1 000 MW機組重要輔助系統(tǒng)旁路門控制優(yōu)化研究

范永江

（神華國華寧海電廠，浙江 寧波 315612）

0 引言

大型火力發(fā)電廠許多重要輔助系統(tǒng)均配置了旁路門，如給水旁路門、定子冷卻水旁路門、發(fā)電機冷氫溫度調(diào)節(jié)旁路門，這些系統(tǒng)的旁路門通常不是調(diào)節(jié)門，而是普通的帶中停的電動門。正常運行時，這些旁路門是關(guān)閉的。在一些異常工況下，系統(tǒng)主回路的調(diào)節(jié)門發(fā)生故障，造成主調(diào)節(jié)門異常關(guān)閉，使被控對象失去控制，對機組安全運行造成很大影響，嚴(yán)重時導(dǎo)致跳機事故的發(fā)生。此時，及時開啟旁路門能避免事故的發(fā)生，或防止事件進(jìn)一步擴(kuò)大。

某火力發(fā)電廠2×1 000 MW機組汽輪機是上海汽輪機有限公司采用德國西門子公司技術(shù)生產(chǎn)的超超臨界一次中間再熱雙背壓凝汽式汽輪機，其型號為1000/26.25/600/600（TC4F）；型式為高中壓聯(lián)合啟動、超超臨界、一次中間再熱、單軸、雙背壓、四缸四排汽。鍋爐為上海鍋爐廠有限公司引進(jìn)Alstom-Power公司的1 000 MW超超臨界一次再熱、單爐膛單切圓燃燒直流爐，其型號為SG3091/27.56-M54X。

汽輪機采用定-滑-定運行方式。單元機組采用爐、機、電單元控制室集中控制方式，發(fā)電機采用水-氫-氫冷卻方式。

DEH（數(shù)字式電液控制系統(tǒng)）設(shè)置冷氫溫度高保護(hù)，其原理為：用于冷卻發(fā)電機的氫氣在其工作壓力下對應(yīng)的露點很低，一般稍低于其工作溫度，如果定冷水溫度比其低的話，會造成冷氫結(jié)露，影響其冷卻效果，進(jìn)而影響發(fā)電機正常工作。1 000 MW機組在實際運行中，發(fā)電機冷氫溫度在38~41℃，發(fā)電機定子線圈進(jìn)水溫度在40~45℃，為了防止上面定冷水比冷氫溫度低這種情況發(fā)生，必須要保證冷氫溫度比定冷水溫度低，所以該機組設(shè)計冷氫溫度高保護(hù)邏輯。

1 主調(diào)節(jié)門故障引起跳機事件經(jīng)過

1.1 ETS（汽輪機跳閘保護(hù)系統(tǒng)）動作前機組狀態(tài)

2月15日11∶42，5號機組負(fù)荷793 MW，協(xié)調(diào)投入，AGC（自動發(fā)電控制）方式，主蒸汽壓力23.2 MPa，主蒸汽溫度590.7℃，再熱蒸汽壓力4.16 MPa，再熱蒸汽溫度561.29℃，總煤量267.6 t/h，總給水量2 190 t/h，總風(fēng)量2 291 t/h，A，B，C，D，E共5套制粉系統(tǒng)運行，主機真空-99.88 kPa，5A和5B真空泵運行，5A和5B汽泵運行，雙引、雙送、雙一次風(fēng)機運行，脫硫、脫硝系統(tǒng)運行正常。

1.2 事件經(jīng)過

2 月 15 日 11∶42∶39∶708， 5 號機組汽輪機 ETS動作，首出原因為發(fā)電機冷氫B溫度高。

2月 15日 11∶41∶19， 5 號機組負(fù)荷 793 MW，發(fā)電機氫冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動門反饋由23.96%升至 71.42%；11∶41∶37，A 側(cè)、B 側(cè) 6點冷氫溫度均開始上升；11∶42∶09時，溫度升到報警值48℃，DCS（分散控制系統(tǒng)）操作員站發(fā)出5號機冷氫溫度高報警，大屏光字牌“COLD H2 TEMP H”報警；11∶42∶38時，B側(cè) 3個冷氫溫度超過 53℃跳機值（3選2邏輯，A側(cè)冷氫溫度高溫度也同時升高，滯后于B側(cè)9 s達(dá)到53℃跳機值），延時1 s后，B側(cè)冷氫溫度高ETS保護(hù)動作，汽輪機跳閘，發(fā)電機解列，高旁動作，鍋爐維持運行。跳機前后閥位、指令、溫度歷史趨勢見圖1。

圖1 跳機前后閥位、指令、溫度歷史趨勢

1.3 故障處理

ETS動作后，立即去就地檢查發(fā)電機氫冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動門（氣動門型號為COPES-VULCAN 0810-150609-1-2，定位器為SIEMENS 6DR5210-OEN00-0AA0）。在檢查中發(fā)現(xiàn)：發(fā)電機氫冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動門定位器反饋大部分時間指示在72%，偶爾跳變到0%。當(dāng)定位器反饋指示在72%時，調(diào)門實際閥桿處于關(guān)到位狀態(tài)，而當(dāng)定位器反饋跳變時，調(diào)門實際閥位也處于波動狀態(tài)，跳機前后發(fā)電機氫冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動門閥位反饋與指令趨勢見圖2，可見閥位反饋大幅波動跳變。為判斷發(fā)電機氫冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動門本體是否故障，進(jìn)行了調(diào)門開啟試驗：將調(diào)門開啟，用聽棒聽見水流聲；試驗時，調(diào)門開度最大開啟60%，閉冷水泵出口壓力由0.85 MPa下降到0.79 MPa。通過試驗，可以判斷西門子定位器故障，而調(diào)門本體無故障，閥芯無脫落現(xiàn)象。因此，更換發(fā)電機氫冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動門的西門子定位器，更換后恢復(fù)系統(tǒng)重新開機。

圖2 跳機前后閥位趨勢

在此次事件中，由于發(fā)電機氫冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動門就地定位器故障，使該氣動門關(guān)閉，造成發(fā)電機氫冷卻器冷卻水中斷，使冷氫溫度在80 s內(nèi)由40.9℃迅速升高至53℃，造成5號機組冷氫溫度高ETS保護(hù)動作，使汽輪機跳閘，發(fā)電機解列。

2 旁路門控制邏輯修改設(shè)想

造成ETS動作的直接原因是：發(fā)電機氫冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動門的定位器故障，導(dǎo)致氫冷卻器冷卻水主管路斷水，如果氫冷器旁路門在冷氫溫度達(dá)報警值時能及時開啟，則可以避免冷卻器回路斷水，從而降低或延緩故障，避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

為此，提出旁路門參與控制的設(shè)想：當(dāng)主調(diào)節(jié)門故障關(guān)閉時，旁路門及時打開，參與控制；當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)正常時，旁路門根據(jù)實際情況手動關(guān)閉。旁路門參加控制作為設(shè)備故障的應(yīng)急手段之一，可以提高設(shè)備運行的安全性。

由于旁路門與主管路的管徑大部分是一致的，也有個別旁路門管徑與主管路尺寸不一樣，所以旁路門打開的方式、開度、開啟時間等要通過試驗來驗證，并根據(jù)試驗結(jié)果來設(shè)計旁路門參與控制的邏輯。

3 旁路門開啟試驗

旁路門開啟試驗的目的是確定主調(diào)節(jié)門故障時旁路門的目標(biāo)開度，其中，以最大需求流量對應(yīng)的開度為最大目標(biāo)開度，此開度為旁路門開啟后的開度上限。

以冷氫溫度調(diào)節(jié)門為例，進(jìn)行旁路門開啟試驗，驗證旁路門開啟效果，確定旁路門的目標(biāo)開度。在機組正常運行時，其冷氫溫度調(diào)節(jié)門開度一般在21%~28%，正常無功需求工況下，其冷氫溫度調(diào)節(jié)門開度為25%時即可滿足冷卻流量需求。

因此，在冷氫溫度調(diào)節(jié)門開度為25%時，開始進(jìn)行試驗。首先，冷氫溫度調(diào)門開度由25%左右逐漸切換至旁路電動門調(diào)節(jié)，最終試驗結(jié)果顯示旁路電動門開度為30%時，與冷氫溫度調(diào)門25%開度通流量基本一致，如表1所示。

表1 調(diào)門、旁路門流量特性

假設(shè)旁路門開足仍達(dá)不到相應(yīng)的比例，則直接開足旁路門也會對被調(diào)量有相應(yīng)的影響，可以延緩事故的擴(kuò)大化。

4 優(yōu)化后旁路門參與控制的邏輯

以發(fā)電機冷氫溫度調(diào)節(jié)旁路門為例，考慮到無法判斷主調(diào)節(jié)門是因為控制器、元件、信號電纜故障，還是主調(diào)節(jié)門本身故障（如閥芯脫落）。但無論是哪種故障，均表現(xiàn)為被調(diào)量“定冷水溫度”異常。如果定冷水溫度低，對機組的安全性沒有影響，但定冷水溫度上升則會造成很大的風(fēng)險。為此，只要針對定冷水溫度高進(jìn)行有針對性的邏輯修改即可。

根據(jù)試驗結(jié)果，得出主調(diào)節(jié)門故障時旁路門的目標(biāo)開度，旁路門打開的觸發(fā)條件是被調(diào)量的異常值，該值可以根據(jù)機組的實際工況來設(shè)定。補充停止打開條件、旁路門關(guān)閉的條件就可以設(shè)計出帶有旁路門的氣動、電動調(diào)節(jié)門的控制邏輯，從而確保異常工況下，旁路門自動開啟，快速的動作，確保機組正常運行。

現(xiàn)場的旁路門有3種：帶中停的電動門并有開度指示、帶中停功能的不帶開度指示和全開全關(guān)型，針對3種電動旁路門分別制定控制邏輯。

4.1 帶中停且有開度指示的電動旁路門控制邏輯

對于帶中停功能的電動旁路門，具體邏輯為：

（1）開啟閥門的條件：當(dāng)定冷水溫度達(dá)到高2值時，立即發(fā)出一個脈沖信號去開旁路門。邏輯如圖3所示。

圖3 旁路門開邏輯

（2）旁路門的停止打開條件：溫度降到高1值；運行人員手動停止開門；達(dá)到目標(biāo)開度。

這3個條件是“或”的關(guān)系，任一條件滿足時，旁路門不再開啟而是保持在一定的開度上。

（3）關(guān)門條件：由運行人員手動關(guān)門。

4.2 帶中停但無開度指示的電動旁路門控制邏輯

（1）可以發(fā)一個脈沖信號來控制開旁路門的時間，而這個脈沖的脈寬，則需要通過試驗來確定，記錄1 s脈沖、5 s脈沖、10 s脈沖時該電動門的開度，并根據(jù)試驗值來確定發(fā)出的脈沖寬度，該脈沖的時間即為邏輯圖中可調(diào)脈沖寬度，開度試驗數(shù)據(jù)見表2。需注意的是，脈沖時間要考慮DCS發(fā)出指令經(jīng)I/O卡件后返回的時間。

表2 脈沖時間與實際開度的對照表

（2）旁路門停止打開條件：溫度降到高1值；溫度大于高2值脈沖信號取非；運行人員手動停止開門。

這3個條件為“或”的關(guān)系，任一條件滿足時，旁路門不再開啟，停留在一定開度。邏輯如圖4所示。

圖4 旁路門復(fù)位條件

（3）旁路門關(guān)閉的指令則仍然為手動指令，此指令由運行人員根據(jù)機組的實際工況進(jìn)行。

4.3 全開全關(guān)型電動旁路門的控制

如果不是帶中停功能的電動旁路門，而是直接接收開指令、然后直接開到位的電動門，則應(yīng)增加復(fù)位中停功能，需要斷掉電動門中的自保持回路，修改電動門的硬接線，并將閥門的開指令改為長信號，而不是脈沖信號。如果無法改變電動門的自保持回路，那么只能實現(xiàn)旁路門全開，此時被調(diào)量“定冷水溫度”將直線下跌，但即使下跌也只是影響經(jīng)濟(jì)性，安全性仍然可以保障。

5 邏輯優(yōu)化的推廣應(yīng)用

梳理1 000 MW機組全部熱力系統(tǒng)，在不增加投資的情況下，下列系統(tǒng)的旁路門可以采用該優(yōu)化邏輯。

5.1 發(fā)電機定子水冷卻器冷卻水回水旁路門

（1）在實際運行中，發(fā)電機定子線圈進(jìn)水溫度在40~45℃，將發(fā)電機定子線圈進(jìn)水溫度報警值從53℃修改至50℃。

（2）增加發(fā)電機定子水冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動門閥門指令與反饋偏差大于10%報警信號，并送至大屏，以提醒定位器出現(xiàn)故障。

（3）當(dāng)發(fā)電機定子線圈進(jìn)水溫度大于53℃時，開啟定子水冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動門旁路電動門到30%，將“開到位或運行發(fā)關(guān)旁路電動門指令時”，作為復(fù)位條件，運行即可以手動操作該旁路電動門。

5.2 勵磁機冷卻水水溫調(diào)節(jié)旁路門

（1）將勵磁機后熱風(fēng)溫度報警值從75℃修改至65℃。

（2）增加勵磁機冷卻水水溫調(diào)節(jié)門閥門指令與反饋偏差大于10%報警信號，并送至大屏以提醒定位器出現(xiàn)故障。

（3）當(dāng)勵磁機后熱風(fēng)溫度大于73℃時，開啟勵磁機冷卻水溫度調(diào)節(jié)門旁路電動門到20%，“開到位或運行發(fā)關(guān)旁路電動門指令時”作為復(fù)位條件，運行即可以手動操作該旁路電動門。

對于被控對象是有上、下限要求的旁路門，則不能采用該邏輯，如汽輪機潤滑油溫控制系統(tǒng)中，潤滑油溫的高低對機組的安全運行具有危害性，此類旁路門則不宜采用該邏輯。

6 結(jié)語

在資金充裕的情況下，硬件優(yōu)化的最優(yōu)選擇是將旁路電動門更換為調(diào)節(jié)門，雖然需要增設(shè)指令線及反饋線等控制電纜，DCS也需要重新分配卡件通道進(jìn)行組態(tài)，但后期調(diào)節(jié)效果好。次之是更換為帶中停功能的電動門。

該研究在不增加投資、不進(jìn)行設(shè)備改造的情況下，僅僅利用現(xiàn)有設(shè)備通過做試驗，計算流量比，設(shè)計出有針對性的控制邏輯，實現(xiàn)了旁路門優(yōu)化的控制功能，補充機組重要設(shè)備故障時的應(yīng)急手段，從而提高機組的安全性能，可供其他同類型機組借鑒。

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