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【摘要】本文以中电京安生物质能热电联产项目为例，针对该项目凝汽器热井设计过小、凝汽器补水阀设计偏大、除氧器上水调阀和凝结水再循环调阀线性特性差等情况，无法有效控制凝汽器热井水位和除氧器水位的问题，采取了一种新型控制策略，较好的解决了生物质能热电联产项目小容量热井水位和除氧器水位自动控制的问题。
关键词：生物质能热电联产 小容量热井水位和除氧器水位联合控制 新型控制策略
0. 引言
在热电联产机组中，除氧器和凝汽器热井是整个单元机组给水加热系统中的缓冲环节，其水位是机组运行需监控的几个最重要的参数之一，水位过高或过低都会影响机组的安全经济运行，适当的控制策略和相应的参数整定是实现水位控制的保障。
1. 中电京安生物质能发电项目除氧器和凝汽器热井水位控制存在的问题
中电京安生物质能发电项目除氧器、凝汽器热井、凝结水泵等系统结构如图1所示。该项目凝汽器热井设计容量为额定负荷下3分钟的主蒸汽流量，设计主蒸汽流量为120t/h，计算得热井容量约为6t;除盐水泵流量设计为10t/h;除氧器设计50t。
1.1 除氧器水位控制存在的问题：
此工程项目中除氧器上水调门选型偏大且线性较差，除氧器水位对水位调节阀的响应较慢。如除氧器水位高时其水调节门将关小，当调节门关到20%时，除氧器水位尚未有明显变化时，热井水位却已经迅速增高至危险值。且如果对调门进行限幅，当机组出现负荷变动时，自动的抗扰动性就会减弱，无法进行有效调节。
1.2 凝汽器热井水位控制存在的问题：
此工程项目凝补水泵采用了工频运行设计，且凝补水调门设计过大且线性较差，阀门开度在40%时已达到最大补水量，开度太小又会造成凝补水泵憋压运行，在实际运行中通过凝补水调门无法有效控制补水量。
该项目在调试过程中采用了通过凝结水泵至除氧器补水门和凝结水再循环调阀来控制热井水位，热井水位高时除氧器补水阀门开大，热井水位低时除氧器补水阀门关小。在投入自动过程中，发现此调门开度在50%的时候，凝结水流量已经到达最大值，而且当调门开度变化幅度超过4%时，凝结水流量才会有变化，而且这个变化是一个突变。这就直接造成了PID控制器出现超调的现象，容易造成热井水位的大幅度波动，不能进行有效的自动调节。[2]
1.3 改造前除氧器水位和凝汽器热井水位控制方式：
本项目改造前，运行人员通过手动控制除氧器水位和热井水位。当除氧器水位低时，通过减小凝结水再循环调阀和增大上水门开度来增大除氧器上水量，同时启动凝补水泵给凝汽器热井补水，因为热井设计较小，热井水位下降较快，控制不好极易造成凝泵汽蚀。当除氧器水位较高时，通过开大凝结水再循环调阀和减小上水门开度来减少除氧器上水量，此时热井水位会上升较快，控制不好就会超过热井设计上限，给机组安全运行带来隐患。
2. 除氧器、凝汽器热井水位控制策略的优化
结合除氧器和凝汽器热井结构特点，考虑到凝汽器热井设计较小，对进入热井的水量容忍度较小，而除氧器设计较大，对进入除氧器的水量容忍度较大。基于该理念，控制策略设计要优先考虑凝汽器热井水位控制。
该控制策略中，我们把凝汽器热井和除氧器看作是一个容器的上下部分，控制的目标是首先保证热井水位平稳，其次保障除氧器水位相对平稳。当除氧器水位较低时，启动凝补水泵给热井补水，补充的水量通过变频凝泵给到除氧器，使除氧器液位升高;当除氧器水位较高时，停止凝补水泵补水，同时调整凝泵频率使热井水位保持稳定，随着机组水量的蒸发及损耗，在维持热井水位稳定时，除氧器水位会逐渐减低。除氧器水位较低时，再次开始本循环。该控制策略可保持热井水位平稳，除氧器水位在设定高液位和低液位间稳定运行。在此过程中首先要对凝结水泵进行由工频到变频的改造，改造过程不再赘述。在该控制策略中，凝结水再循环调阀、凝补水调阀可不参与水位控制。
由于生物质能锅炉燃烧的不稳定性，导致负荷变化较为剧烈，汽轮机排汽量会随负荷的变化而波动。凝泵在PID调节时要优先考虑排汽量的变化对凝结水泵变频控制的影响。
3. 基于新型控制策略的除氧器和热井水位控制
3.1 基于新型控制策略的热井水位控制方案
鉴于上述控制策略，我们优先保障凝汽器热井水位调节。在机组正常运行时低加疏水和抽汽管路疏水可以不考虑，汽轮机排汽和凝结水补水是影响热井水位变化的主要因素。
本方案采用凝泵变频调节热井水位，由于热井设计较小，凝汽器排汽量对热井水位影响较大，热井水位对主蒸汽流量变化比较敏感，故采用主蒸汽流量作为热井水位调节前馈，加快负荷变化时PID反应速度。
热井水位控制采取串级PID控制，主调调节热井水位，副调调节凝结水流量。经反复整定，PID调节能平稳运行，稳态运行时热井实际水位与设定值偏差在正负10mm波动，自动控制效果较好，满足机组长期稳定安全运行需要。
3.2除氧器水位控制方案
热井水位控制投自动运行后，除氧器水位已很平稳，热井水位在正负10mm波动时除氧器水位基本不变。随着机组水量的蒸发及损耗，除氧器水位会缓慢下降，在除氧器和热井水位联合控制策略中，我们设定除氧器水位从1650mm降至1450mm时联锁启动除盐水泵给凝汽器热井补水，热井水位自动控制下补进来的水量会迅速转移到除氧器中，热井水位保持基本不变，除氧器水位会缓慢升高。除氧器水位达到1650mm后联锁停止除盐水泵，除氧器水位随后又开始缓慢降低，重复上述循环过程。
凝补水调门开或关时热井水位变化正负50mm，随后能迅速调整回设定值附近，因此不再在热井水位控制PID中参与前馈调节。
3.3凝泵出口母管压力控制方案
为保障除氧器正常上水，我们采用除氧器上水调门调节凝结水母管压力，再次不再赘述。
4. 除氧器和热井水位控制效果及效益
热井水位、除氧器水位和凝结水母管压力投自动运行后控制效果较好，热井水位控制较为理想，凝结水母管压力控制满足除氧器上水需求，除氧器水位在1450-1650mm缓慢变化，除盐水补水泵基本上一小时左右启动一次，每次补水40分钟左右。
相较于该项目以前的运行方式，自动控制投入后汽机侧运行人员已实现无操作、全程监视的目标，大大减少了运行人员的工作量和劳动强度。该控制方式对小容量热井水位和除氧器水位的控制具有极大的指导意义，具有较强的推广价值。
参考文献：
1.叶以沫.生物质锅炉自动化控制技术的应用与分析 BEER TECH 2013（08）
2.中电京安项目自动调试报告 山东电力建设第二工程公司调试所2017.09
3.王光辉.除氧器水位及凝汽器热井水位的控制策略 冶金動力 2015（11）
关键词：生物质能热电联产 小容量热井水位和除氧器水位联合控制 新型控制策略
0. 引言
在热电联产机组中，除氧器和凝汽器热井是整个单元机组给水加热系统中的缓冲环节，其水位是机组运行需监控的几个最重要的参数之一，水位过高或过低都会影响机组的安全经济运行，适当的控制策略和相应的参数整定是实现水位控制的保障。
1. 中电京安生物质能发电项目除氧器和凝汽器热井水位控制存在的问题
中电京安生物质能发电项目除氧器、凝汽器热井、凝结水泵等系统结构如图1所示。该项目凝汽器热井设计容量为额定负荷下3分钟的主蒸汽流量，设计主蒸汽流量为120t/h，计算得热井容量约为6t;除盐水泵流量设计为10t/h;除氧器设计50t。
1.1 除氧器水位控制存在的问题：
此工程项目中除氧器上水调门选型偏大且线性较差，除氧器水位对水位调节阀的响应较慢。如除氧器水位高时其水调节门将关小，当调节门关到20%时，除氧器水位尚未有明显变化时，热井水位却已经迅速增高至危险值。且如果对调门进行限幅，当机组出现负荷变动时，自动的抗扰动性就会减弱，无法进行有效调节。
1.2 凝汽器热井水位控制存在的问题：
此工程项目凝补水泵采用了工频运行设计，且凝补水调门设计过大且线性较差，阀门开度在40%时已达到最大补水量，开度太小又会造成凝补水泵憋压运行，在实际运行中通过凝补水调门无法有效控制补水量。
该项目在调试过程中采用了通过凝结水泵至除氧器补水门和凝结水再循环调阀来控制热井水位，热井水位高时除氧器补水阀门开大，热井水位低时除氧器补水阀门关小。在投入自动过程中，发现此调门开度在50%的时候，凝结水流量已经到达最大值，而且当调门开度变化幅度超过4%时，凝结水流量才会有变化，而且这个变化是一个突变。这就直接造成了PID控制器出现超调的现象，容易造成热井水位的大幅度波动，不能进行有效的自动调节。[2]
1.3 改造前除氧器水位和凝汽器热井水位控制方式：
本项目改造前，运行人员通过手动控制除氧器水位和热井水位。当除氧器水位低时，通过减小凝结水再循环调阀和增大上水门开度来增大除氧器上水量，同时启动凝补水泵给凝汽器热井补水，因为热井设计较小，热井水位下降较快，控制不好极易造成凝泵汽蚀。当除氧器水位较高时，通过开大凝结水再循环调阀和减小上水门开度来减少除氧器上水量，此时热井水位会上升较快，控制不好就会超过热井设计上限，给机组安全运行带来隐患。
2. 除氧器、凝汽器热井水位控制策略的优化
结合除氧器和凝汽器热井结构特点，考虑到凝汽器热井设计较小，对进入热井的水量容忍度较小，而除氧器设计较大，对进入除氧器的水量容忍度较大。基于该理念，控制策略设计要优先考虑凝汽器热井水位控制。
该控制策略中，我们把凝汽器热井和除氧器看作是一个容器的上下部分，控制的目标是首先保证热井水位平稳，其次保障除氧器水位相对平稳。当除氧器水位较低时，启动凝补水泵给热井补水，补充的水量通过变频凝泵给到除氧器，使除氧器液位升高;当除氧器水位较高时，停止凝补水泵补水，同时调整凝泵频率使热井水位保持稳定，随着机组水量的蒸发及损耗，在维持热井水位稳定时，除氧器水位会逐渐减低。除氧器水位较低时，再次开始本循环。该控制策略可保持热井水位平稳，除氧器水位在设定高液位和低液位间稳定运行。在此过程中首先要对凝结水泵进行由工频到变频的改造，改造过程不再赘述。在该控制策略中，凝结水再循环调阀、凝补水调阀可不参与水位控制。
由于生物质能锅炉燃烧的不稳定性，导致负荷变化较为剧烈，汽轮机排汽量会随负荷的变化而波动。凝泵在PID调节时要优先考虑排汽量的变化对凝结水泵变频控制的影响。
3. 基于新型控制策略的除氧器和热井水位控制
3.1 基于新型控制策略的热井水位控制方案
鉴于上述控制策略，我们优先保障凝汽器热井水位调节。在机组正常运行时低加疏水和抽汽管路疏水可以不考虑，汽轮机排汽和凝结水补水是影响热井水位变化的主要因素。
本方案采用凝泵变频调节热井水位，由于热井设计较小，凝汽器排汽量对热井水位影响较大，热井水位对主蒸汽流量变化比较敏感，故采用主蒸汽流量作为热井水位调节前馈，加快负荷变化时PID反应速度。
热井水位控制采取串级PID控制，主调调节热井水位，副调调节凝结水流量。经反复整定，PID调节能平稳运行，稳态运行时热井实际水位与设定值偏差在正负10mm波动，自动控制效果较好，满足机组长期稳定安全运行需要。
3.2除氧器水位控制方案
热井水位控制投自动运行后，除氧器水位已很平稳，热井水位在正负10mm波动时除氧器水位基本不变。随着机组水量的蒸发及损耗，除氧器水位会缓慢下降，在除氧器和热井水位联合控制策略中，我们设定除氧器水位从1650mm降至1450mm时联锁启动除盐水泵给凝汽器热井补水，热井水位自动控制下补进来的水量会迅速转移到除氧器中，热井水位保持基本不变，除氧器水位会缓慢升高。除氧器水位达到1650mm后联锁停止除盐水泵，除氧器水位随后又开始缓慢降低，重复上述循环过程。
凝补水调门开或关时热井水位变化正负50mm，随后能迅速调整回设定值附近，因此不再在热井水位控制PID中参与前馈调节。
3.3凝泵出口母管压力控制方案
为保障除氧器正常上水，我们采用除氧器上水调门调节凝结水母管压力，再次不再赘述。
4. 除氧器和热井水位控制效果及效益
热井水位、除氧器水位和凝结水母管压力投自动运行后控制效果较好，热井水位控制较为理想，凝结水母管压力控制满足除氧器上水需求，除氧器水位在1450-1650mm缓慢变化，除盐水补水泵基本上一小时左右启动一次，每次补水40分钟左右。
相较于该项目以前的运行方式，自动控制投入后汽机侧运行人员已实现无操作、全程监视的目标，大大减少了运行人员的工作量和劳动强度。该控制方式对小容量热井水位和除氧器水位的控制具有极大的指导意义，具有较强的推广价值。
参考文献：
1.叶以沫.生物质锅炉自动化控制技术的应用与分析 BEER TECH 2013（08）
2.中电京安项目自动调试报告 山东电力建设第二工程公司调试所2017.09
3.王光辉.除氧器水位及凝汽器热井水位的控制策略 冶金動力 2015（11）