215 MW機(jī)組供熱改造后的控制策略及運(yùn)行

劉偉，王建強(qiáng)，謝進(jìn)安，羅志浩

（1.浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江鎮(zhèn)海315208；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

215 MW機(jī)組供熱改造后的控制策略及運(yùn)行

劉偉1，王建強(qiáng)1，謝進(jìn)安1，羅志浩2

（1.浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江鎮(zhèn)海315208；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

為了保證215 MW機(jī)組供熱改造后的安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)了再熱器冷段調(diào)節(jié)蝶閥控制策略，在蝶閥控制邏輯中引入高壓缸末級(jí)壓差保護(hù)曲線，確保汽輪機(jī)高壓缸末級(jí)壓差在安全運(yùn)行范圍內(nèi)。抽汽供熱母管調(diào)節(jié)閥采用常規(guī)PID控制，被控參數(shù)為壓力和流量2種控制模式相互切換。指出了供熱機(jī)組運(yùn)行方式上應(yīng)注意的問題，抽汽供熱控制功能投入后，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)及運(yùn)行表明采用的控制策略能夠保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

215 MW；純凝機(jī)組；抽汽供熱；控制策略；運(yùn)行

1 機(jī)組概況及供熱方案

浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限公司的4臺(tái)215 MW汽輪發(fā)電機(jī)組由北京重型電機(jī)廠制造，為超高壓、中間再熱、三缸三排汽、純冷凝汽輪機(jī)，型號(hào)為N200-130-535/535；鍋爐由東方鍋爐廠制造，為超高壓、中間再熱、單汽包自然循環(huán)、固態(tài)排渣煤粉爐，型號(hào)為DG670/140-8。與600 MW，1 000 MW機(jī)組相比，215 MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)指標(biāo)差、煤耗高、效率低。將215 MW凝汽式發(fā)電機(jī)組改為供熱機(jī)組，替代小機(jī)組供熱，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，關(guān)停小鍋爐，可大幅降低城市供熱能耗、提高燃煤機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。

具體供熱方案為：在汽輪機(jī)高壓缸排汽至鍋爐再熱器冷段管道上開孔加抽汽管，抽汽管前與鍋爐再熱器冷段加裝電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥，通過電動(dòng)蝶閥調(diào)整抽汽量和壓力，確保機(jī)組偏離額定工況運(yùn)行時(shí)滿足對(duì)外供熱的需求。3，4，5號(hào)機(jī)組抽汽經(jīng)逆止閥、調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)截止閥接入集汽集箱A，6號(hào)機(jī)組的再熱器冷段抽汽經(jīng)逆止閥、調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)截止閥直接送至集汽集箱B，由熱站集汽集箱A與B向用戶供汽。

當(dāng)6號(hào)機(jī)組故障或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，集汽集箱B的汽源由集汽集箱A和4與5號(hào)機(jī)組的一級(jí)抽汽經(jīng)壓力匹配器后提供。壓力匹配器驅(qū)動(dòng)蒸汽由供熱機(jī)組抽汽提供。集汽集箱A與集汽集箱B通過管道相連，以提高供熱的靈活性。

為保證供熱的可靠性，從主蒸汽系統(tǒng)經(jīng)每臺(tái)機(jī)組的高壓旁路裝置（容量50 t/h）后并入緊急備用母管接入集汽集箱B，以防止1臺(tái)機(jī)組故障影響對(duì)外供熱的要求。215 MW機(jī)組供熱系統(tǒng)如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)及保護(hù)

2.1 控制系統(tǒng)

215 MW純凝機(jī)組改為供熱機(jī)組或增加供熱功能后，對(duì)控制策略和保護(hù)邏輯也提出了新的設(shè)計(jì)要求。

在控制室操作員站對(duì)機(jī)組供熱系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制，其中機(jī)組側(cè)再熱器冷段電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥、供熱母管上的逆止閥、調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)截止閥控制信號(hào)及流量、溫度、壓力等信號(hào)送入相應(yīng)機(jī)組的DCS（分散控制系統(tǒng)）進(jìn)行監(jiān)視和控制。熱站系統(tǒng)中的供熱集汽集箱、壓力匹配器及熱用戶供熱管道上的閥門控制信號(hào)，溫度、壓力、流量等監(jiān)控信號(hào)送入6號(hào)機(jī)組DCS輔機(jī)域進(jìn)行監(jiān)控。

在機(jī)組正常運(yùn)行工況下，電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥控制高壓缸排汽（簡稱高排）壓力，供熱集箱的壓力靠各供熱管道上的調(diào)節(jié)閥來控制。一旦供熱系統(tǒng)發(fā)生異常情況，供熱管道上的逆止閥、電動(dòng)門聯(lián)鎖關(guān)閉，切斷供熱汽源，以免影響機(jī)組的正常運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組發(fā)生停機(jī)等異常工況時(shí)，供熱管道上的逆止閥、電動(dòng)門要迅速關(guān)閉。

2．2 供熱系統(tǒng)保護(hù)功能

為確保機(jī)組抽汽供熱系統(tǒng)安全運(yùn)行，在4臺(tái)機(jī)組供熱抽氣管道上設(shè)計(jì)了氣動(dòng)逆止門和電動(dòng)門的聯(lián)鎖保護(hù)邏輯功能。

（1）在機(jī)組正常運(yùn)行工況下，熱站A與B集汽集箱的蒸汽壓力、流量由各機(jī)組供熱管道調(diào)節(jié)閥控制。當(dāng)熱站A與B集汽集箱的壓力高于保護(hù)定值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉各機(jī)組抽汽電動(dòng)門，防止熱站A與B集汽集箱超壓。

（2）當(dāng)機(jī)組MFT（主燃料跳閘）、RB（快速減負(fù)荷）動(dòng)作時(shí)，則快速關(guān)閉相應(yīng)機(jī)組抽汽管路上氣動(dòng)逆止門、電動(dòng)門，同時(shí)甲、乙再熱器冷端電動(dòng)調(diào)節(jié)碟閥自動(dòng)控制自動(dòng)退出至手動(dòng)狀態(tài)。

（3）為防止供熱抽汽母管上的蒸汽倒入汽輪機(jī)，在機(jī)組供熱抽汽管道上的氣動(dòng)逆止門和電動(dòng)門增設(shè)了差壓保護(hù)聯(lián)鎖功能，當(dāng)抽汽逆止門后的壓力大于逆止門前的壓力時(shí)，氣動(dòng)逆止門和電動(dòng)門自動(dòng)關(guān)閉。

3 供熱調(diào)節(jié)閥控制策略

3．1 供熱蝶閥控制原則

機(jī)組原設(shè)計(jì)為純凝式，改為可調(diào)整式抽汽供熱機(jī)組后，供熱系統(tǒng)投切與汽輪機(jī)安全運(yùn)行密切相關(guān)。考慮到供熱改造后機(jī)組安全性，再熱器冷段調(diào)節(jié)蝶閥控制策略設(shè)計(jì)原則：保證機(jī)組偏離額定工況運(yùn)行時(shí)，滿足對(duì)外供熱抽汽流量的需求；保證高壓缸末級(jí)葉片壓力滿足主汽流量對(duì)應(yīng)最低壓力要求，確保汽輪機(jī)高、中壓缸末級(jí)壓差在安全運(yùn)行范圍內(nèi)，避免高壓缸末級(jí)葉片超負(fù)荷運(yùn)行。

圖1 215 MW機(jī)組供熱系統(tǒng)

因此在控制策略上引入高壓缸末級(jí)保護(hù)曲線，按高壓缸末級(jí)葉片強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，各工況對(duì)應(yīng)各不同進(jìn)汽量下的最低高排壓力繪制高排末級(jí)葉片保護(hù)曲線，各機(jī)組供熱運(yùn)行時(shí)，再熱器冷段調(diào)節(jié)蝶閥開度控制務(wù)必滿足該保護(hù)曲線。215 MW機(jī)組高排抽汽工況下高壓末級(jí)保護(hù)曲線如圖2所示。

圖2 215 MW機(jī)組高排抽汽工況下高壓末級(jí)保護(hù)曲線

以215 MW機(jī)組高排抽汽工況下高壓末級(jí)保護(hù)曲線為依據(jù)設(shè)計(jì)控制組態(tài)曲線，從而得到高排允許壓力，與實(shí)際高排壓力和不同工況高排允許壓力比較得到末級(jí)壓差，此末級(jí)壓差則作為再熱器冷段調(diào)節(jié)蝶閥的被控量參與控制運(yùn)算，同時(shí)根據(jù)供熱母管的壓力要求，由運(yùn)行人員按所需工況設(shè)定高排壓力上、下限定值。

3.2 再熱冷段蝶閥的流量特性修正

實(shí)際運(yùn)行中調(diào)節(jié)蝶閥的流量特性，當(dāng)?shù)y開度在0～20%時(shí)，流量變化為40%；當(dāng)閥門開度在40%～60%時(shí)，流量變化從75%～85%；而在閥門開度趨向開足狀態(tài)時(shí)，在相同閥門開度下，流量變化量僅為10%?？梢?，蝶閥開至60%后，流量變化不太明顯，用常規(guī)的PID（比例-積分-微分）控制，可控范圍太小，不易控制。

控制策略采用離散控制規(guī)律調(diào)節(jié)，采用折線的方式進(jìn)行修正，調(diào)節(jié)過程斷續(xù)。該蝶閥在開啟和關(guān)閉這2個(gè)動(dòng)作方向下，流量特性曲線也有所區(qū)別。針對(duì)這2個(gè)動(dòng)作方向不同的流量特性曲線指定不同的修正折線，按供熱不同參數(shù)要求，將開啟和關(guān)閉階段的2條不同修正曲線嵌入到再熱器冷段蝶閥控制的程序內(nèi)，嵌入2條折線分別為開閥行程f1（x）修正折線和關(guān)閥行程f2（x）修正折線。最終使流量特性與開度指令成線性變化。

3.3 蝶閥自動(dòng)開邏輯

再熱器冷段調(diào)節(jié)蝶閥自動(dòng)開控制邏輯如圖3所示。當(dāng)實(shí)際高排壓力大于或等于高排壓力上限設(shè)定值，且末級(jí)壓差大于或等于0.1 MPa時(shí)，SR觸發(fā)器被觸發(fā)后輸出為1，開閥指令經(jīng)切換器T輸出按開行程閥門流量特性修正折線自動(dòng)開大再熱器冷段調(diào)節(jié)蝶閥。當(dāng)以下任一條件滿足時(shí)，SR觸發(fā)器的復(fù)位端為1，SR觸發(fā)器輸出復(fù)位成0，調(diào)節(jié)蝶閥被停止開：

（1）調(diào)節(jié)蝶閥開至高排壓力小于或等于高排下限設(shè)定值0.07 MPa；

（2）末級(jí)壓差小于或等于0.04 MPa；

（3）調(diào)節(jié)蝶閥開度大于或等于98%。

圖3 再熱器冷段調(diào)節(jié)蝶閥自動(dòng)開控制邏輯

當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，主汽流量對(duì)應(yīng)的計(jì)算再熱汽壓力達(dá)到2.1 MPa，而高排供熱碟閥壓力的上限值一般不會(huì)超過2.0 MPa，汽輪機(jī)未級(jí)壓差出現(xiàn)負(fù)值，引起再熱器冷段調(diào)節(jié)蝶閥開關(guān)動(dòng)作頻繁。在再熱器冷段調(diào)節(jié)蝶閥開控制邏輯組態(tài)中，根據(jù)高壓缸末級(jí)壓力保護(hù)曲線，當(dāng)主汽流量對(duì)應(yīng)的高排壓力大于高排供熱碟閥壓力的上限值時(shí)，則該設(shè)定壓力選主汽流量對(duì)應(yīng)的高排壓力為允許值。

3.4 蝶閥自動(dòng)關(guān)邏輯

再熱器冷段調(diào)節(jié)蝶閥自動(dòng)關(guān)控制邏輯如圖4所示，當(dāng)高排壓力小于高排壓力下限定值或末級(jí)壓差小于0時(shí)，關(guān)閥指令經(jīng)切換器T1輸出按關(guān)行程閥門流量特性修正折線自動(dòng)關(guān)小再熱器冷段調(diào)節(jié)蝶閥，關(guān)至高排壓力大于或等于0.04 MPa時(shí)，SR觸發(fā)器的復(fù)位端為1，SR觸發(fā)器輸出復(fù)位成0，調(diào)節(jié)蝶閥被停止關(guān)。

圖4 再熱冷段調(diào)節(jié)蝶閥自動(dòng)關(guān)控制邏輯

4 抽汽調(diào)節(jié)閥控制策略

若熱站A和B集汽集箱連通閥打開，此時(shí)A與B集汽集箱可視作1個(gè)集箱，4臺(tái)機(jī)供熱抽汽母管同時(shí)向1個(gè)集汽集箱供熱。當(dāng)4臺(tái)機(jī)組供熱母管調(diào)節(jié)閥全部投壓力自動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生耦合、相互牽制的現(xiàn)象。因此，控制模式采用壓力和流量切換控制方式。

機(jī)組抽汽供熱母管調(diào)節(jié)閥按常規(guī)PID控制規(guī)律調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，控制邏輯主要由壓力控制器、流量控制器、慣性補(bǔ)償、操作器、切換器等組成。考慮機(jī)組電功率及熱用戶流量變化特性，保證集箱壓力、機(jī)組抽汽流量等被控參數(shù)穩(wěn)定，被調(diào)參數(shù)和給定值通過前饋慣性環(huán)節(jié)校正。在控制回路中設(shè)計(jì)壓力和流量控制器2個(gè)切換回路，2個(gè)回路控制參數(shù)按對(duì)象特性整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，控制回路按機(jī)組負(fù)荷和抽汽量所需運(yùn)行模式進(jìn)行切換，控制系統(tǒng)設(shè)定值由操作員設(shè)定。抽汽供熱母管調(diào)節(jié)閥控制原理如圖5所示。

在AGC（自動(dòng)發(fā)電量控制）工況下，6號(hào)機(jī)組投入流量自動(dòng)控制方式，機(jī)組在負(fù)荷120～200 MW范圍內(nèi)運(yùn)行，供熱流量變動(dòng)偏差±9 t/h，壓力變動(dòng)偏差±0.04 MPa，6號(hào)機(jī)組供熱流量、壓力控制品質(zhì)曲線如圖6所示。在4臺(tái)機(jī)組并列供熱時(shí)，3號(hào)機(jī)組投入壓力自動(dòng)控制模式，其他3臺(tái)機(jī)組投入流量自動(dòng)控制，在機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定情況下，供熱流量58～93 t/h范圍運(yùn)行，供熱集箱壓力變動(dòng)偏差±0.05 MPa，供熱集箱壓力控制品質(zhì)曲線如圖7所示。

圖5 抽汽供熱母管調(diào)節(jié)閥控制原理

圖6 AGC工況下供熱流量、壓力控制曲線

圖7 供熱集箱壓力控制曲線

從實(shí)際投運(yùn)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出：采用機(jī)組抽汽調(diào)節(jié)閥控制策略，在機(jī)組AGC工況下，機(jī)組負(fù)荷或供熱流量變動(dòng)過程中供熱集箱壓力維持穩(wěn)定，大大減輕了運(yùn)行人員操作強(qiáng)度，有效提高了供熱機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性。

5 供熱機(jī)組運(yùn)行方式

為了提高機(jī)組供熱系統(tǒng)穩(wěn)定性，防止主汽流量超限并兼顧電負(fù)荷，能滿足用戶供汽壓力、流量要求，機(jī)組運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面。

（1）A與B集汽集箱一般采用串聯(lián)供熱運(yùn)行方式。目前單臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)最大抽汽流量100 t/h，當(dāng)供熱總流量需求約50 t/h時(shí)，2臺(tái)機(jī)供熱；供熱總流量需求約75 t/h時(shí)，3臺(tái)機(jī)組供熱；供熱總流量需求大于100 t/h時(shí)，4臺(tái)機(jī)組供熱。

（2）機(jī)組并聯(lián)供熱時(shí)，選定某1臺(tái)負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定的機(jī)組，供熱抽汽調(diào)節(jié)閥以壓力控制模式投入自動(dòng)；另外1臺(tái)機(jī)組以流量控制模式投入自動(dòng)，流量控制均衡、穩(wěn)定，確保集箱壓力穩(wěn)定可控。

（3）各臺(tái)機(jī)組運(yùn)行中要求電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥下限壓力定值應(yīng)比A或B集汽集箱調(diào)節(jié)門壓力定值高0.05 MPa；電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥上、下限壓力定值應(yīng)大于0.1 MPa且小于0.2 MPa范圍內(nèi)，A與B集汽集箱多路并、串供時(shí)，各機(jī)組電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥壓力設(shè)定值應(yīng)保持一致。

（4）實(shí)際高壓缸排汽壓力與機(jī)側(cè)主汽流量對(duì)應(yīng)的允許高壓缸排汽壓力之差稱末級(jí)壓差。末級(jí)壓差正值時(shí)為安全運(yùn)行范圍，負(fù)值時(shí)可能導(dǎo)致高壓缸末級(jí)葉片超負(fù)荷，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。一般要求正常供汽機(jī)組負(fù)荷盡量能夠相同，當(dāng)供汽流量發(fā)生變化時(shí)，由供汽機(jī)組的供熱母管調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)閥開足或機(jī)組負(fù)荷下降時(shí)，為保證A或B集汽集箱壓力，自動(dòng)關(guān)小甲、乙再熱器冷段電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥，通過關(guān)小蝶閥來提高高排末級(jí)后壓力、縮小前后壓差、降低高排末級(jí)葉片彎應(yīng)力，保證高壓缸未級(jí)葉片安全及機(jī)組軸向推力處于正向推力，同時(shí)滿足A或B集汽集箱供汽壓力。

（5）各臺(tái)供熱機(jī)組在調(diào)節(jié)甲、乙再熱冷段電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)組供熱抽汽流量及再熱器冷段壓力，做好相互協(xié)調(diào)和聯(lián)絡(luò)工作，避免搶汽及壓力波動(dòng)過大情況的發(fā)生。

（6）為保證鍋爐再熱器有足夠的流通量，電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥關(guān)閉開度設(shè)有機(jī)械限位30%，電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥4～20 mA信號(hào)對(duì)應(yīng)電動(dòng)蝶閥30%～100%開度，經(jīng)閥門通流量測(cè)試，內(nèi)部通流量約30%。在機(jī)組再熱器冷段電動(dòng)調(diào)節(jié)碟閥關(guān)小過程中，應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視再熱汽溫、再熱器壁溫，通過減溫水和煙氣檔板的調(diào)節(jié)，保證各溫度參數(shù)不超限。

6 結(jié)語

215 MW純凝機(jī)組改為供熱機(jī)組后，設(shè)計(jì)了供熱系統(tǒng)控制策略，不僅能滿足機(jī)組在AGC運(yùn)行方式下各機(jī)組供熱參數(shù)品質(zhì)要求，同時(shí)有效減輕了運(yùn)行人員操作強(qiáng)度和操作風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)組抽汽供熱運(yùn)行以來，已經(jīng)關(guān)停了周邊一些效率低、污染較嚴(yán)重的小鍋爐、熱電廠，有效地改善了當(dāng)?shù)丨h(huán)境，產(chǎn)生了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]朱北恒.火電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)試驗(yàn)[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2]邊立秀.熱工控制系統(tǒng)[M].上海：華東電力集團(tuán)出版社，1998．

（本文編輯：陸瑩）

Control Strategy and Operation of 215 MW Power Supply Units after Transformation

LIU Wei1，WANG Jianqiang1，XIE Jinan1，LUO Zhihao2
（1.Zhejiang Zheneng Zhenhai Power Generation Co.,Ltd.,Zhenhai Zhejiang 315208，China; 2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute,Hangzhou 310014,China）

In order to guarantee operation safety and stability of 215 MW after transformation，butterfly valve control strategy for cold reheater CRH is designed.In control strategy of butterfly valve，final pressure difference protection curve of high pressure cylinder is introduced to make sure that final pressure difference of high cylinder of steam turbine is within the range of safe operation.The main pipe for steam extraction and heat supply is controlled by PID and the controlled parameters are pressure and flow，switching from one mode to the other.The paper suggests points that need attention in operation mode of power supply units.After the operation of steam extraction and heat supply，the static and dynamic tests as well as the operation show that the control strategy can guarantee safe and economical operation of units.

215 MW；pure condensing units；steam extraction and heat supply；control strategy；operation

TK323

：B

：1007-1881（2014）01-0038-05

2013-09-16

劉偉（1964-），男，浙江寧波人，工程師，從事發(fā)電廠熱工自動(dòng)化應(yīng)用和管理工作。