基于数据拟合的除氧器汽水系统自启动升温控制策略

谭祥帅，李 昭，辛志波，刘 帅，李长海，牛利涛，郭云飞，高 奎

(西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

在火电厂锅炉给水系统中，除氧器作为关键设备之一，利用启动锅炉供汽或者临机供汽，在机组启动前对锅炉给水加热，依据道尔顿分压定律、亨利定律及传热传质方程等原理，不仅能除去锅炉给水中的溶解氧，而且能除去水中游离的CO2、NH3、H2S等腐蚀性气体，防止热力设备被腐蚀，除氧器安全稳定运行对锅炉给水系统具有极其重要的作用[1-2]。

在机组启动过程中，除氧器的运行存在诸多问题，如除氧器振动、汽水共腾、水位震荡等，其中以除氧器振动最为常见。除氧器振动不仅使锅炉给水处理系统存在运行安全隐患，而且使除氧器投运的不可靠性大幅度提高，同时导致机组启动时间延长，达不到机组整体启动的安全经济性[3-5]。

目前，国内外火电厂对除氧器汽水系统升温过程的控制策略尚未见报道。从火电厂实际运行情况来看，除氧器汽水系统升温过程的控制方法不符合先进控制技术和实时优化控制技术的发展要求[6]。本文基于数据模型的除氧器汽水系统自启动升温技术通过对最优的手动启动过程数据拟合分析，将分析结果转化为实际控制方法，对机组快速安全启动以及节能降耗提高机组经济效益都具有极其重要的意义。同时，该技术为智能发电技术在工程中的实际应用提供了一定的参考。

1 除氧器系统

某电厂除氧器采用型号DFST-1280·160/184 的卧式内置除氧器，该除氧器设计压力为1.35 MPa，设计温度为361 ℃，额定出力为1 280 t/h，有效容积为160 m3，排汽量≤1‰，提升温度（VWO 工况）37.6 ℃，冷态启动中所需的预暖时间90 min。

在机组冷态启动初期，除氧器系统的加热蒸汽来自辅助蒸汽系统。辅助蒸汽系统内蒸汽由启动锅炉系统或其他运行的相邻机组供给，加热蒸汽通过辅汽联箱，依次经过手动截止阀、电动截止阀、蒸汽加热控制阀后进入除氧器，通过蒸汽与除盐水在除氧器内部相混合的加热方式，将除氧器系统容积内的除盐水加热到相应温度，以达到后续锅炉上水的要求。

2 除氧器运行特性控制策略分析

实际运行中，除氧器汽水系统的整体温度具有滞后、时变、非线性等特点。当除氧器完成上水，辅助蒸汽系统或临机供汽系统准备就绪后，在除氧器升温系统手动投入初期，蒸汽加热控制阀打开过快，会使除氧器汽水系统升温速率过快，当温度较高的过热蒸汽与温度较低的除盐水接触时，使得局部的除盐水升温过快而瞬间产生大量汽泡，对除氧器形成热冲击从而导致除氧器振动；当蒸汽加热控制阀打开过慢，加热蒸汽进入除氧器后冷凝所形成的负压区域会产生不同程度振动，并且会延长机组启动时间，影响机组启动的经济性。由于运行调整不当而导致的除氧器振动会严重影响除氧器汽水系统的运行安全，系统长时间振动会造成除氧器内雾化装置掉落，无法雾化则会致使系统内振动更加严重，造成恶性循环，严重影响除氧器汽水系统的正常运行[7-10]。同时在机组启动过程中，除盐水必须通过除氧器热力除氧，并达到锅炉水冷壁上水温度的要求，确保机组在启动投运过程中安全经济稳定运行[11-13]。

在除氧器汽水系统加热升温过程中，蒸汽由辅汽联箱或临机供汽系统通过蒸汽加热控制阀进入除氧器，通过对机组手动冷态启动过程分析得出：因无法准确判断蒸汽加热控制阀的开启速率，常规PID 控制方式不适于除氧器汽水系统自启动升温过程，常需要运行人员手动干预升温过程。但运行人员手动控制无法实现最佳条件下除氧器汽水系统加热升温，升温时间过长必然会造成能量损失与机组启动时间延长，机组启动的整体效率降低[14-15]。

基于上述分析，根据除氧器运行特性要求，采取一种基于时间动态调节除氧器汽水系统温度的控制策略尤为必要。本文采用一种基于数据模型的动态控制方法，在除氧器系统升温初期确保系统处于安全运行范围内，除氧器加热控制阀按照时间、控制阀指令和除氧器汽水系统温度温升率进行动态控制，三者之间的关系则根据历次手动投入除氧器加热时的数据进行分析拟合得出。

在除氧器汽水系统升温过程中，以除氧器汽水系统的温升率作为判别条件，动态调整除氧器汽水系统内除盐水的温升速率，在温升率过快时，保持当前阀门指令等待汽水充分混合，减少除氧器系统升温过程中存在的安全风险。除氧器系统温度升到一定程度且除氧器振动现象消除后，根据锅炉上水温度要求，将蒸汽加热控制阀切换为动态控制，实现除氧器系统在全部自启动升温过程中，温度能快速平稳升高，振动安全可控，提高除氧器汽水系统冷态启动过程中的性能和效率。

3 启动升温过程的数据曲线拟合

通过采用MATLAB(R2019b)对该机组投产以来7 次有效手动除氧器升温启动过程数据分析，分别得到蒸汽加热控制阀开度与除氧器系统汽水温度随时间变化的范围，通过变化范围进行数据分析计算及曲线拟合，分别得到蒸汽加热控制阀开度与除氧器汽水系统温度专家曲线方程。机组启动过程中，除氧器液位由除氧器上水冲洗的相关程序控制，除氧器上水冲洗完成后由凝结水系统自动维持除氧器液位。除氧器汽水系统冷态启动手动升温过程部分数据见表1。

表1 除氧器汽水系统冷态启动手动升温过程部分数据Tab.1 Part data of the manual heating process of steam-water system of the deaerator during cold state start-up

3.1 蒸汽加热控制阀开度数据拟合

蒸汽加热控制阀开度的数据拟合公式为

根据式中系数（95%置信区间），拟合结果的评价参数分别为：误差平方和432.5、线性回归拟合确定系数0.977 0、调整后回归拟合确定系数0.976 8、均方根误差0.854 0。根据这些评价参数可知：曲线拟合度较高，能够反映蒸汽加热控制阀实际的变化过程。蒸汽加热控制阀升温过程数据拟合曲线如图1所示。

图1 蒸汽加热控制阀开度数据拟合曲线Fig.1 Fitting curves of opening degree of the steam heating control valve

3.2 除氧器汽水系统温度数据拟合

除氧器汽水系统实时温度数据拟合公式为

根据式中系数（95%置信区间），拟合结果的评价参数分别为：误差平方和393.8、线性回归拟合确定系数0.998 8、调整后回归拟合确定系数0.998 8、均方根误差0.814 9。根据这些评价参数可知：曲线拟合度较高，能够反映除氧器汽水系统实时温度在机组冷态启动过程中的真实变化过程。除氧器汽水系统升温过程数据拟合曲线如图2所示。

图2 除氧器汽水系统升温过程数据拟合曲线Fig.2 Fitting curves of temperature rise data of the deaerator’s steam-water system

3.3 组合控制算法

在电厂分散控制系统（DCS）中，以式(1)、式(2)为基础，通过对比式(2)中除氧器汽水系统温度 理论值T1与采用式(1)闭环控制时所对应的除氧器汽水系统实时温度T2，采用相应系数对式(1)的控制过程进行实时修正，以达到精准控制除氧器温升率的目的，具体组合控制策略算法如图3所示。

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

4 除氧器汽水系统升温控制策略

图4 为本文除氧器汽水系统自启动升温控制策略逻辑，由图4 可见，该控制策略通过延时脉冲动态控制的思路进行累加计算，得出除氧器蒸汽加热控制阀阀位修正指令，在动态控制的基础上设置除氧器汽水系统温升率判断，当温升率过快时，闭锁除氧器蒸汽加热控制阀修正指令保持当前状态。其中温升率过快的判断依据是除氧器加热投入过程中的升温特性要求，结合升温过程数据拟合曲线。在启动过程中，通过对比除氧器实时参数与启动升温过程数据拟合曲线中偏差值，对蒸汽加热控制阀阀位指令进行偏差修正。

图4 除氧器汽水系统自启动升温控制策略逻辑Fig.4 Logic diagram of the self-starting temperature rising control strategy for steam-water system of the deaerator

5 动态投运过程

将本文除氧器汽水系统自启动升温控制策略逻辑在某电厂进行投运验证，投运过程中除氧器汽水系统辅助蒸汽温度为348.9 ℃，辅助蒸汽压力为1.09 MPa，除氧器液位为2 002 mm，图5 为除氧器汽水系统自启动升温过程变化曲线。

由图5 可见：在除氧器汽水系统自启动升温控制策略投入初期，系统自动控制温升率比启动升温过程数据拟合曲线的温升率更为平缓，能有效降低除氧器冷态启动时汽水冲击所造成振动，提高机组启动运行的安全性；在除氧器汽水系统自启动升温控制策略投入中期，系统自动控制温升率能达到启动升温过程数据拟合曲线的温升率，极大缩短除氧器系统投入所需升温时间，减少机组启动耗时，提高机组启动效率；在除氧器汽水系统自启动升温控制策略投入后期，系统自动控制温升率比启动升温过程数据拟合曲线的温升率更快，能有效配合锅炉上水点火，降低电耗、水耗及煤耗等相关指标，减少机组启动耗时。除氧器汽水系统自启动升温控制策略在满足锅炉给水系统安全运行的同时，减轻了运行人员的工作任务，达到了无人值守的目的。

图5 除氧器汽水系统自启动升温过程变化曲线Fig.5 Dynamic commissioning process of the self-starting temperature rise for steam-water system of the deaerator

当机组在冷态启动方式时，以除氧器汽水系统升温至80 ℃为判断依据，作为满足锅炉水冷壁上水温度要求。对比分析发现，采用启动升温过程数据拟合曲线，投入过程平均调节阀开度指令与启动时间分别为24.55%与279.6 min。而采用除氧器汽水系统自启动升温控制策略，投入过程平均调节阀开度指令与启动时间分别为19.99%与169.0 min。优化后除氧器汽水系统升温至所需温度耗时更短，蒸汽加热控制阀开度更小，整体升温过程更贴近除氧器性能参数。

6 结语

快速安全地实现除氧器汽水系统升温是机组冷态启动过程中锅炉进入冷态冲洗的基准点，本文基于数据拟合分析，提出除氧器汽水系统自启动升温控制策略，在某电厂实际投运后，同比历次机组启动过程相关数据，缩短了机组启动耗时，达到了节能增效及无人值守的目的，杜绝了由于人为操作不当等原因可能造成设备系统运行安全的风险。

基于数据拟合除氧器汽水系统自启动升温控制策略，为同类型机组同类型除氧器汽水系统冷态加热升温的自动启动提供了参考，同时为智能发电技术的发展提供了新的思路，对推动智慧电站的发展有着极其重要的意义。