給水泵汽輪機(jī)組自動(dòng)沖轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

羅培全,張龍明,陳喜龍

(神華國華舟山發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江舟山 316012)

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給水泵汽輪機(jī)組自動(dòng)沖轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

羅培全,張龍明,陳喜龍

(神華國華舟山發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江舟山 316012)

為了加強(qiáng)機(jī)組的安全運(yùn)行，提出了給水泵汽輪機(jī)自動(dòng)沖轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。分析了該系統(tǒng)的控制范圍、特點(diǎn)、主要啟動(dòng)步驟和設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)等。實(shí)踐證明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

給水泵汽輪機(jī)； 自動(dòng)沖轉(zhuǎn)； 設(shè)計(jì)

隨著國內(nèi)大容量、高參數(shù)火電機(jī)組的發(fā)展，作為重要輔機(jī)的給水泵組占廠用電比例最大。從節(jié)能降耗及節(jié)省投資考慮，燃煤機(jī)組取消啟動(dòng)電動(dòng)給水泵，采用單臺(tái)汽動(dòng)給水泵配置方案，完成從啟動(dòng)到帶負(fù)荷以及停機(jī)整個(gè)發(fā)電過程是有必要的。為了減少操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高機(jī)組啟停的快速性、運(yùn)行的安全節(jié)能性、操作的規(guī)范性，筆者結(jié)合一臺(tái)超臨界350 MW機(jī)組單汽泵自動(dòng)啟動(dòng)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)供同行參考。

1 汽動(dòng)給水泵組工藝流程

該機(jī)組為國產(chǎn)350 MW超臨界燃煤機(jī)組。其給水系統(tǒng)的配置上采用單臺(tái)100%汽動(dòng)給水泵組，取消30%電動(dòng)啟動(dòng)給水泵的方案。給水泵組布置方式為高位布置，中心線與主汽輪機(jī)中心線平行，其汽輪機(jī)排汽方式為下排汽，采用彈性隔震基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。主給水泵采用國產(chǎn)泵組，芯包進(jìn)口。

汽動(dòng)給水泵組工藝流程屬于比較復(fù)雜的輔助系統(tǒng)，與汽動(dòng)給水泵組相關(guān)的設(shè)備有水側(cè)的給水系統(tǒng)、汽側(cè)的動(dòng)力蒸汽系統(tǒng)以及潤滑油系統(tǒng)。動(dòng)力蒸汽系統(tǒng)見圖1。

圖1 給水泵汽輪機(jī)系統(tǒng)圖

汽動(dòng)給水泵啟動(dòng)用汽來自鄰爐的輔助蒸汽系統(tǒng)，當(dāng)本機(jī)組負(fù)荷升到50%時(shí)，通過汽源切換至本機(jī)的四段抽汽供汽。在停爐過程中，當(dāng)負(fù)荷降至30%時(shí)切換至輔助蒸汽，直到機(jī)組解列。

2 自動(dòng)沖轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制范圍及特點(diǎn)分析

2.1 自動(dòng)沖轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制范圍

給水泵汽輪機(jī)自動(dòng)沖轉(zhuǎn)系統(tǒng)具有嚴(yán)格步序且融合了部分閉環(huán)調(diào)節(jié)回路的功能組。如何最優(yōu)地確定功能組控制設(shè)備范圍至關(guān)重要，它關(guān)系著該功能組的適用性和易用性。這些設(shè)備的具體確定必須依據(jù)機(jī)組特定工藝流程、系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律及長期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。常規(guī)的做法是以重要輔機(jī)為中心，將屬于同一系統(tǒng)的設(shè)備組合在一起[1]。依據(jù)這些原則確定自動(dòng)沖轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)備范圍，包括輔汽至給水泵汽輪機(jī)用汽管道疏水門、給水泵汽輪機(jī)疏水門、主給水旁路電動(dòng)調(diào)節(jié)門、主給水電動(dòng)門、給水泵再循環(huán)調(diào)節(jié)門、給水泵汽輪機(jī)油系統(tǒng)、汽輪機(jī)給水泵組。

2.2 啟動(dòng)思想

給水泵汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)功能組主要完成給水泵汽輪機(jī)動(dòng)力汽源的投入、沖轉(zhuǎn)至最低遙控轉(zhuǎn)速，使其從靜止?fàn)顟B(tài)沖轉(zhuǎn)至備用狀態(tài)。為防止給水泵汽蝕，在給水泵沖轉(zhuǎn)前開啟給水泵再循環(huán)調(diào)節(jié)門，關(guān)閉主給水電動(dòng)門和給水旁路電動(dòng)調(diào)節(jié)門。在調(diào)整好本體疏水門、輔汽管道疏水門、核實(shí)給水泵汽輪機(jī)啟動(dòng)條件后，由ATR程序判斷給水泵汽輪機(jī)的狀態(tài)，然后根據(jù)泵組狀態(tài)計(jì)算沖轉(zhuǎn)升速率、暖機(jī)時(shí)間，最終升速至最低遙控轉(zhuǎn)速，并完成給水泵汽輪機(jī)MEH遙控的投入。

啟動(dòng)功能邏輯圖見圖2。

2.3 功能組啟動(dòng)允許條件

功能組啟動(dòng)允許條件，主要對(duì)給水泵汽輪機(jī)相關(guān)油系統(tǒng)、除氧給水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，核實(shí)這些系統(tǒng)是否具備沖轉(zhuǎn)給水泵汽輪機(jī)的要求。主要條件至少包括：

檢查卡執(zhí)行完畢，主要檢查相關(guān)系統(tǒng)的手動(dòng)門等是否滿足條件；鍋爐給水前置泵已經(jīng)啟動(dòng)；給水泵潤滑油油壓正常；給水泵調(diào)節(jié)油油壓正常；給水泵汽輪機(jī)軸封供汽壓力正常；凝汽器壓力低于中間值；除氧器水位正常。

2.4 主要啟動(dòng)步驟

給水泵汽輪機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)首先進(jìn)行功能組啟動(dòng)允許條件的判斷，包括給水泵汽輪機(jī)軸封供汽壓力正常；前置泵已經(jīng)合閘；給水泵汽輪機(jī)潤滑油壓力正常；給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)油壓力正常；除氧器水位正常；凝汽器壓力小于-76 kPa。功能組第一步，置給水泵再循環(huán)調(diào)節(jié)門100%，關(guān)閉給水旁路電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和主給水電動(dòng)門；第二步，開給水泵汽輪機(jī)本體疏水閥和輔汽用汽電動(dòng)門前疏水閥，包括給水泵汽輪機(jī)高壓缸疏水閥、汽缸平衡管疏水閥、汽封母管疏水閥、低壓缸疏水閥、輔汽供汽電動(dòng)門前疏水閥、四抽供小機(jī)電動(dòng)門后疏水閥；第三步，開輔汽供小機(jī)用汽電動(dòng)門；第四步，等待延時(shí)，確保MEH和DCS側(cè)均準(zhǔn)備好沖轉(zhuǎn)條件；第五步，復(fù)位給水泵汽輪機(jī)控制系統(tǒng)；第六步，開給水泵汽輪機(jī)本體疏水閥和輔汽用電動(dòng)門前汽疏水閥；第七步，投大氣擴(kuò)容器A、B側(cè)入口液動(dòng)調(diào)節(jié)門自動(dòng)。

2.5 檢查卡設(shè)計(jì)

功能組本質(zhì)上是一種帶工藝設(shè)備操作的程序流，和傳統(tǒng)的手動(dòng)操作存在較大的差異，在手動(dòng)啟動(dòng)過程中，運(yùn)行人員啟動(dòng)某一設(shè)備，會(huì)在啟動(dòng)后檢查設(shè)備運(yùn)行情況，如果發(fā)現(xiàn)異常，則可以暫緩、停止下一步的操作，而程序沒有人工這么智能，所以必須在程序流開始之前仔細(xì)、嚴(yán)謹(jǐn)檢查，確保在程序流啟動(dòng)之前設(shè)備正常。

檢查卡設(shè)計(jì)需要包括如下幾點(diǎn)：確認(rèn)給水泵、給水泵汽輪機(jī)所有相關(guān)系統(tǒng)工作票已經(jīng)全部終結(jié)；熱控表計(jì)投入，顯示正常；所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)送電；所有手動(dòng)門已經(jīng)為啟動(dòng)準(zhǔn)備狀態(tài)，并具體列出閥門清單。

2.6 DCS側(cè)給水泵汽輪機(jī)遙控啟動(dòng)條件設(shè)計(jì)

由于機(jī)組DCS和MEH不在同一套硬件系統(tǒng)中，所以需要分別設(shè)計(jì)DCS側(cè)邏輯和MEH側(cè)邏輯。 在給水泵汽輪機(jī)進(jìn)蒸汽前全面判斷相關(guān)系統(tǒng)是否具備沖轉(zhuǎn)條件，包括三個(gè)方面內(nèi)容：(1)工藝系統(tǒng)具備條件；(2)熱控儀表監(jiān)測(cè)正常；(3)控制調(diào)節(jié)回路正常。

工藝系統(tǒng)檢測(cè)項(xiàng)目：給水泵汽輪機(jī)系統(tǒng)就緒；四級(jí)抽汽至給水泵汽輪機(jī)壓力正常；給水泵汽輪機(jī)潤滑油油壓正常；給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)油油壓正常；給水泵汽輪機(jī)排氣壓力正常；給水泵汽輪機(jī)軸封供汽壓力正常；除氧器水位正常；鍋爐給水前置泵已經(jīng)運(yùn)行；給水泵上下筒體溫度差小于20 K；除氧器與下筒體溫度差小于50 K；給水泵汽輪機(jī)汽封管疏水閥已打開；給水泵汽輪機(jī)低壓缸疏水閥已打開；給水泵汽輪機(jī)高壓缸疏水閥已打開；給水泵汽輪機(jī)平衡管疏水閥已打開。熱控儀表監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：無METS報(bào)警信號(hào)；無跳閘保護(hù)條件；給水泵汽輪機(jī)MTSI系統(tǒng)正常。控制調(diào)節(jié)回路項(xiàng)目:給水流量無故障；給水泵汽輪機(jī)遙控設(shè)定無故障；給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速正常。

2.7 功能組沖轉(zhuǎn)完成條件

功能組的完成條件包括：轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min；頂軸油泵已經(jīng)停運(yùn)；大氣擴(kuò)容器A側(cè)入口液動(dòng)調(diào)節(jié)門自動(dòng)已經(jīng)投入大氣擴(kuò)容器B側(cè)入口液動(dòng)調(diào)節(jié)門自動(dòng)已經(jīng)投入。

2.8 MEH側(cè)邏輯設(shè)計(jì)

常規(guī)MEH主要控制方式有三種：手動(dòng)運(yùn)行方式、轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制、CCS轉(zhuǎn)速控制。手動(dòng)運(yùn)行方式為MEH系統(tǒng)的后備方式，當(dāng)系統(tǒng)工作不正常而伺服閥模件還能正常工作時(shí)，可由運(yùn)行人員在0～6 000 r/min范圍內(nèi)手動(dòng)操作，達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。手動(dòng)方式就是直接操作閥門開度指令來控制閥門開關(guān)，開環(huán)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制方式，給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)主要通過操作員給出的轉(zhuǎn)速設(shè)定值，轉(zhuǎn)速閉環(huán)回路控制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。在此方式下，操作員按給水泵汽輪機(jī)的理想升速曲線控制升速。初始設(shè)定點(diǎn)以設(shè)定的速率控制轉(zhuǎn)速到目標(biāo)值，目標(biāo)轉(zhuǎn)速和升速率可由運(yùn)行人員在操作員站上設(shè)置。CCS轉(zhuǎn)速控制方式即鍋爐給水自動(dòng)方式。CCS給出4～20 mA給水量需求指令轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速設(shè)定值，再通過轉(zhuǎn)速閉環(huán)回路控制給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速。三種控制方式的切換通過互相之間的自動(dòng)跟蹤，由邏輯判斷實(shí)現(xiàn)無擾切換。

目前國內(nèi)火電機(jī)組，給水泵汽輪機(jī)的沖轉(zhuǎn)大多采用操作員多次干預(yù)下的轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制方式，操作員人工判斷沖轉(zhuǎn)條件，手動(dòng)設(shè)定升速率、目標(biāo)轉(zhuǎn)速，達(dá)到暖機(jī)轉(zhuǎn)速后進(jìn)行暖機(jī)，暖機(jī)到一定程度后再次升速至最低遙控轉(zhuǎn)速，在達(dá)到最低遙控轉(zhuǎn)速(一般為3 000 r/min)后由操作員在DCS與MEH之間進(jìn)行手動(dòng)的遙控投入和撤出。給水泵汽輪機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)MEH側(cè)設(shè)計(jì)就是要解決沖轉(zhuǎn)條件判斷，升速暖機(jī)過程程序化，自動(dòng)升速及遙控啟動(dòng)、遙控投入、升速、暖機(jī)等問題。

2.8.1 MEH側(cè)遙控啟動(dòng)允許

MEH首先進(jìn)行狀態(tài)確認(rèn)，在沒有超速試驗(yàn)，給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速無故障，無給水泵汽輪機(jī)遙控退出按鈕，給水指令正常的情況下，確認(rèn)遙控啟動(dòng)允許條件滿足，并發(fā)條件滿足信號(hào)至DCS側(cè)的順控主程序。圖3為給水泵汽輪機(jī)遙控允許邏輯圖。

圖3 給水泵汽輪機(jī)遙控允許邏輯圖

2.8.2 遙控已經(jīng)投入

MEH在收到順控主程序發(fā)來的遠(yuǎn)程啟動(dòng)指令與給水泵汽輪機(jī)遙控允許且沒有遙控退出請(qǐng)求且無轉(zhuǎn)速通道故障置位給水泵汽輪機(jī)遙控已投入。當(dāng)遙控退出按鈕、給水泵汽輪機(jī)遙控允許不滿足、給水泵轉(zhuǎn)速低中的其中一個(gè)條件不滿足時(shí)，復(fù)位給水汽輪機(jī)遙控已投入。圖4為給水泵汽輪機(jī)遙控已投入邏輯圖。

圖4 給水泵汽輪機(jī)遙控已投入邏輯圖

2.8.3 MEH側(cè)沖轉(zhuǎn)程序設(shè)計(jì)

升速率生成回路見圖5。

圖5 升速速率形成回路

汽動(dòng)給水泵汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)子組第一步復(fù)位、掛閘。確認(rèn)掛閘成功后，判斷泵組的狀態(tài)為冷態(tài)、溫態(tài)還是熱態(tài)。再根據(jù)給水泵汽輪機(jī)的汽輪機(jī)啟動(dòng)曲線，計(jì)算暖機(jī)時(shí)間，生成給水泵汽輪機(jī)升速速率，再根據(jù)升速率生成給水泵汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值，由轉(zhuǎn)速設(shè)定值和實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID的閉環(huán)運(yùn)算，形成給水泵汽輪機(jī)的高低壓調(diào)門指令，控制給水泵汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終調(diào)節(jié)給水流量。

由圖5可見：在沖轉(zhuǎn)初期且投入ATR模式，由D處的減法塊輸出為ATR目標(biāo)RPM(3000)值減去轉(zhuǎn)速設(shè)定值，通過A處的絕對(duì)值模塊，輸出B大于2處下來的ATR升速率，最終選擇最右側(cè)分支的回路，形成最終的給水泵汽輪機(jī)升速率。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升高至近3 000 r/min時(shí)，A處的ABS模塊輸出會(huì)比較小，通過C處的小選模塊，最終形成給水泵汽輪機(jī)升速率。

3 自動(dòng)沖轉(zhuǎn)系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1 順序控制和保護(hù)聯(lián)鎖的獨(dú)立設(shè)計(jì)

無論是順控還是聯(lián)鎖保護(hù)邏輯，控制對(duì)象最終統(tǒng)一到電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、泵等設(shè)備。做到自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)邏輯和保護(hù)聯(lián)鎖的完全分離至關(guān)重要，鑒于設(shè)備可靠性的要求，可以在順控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中只涉及設(shè)備的啟停操作，不對(duì)單體設(shè)備的跳閘條件進(jìn)行修改。為避免設(shè)備的損壞，設(shè)備的啟動(dòng)允許條件必須嚴(yán)格、謹(jǐn)慎[1]。設(shè)備的聯(lián)鎖邏輯關(guān)系遵照常規(guī)機(jī)組進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。

3.2 順序控制和調(diào)節(jié)控制一體化設(shè)計(jì)

功能組的順序控制所納入的設(shè)備有開關(guān)量控制設(shè)備，包括設(shè)備的開、關(guān)、啟、停，進(jìn)行兩位或三位控制。此外還包括模擬量控制設(shè)備，如給水調(diào)節(jié)門、給水泵再循環(huán)調(diào)節(jié)門。調(diào)節(jié)控制的控制對(duì)象為這些模擬量設(shè)備，正常情況下，它擔(dān)當(dāng)閉環(huán)調(diào)節(jié)的基本功能，但在系統(tǒng)啟動(dòng)、停止過程中，這些設(shè)備必須控制到一定狀態(tài)，以滿足下一步程序操作的需要[3]。

4 結(jié)語

機(jī)組經(jīng)深度調(diào)試表明：系統(tǒng)邏輯完善合理，完全具備投入使用的條件。實(shí)踐證明給水泵汽輪機(jī)的自啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案合理，其是DCS廠家、調(diào)試單位、施工安裝單位、業(yè)主方APS項(xiàng)目組成員共同努力的結(jié)果，此系統(tǒng)的成功應(yīng)用減少了機(jī)組運(yùn)行人員的操作內(nèi)容，規(guī)范了設(shè)備的啟動(dòng)過程，減輕了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。此系統(tǒng)的成功應(yīng)用為機(jī)組級(jí)的自啟停系統(tǒng)(APS)成功打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為同類機(jī)組在實(shí)施給水泵汽輪機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)提供一種可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 華東六省一市電機(jī)工程(電力)學(xué)會(huì). 熱工自動(dòng)化[M]. 北京: 中國電力出版社,2000.

[2] 潘鳳萍,陳世和,陳銳民,等. 火力發(fā)電機(jī)組自啟停控制技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社,2011.

[3] 熊澤生. 給水泵組順序控制及調(diào)節(jié)控制設(shè)計(jì)和調(diào)試分析[J]. 湖北電力,2004,28(5): 16-18.

Design and Application of Automatic Impulse System for a Feed-water Pump Turbine

Luo Peiquan,Zhang Longming,Chen Xilong

(Shenhua Guohua Zhoushan Power Generation Co.,Ltd.,Zhoushan 316012, Zhejiang Province,China)

To secure the safety operation of a power unit,an introduction is presented to the design scheme of its automatic impulse system for the feed water pump turbine,together with an analysis on the control range,key start-up procedures and key design points of the system,which has been proved to be reasonable by actual applications.

feed-water pump turbine; automatic impulse; design

2016-09-18；

2016-11-17

羅培全(1976—)，男，高級(jí)工程師，主要從事火力發(fā)電廠熱控及工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)管理及研究。

E-mail: luopeiquan@163.com

TK323

A

1671-086X(2017)04-0300-05