9F燃機—汽輪機單軸聯(lián)合循環(huán)機組啟動過程中汽包水位自動控制策略分析

周陽 程途

【摘 要】以熱力循環(huán)為基礎(chǔ)的火力發(fā)電機組，機組啟動到運行、到停機全過程自動是電廠自動化控制的一項重要課題，本文針對9F燃機-汽輪機單軸聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組在啟動過程中余熱鍋爐汽包水位控制特點，及本廠9F燃機-汽輪機單軸聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組余熱鍋爐汽包水位自動控制中的一些不足，進行了詳細(xì)的分析，并提出控制策略建議，以供大家一同探討。

【關(guān)鍵詞】汽輪機 汽包水位 溫度匹配

隨著科技高速發(fā)展，大型火力發(fā)電機組的啟、停、運行，均走向高度自動化，但由于各電廠熱力系統(tǒng)不盡相同，存在各種差異，再加上設(shè)備狀況參差不齊，在自動化實現(xiàn)上總存在著各種問題，本文針對9F燃機-汽輪機單軸聯(lián)合循環(huán)機組在汽包水位自動化控制中所遇到的問題，進行一些分析、提出建議，以供大家一同探討。

1 現(xiàn)高、中、低壓汽包全程自動控制所面臨的問題

9F燃機-汽輪機單軸聯(lián)合循環(huán)機組所配套的余熱鍋爐（以下簡稱余爐）為三壓三汽包鍋爐，由高、中、低壓三個系統(tǒng)組成。該型機組的啟動又分冷、溫和極熱三種狀態(tài)，這三種狀態(tài)是按汽輪機高壓內(nèi)上缸壁溫決定的。燃機在啟動溫度匹配過程中，其排煙溫度受汽輪機缸溫控制，排煙溫度在371℃至566℃之間變化。機組停機后，汽輪機缸溫的下降是一個緩慢的過程，而停機后余爐溫度的下降要比汽輪機缸溫下降的快得多。正常情況下，余爐要比汽輪機提前3天降至室溫。非正常情況下，如余爐搶修、放水，1天后甚至6小時左右，余爐壓力即可降至0，余爐在很短時間內(nèi)即可接近常溫，而此時汽輪機缸溫可能還有400℃左右，機組啟動后，匹配溫度較高。由于煙溫/水溫差較大，造成余爐水位在機組啟動階段的控制存在著許多復(fù)雜性。

1.1 汽輪機、余熱鍋爐均為冷態(tài)

（余爐的冷、熱態(tài)由于沒有統(tǒng)一規(guī)定，這里根據(jù)本文要求暫定：冷態(tài)，余爐汽包壓力均為0，所有省煤器內(nèi)水溫接近于室溫；熱態(tài)，高壓汽包壓力≥3.7MPa，高壓省煤器出口水溫≥150℃。汽輪機依據(jù)規(guī)程，高壓內(nèi)上缸溫度≤204℃為冷態(tài)，≥204℃為熱態(tài)。——下同）冷態(tài)時，燃機啟動后的匹配溫度為371℃，燃機排煙溫度低，溫度匹配時間長，汽輪機加載時間長，爐水膨脹劇烈程度低，高、中、低壓爐水依次膨脹，且為正向膨脹。在機組啟動過程中，高壓汽包水位一般升高300mm左右，中壓汽包水位升高150mm左右，低壓汽包水位升高300mm左右。造成水位升高的原因有：

（1）省煤器、蒸發(fā)器中水受熱膨脹。（2）蒸發(fā)器中水蒸發(fā)，出現(xiàn)大量的汽泡，造成水位升高。（3）給水調(diào)整閥內(nèi)漏。（4）旁路開啟、主蒸汽閥開啟等等，造成汽包壓力下降，引起虛假水位升高。（5）低壓汽包還存在由于凝汽器水位過高，為減少向系統(tǒng)外排水，而過度進水現(xiàn)象。

1.2 汽輪機、余爐均為熱態(tài)

此時燃機啟動后的匹配溫度為471℃以上，燃機排煙溫度高，溫度匹配時間短，汽輪機加載時間短，爐水膨脹劇烈程度相對較低，由于余爐的高、中壓部分溫度相對較高，機組啟動后在鼓風(fēng)作用下，高、中壓部分的熱量被吹到低壓部分，造成余熱鍋爐低壓部分升溫升壓快，而高、中壓部分由于機組啟動后有一個冷拖及點火并網(wǎng)后排煙溫度存在一個低溫區(qū)的過程，高壓部分的爐水會出現(xiàn)一個降溫、水位一定幅度下降的過程。中壓部分則變化不大。當(dāng)燃機排煙溫度由于受溫度匹配的控制快速升高，超過高壓爐水溫度后，此時高、中壓汽包水位開始升高，其升高的速度與燃機排煙溫度和爐水的溫差成一定的比例關(guān)系。在機組熱態(tài)啟動過程中，高壓汽包水位一般可升高200mm左右，中壓汽包水位升高100mm左右，低壓汽包水位升高250mm左右。

1.3 汽輪機為溫/熱態(tài)、余爐為冷態(tài)

此種情況一般出現(xiàn)在機組停運24小時后（和余爐的保溫性能有關(guān)），或由于某些檢修等特殊情況，余熱鍋爐溫度被快速降低。在此工況下由于燃機溫度匹配時排煙溫度較高，爐水膨脹劇烈，高、中、低壓汽包水位快速升高，且幅值大。如果水位調(diào)整不及時，或不能做到先期調(diào)節(jié)，高壓汽包水位可升高350mm左右，中壓汽包水位可升高200mm左右，低壓汽包水位升高300mm左右，此狀態(tài)下極易造成機組因汽包水位高而跳閘。

2 汽包水位自動調(diào)節(jié)策略及建議

由于存在上述問題，因此在設(shè)計汽包水位自動調(diào)節(jié)時應(yīng)分為兩段，一為機組啟動階段，一為機組正常運行階段。由于機組在停機階段時，其汽水循環(huán)尚在，爐水降溫均勻，所以水位波動不大。

2.1 機組啟動前的汽包水位限定

由于汽包水位升高有上述5種原因（見：造成水位升高的原因），因此首先應(yīng)控制好機組啟動前的汽包水位。各汽包在啟動前保持一個適當(dāng)?shù)妮^低水位是給爐水膨脹留出空間，同時這個水位還要兼顧因機組啟動過程中冷拖及低負(fù)荷階段時，對余爐冷卻造成的水位下降，以防止機組低水位跳閘。根據(jù)運行經(jīng)驗及對余爐汽水系統(tǒng)的計算，高壓汽包合適的啟動允許水位是-610mm～-280mm，中壓汽包水位允許啟動是-190mm～-50mm，低壓汽包水位允許啟動條件是-1322mm～-300mm。凝汽器水位的高低也應(yīng)在機組啟動前加以限制，水位以400～550mm之間為佳，可以使凝汽器具備一個安全的水容積，可以承受一定的過度充水。

2.2 利用蒸發(fā)器的定期排污閥控制汽包水位

由于機組啟動后，余爐升到一定壓力必須有一個爐水排污的過程，因此可以把高、中壓蒸發(fā)器的定期排污也納入機組啟動過程中的水位調(diào)節(jié)中去，這樣可以既起到啟動中余爐的排污作用，又可以更好地控制汽包水位?？稍O(shè)定機組啟動階段，高、中壓汽包壓力>0.5MPa，且機組點火成功后，高、中壓給水泵運行時，此時當(dāng)實際水位高過汽包水位自動調(diào)節(jié)的設(shè)定值50mm時，發(fā)短脈沖開對應(yīng)的定期排污閥，使水位下降或減緩水位升高。當(dāng)水位正常后自動關(guān)閉（手動開啟定期排污閥則不受此邏輯控制），但當(dāng)汽包水位達(dá)低一值時強制發(fā)關(guān)短脈沖信號，關(guān)相應(yīng)的定期排污閥。

2.3 啟動階段汽包水位自動值的設(shè)定

在機組啟動階段對汽包水位的自動設(shè)定值的確定是有一定難度的，因為不同的啟動狀態(tài)有不同的啟動水位要求，這里有機組冷熱態(tài)特性，還有閥門、設(shè)備、系統(tǒng)、人員等問題。因此這個問題可以交給運行人員去解決，只要這個設(shè)定值在機組啟動允許范圍內(nèi)，DCS均應(yīng)確認(rèn)水位設(shè)定有效，并作為啟動水位自動控制使用。

2.4 機組水位自動調(diào)節(jié)的啟動階段與正常運行階段的分界點

機組水位自動調(diào)節(jié)的啟動階段與正常運行階段的分界點可以選擇在250MW，即機組負(fù)荷達(dá)250MW后，機組水位自動控制進入正常運行模式，且此時即使負(fù)荷再返回到250MW以下，啟動階段的水位控制相關(guān)邏輯也不會再投入，直到下次機組啟動。如此時高、中、低壓汽包水位偏低（高壓汽包水位<-280mm、中壓汽包水位<-50mm、低壓汽包水位<-300mm）可作一次提醒告警，告知相應(yīng)汽包水位偏低。對于汽包水位調(diào)節(jié)過程中單沖量及三沖量的轉(zhuǎn)換則不受上述邏輯的影響，只需在原DCS上根據(jù)水位調(diào)整情況進行適當(dāng)完善即可。由于部分機組啟動時的相關(guān)水位控制用限制邏輯早在250MW前就已退出，此時的負(fù)荷點主要是一個象征作用，主要用于對運行人員的提醒，以及對啟動時投用的相關(guān)邏輯進行一個檢視。

2.5 中壓并汽階段中壓汽包水位波動問題

啟動并汽階段中壓汽包的水位波動主要問題是：中壓過熱器向再熱器并汽過程中由于蒸汽流量、壓力出現(xiàn)波動變化對汽包產(chǎn)生影響，造成“虛假水位”形成水位上下大幅波動。流量、壓力出現(xiàn)波動變化的主要原因是閥門開啟的初始階段，閥門稍開5%，即可造成中壓汽包水位突升80mm以上，此情況與閥門線性有關(guān)，也和汽包汽水循環(huán)不足有關(guān)，通過改變中壓過熱器壓力調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性及閥門線性，以及通過開大中壓旁路及開啟中壓蒸發(fā)器定期排污閥加強汽水流通，可以改善中壓汽包的壓力波動情況，有利于改善中壓汽包在機組中壓并汽階段的水位波動現(xiàn)象。

中壓過熱器出口壓力調(diào)節(jié)與中壓旁路壓力調(diào)節(jié)在中壓并汽過程中應(yīng)實現(xiàn)平穩(wěn)切換，如采用自動方式，應(yīng)設(shè)置“并汽指令按鈕”，“并汽指令按鈕”的投入需符合中壓并汽條件。當(dāng)并“汽指令按鈕”激活后，中壓過熱器出口壓力調(diào)節(jié)閥在自動狀態(tài)下維持汽包壓力，中壓旁路壓力調(diào)節(jié)閥則以一定的速率緩慢下關(guān)，當(dāng)中壓汽包水位下跌較快，與水位自動設(shè)定值偏差達(dá)-50mm時，中壓旁路壓力調(diào)節(jié)閥停止關(guān)閉，保持開度不變，直到中壓汽包水位與水位自動設(shè)定值偏差<-50mm時，繼續(xù)下關(guān)，直到關(guān)到0%，當(dāng)中壓旁路壓力調(diào)節(jié)閥開度<2%后（表示閥門關(guān)閉），將中壓旁路自動設(shè)定值由當(dāng)前值加上0.24MPa，并小于上限，即保持中壓旁路在機組正常運行始終處于關(guān)閉狀態(tài)，直到汽輪機卸載或中壓過熱器超壓。一但汽輪機卸載、中壓過熱器出口壓力調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，中壓旁路自動設(shè)定值將回到當(dāng)前值，參與中壓汽包壓力調(diào)節(jié)，同時也盡可能減小中壓汽包的水位波動，同時“并汽指令按鈕”自動退出。

3 結(jié)語

以上是針對9F燃機-汽輪機單軸聯(lián)合循環(huán)機組在啟動過程中，汽包水位調(diào)節(jié)在實際運行產(chǎn)生過程中產(chǎn)生的問題，及如何采用自動控制策略的個人見解，作為拋磚引玉，希望大家共同探討。