補(bǔ)水系統(tǒng)快速補(bǔ)水，反之，系統(tǒng)在減負(fù)荷時(shí)，需要快速放水;當(dāng)負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)的汽水損失較小，則需要的補(bǔ)水量不大。

　　這兩種工況下，水位對(duì)象的通道時(shí)間相差較大，因此凝汽器水位控制系統(tǒng)通常設(shè)置為變參數(shù)控制，但即使如此，補(bǔ)水閥常處于大幅度開關(guān)狀態(tài)，且由于受變負(fù)荷速度和幅度的影響，水位對(duì)象的數(shù)學(xué)模型也不局限為兩種。

　　根據(jù)閉環(huán)設(shè)計(jì)原則，當(dāng)被控對(duì)象的τ/T>1.0時(shí)，該工藝系統(tǒng)的采用常規(guī)控制算法效果很差，需要選擇其它控制方式。而凝汽器水位對(duì)象在機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)的特性就是如此，文獻(xiàn)[2]提出的控制方式就是解決負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)兩個(gè)對(duì)象的耦合問題。

　　3.2 除氧器水位自動(dòng)控制系統(tǒng)

　　除氧器水位控制對(duì)象的放大系數(shù)較凝汽器水位對(duì)象要大許多，因此傳統(tǒng)的單回路設(shè)計(jì)基本上能滿足實(shí)際需要，隨著單機(jī)容量的擴(kuò)大，汽水工質(zhì)增多，因此除氧器水位受主給水流量和凝結(jié)水流量擾動(dòng)更敏感，水位變化快。同時(shí)除氧器實(shí)行“定壓—滑壓”運(yùn)行模式,負(fù)荷超過20%后，除氧器接受四抽壓力，進(jìn)行滑壓運(yùn)行,因此上水壓阻是變化的，上水阻力模型不固定。

　　除氧器上水門共并列設(shè)置三道，小負(fù)荷上水調(diào)整閥、大負(fù)荷上水調(diào)整閥和電動(dòng)旁路閥。除氧器上水門與凝結(jié)泵構(gòu)成了又一個(gè)給水系統(tǒng)，與過去小機(jī)組給水系統(tǒng)一樣，凝結(jié)泵維持定速運(yùn)行不可調(diào)整，小負(fù)荷上水調(diào)整閥、大負(fù)荷上水調(diào)整閥分段執(zhí)行上水調(diào)整。

　　4 針對(duì)新對(duì)象建立新的控制方案

　　凝結(jié)泵改變頻調(diào)速，受變頻器可靠性影響，改造方案通常有三種[3] ：一是一臺(tái)工頻一臺(tái)變頻;二是從電氣回路改造，變頻模式與工頻模式并列，一旦變頻發(fā)生故障立即切換工頻模式，兩臺(tái)凝泵均按此方式改造;三是一臺(tái)變頻器帶兩臺(tái)凝結(jié)泵。三種方案在發(fā)生運(yùn)行泵故障或變頻器故障后，均要聯(lián)動(dòng)備用泵啟動(dòng)，但備用泵聯(lián)起后的運(yùn)行方式，前一種是工頻模式，后一種仍是變頻模式，備用泵聯(lián)起執(zhí)行變頻模式與主給水備用聯(lián)起的過程相似，對(duì)控制方案的影響不大，備用泵聯(lián)啟執(zhí)行工頻模式則對(duì)自動(dòng)控制影響較大。綜合比較經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)方便性、安全可靠性等因素，一工一變方式最經(jīng)濟(jì)[4]。因此本文針對(duì)一工一變方式對(duì)變頻改造后自動(dòng)調(diào)節(jié)方案的進(jìn)行研究。

　　
圖1 凝汽器水位自動(dòng)控制方案

　　對(duì)于凝汽器水位控制系統(tǒng)，由于存在上述描述對(duì)象不穩(wěn)定現(xiàn)象，為了保證其控制品質(zhì)，老機(jī)組的方案常采用變參數(shù)方式，但變參數(shù)只解決對(duì)象模型在幾種較少已知模型的情況下使用，對(duì)于凝汽器水位這類對(duì)象，由于擾動(dòng)源的擾動(dòng)頻率與擾動(dòng)量的變化連續(xù)性，使得凝汽器水位對(duì)補(bǔ)水響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型不能得到準(zhǔn)確反映，因此在變頻改造后需要進(jìn)一步優(yōu)化其方案，進(jìn)行變頻改造的機(jī)組其服役時(shí)限均較長(zhǎng)，因此在此推薦一種新的控制策略。

　　如圖1，該方案較常規(guī)的控制策略有所區(qū)別，控制器入口的偏差：

　　Δ=水位偏差-閥位開度，-X;水位偏差≥2%，水位偏差<2% (1)

　　單回路控制系統(tǒng)在設(shè)置凝汽器水位控制器參數(shù)時(shí)，由于水位響應(yīng)遲延較大，超調(diào)量較大，但也因?yàn)閷?duì)象慣性較大，積分調(diào)整時(shí)間很長(zhǎng)，反映到實(shí)際過程中，補(bǔ)水調(diào)門大起大落，水位的衰減穩(wěn)定周期長(zhǎng)，調(diào)整波峰多，為了解決這個(gè)問題，新機(jī)組通常采用圖1的方案，其原理是根據(jù)水位對(duì)象的閥門開度對(duì)水位的擾動(dòng)試驗(yàn)，閥門開度增量與水位純遲延時(shí)間和飛升速度的乘積之間存在線性定量關(guān)系也即水位偏差與閥位偏差的定量關(guān)系，式中的K值根據(jù)此計(jì)算所得，控制器比例增益設(shè)置為1，積分時(shí)間按照常態(tài)設(shè)置，該方案的控制結(jié)果將閥門衰減振蕩波峰縮減為1～2個(gè)，補(bǔ)水調(diào)門的動(dòng)作頻率大幅度減少，有效減少了水位的調(diào)整振蕩過程，同時(shí)改善了被控變量和控制變量的品質(zhì)。在實(shí)際應(yīng)用中，該方案的水位實(shí)時(shí)參數(shù)與定值之間會(huì)存在一個(gè)恒差，這是因?yàn)閷?shí)際定值里包含了閥位的初始位置值。此方案的適應(yīng)對(duì)象需具備以下特點(diǎn)：(1) 補(bǔ)充水的動(dòng)力源恒定。(2) 被控變量可以長(zhǎng)期有差，控制精確度要求不大。(3) 被控對(duì)象針對(duì)其中一類擾動(dòng)的響應(yīng)數(shù)學(xué)模型的通道時(shí)間很長(zhǎng)。

　　凝結(jié)水系統(tǒng)上水到除氧器，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)凝結(jié)泵為定速泵，因此上水流量由上水調(diào)整門來完成，根據(jù)調(diào)門控制特性又分為100%調(diào)門和30%調(diào)門，現(xiàn)行改造將凝結(jié)泵改為變速泵后，泵的出力隨流量變化，產(chǎn)生在調(diào)門上的節(jié)流損失減少。這一過程與主給水系統(tǒng)從小機(jī)組到大機(jī)組的發(fā)展歷史相仿，因此仿照現(xiàn)行主給水自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，變頻調(diào)速凝結(jié)泵可以設(shè)置為一段式調(diào)節(jié)或兩段式，一段式方式泵調(diào)水位，門調(diào)壓力;兩段式方式為泵調(diào)壓力，門調(diào)水位。兩種方式從調(diào)節(jié)品質(zhì)上差別不大，兩段式利于調(diào)門前后壓差恒定，調(diào)門的調(diào)節(jié)線性較好，一段式的結(jié)果有利于保證凝結(jié)水母管壓力全過程中不低于一個(gè)正常值。當(dāng)負(fù)荷升高后，調(diào)門全開，母管壓力略高于正常值，在節(jié)能的同時(shí)，簡(jiǎn)化了調(diào)節(jié)方式。兩種調(diào)節(jié)方式如圖2所示，如果從節(jié)能的角度挖潛，兩段式更利于節(jié)能，因?yàn)楸谜{(diào)壓力，壓力定值隨負(fù)荷變化而計(jì)算得出;同時(shí)，兩段式對(duì)于凝結(jié)泵一工一變方式切換下，上水門控制方式的改變影響很小，其結(jié)構(gòu)不用變化，只針對(duì)上水能力的改變做控制器變參數(shù)處理即可，文獻(xiàn)[5]所考慮的兩套自動(dòng)調(diào)節(jié)回路切換問題也不存在。這一方式需要看變頻改造后，泵的高負(fù)荷段壓力特性是否偏高很多。從現(xiàn)在改造后暴露出來的案例比較，某些機(jī)組為了降低高負(fù)荷下的節(jié)流損失，在高負(fù)荷段把30%調(diào)門和電動(dòng)旁路門全部打開來降低門上的節(jié)流損失，如果出現(xiàn)此類結(jié)果，則建議上水自動(dòng)改為兩段式調(diào)節(jié)，能提高節(jié)能效果。

　　
圖2 兩種除氧器器水位自動(dòng)控制策略圖

　　機(jī)組大型化后,除氧器水位針對(duì)各種擾動(dòng)的響應(yīng)特性變得很快，因此簡(jiǎn)單的單回路控制方式已不能滿足調(diào)節(jié)品質(zhì)，需要采用三沖量或兩沖量控制系統(tǒng),對(duì)于除氧器對(duì)象，它的三沖量對(duì)象應(yīng)該是凝結(jié)水水量、主給水流量、除氧器水位，但凝結(jié)水水量、主給水流量在低負(fù)荷時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確度較差，如果要保證全程品質(zhì)需要做類似汽包水位的單三沖量切換。圖2的第一種方案里采用了主汽流量比例微分結(jié)果修正水位定值，來克服除氧器水位遲延特性，圖2的第二種方案采用串級(jí)方式來提高除氧器水位自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)，這里采用主汽流量實(shí)際上是替代了給水流量，因?yàn)槟壳皺C(jī)組中主汽流量通常由計(jì)算而來，在低負(fù)荷段信號(hào)較為穩(wěn)定。但發(fā)生給水泵RB時(shí)需要閉鎖該信號(hào)的變化。

　　5 其他修改

　　在一工一變的改造方案下，根據(jù)變頻泵的工作特點(diǎn)，在變頻泵運(yùn)行時(shí)，取消凝結(jié)水母管壓力低聯(lián)啟備用泵的保護(hù)，工頻泵出口電動(dòng)門關(guān)閉;但在工頻泵運(yùn)行時(shí)，則保留該功能。從安全角度考慮，當(dāng)泵出口母管壓力低于低Ⅰ值或者高Ⅰ值時(shí)，發(fā)出“凝結(jié)水系統(tǒng)異常”的聲光報(bào)警信號(hào)，提醒運(yùn)行人員注意。增加凝結(jié)水泵聯(lián)鎖投人、變頻器外部跳聯(lián)鎖啟動(dòng)工頻泵的保護(hù)。

　　變頻泵增加變頻器報(bào)警綜合狀態(tài)監(jiān)視報(bào)警和變頻器啟動(dòng)故障報(bào)警，包括故障、報(bào)警、就地及控制回路電源消失、未備妥等。為便于事故分析，增加變頻器跳閘、變頻器故障(綜合)SOE報(bào)警。為防止變頻泵運(yùn)行時(shí)出口門誤關(guān)造成泵的損壞，增加變頻器運(yùn)行時(shí)凝結(jié)泵出口門關(guān)聯(lián)停凝結(jié)泵變頻器邏輯。

　　6 結(jié)論

　　凝結(jié)泵變頻改造后自動(dòng)控制方案。貫徹節(jié)能減排目的，維持凝結(jié)水系統(tǒng)母管壓力不低，維持或提高自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)，以上三點(diǎn)是熱控自動(dòng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則;同時(shí)考慮到變頻設(shè)備的可靠性，在變頻與工頻方式切換時(shí)，方案要有備選。凝結(jié)水系統(tǒng)和泵的工作運(yùn)行特性也是影響方案優(yōu)選的因素之一。上述幾種方案闡述的各種影響環(huán)節(jié)和因素，為行業(yè)內(nèi)凝結(jié)泵變頻改造時(shí)自動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)提供了一些經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)意見。

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