赵 军(1968-)男，
     高级工程师，
     大学本科，
     从事电厂自动化技术应用研究。





    摘要：火力发电机组凝结泵变频改造是电力行业节能降耗的一个技术方向。凝结泵变频改造对凝结水系统中的自动控制系统影响很大。文章研究对比改造前后的凝结水系统特点,介绍除氧器水位自动控制和凝结器水位自动控制不同方案，并对各方案进行分析对比，介绍了方案的参数调整方法。

　　关键词：自动控制;变频改造;凝结泵;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

　　国家高度重视能源发展战略，提出了“十一五”期间单位国内生产总值能源消耗降低20%的目标，电力行业对此配套出台了“上大压小、节能减排”等能源政策，国华公司响应国家政策,在各方面展开节能研究。其中大型电机将动力电源的50Hz频率工作方式改为变化可调频率工作方式(简称工频改变频)成为一个研究方向，通过对目前下属发电企业中变频器的应用调研和工艺系统的分析，确定对凝结水泵先行执行变频改造。

　　凝结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，凝结泵工频改变频后，带来了一些系统上的问题，以及对原有的凝结水系统的除氧器水位自动调节系统和凝汽器水位自动调节系统造成影响，如何通过自动控制策略的设计优化来解决变频改造后的问题，是自动化专业研究的一个问题。

　　2 凝结水系统运行原理及变频改造后的问题

　　机组旁路或汽缸进汽后，排汽进入凝汽器，排汽受到冷却介质的冷却而凝结成水，汽体凝结成水后，进入热水井，热井布置在管束的下方，热井下部为凝结水停留区域，为适应真空泵和凝结泵运行，凝结水需要保证一定的水位。凝结水通过二壳体底部出水管引向一个出口流出，经滤网后与凝结水泵入口相连接。

　　凝汽器正常运行时，有两路进水，主要是低压缸排汽凝结水，其次是从凝结水补水泵来除盐水补水，负荷平稳时理想状态下汽水损失为零，则凝汽器水位稳定，除盐水补水量为零。机组的汽水工质在实际做功循环过程中损失是较大的，因此需要不停补充除盐水。负荷大幅度下降时，汽水工质减少，多余的水通过除氧器或凝汽器紧急放水回路疏水到凝结水储水箱;反之，需要快速大量补水。为提高整个循环的热经济性，大型机组均采用补水到凝汽器。采用除氧器上水阀确保除氧器水量，造成的凝汽器水量变化由除盐水补水阀来保障。

　　大型单元机组通常设计两台定速凝结水泵，一运一备，当凝结水母管压力低时联动备用泵实现双泵运行，或者运行泵故障跳闸联动备用泵。低负荷时除氧器上水不需要太大的给水量，因此为了保证泵的最小流量，设计凝结水泵再循环门到凝汽器，维持泵的最小出力。

　　除氧器是大型火电机组回热系统中重要辅机之一，它的主要功能是除去凝结水中的氧和二氧化碳等非冷凝气体;其次除氧器同时又是给水回热加热系统中的一个加热器和储水器，加热汽源采用汽机抽汽等将凝结水加热至除氧器运行压力下的饱和温度，当负荷大于一定值时，除氧器进入滑压阶段，因此除氧器上水压阻是随时变化的，因此也影响着定速凝结泵的效率。除氧器为锅炉主给水泵提供水源，因此必须保证一定的水位。

　　进行凝结水系统水量调节时要考虑凝汽器水位和除氧器水位的双重影响，增加了调节的复杂性[1]。以国华太仓600MW机组为例，凝结水泵配6kV/2000kW电机，设计时还有一定的富裕量，每台机组配备2台凝结水泵，1台运行1台备用。保证凝结水泵连续、稳定运行是保障发电机组安全、经济生产的重要环节之一，将定速泵改为变速泵,其经济性不言而喻。但习惯设计将原来的上水门调水位改为变频泵调水位,发生故障后又要切回上水门调水位的方式,其方案较复杂。

　　凝结水母管还要为其他系统供水：机侧疏水扩容器喷水、小汽轮机排汽减温，辅助蒸汽减温器、低压缸喷水、低压缸汽封减温器、主机轴封减温器、低旁减温、定子冷却水补水、闭式水补水、采暖补水、低旁三级减温、给水泵密封水、真空破坏门密封水、自身密封水等。由此可见维持凝结水母管压力在某一定值的重要性。

　　3 凝结水系统的自动控制回路

　　3.1 凝汽器水位自动控制系统

　　凝汽器水位控制系统通常选择单回路调节方案，被控变量选择凝汽器水位，控制变量选择除盐水补水阀，虽然是单回路控制系统，但该闭环控制的品质一直是火力发电厂控制中的一个难点，影响凝汽器水位的主要因素是汽轮机做工结束后的蒸汽凝结水和凝结泵向外的抽水，以及其它辅助系统收集的凝结水疏水等，前两个扰动是造成水位波动的主要因素。

　　当机组增加负荷时汽轮机首先进汽，随后除氧器上水阀响应除氧器水位下降而过开，在经过短暂的循环后，系统汽水工质出现短缺，而且这种势态逐渐扩大直至新的负荷目标值稳定，反映到汽水循环系统中，就是凝汽器水位的下降，因此需要补水系统快速补水，反之，系统在减负荷时，需要快速放水;当负荷稳定时，系统的汽水损失较小，则需要的补水量不大。

　　这两种工况下，水位对象的通道时间相差较大，因此凝汽器水位控制系统通常设置为变参数控制，但即使如此，补水阀常处于大幅度开关状态，且由于受变负荷速度和幅度的影响，水位对象的数学模型也不局限为两种。

　　根据闭环设计原则，当被控对象的τ/T>1.0时，该工艺系统的采用常规控制算法效果很差，需要选择其它控制方式。而凝汽器水位对象在机组负荷稳定时的特性就是如此，文献[2]提出的控制方式就是解决负荷稳定时两个对象的耦合问题。

　　3.2 除氧器水位自动控制系统

　　除氧器水位控制对象的放大系数较凝汽器水位对象要大许多，因此传统的单回路设计基本上能满足实际需要，随着单机容量的扩大，汽水工质增多，因此除氧器水位受主给水流量和凝结水流量扰动更敏感，水位变化快。同时除氧器实行“定压—滑压”运行模式,负荷超过20%后，除氧器接受四抽压力，进行滑压运行,因此上水压阻是变化的，上水阻力模型不固定。

　　除氧器上水门共并列设置三道，小负荷上水调整阀、大负荷上水调整阀和电动旁路阀。除氧器上水门与凝结泵构成了又一个给水系统，与过去小机组给水系统一样，凝结泵维持定速运行不可调整，小负荷上水调整阀、大负荷上水调整阀分段执行上水调整。

　　4 针对新对象建立新的控制方案

　　凝结泵改变频调速，受变频器可靠性影响，改造方案通常有三种[3] ：一是一台工频一台变频;二是从电气回路改造，变频模式与工频模式并列，一旦变频发生故障立即切换工频模式，两台凝泵均按此方式改造;三是一台变频器带两台凝结泵。三种方案在发生运行泵故障或变频器故障后，均要联动备用泵启动，但备用泵联起后的运行方式，前一种是工频模式，后一种仍是变频模式，备用泵联起执行变频模式与主给水备用联起的过程相似，对控制方案的影响不大，备用泵联启执行工频模式则对自动控制影响较大。综合比较经济性、维护方便性、安全可靠性等因素，一工一变方式最经济[4]。因此本文针对一工一变方式对变频改造后自动调节方案的进行研究。

　　
图1 凝汽器水位自动控制方案

　　对于凝汽器水位控制系统，由于存在上述描述对象不稳定现象，为了保证其控制品质，老机组的方案常采用变参数方式，但变参数只解决对象模型在几种较少已知模型的情况下使用，对于凝汽器水位这类对象，由于扰动源的扰动频率与扰动量的变化连续性，使得凝汽器水位对补水响应的数学模型不能得到准确反映，因此在变频改造后需要进一步优化其方案，进行变频改造的机组其服役时限均较长，因此在此推荐一种新的控制策略。

　　如图1，该方案较常规的控制策略有所区别，控制器入口的偏差：

　　Δ=水位偏差-阀位开度，-X;水位偏差≥2%，水位偏差<2% (1)

　　单回路控制系统在设置凝汽器水位控制器参数时，由于水位响应迟延较大，超调量较大，但也因为对象惯性较大，积分调整时间很长，反映到实际过程中，补水调门大起大落，水位的衰减稳定周期长，调整波峰多，为了解决这个问题，新机组通常采用图1的方案，其原理是根据水位对象的阀门开度对水位的扰动试验，阀门开度增量与水位纯迟延时间和飞升速度的乘积之间存在线性定量关系也即水位偏差与阀位偏差的定量关系，式中的K值根据此计算所得，控制器比例增益设置为1，积分时间按照常态设置，该方案的控制结果将阀门衰减振荡波峰缩减为1～2个，补水调门的动作频率大幅度减少，有效减少了水位的调整振荡过程，同时改善了被控变量和控制变量的品质。在实际应用中，该方案的水位实时参数与定值之间会存在一个恒差，这是因为实际定值里包含了阀位的初始位置值。此方案的适应对象需具备以下特点：(1) 补充水的动力源恒定。(2) 被控变量可以长期有差，控制精确度要求不大。(3) 被控对象针对其中一类扰动的响应数学模型的通道时间很长。

　　凝结水系统上水到除氧器，传统设计凝结泵为定速泵，因此上水流量由上水调整门来完成，根据调门控制特性又分为100%调门和30%调门，现行改造将凝结泵改为变速泵后，泵的出力随流量变化，产生在调门上的节流损失减少。这一过程与主给水系统从小机组到大机组的发展历史相仿，因此仿照现行主给水自动控制系统的设计，变频调速凝结泵可以设置为一段式调节或两段式，一段式方式泵调水位，门调压力;两段式方式为泵调压力，门调水位。两种方式从调节品质上差别不大，两段式利于调门前后压差恒定，调门的调节线性较好，一段式的结果有利于保证凝结水母管压力全过程中不低于一个正常值。当负荷升高后，调门全开，母管压力略高于正常值，在节能的同时，简化了调节方式。两种调节方式如图2所示，如果从节能的角度挖潜，两段式更利于节能，因为泵调压力，压力定值随负荷变化而计算得出;同时，两段式对于凝结泵一工一变方式切换下，上水门控制方式的改变影响很小，其结构不用变化，只针对上水能力的改变做控制器变参数处理即可，文献[5]所考虑的两套自动调节回路切换问题也不存在。这一方式需要看变频改造后，泵的高负荷段压力特性是否偏高很多。从现在改造后暴露出来的案例比较，某些机组为了降低高负荷下的节流损失，在高负荷段把30%调门和电动旁路门全部打开来降低门上的节流损失，如果出现此类结果，则建议上水自动改为两段式调节，能提高节能效果。

　　
图2 两种除氧器器水位自动控制策略图

　　机组大型化后,除氧器水位针对各种扰动的响应特性变得很快，因此简单的单回路控制方式已不能满足调节品质，需要采用三冲量或两冲量控制系统,对于除氧器对象，它的三冲量对象应该是凝结水水量、主给水流量、除氧器水位，但凝结水水量、主给水流量在低负荷时测量准确度较差，如果要保证全程品质需要做类似汽包水位的单三冲量切换。图2的第一种方案里采用了主汽流量比例微分结果修正水位定值，来克服除氧器水位迟延特性，图2的第二种方案采用串级方式来提高除氧器水位自动调节品质，这里采用主汽流量实际上是替代了给水流量，因为目前机组中主汽流量通常由计算而来，在低负荷段信号较为稳定。但发生给水泵RB时需要闭锁该信号的变化。

　　5 其他修改

　　在一工一变的改造方案下，根据变频泵的工作特点，在变频泵运行时，取消凝结水母管压力低联启备用泵的保护，工频泵出口电动门关闭;但在工频泵运行时，则保留该功能。从安全角度考虑，当泵出口母管压力低于低Ⅰ值或者高Ⅰ值时，发出“凝结水系统异常”的声光报警信号，提醒运行人员注意。增加凝结水泵联锁投人、变频器外部跳联锁启动工频泵的保护。

　　变频泵增加变频器报警综合状态监视报警和变频器启动故障报警，包括故障、报警、就地及控制回路电源消失、未备妥等。为便于事故分析，增加变频器跳闸、变频器故障(综合)SOE报警。为防止变频泵运行时出口门误关造成泵的损坏，增加变频器运行时凝结泵出口门关联停凝结泵变频器逻辑。

　　6 结论

　　凝结泵变频改造后自动控制方案。贯彻节能减排目的，维持凝结水系统母管压力不低，维持或提高自动调节品质，以上三点是热控自动设计的指导原则;同时考虑到变频设备的可靠性，在变频与工频方式切换时，方案要有备选。凝结水系统和泵的工作运行特性也是影响方案优选的因素之一。上述几种方案阐述的各种影响环节和因素，为行业内凝结泵变频改造时自动控制策略设计提供了一些经验和指导意见。

　　参考文献：

　　[1] 潘先伟等. 除氧器和凝汽器水位智能均衡控制系统的应用[J]. 上海电力学院学报，2005 ，21(.3): 253～255

　　[1] PAN Xian-wei. The Application of Water Level Intelligent Balanced Control System of Deaerator and Condenser[J]. JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY OF ELECTRIC POWER，2005 ，21(.3): 253～255

　　[2] 吕剑虹等.125MW机组凝结水系统控制技术的改进[J].动力工程，2003，23(2)：2313～2316

　　[2] LU Jian-hong. The Improvements of Condense Water System's Control Technique for 125MW Thermal Power Unit[J]. POWER ENGINEERING，2003，23(2)：2313～2316

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　　[3] WU Jian-heng. The Application of Frequency Converter in Condensate Pump of Thermal Power Plant [J]. ENERGY TECHNOLOGY，2007，28(4)：244～248

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　　[5] LIU Hai-dong . Control strategy of condensate pump using frequency conversion speed regulation [J]. EAST CHINA ELECTRIC POWER，2003，31(10)：60～61