旋膜式除氧器（热力除氧器）供热机组并列运行水位压力控制方法说明

旋膜式除氧器（热力除氧器）供热机组并列运行水位压力控制方法说明

旋膜式除氧器（热力除氧器）供热机组并列运行水位压力控制方法说明，并列运行的旋膜式除氧器系统多用于热电联产机组，由于其压力水位相互耦合的原因，该系统一般长期处于手动运行状态。文章通过建立并列运行旋膜式除氧器的数学模型，分析了各因素对其运行产生的影响，提出一种以平均水位和平均压力为控制对象的新型并列运行旋膜式除氧器控制方法，该方法能够广泛应用于并列运行的旋膜式除氧器控制系统，使该系统能够长期在自动方式下运行。
火电厂是一个综合型控制系统，系统间相互关联，耦合现象普遍存在，同时各系统内部控制对象特性复杂，有明显的非线性和不确定性。单元机组的旋膜式除氧器水位及压力两个参数本身即存在耦合关系，在不同的工况下，这两项参数的特性也会发生变化，从而使其耦合关系也会随之变化。对于并列运行的旋膜式除氧器，其运行原理相当于一个连通器，它的耦合关系更加明显。对于真实的旋膜式除氧器控制系统，除了需要考虑补水状态下汽水容积的变化，还要考虑当机组负荷和运行工况发生变化的问题(一般并列旋膜式除氧器多用于热电联产机组，其用汽量会随热负荷的变化而改变)，如果采用常规的自动控制手段无法满足正常的运行需求，严重时可导致系统不稳定。为此，提出一种具备实际应用价值且具有普遍性的新型控制方法，该方法能广泛应用于热电厂的旋膜式除氧器系统水位和压力控制上，达到满意的运行效果。
1并列运行旋膜式除氧器（热力除氧器）的数学模型
通过理论推导的方法得到单台旋膜式除氧器的数学模型，进而得到并列运行旋膜式除氧器系统的数学模型，由此分析影响被控对象中参数变化的因素。并列运行旋膜式除氧器的汽水系统示意图如图1所示。
图1并列运行旋膜式除氧器系统示意图单旋膜式除氧器质量平衡方程Drq－Dnq+Djsh－Dcsh－Dshp=(V'+V″ρ″)(1)式中，Drq—加热蒸汽量;Dnq—内部汽量变化，Dnq=Dpq+Dqp;Djsh—进水量，Djsh=Dnj+Dbsh;Dcsh—出水量，Dcsh=Dgsh－Dxh;Dshp—水平衡管内流量;V'，ρ'—饱和水容积和密度;V″，ρ″—饱和蒸汽容积和密度。单旋膜式除氧器热量平衡方程Drqhcq－Dnqh″+Djshhjsh－(Dcsh+Dshp)h'=(V'h'+V″ρ″h″+mjcjtj)(2)式中，hcq—加热蒸汽焓;h″—饱和蒸汽焓;h'—饱和水焓;hjsh—进水焓平均值;tj，cj，mj—旋膜式除氧器（热力除氧器）金属壁的温度、比热、质量。旋膜式除氧器汽水总容积不变，有=－设饱和蒸汽与饱和水的焓值与密度仅是旋膜式除氧器压力P的函数，旋膜式除氧器金属壁温度与内部工质饱和温度tbh一致，也仅是旋膜式除氧器压力P的函数，可得下列关系式dρ'dPdPdτdρ″dPdPdτdtbhdPdPdτ dh' =dτdh″=dτ(4)(3)及式(4)中的关系式分别代入式(1)经合并和整理可得+hgr)DrqDnq+hq)Djsh]式中，(Dcsh+Dshp)(5)r=h″－h'，hgr=hcq－h″，hq=h'－hjshIjr=(ρ'+V'+(ρ″+V″+cjmj其中Ijr称为加热区热惯性，其值取决于设备本身的类型和参数。
在式(5)中，由于并列运行的旋膜式除氧器（热力除氧器）之间设计有汽平衡管路，忽略排气量Dpq的影响，旋膜式除氧器内部汽量Dnq的变化由旋膜式除氧器压力ΔP引起的汽平衡管内蒸汽流量Dqp所决定，近似满足下列关系Dnq=Dqp≈ΔP(6)式中，Rq—汽平衡管汽阻系数。
同理可得，水平衡管内流量Dshp与ΔP的关系Dshp=ΔP(7)式中，Rsh—水平衡管水阻系数。将式(6)和式(7)代入式(5)中，经整理为增量式得ΔP=khq)ΔDrq+hq)ΔDjshΔDcsh]对上式进行拉氏变换(在零初始条件下)，可得压力P对加热蒸汽量Drq的传递函数=+hgr)=式中，T=k=K=(10)根据式(8)—式(10)，同时考虑旋膜式除氧器之间相互耦合的影响，建立由4台旋膜式除氧器组成的压力模型可以用如下矩阵方程表示=(11)式中，P1、P2、P3、P4分别为4台旋膜式除氧器（热力除氧器）的压力，Drq1、Drq2、Drq3、Drq4为对应旋膜式除氧器的加热蒸汽(抽汽)流量。Gij(s)=(i，j=1，2，Λ4)(12)式(12)为旋膜式除氧器对象或耦合支路的压力传递函数，式中的比例增益Kij和时间常数Tij分别由式(9)与式(10)决定。
通过以上的数学建模可知，并列运行旋膜式除氧器属于变参数一阶惯性环节，且内部存在耦合关系。就并列运行的旋膜式除氧器而言，其液位差的出现主要源于各台旋膜式除氧器压力变化，而除氧器压力这一被控对象的比例增益Kij和时间常数Tij不仅受系统运行工况、进出旋膜式除氧器的凝结水、加热蒸汽、给水、补水焓值变化的影响，对于供热机组，还会受到抽气量的影响，这些因素都会导致旋膜式除氧器内部汽、水容积和密度发生变化，从而造成压力和水位的变化。
2新型并列旋膜式除氧器水位压力控制方案
传统的控制方案无法使并列运行旋膜式除氧器的水位与压力达到满意的调节效果。而新型的控制方案中一般会加入自适应压力—水位解耦调节，该方案能够在机组运行参数发生较大变化的时候，仍有很强的“鲁棒性”，适应性较强，但组态过程极其繁琐，需要进行对系统的建模，不利于实际的工程应用。并且在实际运行中，汽侧平衡阀和水侧平衡阀往往无法快速的使两侧的水位和压力相等，因此，应用起来仍然会出现耦合干扰。
提出的是基于并列旋膜式除氧器（热力除氧器）平均水位－压力控制的方法，可以从根本上解决压力和水位之间的耦合问题。控制方案如下单独控制旋膜式除氧器水位和压力无可避免地会出现耦合现象，例如当2台并列运行的旋膜式除氧器出现水位差时，如果按照水位、压力单独控制的方式，水位调节器进行水位偏差调节，对低水位侧开大阀门进行补水，高水位侧关小阀门来降低水位，而实际上如果由于压力偏差而引起的水位差会因为低水位侧加水而导致其压力变高，从而使水位变得更低，这使得调节器的动作致使水位偏差更大，这也是电厂中不将水位和压力投入自动或者大幅度调节的主要原因。
对于压力控制，实际上主要是为了满足了旋膜式除氧器的给水温度，所以并不需要将其控制在某一个固定的点，允许存在静态偏差，因此并不需要太强的积分作用。提出新的控制策略主要是将整个并列运行旋膜式除氧器系统看成是一个整体，在汽平衡管和水平衡管的作用下，水位和压力能够在一定时间内达到一致，只有在变负荷的情况下才会出现水位和压力差。引入平均水位和平均压力这两个被调量后，可以令旋膜式除氧器水位和旋膜式除氧器压力的调节相互之间不产生影响。如图2所示，水位PID调节本身不考虑水位差的存在，只考虑平均水位的变化，当平均水位和设定值出现偏差后所有补水调门一同动作调节水位，其中需要设计闭锁条件，以防止单个旋膜式除氧器（热力除氧器）出现满水现象，这一方法能够有效避免由于旋膜式除氧器间压力不等而产生两侧水位变化时执行器的单独调节。如图3所示，旋膜式除氧器压力调节原理也是同水位调节一样，只要保证平均压力满足运行工况，单侧压力过高或过低时，执行器都不会调节。
3闭锁条件
在该控制中还需要设计闭锁控制，其逻辑如图4所示。先对并列运行旋膜式除氧器的数学模型进行了分析，提出了以控制平均水位和平均压力为基础的并列运行旋膜式除氧器压力—水位控制策略，该方法不仅能够解决旋膜式除氧器（热力除氧器）水位控制缓慢且不稳定的问题，同时有效的解决了压力和水位之间的耦合现象，具有广泛的现场应用价值。