燃煤火电机组凝结水系统节能安全控制优化实施

2022-06-29王宏纲王念龙花道君

仪器仪表用户 2022年7期

王宏纲，王念龙，花道君

（1. 江苏阚山发电有限公司，江苏徐州 221134；2. 上海明华电力科技有限公司，上海20090）

0 引言

为应对气候变化，实现国内碳达峰和碳中和目标，继续推进新能源产业发展和燃煤发电的节能减排成为必然路径[1]。燃煤火电机组运行经济性受锅炉效率、汽机系统热耗率和厂用电率等多方面影响[2]。在厂用电率方面，锅炉系统六大风机、凝结水泵、循环水泵等6 kV 电力设备成为厂用电“大户”，也是发电机组降低厂用电研究的重点研究和优化对象。

燃煤火电机组凝结水系统通常由凝汽器、凝结水泵、低压回热系统、除氧器系统等设备和系统组成，在机组运行过程中，具有维持给水工质平衡，抽汽回热提升运行经济性和热力除氧等重要作用，对保证燃煤发电机组安全稳定经济运行具有较大影响[3]。凝结水泵作为凝结水系统中的大型辅机，是凝结水疏水和除氧器上水的动力，还是部分工业水系统和旁路减温水的水源。当前大型燃煤发电机组出于节约厂用电考虑，基本设计有凝泵变频系统。其凝结水系统控制通常采用除氧器上水调阀控制除氧器水位或者凝泵变频控制除氧器水位的方式，但普遍存在除氧器上水调阀和凝泵变频协同性较差，无法较好解决运行经济性和安全性协调问题。同时，凝泵变频水位控制方式下还存在除氧器水位控制性能较差，无法适应机组快速负荷变动的灵活性调节需求[4]。

本文以典型600 MW 超超临界燃煤火电机组为研究对象，综合考虑凝结水系统控制经济性、安全性和灵活性调整需求，合理设计凝泵变频和除氧器上水调阀的协同控制策略，在保证凝结水系统安全稳定运行前提下，机组凝结水系统运行经济性和灵活性得到较大提升，可作为燃煤火电机组节能降耗有效手段，助力“双碳”目标的实现。

1 机组概况

1.1 机组凝结水系统概况

以某典型600 MW 超超临界机组为凝结水系统控制优化研究和实施对象，该机组锅炉为哈锅HG-1792/26.14-YM1 型超超临界参数变压运行直流炉；汽轮机为哈汽600 MW 单轴、两缸、两排汽、一次中间再热、凝汽式超超临界汽轮机。凝结水系统配置两台100%容量凝泵，凝泵出水经化学精除盐装置、轴加、主辅调门、#8/#7 一体式加热器、#6 低加、#5 低加至除氧器。凝结水泵型号：NLT500-570×4S 筒袋型立式多级离心泵，采用一拖二型式高压变频器，凝结水系统如图1。

1.2 凝结水系统控制方式

日常运行过程中，上述机组凝结水系统仅具备除氧器水位控制功能，其中除氧器上水主调阀、副调阀和凝泵变频均具备独立的除氧器水位控制功能。投入除氧器水位控制自动后，其他设备只能通过运行人员手动操作。当机组负荷小于240 MW 时，凝泵采用工频转速运行，由除氧器上水主调阀、副调阀控制除氧器水位。负荷大于240 MW时，为提升凝结水系统运行经济性，通常采用凝泵变频水位控制，除氧器主/副调阀手动控制的控制方式。一方面，机组运行工况变化过程中运行人员需频繁操作除氧器上水调阀开度；另一方面，当发生凝泵变频异常切为手动，工频凝泵联启，凝结水压力低等异常工况时，机组凝结水系统保护控制策略欠缺，导致凝结水压力及除氧器水位异常，无法实现凝结水系统安全稳定控制功能。

图1 凝结水系统图Fig.1 The system diagram of condensate system

2 凝结水系统节能安全控制策略

燃煤火电机组凝结水系统主要控制对象有除氧器水位、凝结水压力、凝汽器水位和凝结水流量等。调节机构通常为除氧器上水调阀、凝泵变频、凝汽器补水阀、凝结水再循环阀等设备。凝结水系统上述参数和设备相互耦合和关联，往往一个参数或设备的调节会影响整个凝结水系统的安全经济运行[5]。通过对凝结水系统工质流程梳理和主要被控对象特性试验研究，研究凝结水系统节能安全控制策略。系统实际运行控制中同时兼顾运行经济性和安全性，并解决凝结水系统控制较难适应机组快速负荷变动灵活性调节的控制难题。

2.1 凝结水系统经济控制

影响凝结水系统经济运行因素主要源于除氧器上水调阀的节流损失[6]。传统上水调阀控制除氧器水位控制方式下，通过变频改造，降低凝泵日常运行工况下转速和电耗，同步减少除氧器上水调阀的节流度，提升凝结水系统运行经济性。为进一步降低凝结水系统运行能耗，基于机组当前凝泵变频水位控制系统，设计除氧器上水调阀凝结水压力自动控制回路，其凝结水压力控制定值在不同负荷工况下，按照除氧器上水调阀最大开度工况下对应的凝结水压力设定，并叠加较小的负偏置，实现不同运行工况下除氧器上水调阀始终维持在最经济运行开度，并能够兼顾凝结水系统压力安全稳定控制需求。凝结水系统经济控制方式原理如图2。

2.2 凝结水系统安全控制

图2 凝结水系统经济控制原理图Fig.2 The economic control principle of condensate system

凝结水系统作为机组工质循环的重要组成部分，把凝汽器热井内凝结水加压送到除氧器，并满足机组相关设备的减温水、密封水、冷却水和控制水等供水需求，凝结水系统的安全稳定控制对机组安全运行影响重大[7]。凝结水系统控制主要任务为维持凝结水压力和除氧器水位安全稳定运行在设定范围内。采用上述凝泵变频控制除氧器水位和除氧器上水调阀控制凝结水压力的控制方式，虽能够满足日常凝结水系统控制需求，但对凝泵变频故障，凝结水压力低，除氧器水位波动较大等异常工况控制困难，无法完全保障凝结水系统安全稳定运行[8]。

考虑到除氧器上水调阀的调节快速性和稳定性要优于凝泵变频，设计凝结水系统安全控制策略。当出现凝结水系统运行和控制异常时，将凝结水系统上述经济运行控制方式自动切换至除氧器上水调阀控制除氧器水位方式。同时，切换过程中基于凝泵的运行方式和机组所处负荷工况判断凝结水系统的基础运行状态，将除氧器上水调阀超驰至对应开度，使凝结水安全控制系统快速进入有效控制状态，维持凝结水系统主要参数的安全控制，保证凝结水系统和关联系统的安全稳定运行。

2.3 凝结水系统灵活控制

当前燃煤火电机组面临日益增长的灵活性调节需求，当机组处于快速负荷波动工况下，机组给水流量大幅变化，凝结水系统中凝结水压力、除氧器水位和凝汽器水位容易出现大幅波动，影响机组安全稳定运行[9]。为进一步提升上述凝结水安全经济控制系统的调节性能，适应机组灵活调整需求，针对机组快速灵活调节过程中凝结水系统内外部扰动较大的问题，设计除氧器水位变参数控制、凝结水压力超驰控制和凝结水系统等效水位控制等控制策略，相关控制原理如图4。

图3 凝结水系统安全控制原理图Fig.3 The safe control principle of condensate system

1）除氧器水位变参数控制。基于除氧器水位偏差和机组变负荷速率设定，及机组稳定和变负荷工况判别，采用不同的水位控制参数，适应不同工况下的控制需求，保证除氧器水位始终控制在安全范围内。

2）凝结水压力超驰控制。由于快速负荷工况变动容易造成凝结水压力波动，当前凝泵变频控制除氧器水位和除氧器上水调阀控制凝结水压力的控制方式下，为提升凝结水系统经济性，除氧器上水调阀通常处于全开或较大开度。考虑到除氧器上水调阀大开度行程下流量特性较差，设计凝结水压力超驰控制功能。当凝结水压力低于设定值且下降较快时，将除氧器上水调阀超驰至设定开度，加快凝结水压力的控制速度，提升凝结水压力控制稳定性和安全性。

3）凝结水系统等效水位控制。凝结水系统参数大幅波动工况下，容易导致凝结水工质在凝汽器和除氧器间进行反复转移，导致凝汽器水位大幅波动。当凝汽器水位低于补水设定时，补水调阀会相应开启，对凝结水系统进行补水。如仅是凝结水暂时转移至除氧器而导致凝汽器水位偏低，此时补水容易导致凝结水系统水量偏多，影响凝结水系统安全稳定运行。设计等效水位控制，凝汽器补水基于除氧器和凝汽器加权水位，实现精准补水控制。

3 凝结水系统节能安全控制实施

图4 凝结水系统灵活控制原理图Fig.4 The flexibility control principle of condensate system

以上述600 MW 超超临界机组为试验对象，开展凝结水系统节能安全控制策略的优化实施。该机组除氧器上水副调阀仅在启动过程中参与除氧器水位控制，正常负荷运行工况下维持全关状态，仅除氧器主调阀参与凝结水系统调节。机组在大范围快速变负荷过程中的凝结水系统主要参数控制情况如图5。通过阶跃改变凝结水压力设定值，模拟凝结水压力突然降低异常工况，检验凝结水系统安全稳定控制能力，该试验工况下的凝结水系统主要参数控制曲线如图6。

由图5 和图6 可知，实施凝结水节能安全控制系统后，机组正常投运凝泵变频控制除氧器水位和除氧器上水调阀控制凝结水压力的控制功能。在大范围快速变负荷过程中，机组除氧器水位控制平稳，控制偏差较小，除氧器上水调阀能够满足不同负荷工况下凝结水压力需求，并能够维持在可行的最优经济工况。机组不同负荷工况下的凝结水系统运行经济性优化前后对比见表1。随着机组负荷工况降低，机组凝结水系统节能效果愈加明显。同时，在模拟凝结水压力异常工况下，除氧器上水调阀超驰控制，快速维持凝结水压力和系统安全稳定运行，减少对除氧器水位和凝结水系统用户的扰动影响，较好地实现了凝结水系统安全和经济控制。