燃?xì)?-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽包水位控制優(yōu)化

朱國雷,曹陽

(蕭山發(fā)電廠,杭州市,311251)

0 引言

9F燃?xì)?-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組通常配置三壓、再熱、臥式、自然循環(huán)余熱鍋爐,三壓系統(tǒng)的固有特征是余熱鍋爐的高壓、中壓、低壓汽包水容積相對較小,一些在設(shè)計中細(xì)微的問題或者控制方式的缺陷會引起虛假水位頻繁出現(xiàn),影響機(jī)組的安全運行,此問題也是9F燃機(jī)電廠調(diào)試與商業(yè)運行期間較為困擾的問題。蕭山發(fā)電廠根據(jù)實際情況,提出優(yōu)化與改進(jìn)措施,為安裝同類型機(jī)組的單位提供借鑒與參考。

1 工程概況

蕭山發(fā)電廠2臺燃機(jī)為西門子V 94.3A燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組,是浙江省內(nèi)首次引進(jìn)的西門子9F級燃機(jī),額定容量402 MW。整個機(jī)組為單軸布置,燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)串聯(lián)在 1根長軸上,發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)之間為SSS(synchro self shifting)離合器連接。機(jī)組啟動初期由燃機(jī)帶發(fā)電機(jī)單循環(huán)運行,待蒸汽參數(shù)符合條件后,沖轉(zhuǎn)啟動汽輪機(jī),并通過SSS離合器與發(fā)電機(jī)嚙合,機(jī)組進(jìn)入聯(lián)合循環(huán)運行。余熱鍋爐為三壓、再熱、臥式、自然循環(huán)鍋爐,采用塔式布置。機(jī)組熱力系統(tǒng)主要流程見圖 1。

2 機(jī)組存在的問題及原因分析

2.1 原調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在的問題

汽包水位保護(hù)設(shè)置主要從汽機(jī)及余熱鍋爐安全角度考慮,高水位保護(hù)防止汽機(jī)發(fā)生水沖擊事故,低水位保護(hù)防止余熱鍋爐干燒而引起受熱面部件損壞。該保護(hù)設(shè)置為:

(1)高、中、低壓汽包水位高Ⅲ值(+203mm)時,延時 15 s,汽機(jī)保護(hù)跳閘,旁路系統(tǒng)自動投入運行,燃機(jī)停機(jī)程序自動啟動,首先執(zhí)行減負(fù)荷措施,一旦汽包水位恢復(fù)正常,允許復(fù)歸燃機(jī)停機(jī)程序。

(2)高、中、低壓汽包水位低Ⅱ值(高壓-643 mm,中、低壓-409mm)時,延時15 s,汽包水位低保護(hù)動作,余熱鍋爐跳閘啟動,同時跳閘汽機(jī)和燃機(jī)。

由于對機(jī)組汽包水位控制運行經(jīng)驗不足,在 2臺機(jī)組調(diào)試期間和啟動過程中,因余熱鍋爐汽包水位異常引起的跳機(jī)多達(dá) 6次,且基本集中在余熱鍋爐中壓汽包水位高高引起聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)跳機(jī)。如 2008年2月 25日 3號機(jī)組啟動,07:52發(fā)電機(jī)并網(wǎng),帶負(fù)荷20 MW;07:52高壓給水流量95 t/h,高壓汽包水位-241 mm,高壓給水小旁路自動投入,開度46%,主給水調(diào)節(jié)閥自動投入,開度 0%,運行給泵勺管 10%開度;07:54高壓主汽壓力達(dá)0.5MPa,高壓旁路開始開啟到 5%左右,隨后機(jī)組負(fù)荷上升到 33 MW。07:58高壓汽包壓力達(dá) 0.945 MPa,高壓旁路開度由5%上升到 17%,高壓主汽壓力下降到 0.89 MPa, 08:01高壓汽包水位上升到 +293mm,高壓汽包水位高Ⅲ值(+203mm)保護(hù)動作,延時15 s,燃機(jī)開始執(zhí)行停機(jī)程序,發(fā)電機(jī)開于 08:04解列。事件原因是在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前,給水調(diào)門僅僅單純根據(jù)汽包水位進(jìn)行調(diào)節(jié),在處于較低啟動水位的情況下,給水流量會以較快的速度增加。同時,由于高壓旁路快速開啟,導(dǎo)致主汽壓力出現(xiàn)短時的下降,引起虛假水位。2者的雙重疊加最終導(dǎo)致高壓汽包水位急劇增加,運行曲線參見圖2。

圖1 V94.3A機(jī)組熱力系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow diagram of thernodynam ic system V94.3 unit

2.2 熱力系統(tǒng)設(shè)計對汽包水位控制影響

圖2 汽包水位控制系統(tǒng)優(yōu)化前曲線Fig.2 Curvsof drum water level control system before optim ization

針對汽包水位引起的多次跳機(jī)事件,認(rèn)為汽包水位的異常與其本身的控制以及熱力系統(tǒng)的布置特點關(guān)系密切,其中熱力系統(tǒng)的設(shè)計特點對汽包水位控制的直接影響,主要表現(xiàn)為:

(1)高壓旁路和中壓旁路為二級串聯(lián)旁路。高壓旁路布置在爐側(cè),中低壓旁路布置在機(jī)側(cè),均為100%容量設(shè)計。高壓旁路經(jīng)減壓后進(jìn)入再熱系統(tǒng),與中壓過熱器出口混合作為再熱汽源。由于高壓主汽壓力在運行時為12.90 MPa,中壓主汽壓力運行時為2.95 MPa,2者壓力相差懸殊,高壓旁路減壓閥快速變化時,將引起再熱汽壓力的瞬間變化,導(dǎo)致中壓汽包產(chǎn)生虛假水位,造成機(jī)組跳閘。

(2)高壓旁路減溫水設(shè)計流量偏小。額定運行時高壓旁路需要減溫水流量為36 t/h,而設(shè)計極限流量為 38 t/h,汽機(jī)高壓排氣管道設(shè)計溫度為 510℃,主蒸汽額定運行溫度為 567.5℃。一旦汽機(jī)發(fā)生跳機(jī)事件時,高壓旁路快速開啟,同時為保護(hù)再熱冷段管道不超過設(shè)計溫度,要求高壓旁路后溫度控制在400℃以內(nèi)。但由于高壓旁路在開啟過程中速度偏快,使減溫水無法及時跟上,這就使高壓旁路后溫度超過 400℃,在延時 60 s后,高壓旁路保護(hù)關(guān)閉。此種情況下,燃機(jī)的跳閘就在一個延時后被觸發(fā),同時主汽壓力將迅速上竄,使高壓汽包水位急劇下降,或主汽安全門動作。另外,在高壓旁路快速關(guān)閉情況下,將使再熱器系統(tǒng)壓力瞬間下降,中壓汽包水位會因壓力下降而急劇上升,最終導(dǎo)致燃機(jī)與汽機(jī)同時跳閘。

(3)蕭山電廠給水泵采用合泵型式,型號為FK 6G32RA(M),為上海電力修造廠生產(chǎn)的臥式、多級、筒式殼體、液力耦合器調(diào)節(jié)離心泵。此配置雖然大大節(jié)約了一次設(shè)備投資和場地占用,但在1套液力耦合控制的情況下,依靠抽頭的方式來同時滿足高壓與中壓汽包水位,邏輯的控制就顯得非常復(fù)雜,因為一旦給泵液力耦合勺管的位置發(fā)生變化,將同時引起高壓和中壓給水調(diào)節(jié)閥位置必須作出相應(yīng)的改變,否則高、中壓汽包水位將發(fā)生變化,控制不當(dāng),將會引起機(jī)組跳閘。

3 控制系統(tǒng)優(yōu)化措施

3.1 高、中壓旁路控制系統(tǒng)優(yōu)化

高、中壓旁路控制原理如圖 3所示,在機(jī)組啟動初期,高壓旁路運行在自動設(shè)定點調(diào)節(jié)(automatic setpointanjustment,ASA)模式,減壓調(diào)整門開度自動跟蹤主汽壓力的變化,并與主汽壓力保持在0.2 MPa的差壓,瞬時變化速率為0.15 MPa/min。當(dāng)主汽壓力上升到8.43 MPa后進(jìn)入單元設(shè)定壓力(unit setpointpressure,USP)控制模式,高壓旁路將控制主汽壓力在此恒定壓力下等待汽機(jī)沖轉(zhuǎn)。待汽機(jī)沖轉(zhuǎn)調(diào)門開啟,高壓旁路逐漸關(guān)小至零后,設(shè)定值自動加上0.7 MPa的差壓,以保證高壓旁路關(guān)閉,并不受主汽壓力波動的影響,一旦汽機(jī)跳機(jī),差壓設(shè)定值自動由0.7MPa減小到0.3 MPa。同時,在高壓旁路關(guān)小到5%以下,汽機(jī)高壓調(diào)門逐漸開大到100%,汽機(jī)進(jìn)入滑壓運行。

中壓旁路的控制邏輯和高壓旁路一樣,在ASA模式運行下,與再熱汽壓力保持0.1MPa的差壓,設(shè)定值范圍0.6～3.1 MPa,瞬時變化速率為0.15 MPa/min。等到中壓旁路關(guān)閉后,為保證不受再熱汽壓力波動的影響,中壓旁路壓力設(shè)定值會自動加上0.35MPa的差壓,一旦汽機(jī)跳機(jī),差壓設(shè)定由0.35 MPa下降到0.15 MPa。

根據(jù)上述高、中壓旁路控制原理的分析,對高、中壓旁路控制進(jìn)行了以下優(yōu)化:

(1)控制速率優(yōu)化。

在壓力變化較快的時候,由于整個系統(tǒng)的熱容量比較小,汽壓的快速變化將會引起汽包虛假水位,故將高壓旁路控制速率由0.15 MPa/min減小到0.10 MPa/min,中壓旁路控制速率由0.15 MPa/min減小到0.10 MPa/min,以降低汽壓變化對汽包水位的擾動。

實際運行情況證明,經(jīng)過修正速率后,壓力曲線變化比原先平緩,因而降低了汽壓變化所帶來的汽包虛假水位的風(fēng)險,同時只要主汽壓力控制在比安全門動作定值低的許可范圍,則對機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運行是可行的。比如,通常正常運行期間高壓汽包水位控制在-50～0mm附近位置,高水位保護(hù)定值為+203mm,而低水位保護(hù)定值為-643mm。經(jīng)過優(yōu)化后,經(jīng)試驗驗證,主汽壓力上升引起高壓汽包水位下降一般在-400 mm左右,高于低水位保護(hù)動作定值,降低了虛假水位引起汽機(jī)跳機(jī)的風(fēng)險。

(2)中壓旁路最小壓力設(shè)定優(yōu)化。

在啟動初期ASA模式運行下,中壓旁路原設(shè)定的最小壓力為0.6 MPa。考慮到中壓旁路開啟對水位的影響,將中壓旁路最小設(shè)定壓力由0.6 MPa減小到0.3 MPa,讓中壓旁路提前對汽壓進(jìn)行控制。

圖3 高壓旁路過程控制曲線Fig.3 Curvesof high pressure bypass control system

在啟動初期,余熱鍋爐高壓系統(tǒng)首先起壓,主汽壓力大于0.5MPa時,高壓旁路ASA模式投入運行,隨著高壓旁路的開啟,再熱蒸汽壓力依靠對流換熱和主蒸汽的流入逐漸上升到0.3MPa,中壓旁路投入運行。經(jīng)過比較,中壓旁路在0.3 MPa投入運行較在0.6MPa投入運行對中壓汽包水位的影響要小,水位變化曲線更加平緩。

(3)設(shè)置高壓旁路減溫超馳功能。

針對高壓旁路減溫水流量裕度偏小,引起旁路后溫度超過 400℃時快關(guān)旁路的問題,通過全面的分析后,將高壓旁路后的減溫水控制設(shè)置 1個超馳功能,即一旦發(fā)生需要高壓旁路快開的事故時,立即將減溫水調(diào)整門作全開處理,然后再根據(jù)高壓旁路后溫度進(jìn)行緩慢調(diào)節(jié)。同時根據(jù)再熱冷段設(shè)計溫度為不高于510℃的情況,將高壓旁路后溫度保護(hù)定值由 400℃延時60 s提高到430℃延時60 s保護(hù)動作。經(jīng)過相關(guān)優(yōu)化后,機(jī)組運行至今未發(fā)生高壓旁路后溫度保護(hù)動作的情況。

3.2 給水控制系統(tǒng)優(yōu)化

蕭山發(fā)電廠機(jī)組設(shè)計時,整個給水控制系統(tǒng)中,給泵液力耦合器的位置變化由高壓主汽流量決定,當(dāng)運行給泵勺管自動投入后,將根據(jù)當(dāng)前主汽流量值自動進(jìn)行調(diào)節(jié);高壓和中壓給水調(diào)節(jié)閥在30%負(fù)荷以內(nèi),根據(jù)汽包水位進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié),當(dāng)負(fù)荷大于 30%時,則采用三沖量調(diào)節(jié)手段。

這種控制方式會產(chǎn)生的問題是在機(jī)組啟動階段,主汽流量值很小,如果給泵在自動情況下運行,那么勺管的開度可能被限制在很小的位置,此時如果汽包水位降低,給水調(diào)門會逐漸開大;但由于給泵勺管位置沒有發(fā)生變化,那么給水流量也就無法繼續(xù)增加。所以就必須將勺管自動切除,采用手動方式改變給泵勺管位置。特別在汽水品質(zhì)較差時,加強汽包排污必不可少,在蒸汽流量沒有發(fā)生改變的情況下,給泵勺管自動就無法投入運行。另外,一旦主汽流量增加,液力耦合器勺管會隨著流量增加而上升,但如果此時高壓汽包水位處在比較高的情況,而中壓汽包水位處于較低的情況,那么控制的矛盾就非常突出。

由于 1臺給水泵將同時控制高壓和中壓汽包水位,那么如何來協(xié)調(diào)液力耦合器的位置變化與高、中壓給水調(diào)門開度的變化是最關(guān)鍵的問題。根據(jù)現(xiàn)場運行情況,改變了原來的運行思路,將給水控制邏輯修改如下:

(1)將高壓汽包壓力 3取 2信號引入邏輯控制,同時增加液力耦合器設(shè)定塊輸出,其量程范圍為 0～3 MPa。利用高壓給水母管壓力與汽包的差壓作為給泵液力耦合器勺管調(diào)節(jié)的最終目標(biāo),并配以高壓給水調(diào)門的輔助調(diào)節(jié),有效地解決了給泵勺管和高壓給水調(diào)門的雙重調(diào)節(jié)所帶來的不確定因素。由于給泵液力耦合器僅控制給水母管與高壓汽包的差壓,那么高壓給水調(diào)門可以運行在接近全開的位置,減小了閥門的節(jié)流損失。當(dāng)高壓汽包水位上升到高水位時,高壓給水調(diào)門會逐漸關(guān)小,以防止汽包水位過高;但閥門在關(guān)小的同時,給水母管與汽包之間的差壓會進(jìn)一步增大,勺管位置就自動下降,給水流量就下降,高壓給水調(diào)門會根據(jù)流量的變化而不再改變位置,從而維持較大開度運行;同時,控制方式的改變,提高了事故情況下汽包水位控制品質(zhì)的相應(yīng)能力,當(dāng)高壓主汽壓力急劇增加的同時,給水母管的壓頭也會因差壓減小同時增加,減緩了虛假水位變化速率。

(2)中壓給水來自給泵中間抽頭,額定流量為55 t/h。為避免在給水控制系統(tǒng)中有過多的被調(diào)量從而影響調(diào)節(jié)品質(zhì),中壓給水由中壓給水調(diào)門進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于流量比較小,對于節(jié)流調(diào)節(jié),電耗的影響幾乎可以忽略。

3.3 優(yōu)化效果

系統(tǒng)優(yōu)化后,隨著高壓旁路的開啟,主汽壓力變化曲線更加平緩,同時,給水調(diào)整門雖然會受到汽包水位的影響,但由于給泵勺管也同時發(fā)生了跟隨變化,使得給水流量不再與單純的調(diào)門調(diào)節(jié)來得變化激烈,因此水位變化的峰值相對較小,有利于運行人員掌控。優(yōu)化后曲線見圖 4。

圖4 汽包水位控制系統(tǒng)優(yōu)化后運行曲線Fig.4 Curvesof drum water level control system after optim ization

4 結(jié)語

蕭山發(fā)電廠V 94.3A燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組作為浙江省內(nèi)唯一一家西門子類型燃機(jī),調(diào)試與運行經(jīng)驗相對缺乏。針對運行過程中出現(xiàn)的問題,經(jīng)過蕭山發(fā)電廠及電力試驗研究院等單位的摸索、研究與優(yōu)化、技改,解決了不少存在的問題,提高了機(jī)組運行的可靠性,對同類型機(jī)組今后的設(shè)計及運行提供一定的借鑒。

[1]孫長生,蔣健,劉衛(wèi)國,等.浙江省火電廠鍋爐汽包水位測量問題分析及改進(jìn)[J].電力建設(shè),2010,31(10):56-60.

[2]南京西門子電站自動化有限公司.火電廠高、低壓汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)[M].南京:南京西門子電站自動化有限公司,1999.

[3]林汝謀,金紅光.燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電動力裝置及應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2004:290-298.

[4]楊順虎.燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備及運行[M].北京:中國電力出版社,2003:282-299.

[5]楊震力,張龍明,邵軍偉.汽包水位測量系統(tǒng)誤差分析處理與完善建議[J].自動化博覽,2008(Z2):104-107.

[6]孫長生,朱北恒,尹峰,等.火電廠熱控系統(tǒng)可靠性配置與事故預(yù)控[M].北京:中國電力出版社,2010.

[7]侯子良,劉云川,侯云浩,等.鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)[M].北京:中國電力出版社,2004:16.