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    火力發(fā)電廠新型串級前饋自動加氧系統(tǒng)的改造與應(yīng)用

    2018-07-11 11:59:58謝宙樺董勇衛(wèi)吳再燦張劍民
    浙江電力 2018年6期
    關(guān)鍵詞:除氧器溶氧凝結(jié)水

    戴 旭,謝宙樺,董勇衛(wèi),吳再燦,張劍民

    (1.華能國際電力股份有限公司長興電廠,浙江 長興 313105;2.西安熱工研究院有限公司,西安 710032)

    0 引言

    OT(給水加氧處理)技術(shù)可以減少鍋爐內(nèi)部沉積物,降低腐蝕損壞,同時降低鍋爐的清洗頻率,延長凝結(jié)水凈化裝置的運行周期,還可以解決直流爐爐管以及加熱器壓降快速升高等問題。目前,雖然OT技術(shù)應(yīng)用廣泛[1-2],但是由于加氧設(shè)備的局限性和控制技術(shù)的不完善,使得加氧過程的控制不理想,運行過程中過分依靠人工維護和干預(yù),使OT技術(shù)的效果大打折扣。華能長興發(fā)電廠通過對加氧設(shè)備和控制的改造,應(yīng)用流量傳感器和新型控制算法,提高了溶氧值的穩(wěn)定性,同時減少了運行人員的工作量。

    1 影響溶氧波動的原因

    鍋爐加氧[3]是指通過在鍋爐工藝設(shè)計的2處加氧點,即給水加氧點和凝結(jié)水加氧點進行氧氣的加入,通過向換熱管表面不斷地均勻提供氧氣,使其表面形成致密而穩(wěn)定的氧化膜,起到保護性的作用。鍋爐的加氧系統(tǒng)如圖1所示。

    圖1 鍋爐加氧系統(tǒng)

    根據(jù)圖1可知,鍋爐加氧屬于一個滯后性較大的系統(tǒng),主要是因為加氧點和采樣點之間距離較長。同時,影響溶氧穩(wěn)定的原因還有負荷的變化,當(dāng)負荷產(chǎn)生變化時,給水流量發(fā)生改變,且系統(tǒng)壓力發(fā)生變化,影響加氧量的穩(wěn)定性,導(dǎo)致溶氧發(fā)生波動[4]。

    2 加氧系統(tǒng)的改進思路

    影響溶氧穩(wěn)定性具體有以下3個因素[5]:系統(tǒng)壓力的變化、給水流量的變化、加氧系統(tǒng)的滯后性。

    2.1 系統(tǒng)壓力的變化

    當(dāng)系統(tǒng)壓力發(fā)生變化時,由于加氧設(shè)備的管路距離長,且壓差發(fā)生改變,會影響加氧量的準(zhǔn)確性,使溶氧發(fā)生改變[6]。所以加氧設(shè)備的改進采用以下2種解決辦法。

    2.1.1增加就地穩(wěn)壓柜

    加氧設(shè)備是由匯流排、控制柜和就地穩(wěn)壓柜組成的。其中匯流排經(jīng)過兩級減壓,使得進入控制柜的壓力達到恒定值,凝結(jié)水一般在4.5 MPa,給水在2.5 MPa。在控制柜內(nèi)部增加穩(wěn)壓閥,維持控制柜入口和出口之間的壓差在0.5 MPa,即控制柜出口的凝結(jié)水側(cè)壓力在4 MPa,給水側(cè)在2 MPa。再在加氧點處增加穩(wěn)壓柜,保證進入加氧點的壓力穩(wěn)定,即凝水穩(wěn)壓柜在3.5 MPa,給水穩(wěn)壓柜在1.5 MPa。通過以上二級減壓和二級穩(wěn)壓,大大減小了因加氧管道過長、系統(tǒng)壓力波動對加氧量穩(wěn)定性的影響。

    2.1.2微量加氧量采樣及控制

    加氧設(shè)備增加了微量流量采樣裝置,使得對流量的控制形成了閉環(huán)回路,微量流量采樣裝置要求的壓差在0.3~1.0 MPa之間,將加氧量信號采集傳入控制器,方便對系統(tǒng)加氧量的準(zhǔn)確控制,由此改善了加氧量在壓差改變后,無法達到設(shè)定值而影響溶氧值波動的的問題[7]。

    2.2 給水流量和系統(tǒng)滯后性

    針對負荷發(fā)生變化時,給水流量改變引起的溶氧值波動和加氧系統(tǒng)自身的滯后性問題,通過對控制算法進行改進,使其控制性能得到改進。

    傳統(tǒng)的單閉環(huán)PID(比例-積分-微分)算法無法在給水流量發(fā)生變化時,使溶氧值快速地達到期望值,通過加入給水流量的前饋量,同時由于增加了微量流量信號,采用能夠更好解決滯后性問題的串級+前饋控制算法,起到了改善控制效果的作用,控制邏輯如圖2所示。

    圖2 加氧設(shè)備控制邏輯

    如圖2所示,采用串級+前饋的控制算法,串級中的外環(huán)控制使用的是PI算法塊,可以增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時加上給水流量的前饋信號,使得在負荷發(fā)生變化時能夠讓控制系統(tǒng)直接快速地增減加氧量;串級的內(nèi)環(huán)控制器選用的是P算法塊,可以增加系統(tǒng)的快速性,使得加氧量快速且準(zhǔn)確地進入加氧點。

    3 設(shè)備的改進應(yīng)用

    加氧設(shè)備改進后,系統(tǒng)如圖3所示。設(shè)備包括凝水氧氣匯流排、給水氧氣匯流排、加氧控制柜、凝水穩(wěn)壓柜、給水穩(wěn)壓柜5個部分組成??蓾M足發(fā)電機組給水和凝結(jié)水系統(tǒng)兩點自動連續(xù)加氧的需求[8]。

    圖3 加氧設(shè)備系統(tǒng)

    加氧設(shè)備穩(wěn)壓柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要是通過穩(wěn)壓閥來穩(wěn)定閥前壓力,穩(wěn)壓閥是機械結(jié)構(gòu),通過機械調(diào)節(jié)彈簧,改變穩(wěn)壓閥內(nèi)部腔室的空間,即可得到所需的穩(wěn)壓閥前壓力,從而保證控制柜出口至就地加氧點之間的壓差。穩(wěn)壓柜正常運行是關(guān)閉旁路截止閥,更換穩(wěn)壓閥時可以打開截止閥,即切至旁路運行。

    3.1 加氧系統(tǒng)控制邏輯

    控制采集除氧器入口溶氧值、省煤器入口溶氧值、給水流量、除氧器入口氫導(dǎo)、省煤器入口氫導(dǎo)5個信號,同時通過加氧匯流排上的壓力變送器傳送匯流排氧氣壓力,實現(xiàn)加氧過程的自動控制。

    圖4 加氧設(shè)備穩(wěn)壓柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)

    具體邏輯說明,控制包括2個方面,即電磁開關(guān)閥和電磁調(diào)節(jié)閥。

    3.1.1凝結(jié)水電磁開關(guān)閥

    凝結(jié)水電磁開關(guān)閥的控制邏輯:

    (1)省煤器入口氫導(dǎo)和除氧器入口氫導(dǎo)同時小于 0.15 μs/cm。

    (2)給水流量大于 400 t/h。

    (3)凝結(jié)水匯流排壓力大于5 MPa。

    以上3個條件同時滿足,則凝結(jié)水電磁開關(guān)閥打開,否則電磁開關(guān)閥關(guān)閉。

    凝結(jié)水電磁調(diào)節(jié)閥的主要是控制除氧器入口溶氧的,由于溶氧的對象模型是一階大滯后模型,主要受到加氧量的影響,通常加氧量改變后120 s左右溶氧才會發(fā)生變化,同時給水流量的變化可以直接快速地影響溶氧變化,所以為了克服對象模型的滯后性,選擇了串級PI-P(比例積分-比例)的控制方式,同時為了克服給水流量的影響,加入了增加前饋的方式,凝結(jié)水電磁調(diào)節(jié)閥的控制邏輯如圖5所示。

    圖5 凝結(jié)水電磁調(diào)節(jié)閥控制邏輯示意 

    串級系統(tǒng)整定的方法是先調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)P控制器參數(shù),后整定外環(huán)PI控制器參數(shù)。首先將內(nèi)環(huán)P控制器設(shè)置為自動,之后改變給定加氧量,觀察調(diào)閥動作過程,確定其能夠快速地達到期望的加氧量,從而確定內(nèi)環(huán)P控制器參數(shù)。之后外環(huán)PI控制器再設(shè)置為自動,給定溶氧的期望值,調(diào)節(jié)參數(shù),保證溶氧能夠快速準(zhǔn)確地達到期望值。

    如圖6所示,凝結(jié)水電磁調(diào)節(jié)閥控制除氧器入口的溶氧是通過外環(huán)PI控制器,同時加上給水流量的前饋作用,使得更快地計算出此時所需要的凝結(jié)水加氧量,前饋系數(shù)的整定是通過觀察系統(tǒng)給水流量變化時,溶氧是否產(chǎn)生較大波動,如果給水流量增加時,溶氧大幅降低,則增加前饋系數(shù);而溶氧大幅增加,則減小前饋系數(shù)。此時內(nèi)環(huán)的P控制器通過流量傳感器采樣回來的實時加氧量和外環(huán)計算出的所需加氧量進行比較,從而對凝結(jié)水電磁調(diào)節(jié)閥控制,改變此時的進入凝結(jié)水加氧點的加氧量,起到控制除氧器入口溶氧的作用。

    3.1.2給水電磁開關(guān)閥

    給水電磁開關(guān)閥的控制邏輯:

    (1)省煤器入口氫導(dǎo)和除氧器入口氫導(dǎo)同時小于 0.15 μs/cm。

    (2)給水流量大于 400 t/h。

    (3)給水匯流排壓力大于3 MPa。

    以上3個條件同時滿足,則給水電磁開關(guān)閥打開,否則電磁開關(guān)閥關(guān)閉。

    給水電磁調(diào)節(jié)閥控制邏輯與凝結(jié)水電磁調(diào)節(jié)閥一致,兩者均通過DCS(分散控制系統(tǒng))實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制和自動調(diào)節(jié),如圖6所示。

    圖6 給水溶氧DCS邏輯

    3.2 加氧設(shè)備運行維護

    加氧系統(tǒng)改進后,控制性能提高,降低了加氧量對穩(wěn)壓閥穩(wěn)定性的依賴。與傳統(tǒng)加氧設(shè)備比較,具有免維護的特點[9],只需要在上位機提示氣瓶壓力低時,對氣瓶進行更換,就可以滿足系統(tǒng)自動加氧的功能,大大減少了運行人員的工作。

    4 加氧設(shè)備應(yīng)用效果

    加氧設(shè)備投運前,將設(shè)備的各級壓力進行定義[10-12],定義參數(shù)如下所示:

    (1)精處理減壓閥1出口壓力為5.0 MPa。

    (2)精處理減壓閥2出口壓力為4.5 MPa。

    (3)精處理穩(wěn)壓閥入口壓力(控制柜1P2)為4.0 MPa。

    (4)精處理加氧點穩(wěn)壓閥入口壓力(穩(wěn)壓柜P1)為 3.4~3.7 MPa。

    (5)除氧器減壓閥1出口壓力為3 MPa。

    (6)除氧器減壓閥2出口壓力為2.5 MPa。

    (7)除氧器穩(wěn)壓閥入口壓力(控制柜2P2)為2 MPa。

    (8)除氧器加氧點穩(wěn)壓閥入口壓力(穩(wěn)壓柜P1)為 1.7~1.8 MPa。

    DCS操作畫面完成后,如圖7所示。

    圖7 給水溶氧控制效果

    圖7中,可以對2號機組的給水和凝水的調(diào)節(jié)閥和電磁開關(guān)閥進行手動和自動的操作,保證了運行人員的可操作性。

    2號機組的凝結(jié)水和給水加氧在改進前其PV(設(shè)定)值和SP(測量)值如圖8與9所示。

    根據(jù)圖8與9可以看出,省煤器入口溶氧和凝結(jié)水入口溶氧在負荷穩(wěn)定時波動比較大。當(dāng)負荷發(fā)生變化時,省煤器入口溶氧和凝結(jié)水入口溶氧的波動更加明顯。

    當(dāng)改進后,各級壓力正常,將設(shè)備投入自動運行,調(diào)節(jié)PID參數(shù),正常運行后,觀察效果如圖10與11所示。

    圖8 改進前凝結(jié)水加氧效果

    圖9 改進前給水加氧效果

    圖10 改進后凝結(jié)水溶氧控制效果

    根據(jù)圖10與11可以看出,省煤器入口溶氧在負荷穩(wěn)定時為20±1 mg/L,負荷發(fā)生變化時為20±3 mg/L;凝結(jié)水入口溶氧在負荷穩(wěn)定時為70±3 mg/L,負荷發(fā)生變化時為70±5 mg/L。

    圖11 凝結(jié)水溶氧控制效果

    5 結(jié)語

    華能長興發(fā)電廠通過對自動加氧裝置的改進,為機組鍋爐給水和凝結(jié)水提供穩(wěn)定的加氧,使溶氧值的穩(wěn)定性得到了進一步的提高,且提高了汽水品質(zhì),促進了OT技術(shù)的進一步應(yīng)用。

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