600 MW超臨界火電機組啟動優(yōu)化及節(jié)能

郗成超

(華能上海石洞口第二電廠， 上海 200942)

600 MW超臨界火電機組啟動優(yōu)化及節(jié)能

郗成超

(華能上海石洞口第二電廠， 上海 200942)

針對機組頻繁啟停引起的問題，以600 MW超臨界火電機組為例，提出啟動過程優(yōu)化及節(jié)能等措施，在縮短機組啟動時間的同時提高了機組安全性。

火電機組； 啟動； 節(jié)能； 控制邏輯； 安全

機組頻繁啟停不僅增加了各種能耗，而且影響機組供電煤耗、廠用電率等性能指標；同時，機組頻繁啟停易引起誤操作。在這種情況下，做好機組啟動階段的控制優(yōu)化及節(jié)能工作變得非常有現(xiàn)實意義。筆者對600 MW超臨界火電機組啟動過程進行控制及能量分析，將需要手動調(diào)整的環(huán)節(jié)控制優(yōu)化投入自動，分析機組啟動過程中可以回收的熱量，并通過運行方式優(yōu)化提高其回收效率，最終達到優(yōu)化機組啟動、減少運行操作、提高節(jié)能及安全水平的目的。

1 設(shè)備簡介

該電廠2臺超臨界600 MW機組配置CE-Sulzer型螺旋水冷壁、一次中間再熱、平衡通風、燃燒器分段四角切圓燃燒(其中A層燃燒器裝有微油點火裝置)直流鍋爐及ABB超臨界、單軸、四缸四排汽、一次再熱、反動凝汽式汽輪機。

鍋爐啟動系統(tǒng)未配置爐水循環(huán)泵，采用帶擴容器式爐水回收啟動系統(tǒng)，除了能夠?qū)㈠仩t汽水分離器疏水回收至凝汽器外，還能夠?qū)⒎蛛x器疏水及熱量回收至除氧器。

汽輪機抽汽加熱系統(tǒng)采用超臨界機組常規(guī)的三級高壓加熱器+除氧器+四級低壓加熱器系統(tǒng)，其中7號高壓加熱器汽源取自汽輪機冷段再熱蒸汽。

2 啟動優(yōu)化及節(jié)能

2.1 提高機組啟動自動控制水平

長期以來，機組在啟停期間，除氧器水位及給水流量均手動控制，運行人員需根據(jù)工況變化調(diào)整凝結(jié)水或給水流量，不僅對機組啟動安全不利，還可能導致機組啟動時因運行人員操作不當而延長。

2.1.1 除氧器水位控制

原除氧器水位一直使用單信號回路控制，而原除氧器水位三信號控制PID參數(shù)實際值與合理值相比偏差了一個數(shù)量級。正常需要一個較慢的主調(diào)節(jié)PID控制器(簡稱主調(diào))和較快的副調(diào)節(jié)PID控制器(簡稱副調(diào))，而現(xiàn)場實際是一個非常快的主調(diào)和一個非常慢的副調(diào)，導致PID控制器對給水流量和除氧器進口凝結(jié)水流量變化響應(yīng)緩慢，除氧器水位無法控制。

為此，重新調(diào)整除氧器水位三信號控制主、副調(diào)PID參數(shù)至合理值。經(jīng)調(diào)整后，機組正常運行階段除氧器水位控制正常，但是在機組啟停中，在汽水分離器至除氧器疏水ANB閥(系統(tǒng)流程見圖1)調(diào)節(jié)分離器液位時，分離器進入除氧器的疏水流量不斷變化，而除氧器水位三信號控制回路中并沒有將該流量計入，該流量變化導致的除氧器水位變化需通過較慢的三信號控制主調(diào)來克服，引起除氧器水位大幅波動。

圖1 汽水分離器至除氧器疏水ANB閥示意圖

為此，在控制系統(tǒng)中增加了相關(guān)邏輯，根據(jù)汽水分離器和除氧器的壓差及ANB閥開度，估算進入除氧器的疏水流量，并在ANB閥隔絕閥關(guān)閉，或負荷大于230 MW，或分離器水位低于2.0 m時，將該流量切換至0。將這個估算流量與除氧器進口凝結(jié)水流量值相加，作為三信號控制副調(diào)的過程實際值(PV)(見圖2)。在分離器至除氧器疏水流量變化時，響應(yīng)快速的副調(diào)PID就會立即調(diào)整除氧器水位調(diào)節(jié)閥開度，使除氧器水位不會過多偏離設(shè)定值。

圖2 改進后的除氧器水位三信號控制邏輯示意圖

在機組啟動階段，除氧器水位調(diào)節(jié)閥和凝結(jié)水泵變頻均投自動控制，此時除氧器水位調(diào)節(jié)閥控制除氧器水位，凝泵變頻器控制凝結(jié)水壓力[1]。實際過程中，除氧器水位僅在ANB閥隔絕閥開啟初期有一個較大的擾動，但自動控制能將其克服，并在整個機組啟動過程中保持自動控制，不僅提高了機組自動化控制水平，還提高了機組啟動過程經(jīng)濟性(凝泵變頻控制指令一直在80%以下)。

2.1.2 給水自動控制

在對給水自動控制系統(tǒng)進行優(yōu)化后，鍋爐啟動階段給水調(diào)節(jié)閥FW004及給水泵轉(zhuǎn)速均投自動控制正常，給水流量控制穩(wěn)定[2]。

在控制邏輯方面有如下改進：

(1) 調(diào)整給水泵流量上限閉鎖給水泵轉(zhuǎn)速指令(輸出跟蹤)的參數(shù)，由原小于流量限值50 t/h改為大于流量限值50 t/h。修改后，給水泵入口流量增至流量上限時，先自動減小給水調(diào)節(jié)閥開度，降低給水流量，并自動增加給水泵轉(zhuǎn)速，給水泵入口流量上限值也隨之增加，從而避免給水泵控制出現(xiàn)入口流量上限閉鎖。

(2) 將給水調(diào)節(jié)閥自動控制低限由固定值15%改為根據(jù)鍋爐負荷變化，鍋爐負荷30%以下時低限為8%，鍋爐負荷在40%以上時低限為15%，避免了原15%固定自動低限情況下鍋爐啟動階段給水流量偏大的問題。

(3) 原給水泵轉(zhuǎn)速控制邏輯中，如果一臺汽動給水泵發(fā)生跳閘，另一臺汽動給水泵轉(zhuǎn)速控制指令值將立即疊加跳閘汽動給水泵的指令值，導致給水泵汽輪機控制系統(tǒng)(MEH)立即因“協(xié)調(diào)控制來給水泵轉(zhuǎn)速指令與MEH中經(jīng)速率限制后轉(zhuǎn)速指令偏差大”切至手動控制方式。修改邏輯后，給水主控PID輸出加上本給水泵轉(zhuǎn)速控制手動偏置即為該給水泵轉(zhuǎn)速控制指令，一臺給水泵發(fā)生跳閘后，另一臺給水泵控制指令不再疊加跳閘給水泵轉(zhuǎn)速指令，仍自動控制省煤器入口流量，給水泵轉(zhuǎn)速指令會因?qū)嶋H流量遠低于設(shè)定值而迅速增加。

(4) 因汽動給水泵最低轉(zhuǎn)速2 506 r/min對應(yīng)指令35.8%，為了防止給水主控PID出現(xiàn)低值積分飽和現(xiàn)象，在控制邏輯中增加在任一臺汽動給水泵轉(zhuǎn)速控制投入自動方式時，將給水主控PID控制輸出低限設(shè)置為36%；因汽泵超速保護定值6 013 r/min，而給水泵轉(zhuǎn)速控制指令100%時送至MEH的轉(zhuǎn)速設(shè)定值達7 000 r/min，故限制給水主控PID高限至83%，即5 810 r/min，同時也防止給水主控PID出現(xiàn)高值積分飽和現(xiàn)象。

2.2 優(yōu)化高壓加熱器的投用

該機組高壓加熱器(簡稱高加)原投用方式為：6號高加隨汽輪機啟動時投用，7號和8號高加在機組負荷210 MW時投用。

高加汽側(cè)及水側(cè)熱力系統(tǒng)見圖3。

圖3 高壓加熱器汽側(cè)及水側(cè)示意圖

6號、8號高加進汽分別來自汽輪機高壓缸、中壓缸抽汽，在汽輪機未沖轉(zhuǎn)時無蒸汽；7號高加進汽來自高壓缸排汽母管后的再熱蒸汽冷端(簡稱冷再蒸汽)管道。鍋爐點火升壓后，鍋爐出口主蒸汽經(jīng)過高壓旁路減壓、減溫后成為冷再蒸汽，在汽輪機沖轉(zhuǎn)前，冷再蒸汽參數(shù)為1.6 MPa、300 ℃，汽輪機沖轉(zhuǎn)后冷再蒸汽壓力仍保持上述參數(shù)。從整個機組啟動過程看，冷再蒸汽參數(shù)在鍋爐點火升壓后即開始緩慢上升，直至汽輪機沖轉(zhuǎn)前保持1.6 MPa、300 ℃，待機組負荷至210 MW后，冷再蒸汽壓力逐漸上升，直至600 MW額定負荷時達到額定參數(shù)4.48 MPa、300 ℃。

從上述分析可以看出：7號高加實際在鍋爐點火升壓后即可投用，其使用的冷再蒸汽原本在機組啟動期間經(jīng)鍋爐再熱器至低壓旁路減壓減溫后排入凝汽器，將其回收至7號高加完全屬于本機回熱利用。在提前投用7號高加后，還可以減少使用相鄰機組供汽的除氧器輔汽加熱用汽量。

目前該鍋爐啟動采取點火后即將7號高加進汽門開30%，手動全開7號高加緊急疏水調(diào)門。從機組實際啟動過程看，最大可以提高給水溫度100 K，平均提高給水溫度約50 K，見圖4。

圖4 7號高加隨鍋爐啟動時給水溫度變化曲線

將機組啟動過程分兩段來計算7號高加隨爐投用的節(jié)能效果(見表1)，因水在液態(tài)溫度不變的情況下焓值隨壓力變化非常小，為計算簡單將第一階段給水壓力取中值4.0 MPa。

表1 從鍋爐點火到發(fā)電機并網(wǎng)冷態(tài)啟動各種能耗

從表1可以看出：7號高加提前投用后，整個機組啟動過程中回收熱量折合標煤總量約16.4 t，節(jié)能效果明顯。

7號高加隨鍋爐啟動后，鍋爐省煤器進口給水溫度大幅上升，省煤器吸熱量減小，使省煤器出口煙氣溫度上升，進而導致空氣預(yù)熱器入口煙氣溫度、空氣預(yù)熱器出口熱一次風和二次風溫度均同步上升。較高的熱一次風溫度有利于盡早啟動第二臺磨煤機并退出磨煤機A暖風器，較高的熱二次風溫度改善了爐內(nèi)燃燒工況，使煤粉燃燒更完全，提高了微油改造后的鍋爐啟動安全。

同理，在機組停用過程中，也可以調(diào)整原210 MW時退出7號高加方式為鍋爐停用后自動退出7號高加。為防止7號高加水位升高，可以選擇在機組負荷210 MW左右時手動全開7號高加緊急疏水門，并關(guān)小7號高加進汽門至30%。需注意的是，7號高加在進汽門開啟后，需將其閉鎖狀態(tài)解除，以確保其在7號高加水位高高(高Ⅱ值)時仍能自動關(guān)閉；同時為防止停爐后運行人員忘記關(guān)閉7號高加進汽門，在DCS控制中增加了“鍋爐MFT自動關(guān)閉高加7號進汽門”邏輯。

表2 7號高加隨鍋爐啟動節(jié)能效果估算

注：1)熱量折合標煤時以90%鍋爐燃燒效率計算。

2.3 調(diào)整汽水分離器疏水回收流量

該鍋爐采用帶擴容器式爐水回收啟動系統(tǒng)，除了能將鍋爐汽水分離器疏水回收至凝汽器外，還能將分離器疏水及熱量回收至除氧器。

汽水分離器至除氧器疏水ANB閥投用期間，大量分離器疏水直接流至除氧器，只有少量的剩余疏水經(jīng)鍋爐大氣擴容箱及相關(guān)系統(tǒng)回收至凝汽器(見圖1)，雖然最大限度回收了汽水分離器疏水熱量，但大量品質(zhì)較差的爐水在汽水分離器→除氧器→給水泵→高加→鍋爐省煤器→鍋爐水冷壁→汽水分離器之間循環(huán)，而從汽水分離器→爐水回收系統(tǒng)→凝汽器→凝結(jié)水系統(tǒng)經(jīng)過化學精除鹽系統(tǒng)處理的水量偏小，最終導致鍋爐出口主蒸汽雖然可以較快地達到汽輪機沖轉(zhuǎn)參數(shù)(汽輪機冷態(tài)啟動時要求蒸汽參數(shù)8.0 MPa、380 ℃)，但是其蒸汽品質(zhì)遲遲不能滿足汽輪機沖轉(zhuǎn)要求，增加了等待時間。

為使主蒸汽品質(zhì)能及時合格，以往采取手動關(guān)閉分離器至除氧器疏水ANB閥隔絕閥的方法，在主蒸汽品質(zhì)合格后再開啟該隔絕閥，在整個啟動過程中只有很少的時間通過ANB閥回收熱量，延緩了機組啟動時間。

為兼顧分離器熱量回收及主蒸汽品質(zhì)，可以調(diào)整分離器至除氧器疏水ANB閥開度曲線，由原最大開度100%降至50%，既回收一部分分離器疏水熱量，又增加了回收至凝汽器再經(jīng)過精除鹽系統(tǒng)處理的凝結(jié)水流量，在該曲線修改后的歷次機組冷態(tài)啟動中，主蒸汽品質(zhì)均能及時達到汽輪機沖轉(zhuǎn)要求。

因在機組熱態(tài)啟動時一般不存在主蒸汽品質(zhì)合格慢的問題，故在DCS邏輯中增加ANB閥開度曲線切換邏輯，根據(jù)機組啟動狀態(tài)自動選擇ANB閥開度指令曲線?？刂七壿嬕妶D5。邏輯中判斷機組停用時間超過15 h后為非熱態(tài)啟動，此時分離器至除氧器疏水ANB閥最大開度為50%，否則判斷為熱態(tài)啟動，ANB閥最大可開至100%，全流量回收分離器疏水熱量。

圖5 分離器至除氧器ANB閥開度指令曲線切換邏輯

2.4 明確燃料增加控制點

為使機組啟動過程平穩(wěn)連續(xù)，需增加一個明確的控制點供運行人員作為增加燃料參考用。對于直流鍋爐來說，汽水分離器仍是壁厚最大的承壓部件，需要控制其管壁溫度變化率在合理范圍以內(nèi)。在機組冷、溫態(tài)啟動時，可以控制分離器出口蒸汽升溫率在2～3 K/min，在分離器出口未到飽和溫度前，應(yīng)控制水冷壁金屬升溫率在2～3 K/min。另外，在DCS邏輯中增加了分離器出口溫度變化率計算邏輯，并在相關(guān)操作畫面顯示。

3 結(jié)語

通過控制邏輯及參數(shù)優(yōu)化，提高了機組啟動階段自動控制水平，使運行人員能夠及時進行燃料及汽溫等參數(shù)調(diào)整，踩準機組啟動時間節(jié)點，減少了人為原因?qū)е碌臋C組啟動時間延長；通過隨鍋爐提前投用7號高加，大幅提高了鍋爐給水溫度、鍋爐出口煙氣溫度及熱一次風和二次風溫度，改善了爐內(nèi)燃燒工況，不僅縮短了鍋爐啟動時間，還提高了鍋爐微油點火啟動安全性；通過調(diào)整汽水分離器至除氧器疏水ANB閥開度曲線，使得鍋爐出口主蒸汽參數(shù)和品質(zhì)能同步滿足汽輪機沖轉(zhuǎn)要求，縮短了汽輪機沖轉(zhuǎn)等待時間；通過增加分離器出口溫度變化率參數(shù)顯示，使得運行人員能及時根據(jù)該參數(shù)增加燃料量，使鍋爐啟動過程平穩(wěn)連續(xù)。

經(jīng)過上述優(yōu)化工作，目前一期機組冷態(tài)啟動在給煤機A啟動(微油點火)后約140 min即可進行汽輪機沖轉(zhuǎn)，在溫態(tài)啟動時約120 min可進行汽輪機沖轉(zhuǎn)，相對于優(yōu)化前平均節(jié)約了20 min的啟動時間，并相應(yīng)減少了這段時間內(nèi)的水、煤、電耗。

[1] 郗成超，俞靜. 660 MW機組凝結(jié)水泵變頻控制邏輯優(yōu)化[J]. 熱力發(fā)電,2014,43(1):15-20.

[2] 郗成超. 600 MW機組啟動階段給水自動控制邏輯優(yōu)化[J].熱力發(fā)電,2014,43(5):113-116.

Optimization and Energy Saving for a 600 MW Supercritical Thermal Power Unit during Startup

Xi Chengchao

(Huaneng Shidongkou No.2 Power Plant, Shanghai 200942, China)

To solve the problem caused by frequent startup/shutdown of a 600 MW supercritical thermal power unit, corresponding measures are proposed for optimization and energy saving of the unit during startup process, so as to shorten the startup time under the premise the unit safety is improved.

thermal power unit; startup; energy saving; control logic; safety

2014-12-17

郗成超(1981—)，男，工程師，主要從事火電廠運行管理、熱力系統(tǒng)優(yōu)化、自動控制邏輯優(yōu)化工作。

E-mail: westid@126.com

TK227.7

A

1671-086X(2015)04-0279-05