350 MW機(jī)組超高壓供熱系統(tǒng)改造與控制方案

戴建剛

(江蘇利電能源集團(tuán), 江蘇江陰 214444)

近年來，隨著國家節(jié)能減排計(jì)劃的實(shí)施和環(huán)保要求的提高，某電廠周圍化工企業(yè)的自備小電廠逐步關(guān)停，化工廠及其他熱用戶的供熱改為由電廠大機(jī)組提供[1]，供熱量的增加導(dǎo)致該電廠原有的5～8號(hào)機(jī)組超高壓供熱系統(tǒng)已不能滿足供熱量要求。為此利用停機(jī)檢修的機(jī)會(huì)，對(duì)1～4號(hào)機(jī)組分別進(jìn)行超高壓供熱設(shè)備改造，擴(kuò)大全廠對(duì)外供熱能力。筆者介紹了超高壓供熱系統(tǒng)的改造方案和控制策略，緊急情況下采取供熱跳閘保護(hù)、增加配套的凝汽器補(bǔ)水、供熱中心協(xié)調(diào)控制各臺(tái)機(jī)組供熱流量，以保證發(fā)電和供熱設(shè)備的安全運(yùn)行。

1 改造方案

該電廠1～4號(hào)機(jī)組共4臺(tái)350 MW燃煤發(fā)電機(jī)組，在20世紀(jì)90年代相繼建成投產(chǎn)。1號(hào)、2號(hào)機(jī)組是意大利Ansaldo制造的TCDF-33.5一次中間再熱、單軸雙排汽、沖動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)；3號(hào)、4號(hào)機(jī)組是美國西屋公司制造的TC2F-38.6型亞臨界、一次中間再熱、單軸雙排汽、凝汽式汽輪機(jī)，2016年經(jīng)過中排通流部分改造，改為抽凝式汽輪機(jī)。超高壓供熱系統(tǒng)改造是將1～4號(hào)機(jī)組主蒸汽(簡(jiǎn)稱主汽)管道割開，加裝一個(gè)異徑三通閥，接出OD351X18-12Cr1MoV合金鋼蒸汽管道到減溫減壓器，管道上依次布置有電動(dòng)隔絕閥(有小旁路閥)、氣動(dòng)逆止閥、液壓快關(guān)閥、液動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥(有小旁路閥)，減溫水從8號(hào)高壓加熱器(簡(jiǎn)稱高加)出口管道引出，經(jīng)過電動(dòng)隔絕閥和氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥匯成超高壓減溫水母管，各機(jī)組再分別從母管引出減溫水經(jīng)過溫度調(diào)節(jié)閥到減溫減壓器，減溫減壓后的蒸汽經(jīng)過電動(dòng)隔絕閥匯入超高壓蒸汽母管(蒸汽參數(shù)為9.5 MPa、360 ℃)。單臺(tái)機(jī)組供熱能力為300 t/h。減溫減壓器后安裝雙通道壓力、流量測(cè)點(diǎn)和三通道溫度測(cè)點(diǎn)。蒸汽管路和減溫水管路分別安裝長(zhǎng)徑噴嘴，測(cè)量蒸汽和減溫水流量。單臺(tái)機(jī)組超高壓供熱熱力系統(tǒng)見圖1。進(jìn)汽電動(dòng)隔絕閥的小旁路閥用于啟動(dòng)時(shí)暖管，液動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥的小旁路閥打開后可以使管路處于小流量熱備用。

2 控制方案

2.1 機(jī)組供熱跳閘處理

機(jī)組發(fā)生汽輪機(jī)跳閘或鍋爐MFT(主燃料跳閘)時(shí)觸發(fā)供熱跳閘(機(jī)組因故跳閘或停機(jī)時(shí)，為防止母管蒸汽倒流引起汽輪機(jī)超速，設(shè)計(jì)汽輪機(jī)跳閘或鍋爐MFT后迅速停運(yùn)供熱設(shè)備)。

機(jī)組主汽至超高壓供熱減溫減壓器后汽溫大于420 ℃(三取二)，延時(shí)5 min后觸發(fā)供熱跳閘，設(shè)計(jì)此邏輯是為了防止減溫減壓器后碳鋼管道超溫造成爆裂。

機(jī)組主汽至超高壓供熱減溫減壓器后汽溫低于280 ℃(三取二)，延時(shí)5 s后觸發(fā)供熱跳閘，設(shè)計(jì)此邏輯是為了防止設(shè)備故障后低溫蒸汽進(jìn)入供汽母管造成管道損壞。

主汽至超高壓供熱減溫減壓后電動(dòng)隔絕閥離開開位置到關(guān)位置后觸發(fā)供熱跳閘。

2.2 機(jī)組具備供熱條件判斷

機(jī)組主汽壓力>11.5 MPa、主汽溫度>420 ℃且無汽輪機(jī)跳閘或MFT信號(hào)后，認(rèn)為機(jī)組具備對(duì)外供熱能力，允許投運(yùn)超高壓供熱設(shè)備。

2.3 主汽至超高壓供熱電動(dòng)隔絕閥控制

主汽至超高壓供熱電動(dòng)隔絕閥只有手動(dòng)開，無自動(dòng)開聯(lián)鎖；可手動(dòng)關(guān)，也有自動(dòng)關(guān)聯(lián)鎖。自動(dòng)關(guān)聯(lián)鎖條件為機(jī)組供熱跳閘，或者主汽至超高壓供熱液動(dòng)快關(guān)閥離開開位置，并且到關(guān)位置時(shí)觸發(fā)10 s脈沖聯(lián)關(guān)該閥。

2.4 主汽至超高壓供熱液動(dòng)快關(guān)閥控制

主汽至超高壓供熱液動(dòng)快關(guān)閥只能手動(dòng)打開，打開的允許條件是機(jī)組必須具備供熱條件并且無機(jī)組供熱跳閘；可手動(dòng)關(guān)也有自動(dòng)緊急關(guān)聯(lián)鎖，自動(dòng)緊急關(guān)聯(lián)鎖條件為機(jī)組供熱跳閘。

2.5 主汽至超高壓供熱氣動(dòng)逆止閥控制

主汽至超高壓供熱氣動(dòng)逆止閥只能手動(dòng)打開，打開的允許條件為機(jī)組具備供熱條件；可手動(dòng)關(guān)也有自動(dòng)緊急關(guān)聯(lián)鎖，自動(dòng)緊急關(guān)聯(lián)鎖條件為機(jī)組供熱跳閘。

2.6 主汽至超高壓供熱減溫減壓器減壓閥控制

2.6.1 閉環(huán)控制

主汽至超高壓供熱減溫減壓器減壓閥設(shè)有運(yùn)行方式選擇站，運(yùn)行人員可以通過運(yùn)行方式選擇站選擇該調(diào)節(jié)閥以壓力調(diào)整方式或流量調(diào)整方式運(yùn)行(見圖2)。以壓力調(diào)整方式運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行人員通過控制站設(shè)定壓力定值，即超高壓蒸汽減壓閥后壓力運(yùn)行定值，經(jīng)控制站運(yùn)算后輸出控制值，開大或關(guān)小壓力調(diào)節(jié)閥，使閥后壓力(雙測(cè)量，采用備用選擇)運(yùn)行在設(shè)定值。調(diào)節(jié)閥輸出指令還受到最大流量控制指令的限制。運(yùn)行人員可以進(jìn)入供熱畫面上最大流量、最小流量設(shè)定站，人工設(shè)定調(diào)節(jié)閥最大供汽流量值，取人工設(shè)定值和負(fù)荷函數(shù)值兩者的較小值。當(dāng)1號(hào)、2號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)進(jìn)汽質(zhì)量流量大于1 126 t/h(最大連續(xù)負(fù)荷)，3號(hào)、4號(hào)汽輪機(jī)進(jìn)汽質(zhì)量流量大于1 180 t/h(閥門全開負(fù)荷)時(shí)，超高壓供熱調(diào)節(jié)閥開度禁止增加。

圖2 主汽至超高壓供熱減溫減壓器減壓閥控制原理

同樣該閥也可以由運(yùn)行人員選擇流量調(diào)整方式，控制蒸汽輸出流量。當(dāng)閥后壓力為10.5 MPa時(shí)，控制站發(fā)出報(bào)警的同時(shí)切手動(dòng)，由運(yùn)行人員根據(jù)機(jī)組情況手動(dòng)調(diào)整，然后再選擇合適的運(yùn)行方式投自動(dòng)運(yùn)行。

主汽至超高壓供熱減溫減壓器減壓閥有本機(jī)(Local)和遠(yuǎn)方(Remote)兩種方式。僅在流量自動(dòng)方式時(shí)可以切到遠(yuǎn)方，即供熱中心控制方式，此方式下調(diào)節(jié)閥的流量設(shè)定值由遠(yuǎn)方供熱中心給出。

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2.6.2 開環(huán)控制

使壓力閥控制站輸出指令強(qiáng)切為0并且切手動(dòng)的條件為：機(jī)組供熱跳閘；主汽至超高壓供熱減溫減壓器蒸汽管路不通信號(hào)；機(jī)組不具備供熱條件。

主汽至超高壓供熱減溫減壓器減壓閥控制站強(qiáng)切手動(dòng)的保護(hù)條件為：調(diào)節(jié)閥的指令和反饋的偏差大于10%；調(diào)節(jié)閥反饋壞質(zhì)量；控制站輸出指令有強(qiáng)切為0的信號(hào)；壓力控制方式下壓力測(cè)量設(shè)備故障；流量控制方式下流量測(cè)量設(shè)備故障。

2.7 母管減溫水至減溫減壓器溫度調(diào)整閥控制

2.7.1 閉環(huán)控制

運(yùn)行人員通過操作站設(shè)定減溫減壓器后蒸汽溫度，控制站根據(jù)設(shè)定和實(shí)際汽溫(三取中)的偏差值進(jìn)行運(yùn)算，發(fā)出開大或關(guān)小調(diào)節(jié)閥指令，使減溫減壓器后蒸汽溫度運(yùn)行在設(shè)定值。

2.7.2 開環(huán)控制

發(fā)生機(jī)組供熱跳閘或者供熱壓力調(diào)節(jié)閥輸出指令小于2%時(shí)，溫度調(diào)節(jié)閥控制站輸出指令強(qiáng)切為0并且控制站切手動(dòng)。

溫度調(diào)節(jié)閥控制站切手動(dòng)的保護(hù)條件為：調(diào)節(jié)閥的指令和反饋的偏差大于10%；調(diào)節(jié)閥的位置反饋壞質(zhì)量；調(diào)節(jié)閥控制站輸出指令強(qiáng)切為0的信號(hào)；溫度測(cè)量設(shè)備故障。

2.8 供熱中心分散控制系統(tǒng)控制

圖3 供熱中心控制原理圖

該系統(tǒng)為串聯(lián)調(diào)節(jié)，主調(diào)節(jié)器的輸入為超高壓母管壓力及其設(shè)定值，副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)總超高壓供熱流量，調(diào)節(jié)器輸出通過平衡器運(yùn)算出各臺(tái)機(jī)組的供熱流量指令。運(yùn)行人員還可以通過改變偏置調(diào)整機(jī)組間超高壓供熱量的大小。

供熱中心DCS投運(yùn)后，用戶側(cè)流量作為控制量之一，供熱中心把流量指令分配到各臺(tái)機(jī)組，各機(jī)組協(xié)調(diào)動(dòng)作，單臺(tái)機(jī)組供熱設(shè)備故障退出時(shí)，其他機(jī)組設(shè)備會(huì)迅速動(dòng)作，能保證用戶側(cè)蒸汽參數(shù)的穩(wěn)定。

3 調(diào)試中的問題及解決方案

3.1 溫度控制

調(diào)試過程中，遇到用戶用汽量突然變化導(dǎo)致壓力調(diào)節(jié)閥開度變化較大，閥后溫度波動(dòng)較大，有時(shí)會(huì)引起調(diào)節(jié)閥振蕩。解決方案為將壓力調(diào)節(jié)閥指令作為溫度調(diào)節(jié)閥指令的前饋，將調(diào)節(jié)器PID參數(shù)設(shè)計(jì)成隨調(diào)節(jié)閥開度變化的變參數(shù)，調(diào)節(jié)閥開度小時(shí)比例作用弱，調(diào)節(jié)閥開度大時(shí)比例作用加強(qiáng)，使溫度調(diào)節(jié)能迅速響應(yīng)，溫度控制精度提高。

3.2 鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)

超高壓供熱的減溫水從8號(hào)高加出口管道引出，匯成母管，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組給水引出處在給水流量測(cè)點(diǎn)下游，所以1號(hào)、2號(hào)機(jī)組給水到減溫水母管流量大時(shí)，會(huì)影響其汽包水位調(diào)節(jié)，在汽包水位三沖量調(diào)節(jié)中，進(jìn)汽包的給水流量應(yīng)該是原給水流量減去給水到供熱減溫水母管的分流量。

3號(hào)、4號(hào)機(jī)組主汽流量是根據(jù)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)壓力和溫度計(jì)算得出，超高壓供熱改造后，鍋爐產(chǎn)生的主汽在進(jìn)入汽輪機(jī)前分流一部分出去對(duì)外供熱，所以在汽包水位三沖量調(diào)節(jié)中，主汽流量應(yīng)該在汽輪機(jī)入口流量基礎(chǔ)上加上超高壓供熱流量。

3.3 機(jī)組凝器補(bǔ)水

電廠對(duì)工業(yè)用戶供熱都是開式供熱，即工質(zhì)不回收，因此必須對(duì)凝汽器相應(yīng)地進(jìn)行補(bǔ)水[2]。凝汽器補(bǔ)水主要受以下因素影響：

(1) 凝汽器水位過高或過低。水位過高，會(huì)降低凝汽器冷卻面積，影響真空效果；水位過低，會(huì)使凝結(jié)水泵發(fā)生汽蝕。

(2) 凝結(jié)水含氧量。凝汽器凝結(jié)水含氧量過高，會(huì)加速凝結(jié)水管道及設(shè)備的腐蝕。

機(jī)組沒有供熱時(shí)，凝汽器補(bǔ)水是通過凝汽器真空補(bǔ)水小閥和補(bǔ)水大閥利用凝汽器真空從儲(chǔ)水箱補(bǔ)水到凝汽器。隨著機(jī)組超高壓供熱的投運(yùn)，真空補(bǔ)水已不能滿足凝汽器補(bǔ)水量，需要啟動(dòng)注水泵向凝汽器補(bǔ)水。為適應(yīng)此運(yùn)行工況，修改了凝汽器補(bǔ)水邏輯：當(dāng)凝汽器水位低于450 mm(正常設(shè)定值為500 mm)時(shí)聯(lián)啟注水泵，機(jī)組凝汽器補(bǔ)水小閥指令小于60%時(shí)自動(dòng)停運(yùn)注水泵。注水泵啟動(dòng)時(shí)為防止補(bǔ)水量過大將凝汽器補(bǔ)水大閥短時(shí)關(guān)小到30%(5 s脈沖)。

利用注水泵補(bǔ)水存在不節(jié)能和補(bǔ)水泵頻繁啟停不利于設(shè)備安全等弊端。為此，對(duì)凝汽器補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)行了改造：從除鹽水補(bǔ)水母管引一路除鹽水至凝汽器喉部噴淋，在凝汽器內(nèi)增設(shè)一套霧化噴淋裝置，霧化噴淋裝置共50個(gè)噴頭，每個(gè)噴頭的質(zhì)量流量為3 t/h，采用接觸換熱方式冷卻排汽。當(dāng)補(bǔ)水打入凝汽器喉部后，經(jīng)過霧化，強(qiáng)化了排汽的冷卻效果。這樣既回收了部分冷源損失，又提高了真空度，降低了凝結(jié)水溶氧。新增加的這路除鹽水直補(bǔ)補(bǔ)水質(zhì)量流量可達(dá)180～200 t/h。除鹽水直補(bǔ)管路上增加調(diào)節(jié)閥，和原有的凝汽器真空補(bǔ)水大小閥共兩路補(bǔ)水，這樣既節(jié)約了能源，又提高了凝汽器補(bǔ)水系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié)語

供熱設(shè)備的增加改變了原機(jī)組發(fā)電設(shè)備的布置，在提供穩(wěn)定的蒸汽給用戶的同時(shí)，還要考慮電廠本身發(fā)電設(shè)備以及供熱設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，為此設(shè)計(jì)合理的供熱系統(tǒng)和控制邏輯是十分必要的。

在大流量供熱以及多臺(tái)機(jī)組共同供熱的情況下，為防止單臺(tái)機(jī)組跳閘或單臺(tái)供熱設(shè)備強(qiáng)制退出造成供熱蒸汽參數(shù)大幅度波動(dòng)，有必要設(shè)置供熱中心DCS，由其統(tǒng)一協(xié)調(diào)，平穩(wěn)控制多臺(tái)機(jī)組供熱設(shè)備。