燃氣輪機余熱鍋爐的控制和保護措施

谷金帥

(大唐長春第二熱電有限責任公司，吉林 長春130000)

0 前言

采用“燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)”技術來發(fā)電的電廠稱為燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠。天然氣發(fā)電可大大減少對環(huán)境的污染，采用“燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)”技術發(fā)電，發(fā)電效率高達57%，燃煤電廠為40%左右，發(fā)同樣的電能CO2排放量僅為燃煤電廠的40%左右[1]。

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站作為目前國際上發(fā)展速度最快的發(fā)電形式，具有發(fā)電效率高、調峰能力強、建設周期短、操作運行方便、清潔環(huán)保等優(yōu)點。此類形式的發(fā)電機組有利于改善電網(wǎng)結構，特別適合用于地區(qū)調峰發(fā)電[2]。而燃氣輪機的余熱鍋爐設計制造技術大部分是引進國外。作為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站主機之一的三壓余熱鍋爐的控制尤為重要，關系著整個機組的安全運行。

余熱鍋爐自動控制系統(tǒng)主要包括汽包、除氧器的水位和壓力調節(jié)、主蒸汽溫度、壓力調節(jié)、省煤器出口溫度調節(jié)[3]。本文著重從以上幾方面進行闡述三壓余熱鍋爐的控制策略，為實現(xiàn)燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)的安全控制運行提供依據(jù)。

1 水位調節(jié)和保護

1.1 汽包水位調節(jié)和保護

1.1.1 高壓汽包水位控制任務與控制策略

高壓汽包通過控制高壓給水調節(jié)閥來控制高壓給水量。當負荷低時采用單沖量控制方式，當負荷高時采用三沖量控制方式。

單沖量調節(jié)：蒸汽流量低于20%額定流量時，蒸汽參數(shù)較低，可忽略汽包內爐水密度影響，根據(jù)實際水位與與水位設定值之差通過PI方式控制給水調節(jié)閥開度。

三沖量調節(jié)：余熱鍋爐高負荷條件下，負荷或壓力變動時，由于汽包水容積中蒸汽含量和蒸汽比容改變產(chǎn)生“虛假水位”。蒸汽流量達到20%額定流量后，綜合考慮蒸汽流量和給水流量相等的原則和水位偏差的大小來調節(jié)給水控制閥開度。補償虛假水位造成的調節(jié)偏差，糾正給水量的擾動。

1.1.2 中、低壓汽包水位控制任務與控制策略

通過控制中、低壓給水調節(jié)閥來控制中、低壓給水量。系統(tǒng)在低負荷時采用單沖量控制，在高負荷時采用三沖量控制方式。中、低壓汽包水位控制設計也分低壓蒸汽流量模式、正常運行模式、高壓給水流量過載模式，其控制策略同高壓汽包水位控制策略。

1.1.3 汽包水位保護設定點

余熱鍋爐水位保護與鍋爐容量、結構、運行方式有關。表1給出了某公司余熱鍋爐汽包水位保護系統(tǒng)的設定點值。

表1 比利時CMI公司燃氣輪機170t/h強制循環(huán)余熱鍋爐汽包水位保護系統(tǒng)設定點

1.1.4 運行中汽包水位調節(jié)情況及注意事項

（1）在高、低壓缸進汽時，高、中、低壓旁路開、關時，汽包水位波動較大，容易產(chǎn)生虛假水位，可以根據(jù)蒸汽流量和給水流量進行手動干預。

（2）在進行中壓并汽(中壓蒸汽與冷再熱蒸汽合并)時，中壓蒸汽壓力、溫度與冷再熱蒸汽要匹配，由于中壓汽包容積較小，如偏差較大可能會引起中壓汽包水位較大波動而引起跳機。

1.2 除氧器給水箱水位調節(jié)

除氧器/給水箱水位調節(jié)通常采用單沖量水位調節(jié)系統(tǒng)。除氧器/給水箱水位依靠水位控制器發(fā)出的信號對水位調節(jié)閥進行調節(jié)。

間接控制除氧器/給水箱水位方案：首先控制從補給水箱到凝汽器補水量，凝汽器水位變化后，再由凝汽器水位調節(jié)控制進入除氧器的凝結水量。設高位排水閥，防止水位超過給定值，接受水位調節(jié)器控制，除氧器給水箱水位調節(jié)系統(tǒng)是簡單單回路定制調節(jié)系統(tǒng)，水位信號與設定值之差進入PID調節(jié)器。采用雙向執(zhí)行機構。

2 余熱鍋爐溫度與壓力調節(jié)

2.1 主熱蒸汽溫度調節(jié)

主蒸汽溫度隨燃機排氣溫度變化，運行中實際考慮主蒸汽減溫問題。主蒸汽減溫調節(jié)方法主要采用噴水減溫以及飽和蒸汽部分旁通兩種調節(jié)方式。

2.1.1 噴水減溫調節(jié)方式

噴水減溫器布置在過熱器中間，過熱器中間有導管，以便安裝噴水減溫器與蒸汽混合要求。噴水減溫器還可布置在過熱器出口主蒸汽管路上，不需要安裝導管，但過熱氣管壁最高溫度較高。

主蒸汽管路上測溫元件通過溫度變送器把信號輸入把信號輸入溫度控制器，在溫度控制器中測量數(shù)據(jù)并和設定點數(shù)據(jù)比較。根據(jù)比較結果，溫度控制器輸出信號對溫度控制閥進行調節(jié)，增加或減少噴水減溫器的噴水量。

2.1.2 飽和蒸汽部分旁通調節(jié)方式

飽和蒸汽部分旁通調節(jié)方式：汽包出來飽和蒸汽大部分經(jīng)過熱器吸收熱量后到主蒸汽管。其余飽和蒸汽經(jīng)旁路調節(jié)閥進入主蒸汽管。利用調節(jié)旁通管路上溫度控制閥開度可以調節(jié)過熱器出口過熱蒸汽溫度。通過調節(jié)主蒸汽閥開度和汽輪機主調汽閥開度來控制。汽包壓力調節(jié)主要包括壓力高限制、壓力低限制、壓力升速率限制和壓力降速率限制。壓力高限制和升速率限制主要通過旁路系統(tǒng)實現(xiàn)；壓力低限制及壓力降速率主要通過汽輪機調節(jié)閥實現(xiàn)。

2.1.3 運行中汽溫調節(jié)情況及注意事項

（1）在機組正常運行時，高、中、低壓、再熱蒸汽溫度自動控制情況良好。但在啟、停和加、減負荷過程中還需對高壓蒸汽溫度進行手動干預，有待進一步改進和完善。

（2）加負荷至160～220MW階段，由于燃氣輪機IGV在開啟過程中，燃燒模式還沒有切換時，燃氣輪機排氣溫度較高(640～650℃)，汽溫上升較快，如自動控制不及時可能引起超溫跳機，可以進行手動干預。

2.2 省煤器出口溫度調節(jié)系統(tǒng)

立式布置強制循環(huán)預熱鍋爐，采用省煤器再循環(huán)措施防止啟動或低負荷時省煤器出現(xiàn)蒸發(fā)現(xiàn)象。將高壓循環(huán)水泵出口的水通過省煤器再循環(huán)閥引一部分到省煤器入口，增大省煤器水流量，確保省煤器出口水溫低于飽和溫度。根據(jù)汽包中飽和蒸汽溫度和省煤器出口水溫之間溫差控制省煤器再循環(huán)管路上電動調節(jié)閥開度。

采用增量式PI調節(jié)，輸出信號以脈沖形式控制步進電機。溫差小于5.5℃，輸出開信號，調節(jié)閥增大；溫差大于10℃，輸出關信號，調節(jié)閥關小。根據(jù)給水流量控制省煤器再循環(huán)管路上電動調節(jié)閥開度。給水流量低于設定值時，電動調節(jié)閥開啟，循環(huán)水泵部分水經(jīng)再循環(huán)管路流入省煤器。

2.3 除氧器水箱壓力調節(jié)

整體式除氧器中，余熱鍋爐啟動或低負荷時，需從中壓汽包引出蒸汽經(jīng)減壓節(jié)流等措施進入除氧水箱。除氧器壓力低于設定值低限時，壓力控制器調節(jié)閥開大，增加蒸汽進入量。除氧器壓力高于設定值時，壓力控制器發(fā)出信號使壓力調節(jié)閥關小，減少蒸汽進入量。采用壓差控制型聯(lián)鎖保護，循環(huán)水泵出、進口壓力差低于某一給定值，壓差開關動作，發(fā)出報警，運行循環(huán)水泵自動停泵，備用循環(huán)水泵自動啟動。二者皆故障，余熱鍋爐跳閘停爐。

3 結束語

本文重點闡述了燃氣輪機三壓余熱鍋爐汽包與除氧器水位，汽溫與汽壓控制，以及省煤器出口溫度調節(jié)與控制策略以及實際應用情況，指出了汽包水位、汽溫控制中存在的問題及應注意的事項。燃氣輪機三壓余熱鍋爐汽包水位、汽溫控制顯得尤為關鍵。在汽包水位控制方面，特別是由于中壓汽包容積小，水位控制策略還有待進一步優(yōu)化。在汽溫控制方面，在燃氣輪機啟、停過程中，燃氣輪機模式切換前，該時段的高壓蒸汽溫度的控制策略也需要進一步優(yōu)化。必須通過不斷改進、優(yōu)化余熱鍋爐控制策略，可為實現(xiàn)燃氣輪機機組一鍵啟、停打下良好基礎。

［1］謝天曉.鍋爐燃燒理論基礎[M].北京：中國電力出版社，1999.

［2］趙勇.S109FA燃氣輪機余熱鍋爐汽包水位及汽溫控制策略[J].華電技術，2010，32（7）：42-48.

［3］惠建明，羅小林.燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電中燃氣輪機余熱鍋爐的設計[J].燃料與化工，2007，38（3）：30-31.