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     趙 軍(1968-)男，
     高級工程師，
     大學本科，
     從事電廠自動化技術應用研究。





    摘要：火力發電機組凝結泵變頻改造是電力行業節能降耗的一個技術方向。凝結泵變頻改造對凝結水系統中的自動控制系統影響很大。文章研究對比改造前后的凝結水系統特點,介紹除氧器水位自動控制和凝結器水位自動控制不同方案，并對各方案進行分析對比，介紹了方案的參數調整方法。

　　關鍵詞：自動控制;變頻改造;凝結泵;除氧器水位;凝汽器水位

　　Abstract: The condenser pump frequency conversion revolution of thermal Power generator Units is a technical direction for energy-saving of the power industry.The condenser pump frequency conversion revolution plays a key role in the condensed water system automatic control loop.Performance comparison of the condensed water system before and after revolution is analyzed，The papers also introduces the different control methods for Automatic control of deaerator water level and condenser water level. It also comparative analysis each scheme and the method for adjusting parameter of the scheme.

　　Key words: automatic control;requency conversion revolution;condenser pump;deaerator water level;condenser water level;

　　1 前言

　　國家高度重視能源發展戰略，提出了“十一五”期間單位國內生產總值能源消耗降低20%的目標，電力行業對此配套出臺了“上大壓小、節能減排”等能源政策，國華公司響應國家政策,在各方面展開節能研究。其中大型電機將動力電源的50Hz頻率工作方式改為變化可調頻率工作方式(簡稱工頻改變頻)成為一個研究方向，通過對目前下屬發電企業中變頻器的應用調研和工藝系統的分析，確定對凝結水泵先行執行變頻改造。

　　凝結泵作為凝結水系統中的大型輔機，是凝結水疏水和除氧器上水的動力，還是部分工業水系統和旁路減溫水的水源，凝結泵工頻改變頻后，帶來了一些系統上的問題，以及對原有的凝結水系統的除氧器水位自動調節系統和凝汽器水位自動調節系統造成影響，如何通過自動控制策略的設計優化來解決變頻改造后的問題，是自動化專業研究的一個問題。

　　2 凝結水系統運行原理及變頻改造后的問題

　　機組旁路或汽缸進汽后，排汽進入凝汽器，排汽受到冷卻介質的冷卻而凝結成水，汽體凝結成水后，進入熱水井，熱井布置在管束的下方，熱井下部為凝結水停留區域，為適應真空泵和凝結泵運行，凝結水需要保證一定的水位。凝結水通過二殼體底部出水管引向一個出口流出，經濾網后與凝結水泵入口相連接。

　　凝汽器正常運行時，有兩路進水，主要是低壓缸排汽凝結水，其次是從凝結水補水泵來除鹽水補水，負荷平穩時理想狀態下汽水損失為零，則凝汽器水位穩定，除鹽水補水量為零。機組的汽水工質在實際做功循環過程中損失是較大的，因此需要不停補充除鹽水。負荷大幅度下降時，汽水工質減少，多余的水通過除氧器或凝汽器緊急放水回路疏水到凝結水儲水箱;反之，需要快速大量補水。為提高整個循環的熱經濟性，大型機組均采用補水到凝汽器。采用除氧器上水閥確保除氧器水量，造成的凝汽器水量變化由除鹽水補水閥來保障。

　　大型單元機組通常設計兩臺定速凝結水泵，一運一備，當凝結水母管壓力低時聯動備用泵實現雙泵運行，或者運行泵故障跳閘聯動備用泵。低負荷時除氧器上水不需要太大的給水量，因此為了保證泵的最小流量，設計凝結水泵再循環門到凝汽器，維持泵的最小出力。

　　除氧器是大型火電機組回熱系統中重要輔機之一，它的主要功能是除去凝結水中的氧和二氧化碳等非冷凝氣體;其次除氧器同時又是給水回熱加熱系統中的一個加熱器和儲水器，加熱汽源采用汽機抽汽等將凝結水加熱至除氧器運行壓力下的飽和溫度，當負荷大于一定值時，除氧器進入滑壓階段，因此除氧器上水壓阻是隨時變化的，因此也影響著定速凝結泵的效率。除氧器為鍋爐主給水泵提供水源，因此必須保證一定的水位。

　　進行凝結水系統水量調節時要考慮凝汽器水位和除氧器水位的雙重影響，增加了調節的復雜性[1]。以國華太倉600MW機組為例，凝結水泵配6kV/2000kW電機，設計時還有一定的富裕量，每臺機組配備2臺凝結水泵，1臺運行1臺備用。保證凝結水泵連續、穩定運行是保障發電機組安全、經濟生產的重要環節之一，將定速泵改為變速泵,其經濟性不言而喻。但習慣設計將原來的上水門調水位改為變頻泵調水位,發生故障后又要切回上水門調水位的方式,其方案較復雜。

　　凝結水母管還要為其他系統供水：機側疏水擴容器噴水、小汽輪機排汽減溫，輔助蒸汽減溫器、低壓缸噴水、低壓缸汽封減溫器、主機軸封減溫器、低旁減溫、定子冷卻水補水、閉式水補水、采暖補水、低旁三級減溫、給水泵密封水、真空破壞門密封水、自身密封水等。由此可見維持凝結水母管壓力在某一定值的重要性。

　　3 凝結水系統的自動控制回路

　　3.1 凝汽器水位自動控制系統

　　凝汽器水位控制系統通常選擇單回路調節方案，被控變量選擇凝汽器水位，控制變量選擇除鹽水補水閥，雖然是單回路控制系統，但該閉環控制的品質一直是火力發電廠控制中的一個難點，影響凝汽器水位的主要因素是汽輪機做工結束后的蒸汽凝結水和凝結泵向外的抽水，以及其它輔助系統收集的凝結水疏水等，前兩個擾動是造成水位波動的主要因素。

　　當機組增加負荷時汽輪機首先進汽，隨后除氧器上水閥響應除氧器水位下降而過開，在經過短暫的循環后，系統汽水工質出現短缺，而且這種勢態逐漸擴大直至新的負荷目標值穩定，反映到汽水循環系統中，就是凝汽器水位的下降，因此需要補水系統快速補水，反之，系統在減負荷時，需要快速放水;當負荷穩定時，系統的汽水損失較小，則需要的補水量不大。

　　這兩種工況下，水位對象的通道時間相差較大，因此凝汽器水位控制系統通常設置為變參數控制，但即使如此，補水閥常處于大幅度開關狀態，且由于受變負荷速度和幅度的影響，水位對象的數學模型也不局限為兩種。

　　根據閉環設計原則，當被控對象的τ/T>1.0時，該工藝系統的采用常規控制算法效果很差，需要選擇其它控制方式。而凝汽器水位對象在機組負荷穩定時的特性就是如此，文獻[2]提出的控制方式就是解決負荷穩定時兩個對象的耦合問題。

　　3.2 除氧器水位自動控制系統

　　除氧器水位控制對象的放大系數較凝汽器水位對象要大許多，因此傳統的單回路設計基本上能滿足實際需要，隨著單機容量的擴大，汽水工質增多，因此除氧器水位受主給水流量和凝結水流量擾動更敏感，水位變化快。同時除氧器實行“定壓—滑壓”運行模式,負荷超過20%后，除氧器接受四抽壓力，進行滑壓運行,因此上水壓阻是變化的，上水阻力模型不固定。

　　除氧器上水門共并列設置三道，小負荷上水調整閥、大負荷上水調整閥和電動旁路閥。除氧器上水門與凝結泵構成了又一個給水系統，與過去小機組給水系統一樣，凝結泵維持定速運行不可調整，小負荷上水調整閥、大負荷上水調整閥分段執行上水調整。

　　4 針對新對象建立新的控制方案

　　凝結泵改變頻調速，受變頻器可靠性影響，改造方案通常有三種[3] ：一是一臺工頻一臺變頻;二是從電氣回路改造，變頻模式與工頻模式并列，一旦變頻發生故障立即切換工頻模式，兩臺凝泵均按此方式改造;三是一臺變頻器帶兩臺凝結泵。三種方案在發生運行泵故障或變頻器故障后，均要聯動備用泵啟動，但備用泵聯起后的運行方式，前一種是工頻模式，后一種仍是變頻模式，備用泵聯起執行變頻模式與主給水備用聯起的過程相似，對控制方案的影響不大，備用泵聯啟執行工頻模式則對自動控制影響較大。綜合比較經濟性、維護方便性、安全可靠性等因素，一工一變方式最經濟[4]。因此本文針對一工一變方式對變頻改造后自動調節方案的進行研究。

　　
圖1 凝汽器水位自動控制方案

　　對于凝汽器水位控制系統，由于存在上述描述對象不穩定現象，為了保證其控制品質，老機組的方案常采用變參數方式，但變參數只解決對象模型在幾種較少已知模型的情況下使用，對于凝汽器水位這類對象，由于擾動源的擾動頻率與擾動量的變化連續性，使得凝汽器水位對補水響應的數學模型不能得到準確反映，因此在變頻改造后需要進一步優化其方案，進行變頻改造的機組其服役時限均較長，因此在此推薦一種新的控制策略。

　　如圖1，該方案較常規的控制策略有所區別，控制器入口的偏差：

　　Δ=水位偏差-閥位開度，-X;水位偏差≥2%，水位偏差<2% (1)

　　單回路控制系統在設置凝汽器水位控制器參數時，由于水位響應遲延較大，超調量較大，但也因為對象慣性較大，積分調整時間很長，反映到實際過程中，補水調門大起大落，水位的衰減穩定周期長，調整波峰多，為了解決這個問題，新機組通常采用圖1的方案，其原理是根據水位對象的閥門開度對水位的擾動試驗，閥門開度增量與水位純遲延時間和飛升速度的乘積之間存在線性定量關系也即水位偏差與閥位偏差的定量關系，式中的K值根據此計算所得，控制器比例增益設置為1，積分時間按照常態設置，該方案的控制結果將閥門衰減振蕩波峰縮減為1～2個，補水調門的動作頻率大幅度減少，有效減少了水位的調整振蕩過程，同時改善了被控變量和控制變量的品質。在實際應用中，該方案的水位實時參數與定值之間會存在一個恒差，這是因為實際定值里包含了閥位的初始位置值。此方案的適應對象需具備以下特點：(1) 補充水的動力源恒定。(2) 被控變量可以長期有差，控制精確度要求不大。(3) 被控對象針對其中一類擾動的響應數學模型的通道時間很長。

　　凝結水系統上水到除氧器，傳統設計凝結泵為定速泵，因此上水流量由上水調整門來完成，根據調門控制特性又分為100%調門和30%調門，現行改造將凝結泵改為變速泵后，泵的出力隨流量變化，產生在調門上的節流損失減少。這一過程與主給水系統從小機組到大機組的發展歷史相仿，因此仿照現行主給水自動控制系統的設計，變頻調速凝結泵可以設置為一段式調節或兩段式，一段式方式泵調水位，門調壓力;兩段式方式為泵調壓力，門調水位。兩種方式從調節品質上差別不大，兩段式利于調門前后壓差恒定，調門的調節線性較好，一段式的結果有利于保證凝結水母管壓力全過程中不低于一個正常值。當負荷升高后，調門全開，母管壓力略高于正常值，在節能的同時，簡化了調節方式。兩種調節方式如圖2所示，如果從節能的角度挖潛，兩段式更利于節能，因為泵調壓力，壓力定值隨負荷變化而計算得出;同時，兩段式對于凝結泵一工一變方式切換下，上水門控制方式的改變影響很小，其結構不用變化，只針對上水能力的改變做控制器變參數處理即可，文獻[5]所考慮的兩套自動調節回路切換問題也不存在。這一方式需要看變頻改造后，泵的高負荷段壓力特性是否偏高很多。從現在改造后暴露出來的案例比較，某些機組為了降低高負荷下的節流損失，在高負荷段把30%調門和電動旁路門全部打開來降低門上的節流損失，如果出現此類結果，則建議上水自動改為兩段式調節，能提高節能效果。

　　
圖2 兩種除氧器器水位自動控制策略圖

　　機組大型化后,除氧器水位針對各種擾動的響應特性變得很快，因此簡單的單回路控制方式已不能滿足調節品質，需要采用三沖量或兩沖量控制系統,對于除氧器對象，它的三沖量對象應該是凝結水水量、主給水流量、除氧器水位，但凝結水水量、主給水流量在低負荷時測量準確度較差，如果要保證全程品質需要做類似汽包水位的單三沖量切換。圖2的第一種方案里采用了主汽流量比例微分結果修正水位定值，來克服除氧器水位遲延特性，圖2的第二種方案采用串級方式來提高除氧器水位自動調節品質，這里采用主汽流量實際上是替代了給水流量，因為目前機組中主汽流量通常由計算而來，在低負荷段信號較為穩定。但發生給水泵RB時需要閉鎖該信號的變化。

　　5 其他修改

　　在一工一變的改造方案下，根據變頻泵的工作特點，在變頻泵運行時，取消凝結水母管壓力低聯啟備用泵的保護，工頻泵出口電動門關閉;但在工頻泵運行時，則保留該功能。從安全角度考慮，當泵出口母管壓力低于低Ⅰ值或者高Ⅰ值時，發出“凝結水系統異常”的聲光報警信號，提醒運行人員注意。增加凝結水泵聯鎖投人、變頻器外部跳聯鎖啟動工頻泵的保護。

　　變頻泵增加變頻器報警綜合狀態監視報警和變頻器啟動故障報警，包括故障、報警、就地及控制回路電源消失、未備妥等。為便于事故分析，增加變頻器跳閘、變頻器故障(綜合)SOE報警。為防止變頻泵運行時出口門誤關造成泵的損壞，增加變頻器運行時凝結泵出口門關聯停凝結泵變頻器邏輯。

　　6 結論

　　凝結泵變頻改造后自動控制方案。貫徹節能減排目的，維持凝結水系統母管壓力不低，維持或提高自動調節品質，以上三點是熱控自動設計的指導原則;同時考慮到變頻設備的可靠性，在變頻與工頻方式切換時，方案要有備選。凝結水系統和泵的工作運行特性也是影響方案優選的因素之一。上述幾種方案闡述的各種影響環節和因素，為行業內凝結泵變頻改造時自動控制策略設計提供了一些經驗和指導意見。

　　參考文獻：

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