除氧器水位及凝汽器热井水位的控制策略

王光辉

1 前言

热电机组系统内，凝汽器及除氧器承担机组低压汽缸排除的蒸汽回收、蒸汽冷凝、凝结水补给、凝结水加热与除氧的任务。其中，凝汽器热井是整个机组唯一补给凝结水的容器；除氧器是整个单元机组给水加热系统中唯一的缓冲环节。除氧器与凝汽器热井水位是机组运行需监控的几个最重要的参数之一。因此，精准且快速地控制除氧器与凝汽器热井水位对单元机组的正常运行是必须的，先进的控制策略和相应的精确控制参数是实现除氧器与凝汽器热井水位正常的保证。

2 通用的除氧器水位及凝汽器热井水位控制方案介绍

2.1 普通的除氧器水位控制方案

除氧器水位是通过控制除氧器入口调节阀或凝结水泵的转速，直接改变进入除氧器的凝结水流量实现的。以往的除氧器水位控制模式，采用的是单冲量和串级三冲量相结合的控制方案。

除氧器水位控制系统原理说明：以DEA1_PID和DEA2_PID为核心组成串级三冲量控制系统，DEA1_PID是主调器，DEA2_PID是副调器；以DEA3_PID为核心组成单冲量控制系统，所有的PID均全程工作在CloseLoop模式，外配置一个三冲量、单冲量切换功能块DEA_SW完成三冲量、单冲量自动选择或直接切换到手动模式。除氧器水位（三选中）是主信号，该信号与运行人员设置的水位定值信号的偏差，分别送到单冲量和串级三冲量主调器的入口，给水流量和凝结水流量是系统的辅助信号：给水流量为除氧器的所有流出量的总和，为省煤器入口给水流量与过热器一、二级喷水流量之和；凝结水流量是除氧器的流入量。在三冲量模式下，主调器DEA1_PID接受除氧器水位设定值与检测值（三选中）的偏差信号，经比例积分PI运算后的输出与给水流量的前馈量之和，减去凝结水流量，其偏差值送至副调器DEA2_PID，副调器的输出去控制除氧器入口的凝结水流量调节阀开度，作用于凝结水流量的改变以稳定除氧器水位；在单冲量模式下，DEA3_PID直接根据水位的偏差信号控制凝结水流量以调节除氧器的水位。

三冲量与单冲量模式的切换逻辑（以300 MW机组为例）是：

a、当凝结水流量<200T/H，为单冲量模式；

b、当凝结水流量>300T/H，为串级三冲量模式；

c、当200 t/h<凝结水流量<300 t/h，维持当前的控制模式不变

除氧器水位控制系统原理图如图1所示。

图1 除氧器水位控制系统原理图

2.2 普通的凝汽器热井水位控制方案

凝汽器水位是通过控制凝汽器补给水调节阀直接改变补给到凝汽器的凝结水流量实现的。以往的凝汽器水位控制模式，采用的是一个单回路的控制方案。

凝汽器热井水位控制系统原理(见图2)说明：凝汽器热井水位（三选中）与运行人员的水位设定值的偏差信号，送至CND_PID调节器入口，经PI运算后，直接控制热井补水门的开度，改变补给到热井的凝结水流入量，稳定热井水位。

2.3 普通的除氧器及凝汽器热井水位控制方式的不足

图2 凝汽器热井水位控制系统原理图

在通用的除氧器和凝汽器水位控制策略中，除氧器的水位控制策略与汽包水位控制类似，采用单冲量和串级三冲量相结合的控制方案；而凝汽器热井水位控制系统是一个简单的单回路控制系统，并且两个控制系统没有作解耦运算处理。在实际的现场运行过程中，频繁出现水位超高/超低的报警，凝汽器水位过高，将直接影响凝汽器的真空，严重时将导致汽轮机低压缸进水，凝汽器热井水位过低，也将危及凝结水泵的安全运行和整个热力系统的水循环；除氧器水位过高，影响凝结水的除氧效果，除氧器水位过低又将危及给水泵的安全运行，并且上述的控制方案无法实现全程水位CloseLoop模式，主要的设计缺陷如下：

a、除氧器的截面容积与凝结水瞬时入口流量的比值过大，改变凝结水流量后至PID检测到的偏差开始变化存在较大的滞后，除氧器水位的偏差恢复到正常值的过程中，除氧器水位存在振荡的可能性；

b、同样的问题也存在与凝汽器热井水位的控制中，凝汽器的截面容积与其补水瞬时流量比值过大，改变其补水流量后至PID检测到的偏差变化存在非常大的滞后，而且影响凝汽器热井水位变化的因素太多，包括：机组负荷、除氧器水位目标预期值、凝汽器水位目标预期值、除氧器补给水的流量、凝汽器补给水的流量等因素，一个单回路控制模式是无法正常工作在全程凝汽器水位CloseLoop模式，并且导致凝汽器热井水位的偏差恢复到正常值的过程中，凝汽器热井水位存在振荡的可能性。

3 全新的除氧器水位、凝汽器热井水位控制系统策略

针对上述的除氧器、凝汽器水位控制系统的不足，通过分析除氧器、凝汽器在机组中所承担的任务和设备工艺特性，我们开发了全新的控制策略，以便满足机组全工况运行过程中，除氧器、凝汽器水位的调节模式均工作在CloseLoop模式（闭环），同步也可以相应地简化两个控制系统组态逻辑及控制参数的整定。

3.1 形成相应控制策略的理论基础

a)机组运行过程中负荷增加时，凝补水系统工作介质第一反应为低压缸来蒸汽增加，凝汽器热井水位的升高，负荷增加延后一段时间，汽包水位开始下降而加大给水泵的出力，增加汽包给水，除氧器水位下降，除氧器入口的凝结水阀加大开度，增加凝结水量，稳定除氧器水位，凝汽器水位下降。如果机组定压运行，热井水位恢复，保持相对稳定；如果机组滑压运行，蒸汽管道内的蒸汽量存续增加，热井水位的设定值须升高，满足机组对凝结水的总量增加的需求预期，才可以保持热井水位相对稳定；

b)机组运行过程中负荷降低时，凝补水系统工作介质第一反应为低压缸来蒸汽减少，凝汽器热井水位的下降，负荷降低延后一段时间，汽包水位升高而降低给水泵的出力，减少汽包给水，除氧器水位上升，除氧器入口的凝结水阀减小开度，降低凝结水量，稳定除氧器水位，凝汽器水位上升如果机组定压运行，热井水位恢复，保持相对稳定；如果机组滑压运行，由于机组蒸汽管道内的蒸汽量存续降低，热井水位的设定值须下降，满足机组对凝结水的总量减少的需求预期，才可以保持热井水位相对稳定；

3.2 全新控制策略的形成

影响除氧器水位变化的因素有入口凝结水流量和除氧器出口的给水流量，影响凝汽器热井水位变化的因素有低压缸来蒸汽（机组负荷）、除氧器入口的凝结水流量和凝汽器补给水流量（代表运行过程凝结水的损耗而需要及时补给量），再加上凝汽器热井水位设定值（代表预期的机组工作介质总量变化）、除氧器水位设定值（代表预期的机组运行过程中对主给水量变化），机组运行过程中所有上述介质的变化都存在关联的。我们通过机组运行过程工作介质的动态描述，可以看出，在单元机组运行过程中，所有给水的补给均来自凝结水补水，凝结水的水-汽-水的汽液态的变化过程中，剔除凝结水的机组做功的正常损耗，只要没有改变热井水位设定值，整个机组的凝结水量应该是平衡的，凝结水理论上是不存在额外的增补需求的。并且除氧器水位设定值、凝汽器热井水位设定值之间需要耦合，做到同步响应，才可能及时消除传统的三冲量、单冲量模式（除氧器水位）、单回路控制模式（凝汽器热井水位）中控制动作的滞后和过调的现象。

通过上述的分析，我们设计了全新的控制策略，基于凝汽器与除氧器的耦合特性，将热井和除氧器虚拟为一个大的“容器”，并且“容器”分成上下2格，分别表示凝汽器水位和除氧器水位；通过凝汽器热井水位调节阀控制“容器”的总水位（除氧器水位+热井水位），通过控制调节除氧器主水位调节阀、除氧器副水位调节阀来达到控制“容器”上下2格之间的水位差(除氧器水位-热井水位)。

3.3 相应的控制系统原理说明

参见图3。

（1）除氧器水位调节与凝汽器水位调节看作一个“容器”的两个设备，两个PID同步投/切CloseLoop模式；

（2）将除氧器水位设定DEA_SP乘以除氧器面积系数DEA_SK与凝汽器水位CND_SP设定之和作为凝汽器水位调节CND_PID的设定；

图3 除氧器/凝汽器水位控制

（3）将凝汽器水位CND_SP设定乘以凝汽器面积系数CND_SK与除氧器水位设定DEA_SP之差作为除氧器水位调节DEA_PID的设定；

（4）将除氧器水位DEA_L乘以除氧器面积系数DEA_SK与凝汽器水位CND_L之和作为凝汽器水位调节CND_PID的测量值；

（5）将凝汽器水位DEA_L乘以凝汽器面积系数CND_SK与除氧器水位DEA_L之差作为除氧器水位调节DEA_PID的测量值；

（6）除氧器主水位调节阀、除氧器副水位调节阀同时接受除氧器水位的动作指令，但设计了动作的顺序：当副阀的阀位≯86%，主阀的增加动作闭锁；当主阀的阀位＞3%，副阀的减小动作闭锁；

相应的控制策略如除氧器、凝汽器水位一体化控制图。

图3 除氧器、凝汽器水位一体化控制图

3.4 除氧器水位与凝汽器水位调节控制系统回路中的相应的逻辑保护

(1)除氧器水位DEA_PID或凝汽器热井水位CND_PID如果存在投CloseLoop模式的动作，将自动地将凝汽器热井水位CND_PID或除氧器水位DEA_PID投入CloseLoop模式；

(2)除氧器水位DEA_PID或凝汽器热井水位CND_PID如果存在切CloseLoop模式的动作，将自动地将凝汽器热井水位CND_PID或除氧器水位DEA_PID切至OpenLoop模式；

(3)除氧器水位或凝汽器水位信号质量码如果有存在“坏值”判断码，将同步切除控制器DEA_PID、CND_PID至OpenLoop模式；

(4)除氧器水位DEA_PID及凝汽器热井水位CND_PID的过程控制保护中，当控制目标值SP与测量值PV偏差过大时，采用闭锁相应PID增加/减少的方式，闭锁阀门向更加恶劣的方向动作，来保护水位调节器的输出方向，不设计切除CloseLoop模式的动作命令。

4 优化后的控制系统的实际运行效果

通过100多套运行的300 MW以上机组的实践，采用我们提出和整定参数的除氧器水位&凝汽器热井水位一体化控制策略，可以完全实现机组运行过程中除氧器、凝汽器热井水位的全程自动，完全可以适应机组负荷的快速变化和频繁变化，除氧器和凝汽器热井水位在3个动作周期内均可以达到平衡，没有出现振荡的情况，运行效果优良。