350 MW機(jī)組汽輪機(jī)中壓缸排汽供熱改造分析

戴建剛

(江蘇利電能源集團(tuán), 江蘇江陰 214444)

近年來，隨著全社會(huì)用電負(fù)荷緊張狀況的逐步緩解和節(jié)能減排壓力的增加，一些大型發(fā)電廠紛紛鋪設(shè)供熱管網(wǎng)向臨近的工業(yè)園區(qū)抽汽供熱。與新建小型熱電廠相比，大容量發(fā)電機(jī)組由于運(yùn)行效率較高，可節(jié)約大量燃料[1]。某電廠周圍化工企業(yè)需要1.1 MPa的蒸汽，為此該電廠進(jìn)行中壓缸排汽(簡(jiǎn)稱中排)改造，將350 MW機(jī)組從純凝機(jī)組改為抽凝機(jī)組。中排改造后供熱系統(tǒng)的運(yùn)行直接影響到機(jī)組尤其是汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，為此該電廠進(jìn)行了中排抽汽供汽控制方案的設(shè)計(jì)，并對(duì)機(jī)組負(fù)荷變化或者供熱設(shè)備故障時(shí)的應(yīng)對(duì)控制邏輯不斷完善，實(shí)現(xiàn)了改造后設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

筆者對(duì)此次改造工程的熱力系統(tǒng)及相應(yīng)的控制邏輯作了全面介紹。

1 改造工程概況

該電廠二期3號(hào)、4號(hào)機(jī)組為2臺(tái)350 MW燃煤發(fā)電機(jī)組，在20世紀(jì)90年代中期相繼建成投產(chǎn)。汽輪機(jī)是美國(guó)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年上半年，為進(jìn)一步挖掘機(jī)組的節(jié)能潛力，適應(yīng)外部經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)的需求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)3號(hào)、4號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)通流部分進(jìn)行改造，改為抽凝機(jī)組，重新設(shè)計(jì)中低壓缸連通管,更換原中低壓缸連通管,并在中低壓連通管的中壓排汽口增設(shè)三通管道，在三通管道上增設(shè)一根直徑為530 mm、壁厚為12 mm的抽汽母管引出中排作為供熱汽源，在中低壓連通管中壓排汽口豎直管道上加裝連通管抽汽壓力調(diào)整蝶閥(CV，液動(dòng))來實(shí)現(xiàn)抽汽參數(shù)的調(diào)整。抽汽壓力控制為1.20 MPa，最大設(shè)計(jì)抽汽質(zhì)量流量為150 t/h。

重新設(shè)計(jì)、制造中排豎直段、低壓缸進(jìn)汽豎直段，在連通管中壓排汽口豎直段加裝CV，該閥全關(guān)時(shí)有最小流通孔，保證低壓缸最低安全流量，防止因鼓風(fēng)摩擦產(chǎn)生的熱量不能被及時(shí)帶走而導(dǎo)致低壓缸脹差增大[2]。

熱力系統(tǒng)見圖1：從中低壓連通管中壓排汽口端加裝抽汽三通管道，引出一根供熱母管，作為供熱熱源，在母管往后的抽汽管道上加裝安全閥、抽汽逆止閥(氣動(dòng))、快關(guān)調(diào)節(jié)閥(EV，液動(dòng))、隔離閥(電動(dòng))。

圖1 中排改造系統(tǒng)圖

改造后，中排一部分經(jīng)過CV進(jìn)入低壓缸，另一部分通過CV前三通管道，經(jīng)過EV，將蒸汽供給用戶。

純凝工況：CV全開，抽汽逆止閥和EV、隔離閥全關(guān)。抽凝工況：抽汽逆止閥和EV打開，用CV控制中排壓力，用EV控制到用戶的供汽母管壓力[3]。

熱力控制配合中排改造，增加了3個(gè)CV前中排壓力測(cè)點(diǎn)和3個(gè)中排溫度測(cè)點(diǎn)，EV后增加了3個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)和2個(gè)流量測(cè)點(diǎn)。

2 控制方案

2.1 投入中排調(diào)整抽汽的條件

純凝工況運(yùn)行：CV全開，EV全關(guān)。

抽凝工況運(yùn)行：如果要投入中排抽汽工況運(yùn)行，必須先判斷是否具備中排投入條件。這是為了防止在中壓缸流量小、中壓缸進(jìn)出口壓差變小的情況下，中排溫度過高，容易造成低壓缸變形。電廠中排改造中，將熱再壓力作為特征點(diǎn)來確定中排抽汽是否允許投入：當(dāng)熱再壓力小于規(guī)定值(3.215 MPa)時(shí)，不允許中排抽汽投入；當(dāng)熱再壓力大于規(guī)定值時(shí)，才允許中排抽汽投入。允許投入中排抽汽的熱再壓力3.215 MPa是在再熱汽溫度510 ℃、額定中排抽汽壓力1.20 MPa、中排不抽汽、中排溫度接近報(bào)警值378 ℃條件下計(jì)算所得。中排抽汽投入時(shí)，必須先投入CV控制，保證低壓缸壓力不低于保護(hù)值，然后再投入EV控制供熱蒸汽壓力。

2.2 中排壓力保護(hù)

為保證中排改造后汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，對(duì)中排壓力高和壓力低各設(shè)置報(bào)警和動(dòng)作兩檔保護(hù)。

2.2.1 中排壓力高

為防止中排溫度高、低壓缸變形，報(bào)警值設(shè)定為1.23 MPa，中排壓力達(dá)到該數(shù)值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)通過開大CV來降低中排壓力。中排壓力高動(dòng)作值設(shè)定為1.25 MPa，中排壓力達(dá)到該數(shù)值，并且CV已經(jīng)全開時(shí)，機(jī)組自動(dòng)降負(fù)荷(速率為5 %/min)，直至中排壓力低于報(bào)警值1.23 MPa。機(jī)組自動(dòng)降負(fù)荷是在機(jī)組數(shù)字電液調(diào)節(jié)(DEH)中觸發(fā)Runback(甩部分負(fù)荷)直接減機(jī)主控指令實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 中排壓力低

為了防止中壓缸壓差大，中壓缸末級(jí)葉片過載，保證中壓缸末級(jí)葉片的安全可靠，在投入中排抽汽時(shí)中排壓力不能太低。中排壓力達(dá)到報(bào)警值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通過關(guān)小CV來提高中排壓力。CV全關(guān)仍無法提高中排壓力，達(dá)到中排解列值時(shí)，延遲30 s后中排抽汽自動(dòng)解列。EV關(guān)閉，CV打開，CV打開速率以負(fù)荷變化率不超過5 %/min為限制條件。中排壓力低報(bào)警值和解列值是中壓熱再壓力的函數(shù)，曲線見圖2。

圖2 中壓熱再壓力與中排抽汽壓力關(guān)系圖

如果用戶需要的蒸汽壓力低于中排解列值，在保證中排壓力大于解列值的同時(shí)，通過調(diào)整EV節(jié)流來滿足。

2.3 中排溫度高保護(hù)

中排溫度達(dá)到中排溫度高報(bào)警值(378 ℃)時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)運(yùn)行畫面提示運(yùn)行人員增加主蒸汽流量或降低中排抽汽壓力以降低中排抽汽溫度，如果條件允許可以降低再熱汽溫度，中排抽汽溫度也會(huì)隨之下降。

中排抽汽溫度達(dá)到中排溫度高高跳機(jī)值(388 ℃)時(shí)，打開CV，降低中壓缸排汽壓力，如果溫度繼續(xù)持續(xù)升高，延時(shí)1 min后汽輪機(jī)跳機(jī)。

2.4 低壓缸進(jìn)口壓力低保護(hù)

中排抽汽供熱工況下，為防止低壓缸末級(jí)葉片因排汽流量太小進(jìn)入鼓風(fēng)狀況，不同進(jìn)汽量下有最大的抽汽量限制，低壓缸流量無法直接測(cè)量，因此將低壓缸進(jìn)汽壓力(CV后壓力)作為特征點(diǎn)，保證低壓缸最小冷卻流量。低壓缸進(jìn)口壓力最小值設(shè)定為70 kPa。同時(shí)檢測(cè)低壓缸排汽溫度超過80 ℃時(shí)噴水，超過120 ℃時(shí)跳機(jī)。

在投入中排抽汽工況，低壓缸進(jìn)口壓力低于70 kPa時(shí)，EV不得再開大，此時(shí)分布式控制系統(tǒng)(DCS)畫面上有提示：機(jī)組必須加負(fù)荷后，才能再增加抽汽量。

3 遇到問題及處理方案

3.1 中排壓力高保護(hù)邏輯的完善

為防止中排溫度高、低壓缸變形，對(duì)中排壓力高動(dòng)作保護(hù)設(shè)計(jì)的邏輯為：中排壓力達(dá)到1.25 MPa，并且CV已經(jīng)全開時(shí)，機(jī)組自動(dòng)降負(fù)荷(速率為5 %/min)，直至中排壓力低于報(bào)警值1.23 MPa，機(jī)組自動(dòng)降負(fù)荷在機(jī)組DEH中通過觸發(fā)Runback直接減機(jī)主控指令實(shí)現(xiàn)?？紤]到DEH直接減指令會(huì)造成汽輪機(jī)主控指令和DEH流量指令不一致，對(duì)機(jī)組控制會(huì)產(chǎn)生很大的擾動(dòng)。因此增加了1條邏輯：中排壓力達(dá)到1.25 MPa，并且CV已經(jīng)全開，DEH直接減負(fù)荷的同時(shí)將DEH退出Remote(遠(yuǎn)方控制)，切到OA(操作員自動(dòng)控制)。

3.2 CV卡澀時(shí)機(jī)組協(xié)調(diào)控制邏輯的完善

中排改造后的實(shí)際運(yùn)行過程中，CV曾出現(xiàn)過卡澀。為防止CV卡澀導(dǎo)致中排壓力過高，增加了1條邏輯：在出現(xiàn)CV指令和反饋偏差超過3%(延時(shí)5 s)并且中排壓力高于1.23 MPa時(shí)，機(jī)組退出協(xié)調(diào)方式，切到汽輪機(jī)跟隨控制(TF)方式。原設(shè)計(jì)邏輯為中排壓力達(dá)到1.25 MPa時(shí)通過開大CV來降低中排壓力，由于CV卡澀會(huì)導(dǎo)致中排壓力還會(huì)上升，此時(shí)必須將爐主控切到手動(dòng)，閉鎖增加鍋爐的煤量，所以機(jī)組需退出協(xié)調(diào)方式，切到TF方式，能從源頭上遏制中排壓力的上升。

3.3 EV油路的完善

機(jī)組發(fā)生電超速、汽輪機(jī)跳閘、發(fā)電機(jī)跳閘時(shí)，中排供熱必須強(qiáng)制退出，EV迅速關(guān)閉，CV先關(guān)閉7.5 s，然后CV的快開電磁閥得電，閥門快開。對(duì)外供熱管道上雖然布置了抽汽逆止閥和EV兩道閥門防止蒸汽倒流使汽輪機(jī)超速，但如果發(fā)生不能迅速關(guān)閉的情況下，汽輪機(jī)很有可能超速釀成事故[4]。

對(duì)EV原油路設(shè)計(jì)僅設(shè)計(jì)1路動(dòng)力油，機(jī)組發(fā)生電超速、汽輪機(jī)跳閘、發(fā)電機(jī)跳閘時(shí)靠EV快關(guān)電磁閥得電激勵(lì)，關(guān)閉EV。在考慮EV設(shè)置防超速的重要性后，認(rèn)為EV應(yīng)該和汽輪機(jī)主汽閥、高調(diào)閥同等看待。對(duì)EV油動(dòng)機(jī)進(jìn)行改型，增加油動(dòng)機(jī)安全油壓保護(hù)，安全油管路取自汽輪機(jī)超速保護(hù)控制(OPC)油管支路。該路安全油壓在汽輪機(jī)或發(fā)電機(jī)跳閘或超速時(shí)會(huì)泄掉壓力，EV油動(dòng)機(jī)油缸隨之迅速泄壓，實(shí)現(xiàn)閥門快關(guān)。這樣設(shè)計(jì)的目的是在發(fā)生電超速、汽輪機(jī)或發(fā)電機(jī)跳閘時(shí)，如果EV快關(guān)電磁閥故障，EV也會(huì)因OPC油母管泄壓而關(guān)閉，確保機(jī)組事故時(shí)供熱母管中的蒸汽不會(huì)倒流而使汽輪機(jī)超速。

4 改造后中排帶載能力試驗(yàn)

為了摸索3號(hào)、4號(hào)機(jī)組中排帶載能力及投入中排供熱的邊界條件，改造后進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)前將機(jī)組一抽、冷熱再混合器供熱、熱再至低壓供熱等其他所有供熱退出。機(jī)組負(fù)荷為310 MW，主蒸汽壓力為16.8 MPa，熱再壓力為3.6 MPa，主蒸汽質(zhì)量流量為1 110 t/h左右，主蒸汽溫度為534 ℃，再熱汽溫度為512 ℃，中排壓力為1.2 MPa，中排溫度為361 ℃，CV開度為27%，CV自動(dòng)控制壓力設(shè)定值為1.2 MPa，EV開度為12%，中排供熱質(zhì)量流量為20 t/h。機(jī)組方式在TF方式，總煤量為142 t/h。

4.1 試驗(yàn)一

保持主蒸汽質(zhì)量流量不變，逐漸打開EV，增加中排供熱質(zhì)量流量至150 t/h,同時(shí)將其他機(jī)組低壓供熱流量減少，滿足3號(hào)機(jī)組帶150 t/h要求。試驗(yàn)結(jié)果表明：在此工況下EV全開，控制用戶低壓母管壓力為1.1 MPa時(shí)，中排質(zhì)量流量最大為146 t/h，機(jī)組負(fù)荷降至293 MW，熱再壓力升至3.71 MPa，中排溫度降至最低357.2 ℃(熱再壓力、溫度的變化主要是由于原熱再至低壓供熱質(zhì)量流量由50 t/h降至0 t/h導(dǎo)致)，CV開度關(guān)至21%左右，低壓缸進(jìn)汽壓力由820 kPa降至700 kPa。

4.2 試驗(yàn)二

保持EV全開，逐漸降低主蒸汽質(zhì)量流量。主蒸汽質(zhì)量流量由1 110 t/h降至最低890 t/h

時(shí)，再熱汽溫度為509 ℃，此時(shí)對(duì)應(yīng)機(jī)組負(fù)荷降至230 MW，熱再壓力降至3.12 MPa(抽凝工況)，中排溫度升至最高377 ℃，CV開度關(guān)至最小15.5%左右，低壓缸進(jìn)汽壓力由700 kPa降至540 kPa，中排供熱質(zhì)量流量為130 t/h。

5 結(jié)語

該電廠3號(hào)、4號(hào)機(jī)組經(jīng)過中排供熱改造后，在純凝工況下主蒸汽質(zhì)量流量為900 t/h以上時(shí)可以投入中排抽汽，在保持用戶低壓母管壓力1.1 MPa，EV全開時(shí)，中排供熱蒸汽質(zhì)量流量為125～145 t/h，汽輪機(jī)中排溫度不超限，汽輪機(jī)其他參數(shù)如振動(dòng)、軸向位移、總脹、脹差、推力瓦溫度等無明顯變化，汽輪機(jī)能保持安全運(yùn)行。中排供熱投入后，中排供熱量的大小對(duì)中排溫度的影響較小。

350 MW機(jī)組中排改造后，因?yàn)槠啓C(jī)本體設(shè)備中低壓缸通流部分有所改動(dòng)，中排供熱量和機(jī)組負(fù)荷變化劇烈時(shí)會(huì)影響到機(jī)組的協(xié)調(diào)控制，所以改造后熱工控制邏輯的設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)電設(shè)備的安全運(yùn)行顯得尤為重要。電廠的熱工控制邏輯在實(shí)際運(yùn)行中不斷完善，基本考慮了實(shí)際運(yùn)行工況，保證了發(fā)電設(shè)備的安全運(yùn)行。