联通除氧器压力控制系统优化

王金梁，王 孟

(中国能源建设集团华东电力试验研究院有限公司，浙江 杭州 311200)

0 引言

联通除氧器指的是两台或多台除氧器通过汽平衡母管和水平衡母管相连的除氧器系统[1]，常见于热力发电机组和化工生产领域动力工程项目中的母管制除氧给水系统。在母管制火力发电机组及化工生产领域，对控制系统自动化水平要求不高，目前尚未有一套成熟的控制逻辑与方法应用于联通除氧器压力的控制。控制系统的任务是让两台或多台除氧器压力之间迅速达到平衡，同时这也是整个给水除氧系统稳定运行的关键。本文通过对联通除氧器工艺流程特点的分析，在传统控制方法的基础上，深入研究联通除氧器压力控制优化的关键点与难点，最终成功实现联通除氧器压力快速调节、快速平衡的功能，大大提高调节品质与系统整体稳定性。

1 机组除氧给水系统配置简介

某循环经济煤炭综合利用项目(一阶段工程)动力装置位于其所在城市工业区清水煤化学工业园，本期工程除氧给水系统为动力中心的公用系统，设置2台700 t/h的高压内置式除氧器，除氧器工作压力为0.588 MPa，除氧水箱有效容积为130 m3。同时为保证化工装置变换且未换热时除氧器的进水温度，动力中心设置2台330 t/h的补水加热器，将除盐水加热至125 ℃。

2台除氧器、2台补水加热器的加热蒸汽均来自低压蒸汽母管(1.1 MPa)，加热蒸汽在进入除氧器前设置有调节阀组，以保证除氧器的工作压力。补水加热器疏水通过调节阀组送入高压除氧器。2台除氧器之间设有汽平衡母管和水平衡母管，连排、高压疏扩蒸汽接至除氧器。

动力中心设2台100%容量的电动定速给水泵和1台200%容量的汽动给水泵，3台高压锅炉给水泵的给水均从低压给水母管上引出；给水泵出口的高压给水管道分别接至高压给水冷母管，在冷母管汇总后分别送至本期工程设置的2套高压加热器，在经过高压加热器加热至215 ℃后，直接接至本期工程设置的2台锅炉给水操作台。在高压加热器给水系统中设置给水旁路系统，在高压加热器故障停运时，将通过旁路系统直接供应冷高压给水，从而保证锅炉的稳定运行。

该机组除氧给水系统如图1所示。

图1 机组除氧给水系统

2 除氧器压力的作用及压力自动控制原理

2.1 除氧器压力的作用

除氧器的主要作用是除去锅炉给水中的氧气和其他不凝结气体，以保证给水的品质[2]。若水中溶解氧气，与水接触的金属就会被腐蚀，同时在热交换器中若有气体聚积，将使传热的热阻增加，降低设备的传热效果，直接威胁设备的运行安全。为达到良好的热力除氧效果，必须满足以下条件：

1)有足够的蒸汽将水加热到除氧器压力下的饱和温度；

2)及时排走析出的气体，防止水面的气体分压力增加，影响析出；

3)增大水与蒸汽接触的表面积，增加水与蒸汽接触的时间，蒸汽与水采用逆向流动，以维持足够大的传热面积和足够长的传热、传质时间。

由此可见，通过控制除氧器压力及液位以保证除氧器达到良好的除氧效果对机组的安全运行具有重要作用。

2.2 除氧器压力控制原理

影响除氧器压力变化的主要因素是低压蒸汽母管的进汽量和热除盐水流量。为满足除氧器水位控制要求，热除盐水流量将不断调整，如将除盐水流量作为除氧器压力的控制变量，控制系统很难达到自平衡。所以较为理想的控制手段是通过控制低压蒸汽母管流量来控制除氧器压力。本文采用除氧器进汽压力调阀来控制进入除氧器的蒸汽流量。

除氧器压力信号，即过程值(process value，PV)，数据由除氧器压力变送器实测获得；设定值(set point，SP)是机组运行时除氧器需要达到的压力值，由运行人员在进汽压力调阀操作面板上手动设定[3]。除氧器压力控制器在切换到自动控制方式时，将根据除氧器压力与设定值的偏差，调节除氧器进汽压力调节阀的开度，从而控制压力PV趋于设定值SP变化。

3 除氧器压力自动控制所遇问题及策略优化

原除氧器压力控制逻辑为单比例积分微分(proportion integration differentiation，PID)控制，#5、#6除氧器压力分别由各自进汽压力调阀单独控制，除氧器压力调阀逻辑如图2所示。

图2 除氧器压力调阀逻辑

3.1 所遇问题

1)由于两侧除氧器的加热蒸汽均来自低压蒸汽母管，低压蒸汽管道压力的波动对除氧器进汽的流量有很大影响，而除氧器压力调阀的大幅度调节动作也会对低压蒸汽母管压力稳定造成一定影响[4]。低压蒸汽母管压力调阀控制压力时需要控制调门调节速率。

2)由于本机组#5、#6号除氧器联通使用，初始设置两个调阀的PID参数相同，由于两阀门机械死区不同，#5号除氧器压力调阀死区小于#6号除氧器压力调阀，当两侧除氧器压力调阀均投入自动控制，设定压力相同时，受阀门机械死区的影响，两阀门的开度偏差越来越大，因此两侧进气量不平衡，#5除氧器进气量大于#6除氧器，最终导致#5除氧器向#6除氧器压水。因此需要将两侧调阀开度偏差控制在±3%以内，保持两侧除氧器进汽平衡。

3.2 控制策略优化

3.2.1 低压蒸汽母管压力调节速率优化

针对低压蒸汽母管压力波动大的问题，主要采取的措施是完善低压蒸汽母管压力调节阀PID参数，使低压蒸汽母管压力稳定。其次，调整除氧器压力调节阀PID参数[5]，减小比例作用，以防调阀开度变化大引起低压蒸汽母管压力大幅度波动。

3.2.2 限制两侧压力调阀开度偏差

针对两调阀开度偏差大的问题，在逻辑中增加两调阀开度交叉限制逻辑，当一侧调阀开度比另一侧调阀开度大3%时，限制开；当一侧调阀开度比另一侧调阀开度小3%时，限制关。从而限制两侧调阀开度偏差大的问题。优化方案1逻辑如图3所示。

图3 优化方案1逻辑

逻辑修改投运后，两侧调阀开度受到交叉限制作用，有效控制开度偏差，解决了除氧器压水的隐患，自动效果得到明显改善。但投运过程中仍存在以下问题：

1)两侧调阀指令偏差一直存在，无法消除偏差；

2)由于偏差限制的作用生效时PID仍然在计算，当偏差限制失效时阀门指令输出会出现跳变现象，影响系统平衡，无法稳定调节。

如图4所示为增加交叉限制后的除氧器压力自动投用后的曲线。从曲线变化可以看出在交叉限制作用下两调阀开度偏差可控，但除氧器压力波动较大，控制效果一般。

图4 增加交叉限制后投用曲线

3.2.3 调阀协调动作，统一调节

由于两个除氧器进汽调阀分属两个调节系统，不可避免地产生阀门开度调节偏差，在偏差限制作用下，虽然在两阀门开度偏差扩大的时候起到限制作用，同时也在偏差限制失效时，给系统带来了扰动。因此，要解决这个问题，必须要改变原有的除氧器压力调节控制策略。

因两台除氧器设有压力联通管，因此设置压力设定值基本相同，参考两台引风机控制炉膛负压用到的平衡控制原理，即用一个PID功能块来控制两个调节装置，两套调节装置在原有开度的基础上，自动调节时达到开度增减相同。

将由两个调阀独立调节方式改为使用同一PID统一调节方式。即压力指令统一生成，经平衡块分配至两台调阀的控制方式，并增加两调阀开度偏置调节功能，两台除氧器进汽调阀指令趋于平衡，避免了大偏差的产生。优化方案2逻辑如图5所示。

图5 优化方案2逻辑

图5中，逻辑修改为#5、#6除氧器压力使用同一PID控制，切换到自动控制方式，两台除氧器进汽调阀指令一致，由于阀门存在机械死区，导致阀门部分位置仍然存在微小的开度偏差，但已不影响整体平衡。系统投用以后，两侧除氧器压力基本保持一致，能够避免除氧器压水现象发生，同时可以在任意工况下实现手自动无扰切换，不会发生阀门指令跳变的现象。

3.2.4 考虑单台除氧器运行时的策略优化

考虑到使用单台除氧器运行工况，增加了除氧器压力选择逻辑。当两台除氧器都不选择时，默认除氧器压力输出#5除氧器压力；当两台除氧器都选择时，除氧器压力输出为#5、#6除氧器压力的平均值；选择单台除氧器时，除氧器输出为对应的除氧器压力。

同时，针对选用两台除氧器控制的方式下，增加逻辑：任一调阀切换到自动方式后，另一调阀延时5 s自动切换到自动方式；判断若任一调阀未在自动方式则所有控制器均切为手动方式。这样可以避免一侧调阀手动方式，一侧调阀自动方式产生阀门指令偏差，进而发生除氧器压水现象。

4 控制策略优化的投用效果

经过对两台联通除氧器压力的自动控制策略的不断优化完善，最终成功投入两台除氧器压力自动调节，各项参数均能达到机组运行要求。控制策略优化完善后联通除氧器压力控制运行工况如图6所示。

图6 最终优化后的除氧器压力调节曲线

整个调节过程中#5、#6除氧器压力偏差保持在0.1MPa以内，#5、#6除氧器调阀阀位偏差始终在2%以内，低压蒸汽母管压力波动幅度较之前也大幅度减小。出现除氧器压力扰动时，在整个调节系统的作用下，除氧器压力能够快速平稳地到达设定压力。从曲线变化可以看出，优化后的两台除氧器的压力控制系统不仅解决了两侧压力调阀开度偏差大的问题，还能稳定控制两台除氧器的压力，同时减小低压蒸汽母管压力波动，快速调节除氧器压力，对压力扰动进行快速调节响应。

5 结语

本次联通除氧器压力控制系统的改造，是在原有设计未考虑联通除氧器工艺特点的基础上，对控制系统进行的改造和优化。本次改造借鉴多台风机自动控制的平衡原理将联通除氧器视为整体，使用统一的指令协调控制各自压力调节单元，避免了不同调节单元开度偏差引起的除氧器间压力不均导致的压水现象。统一协调的指令也大大提高了整个系统的压力响应效率，提升了除氧器间压力自平衡能力，有效地提升了控制品质，保证了除氧器的除氧效果，同时减轻了操作员操作频率，为机组安全稳定运行提供了保障。