旋膜式除氧器（热力除氧器）自动调节控制说明

旋膜式除氧器（热力除氧器）自动调节控制说明

旋膜式除氧器（热力除氧器）自动调节控制说明，通过对热力除氧原理的分析，得到热力除氧器水位和除氧头温度的控制策略，分别建立了水位、进水和出水流量三冲量、温度和压力双冲量自适应调节模型，经实际应用验证效果显著。
旋膜式除氧器（热力除氧器）是热力发电和大中型锅炉产汽生产中必备的主要设备之一，作用是去除锅炉供水中的氧气，保证锅炉供水品质，使锅炉、汽轮机的通流部分及回热系统的管路和设备免受腐蚀，延长使用寿命。如果水中溶解了氧气，就会使与水接触的金属发生化学反应，腐蚀设备。在热交换器中若有气体聚集，还会阻碍传热过程的进行，降低锅炉的热效率。因此，水中溶解任何气体都是不利的，尤其是氧气，它直接威胁设备的安全运行。
旋膜式除氧器（热力除氧器）水位和除氧温度是热力除氧器运行的两个重要调节参数，由于热力除氧器水位和温度具有特殊的调节特性，在实际生产中其自动控制的效果在调节的快速性、稳定性和准确性方面不尽人意，尤其是负荷变化时更是如此。热力除氧器水位控制的目标是，维持水位始终在水箱中心线水位偏上，确保给水泵不被汽蚀，因为热力除氧器水位过低，影响热力除氧器的续航能力，如果热力除氧器处于高位还使得锅炉给水泵进水压力过低，会导致水泵汽蚀，影响给水泵安全；而热力除氧器水箱水位过高，则会淹没除氧头进气口，发生汽水撞击使水除氧头振动、排气带水等不利影响。由此可见维持热力除氧器水箱正常水位，优化调节系统的调节品质极为重要。以旋膜式高位热力除氧器为例，除氧温度控制的目标是在除氧头工作压力下，其温度应略高于该压力下水的沸点温度(要求在很小范围内波动),温度过低，除氧头蒸汽分压达不到彻底去除氧气的要求，温度过高，除氧头补充水过度汽化，容易导致除氧头压力超限，除氧头成膜效果降低，除氧效率低下。因此维持热力除氧器头除氧温度一定，优化调节系统的调节品质也极为重要。
另外，热力除氧器水位和除氧头温度控制不稳、频繁波动，将直接导致其自动执行机构(泵、阀)动作幅度较大，降低执行机构的的使用寿命。
2热力除氧原理
当水和某种气体接触时，就会有一部分气体溶解到水中，其溶解度和气体的种类、该气体在气相中的分压和水温度有关。在一定压力下，水温度越高，气体溶解度就越小，同时，该气体在水面的分压越小，其溶解度就越小。天然水中含有大量的溶解氧气，可达10mg/l。热电系统的汽轮机凝结水含有大量的氧气，因为空气能通过真空设备不严密处缝隙渗进去，此外补给软水中也含有氧气和及二氧化碳等气体。
热力除氧器原理见图1.。除氧头气体混合物全压力中，除有氧气和其它气体的分压力外，还包含有蒸汽的分压力，将除氧头进水用蒸汽雾化加热时，气相中水蒸气的分压就会增加，相应气相中(汽水界面)氧气等气体分压就相应降低，当除氧头温度达到水的沸点时(在除氧头压力下),蒸汽的分压接近于气相的全压力，此时气相中氧气等气体的分压接近于0,于是氧气等气体将从除氧头液相中迁移到气相中。为使除氧头液相中的氧气等气体完全清除，必须保持除氧头温度为水沸点(在除氧头压力下),并确保除氧头气相中没有氧气等气体，即随时将脱离水中的氧气等气体排出。
3旋膜式除氧器（热力除氧器）自适应调节策略
为使热力除氧器能自动平稳跟踪水箱水位和除氧温度变化，水箱水位调节采用三冲量PID自适应调节策略，即过程量除水位外，还增加凝结水流量和锅炉供水流量两个参量，对水位过程量进行超前修正。除氧温度调节采用双冲量PID自适应调节策略，即过程量除温度外，还增加除氧压力参量，对温度过程量进行超前修正。
采用上述PID自适应调节策略，可以大限度消除由于过程量滞后带来的超高调和超低调现象，保持水箱水位和除氧温度在小偏差。
图2为热力除氧器自适应控制原理，图中信号检测点有除氧水箱水位L、冷凝水流量F1、锅炉供水流量F2、除氧头温度T、除氧头压力P。控制信号有热力除氧器上水泵电机变频器频率给定Mf,除氧头饱和蒸汽调节阀开度给定Mv一次仪表检测信号L、F1、F2、T、P经二次仪表信号变送器后，得到4~20mA标准计算机输入信号，送模拟量输入模块Al,可编程控制器PLC扫描AI模块的数据，调用下位机程序(算法),得到要控制的Mf、Mv数值，发送到模拟量输出模块AO,经AO输出4~20mA标准计算机输入信号，直接控制控制相应泵的频率或阀的开度。图2虚线框中包含的设备在现场仪表柜中。
通过上位计算机PC,向下位PLC置入PID各参数及各修正系数，并在上位机监控水位和温度的趋势变化，及时重新整定PID参数和系数，直至水位和温度控制达到佳状态。
4旋膜式除氧器（热力除氧器）水位三冲量调节
由于热力除氧器水位变化对凝结水泵频率和锅炉供水泵频率的改变不敏感，有滞后存在，故在水位检测过程值L中考虑增加一项反映水泵进水变化的超前过程增量以及水泵出水变化的超前过程增量，其综合作用后的水位微增量位dL。由质量平衡建立微分方程21√r2L2dL·p=(dF?dF2)·△(1) (1)的离散差分方程为21√f2L△L·p=△(F1F?)·△t(2)式中，r热力除氧器水箱内半径，m;1旋膜式除氧器（热力除氧器）水箱长度，m;L热力除氧器水位过程量(相对于水箱中心线),m;p软水密度，kg/m3;F1和F2分别为热力除氧器进水和出水流量，kg/s;∠t扫描间隔时间，s。考虑热力除氧器水位、进水流量和出水流量三冲量的PID水位超前修正过程值L0Lo=L+△L(3)由(2)解得IL,代入(3)得当热力除氧器水位发生变化前(稳定时),必有F1F2=0,热力除氧器水位变化后(4)化为(5)即为热力除氧器三冲量超前调节修正后的PID过程量(理论推导)。水位设定值取相对于水箱中心线的高度。
5除氧温度双冲量调节
由于除氧头温度变化对饱和蒸汽阀位的改变不敏感，有较长时间滞后存在，故在温度检测过程值T中考虑增加一项反映阀位变化的超前过程增量△T。又因阀位改变除氧头压力改变响应迅速，可以用压力增量导出超前过程增量∠T。
除氧头在正常工作时(稳定状态),应保持在饱和蒸汽压力下，除氧蒸汽温度为饱和蒸汽温度，除氧头压力为该温度下的饱和蒸汽压力。
饱和蒸汽压力和温度的关系有Antoine方程(经验关系式)确定。其中压力单位为Pa,温度单位为K(温度适用范围290～500K)。除氧头Antoine方程(6)对(6)微分7)的离散差分方程为当过程温度T与设定温度Tsp偏离不大时，(8)可写为式中Psp为满足(6)Tsp对应的压力，考虑除氧头温度、压力双冲量的PID温度超前修正过程值TO(10)(10)即为热力除氧器双冲量超前调节修正后的PID过程量(理论推导)。温度设定值单位取绝对温标。
6应用实例
以三钢220平烧结余热回收实施项目为例，论证其应用效果。三钢220平烧结余热回收锅炉供水系统见图3.各参数测点为T、P除氧头温度和压力，L、L1热力除氧器水箱和补水箱水位，F3、F4汽轮机凝结回水、补充软水流量，F5、F6、F7中压锅炉(1.96MPa)和低压锅炉(0.4MPa)及烟道换热器(1.96MPa)供水流量。热力除氧器控制点为Mf旋膜式除氧器（热力除氧器）进水泵电机变频器频率、Mv除氧头低压饱和蒸汽阀开度。由200立水箱水质量平衡式中，R为200立水箱内半径，m。由分水器水质量平衡Fs+F?+F?=F?(12)200立水箱水位上升速度dL?/dt,由L?对t做曲线，求曲线上某点切线的斜率即为该点的水位上升速度，取(n1)△t内的n个点(ti,L?,i),(i=1,2,…n),过n个点的回归直线可作为(n1)△t内曲线某点切线。由数学中关于直线拟合的小二乘法(13)(11)解出F1、(12)解出F2代入(5),就可到到热力除氧器三冲量自适应调节的水位超前修正过程量。(14)软水密度p=1000kg/m3,设置扫描时间△t=1s,取n=10。30立热力除氧器几何参数长度1=6.5m,内半径r=1.25m。200立水箱几何参数R=2.5m。除氧水箱水位设定值(相对于中心线水位)Lsp=0.2m,除氧温度设定值Tsp=103℃=376.15K。(14)代入以上数据，得(m)(15)直接引用(10)作为除氧双量自适应调节的温度超前修正过程量。(10)代入以上数据，得(K)(16)用SIMATICSTEP7编制PLC控制程序，(15)、(16)置入PID模块的过程值，上位计算机用WINCC组态监控画面，对两个PID控制回路均采用PI控制，对比例和积分时间进行整定，直至得到满意的控制效果。
旋膜式除氧器（热力除氧器）水位三冲量和除氧温度双冲量自适应调节策略，经过生产实际应用，证明控制效果非常好。

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