STAG209E燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組疏水自動控制的研究與應(yīng)用

童振翔，黃月麗，曹 鑫，茅珈浩，湯可人，潘雪澄，陳海文，胡孟文，杜嘉奇

（華電浙江龍游熱電有限公司，浙江 龍游 324400）

0 引言

火力發(fā)電廠機(jī)組啟動過程，隨著蒸汽溫度壓力升高，蒸汽與管道發(fā)生熱交換。當(dāng)管道溫度低于蒸汽溫度時(shí)，蒸汽溫度降低，從而使蒸汽過熱度下降。當(dāng)蒸汽溫度低于當(dāng)前壓力下的飽和溫度時(shí)，部分蒸汽凝結(jié)產(chǎn)生凝結(jié)水，在高速流動蒸汽的推動下，凝結(jié)水在熱力系統(tǒng)管道、閥門內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈撞擊，損壞管道和閥門。若凝結(jié)水未及時(shí)排出，會隨著蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，與葉片發(fā)生撞擊，使葉片損傷甚至斷裂[1]。此外，由于蒸汽與凝結(jié)水的溫度不同，會使金屬局部產(chǎn)生溫差，引起差應(yīng)力，加速設(shè)備變形甚至爆管，減少設(shè)備使用壽命。因此，機(jī)組啟動過程中，應(yīng)及時(shí)排出熱力系統(tǒng)管道內(nèi)產(chǎn)生的凝結(jié)水[2]。

目前，火力發(fā)電機(jī)組疏水系統(tǒng)以半自動控制方式為主，通過人為手動操作電動疏水閥實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的疏水[3]。由于人為疏水存在重大安全隱患，某廠開展針對STAG209E 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組疏水自動控制的研究，結(jié)合機(jī)組二拖一、一拖一、冷態(tài)、熱態(tài)等多種工況，通過邏輯組態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組在啟動階段全廠疏水閥組的自動控制功能。

1 課題研究背景

1.1 現(xiàn)狀介紹

某廠建設(shè)有一套STAG209E 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，由2 臺燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，2 臺余熱鍋爐，1 臺抽凝式蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組和1 臺背壓式蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組組成。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組為二拖一分軸布置。

燃機(jī)排氣進(jìn)入余熱鍋爐，通過各受熱面產(chǎn)生熱交換，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功。余熱鍋爐分為高壓汽包、低壓汽包以及除氧器系統(tǒng)，高壓系統(tǒng)產(chǎn)生高壓過熱蒸汽經(jīng)過高壓主蒸汽管道進(jìn)入汽輪機(jī)做功，低壓系統(tǒng)產(chǎn)生低壓過熱蒸汽經(jīng)過低壓主蒸汽管道進(jìn)入汽輪機(jī)第11 級做功。從余熱鍋爐主蒸汽管道到汽輪機(jī)進(jìn)汽門共布置了30 個(gè)氣動疏水閥，其中兩臺余熱鍋爐高壓系統(tǒng)各布置了4 個(gè)氣動疏水閥，低壓系統(tǒng)各布置了2 個(gè)氣動疏水閥；汽輪機(jī)高壓主蒸汽管道共布置13 個(gè)氣動疏水閥，汽輪機(jī)低壓主蒸汽管道共布置5 個(gè)氣動疏水閥，汽輪機(jī)本體布置了8 個(gè)氣動疏水閥。

投產(chǎn)以來，機(jī)組日開夜停調(diào)峰運(yùn)行。在機(jī)組啟動過程中，各疏水閥采用手動控制，由于機(jī)組運(yùn)行工況的多樣性且熱力系統(tǒng)疏水閥布置數(shù)量多，加之人員操作規(guī)范性不一等問題，造成機(jī)組疏水系統(tǒng)操作方式不同，使機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性相差較大[4]。

1.2 問題與分析

二拖一機(jī)組具備較為復(fù)雜且多樣的運(yùn)行方式，可分為一拖一與二拖一方式運(yùn)行。根據(jù)機(jī)組啟動時(shí)汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸溫度，又可分為冷態(tài)啟動與熱態(tài)啟動。結(jié)合燃機(jī)啟動先后順序，共有8 種啟動工況，設(shè)計(jì)應(yīng)用較為復(fù)雜。

原有設(shè)計(jì)僅根據(jù)過熱度進(jìn)行判斷，執(zhí)行疏水閥自動開、關(guān)操作，無法滿足機(jī)組熱態(tài)啟動工況的需求[5]，且相關(guān)疏水閥可參照的過熱度并不能完全表征蒸汽管道實(shí)際運(yùn)行情況。因此，該操作方式已無法保證可靠疏水，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

現(xiàn)結(jié)合機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，基于DCS 系統(tǒng)邏輯組態(tài)的研究應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)疏水的自動控制，并完善系統(tǒng)相關(guān)溫度過熱度顯示，規(guī)范運(yùn)行人員對疏水系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控，保障機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[6]。

1.3 研究意義

機(jī)組疏水系統(tǒng)在火力發(fā)電廠中對安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要作用。實(shí)現(xiàn)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組疏水系統(tǒng)的自動控制功能，提升設(shè)備自動化應(yīng)用水平，能有效減少運(yùn)行人員操作工作量及誤操作，實(shí)現(xiàn)“技防”與“人防”相結(jié)合，從而提升余熱鍋爐和汽輪機(jī)系統(tǒng)的安全，并保障整套機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2 研究與實(shí)施

2.1 項(xiàng)目研究范圍

對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組疏水系統(tǒng)現(xiàn)存的問題進(jìn)行分析，研究實(shí)現(xiàn)自動控制，主要范圍與內(nèi)容：

1）掌握目前疏水閥控制的現(xiàn)狀。

2）增加主蒸汽管道各溫度測點(diǎn)過熱度顯示。

3）區(qū)分“二拖一”與“一拖一”工況，“二拖一”工況又分先啟與后啟。

4）區(qū)分“冷態(tài)”與“熱態(tài)”工況。

5）不同的疏水閥開關(guān)條件依據(jù)的過熱度測點(diǎn)選擇。

6）過熱度上升證實(shí)邏輯設(shè)計(jì)。

7）疏水閥后管路暢通判據(jù)。

8）蒸汽流量證實(shí)。

9）系統(tǒng)全過程自動控制的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

2.2 方案研究與應(yīng)用

2.2.1 方案的目標(biāo)

機(jī)組疏水系統(tǒng)自動控制研究的目標(biāo)：①在主蒸汽管道各溫度測點(diǎn)均增加過熱度顯示，便于運(yùn)行人員監(jiān)控；②疏水閥自動開關(guān)邏輯符合蒸汽系統(tǒng)管道運(yùn)行要求；③保證疏水充分，即在保證機(jī)組安全的前提下提高經(jīng)濟(jì)性；④根據(jù)機(jī)組啟動工況，順控開關(guān)疏水閥，實(shí)現(xiàn)疏水的全程順控[7]；⑤減少人為操作偏差及失誤的可能性，實(shí)現(xiàn)“技防”與“人防”相結(jié)合。

2.2.2 結(jié)合運(yùn)行操作規(guī)程進(jìn)行控制策略研究

將疏水系統(tǒng)分為鍋爐側(cè)高低壓疏水系統(tǒng)與汽機(jī)側(cè)高低壓疏水系統(tǒng)，按照3 個(gè)系統(tǒng)并結(jié)合具體工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

通過DCS 系統(tǒng)邏輯組態(tài)功能，將機(jī)組疏水系統(tǒng)啟動狀態(tài)分為冷態(tài)、非冷態(tài)工況，根據(jù)汽輪機(jī)上缸內(nèi)壁溫度來區(qū)分工況。其中，又細(xì)分為“一拖一”以及“二拖一”工況?！岸弦弧狈抢鋺B(tài)關(guān)和冷態(tài)關(guān)細(xì)分為有無“二拖一后啟1 號”工況，即兩個(gè)工況細(xì)分為10 個(gè)子工況。燃機(jī)啟動后，結(jié)合汽輪機(jī)的狀態(tài)分別在燃機(jī)“start 至點(diǎn)火”“點(diǎn)火至并網(wǎng)”“真空＜-50KPa”“汽輪機(jī)掛閘”階段自動開疏水閥；根據(jù)所啟動的燃機(jī)以及先后順序，判斷主蒸汽優(yōu)選過熱度、蒸汽流量滿足要求，對鍋爐高、低壓主蒸汽管道，汽機(jī)高、低壓主蒸汽管道總計(jì)30 個(gè)疏水閥實(shí)施了全程自動開、關(guān)功能[8]。

2.2.3 控制邏輯實(shí)現(xiàn)順控功能

2.2.3.1 余熱鍋爐高低壓疏水閥組（12閥）

1）#1（2）號余熱鍋爐過熱器疏水閥組（共6 個(gè)：高壓過熱器1 疏水閥、高壓過熱器2 疏水閥、低壓過熱器疏水閥）。

① 冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，主蒸汽過熱度＜21℃，燃機(jī)啟動后。

② 冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，疏水閥后管路暢通、主蒸汽過熱度＞21℃，主蒸汽流量證實(shí)。

圖1 余熱鍋爐高低壓疏水12閥組邏輯組態(tài)Fig.1 Logic configuration of high and low pressure drain 12 valve groups of waste heat boiler

③ 非冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，燃機(jī)啟動后。

④ 非冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，疏水閥后管路暢通，主蒸汽過熱度＞21℃且有上升趨勢，主蒸汽流量證實(shí)。

2）#1（2）號余熱鍋爐集箱疏水閥組（共6 個(gè)：高壓過熱蒸汽集箱疏水閥、高壓過熱蒸汽減溫器疏水閥、低壓過熱蒸汽集箱疏水閥）。

① 冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，主蒸汽過熱度＜21℃，燃機(jī)啟動后。

② 冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，疏水閥后管路暢通、主蒸汽過熱度＞21℃，主蒸汽流量證實(shí)。

③ 非冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，燃機(jī)點(diǎn)火后。

④ 非冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，疏水閥后管路暢通，主蒸汽過熱度＞21℃且有上升趨勢，主蒸汽流量證實(shí)。

上述控制邏輯組態(tài)與畫面如圖1、圖2 所示。

2.2.3.2 汽機(jī)低壓主汽疏水閥組（5閥）

1）#1（2）號低壓主汽并汽門前疏水。

① 冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，低壓主蒸汽過熱度＜21℃，燃機(jī)啟動后。

② 冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，低壓主汽并汽門在開位、低壓主汽并汽門后過熱度＞21℃，低壓主蒸汽過熱度＞21℃，低壓主蒸汽流量證實(shí)。

③ 非冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，燃機(jī)點(diǎn)火后。

圖2 余熱鍋爐高低壓疏水12閥組DCS畫面Fig.2 DCS picture of high and low pressure drain 12 valve groups of waste heat boiler

④ 非冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，低壓主汽并汽門在開位、低壓主汽并汽門后過熱度＞21℃且有上升趨勢，低壓主蒸汽過熱度＞21℃，低壓主蒸汽流量證實(shí)。

2）#1（2）號低壓主汽旁路閥前疏水。

① 冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，低壓旁路壓力調(diào)節(jié)閥前過熱度＜21℃，燃機(jī)啟動后。

② 冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，低壓旁路壓力調(diào)節(jié)閥前過熱度＞21℃，低旁的閥位＞10%。

③ 非冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，燃機(jī)點(diǎn)火后。

④ 非冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，低壓旁路壓力調(diào)節(jié)閥前過熱度有上升趨勢，低旁的閥位＞10%。

3）低壓補(bǔ)汽閥組前疏水。

① 順控開：1 號（或2 號）燃機(jī)點(diǎn)火且3 號機(jī)未并網(wǎng)。

② 順控關(guān)：汽機(jī)汽輪機(jī)入口低壓主汽過熱度＞21℃，補(bǔ)汽調(diào)節(jié)閥行程＞10%，低壓已完成并汽。

上述控制邏輯組態(tài)與畫面如圖3、圖4 所示。

2.2.3.3 汽機(jī)高壓主蒸汽疏水閥組（13閥）如圖5、圖6所示

1）#1（2）號汽機(jī)高壓主汽門前疏水。

① 順控開：燃機(jī)點(diǎn)火或并網(wǎng)且3 號機(jī)未并網(wǎng)，3 號機(jī)真空＜-50KPa。

② 順控關(guān)：汽機(jī)高壓主汽門前過熱度＞21℃，汽機(jī)高壓調(diào)門1 開度＞10%或汽機(jī)高壓調(diào)門2 開度＞10%，3 號機(jī)已并網(wǎng)。

2）汽機(jī)電動主汽門前疏水。

① 冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，汽機(jī)電動主汽門前過熱度＜21℃，燃機(jī)啟動。

圖3 汽機(jī)低壓主汽疏水5閥組邏輯組態(tài)Fig.3 Logic configuration of steam turbine low pressure main steam drain 5 valve groups

② 冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，汽機(jī)電動主汽門前過熱度＞21℃，汽機(jī)電動主氣門或旁路門在開。

③ 非冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，燃機(jī)點(diǎn)火且3 號機(jī)未并網(wǎng)。

④ 非冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，汽機(jī)電動主汽門前過熱度＞21℃且在上升趨勢，汽機(jī)電動主氣門或旁路門在開。

3）1#（2）號高壓主汽并汽門前疏水。

① 冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，高壓主蒸汽過熱度＜21℃，燃機(jī)啟動。

② 冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，高壓主蒸汽過熱度＞21℃，高壓并汽門在開，高壓主汽流量證實(shí)。

③ 非冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，燃機(jī)點(diǎn)火。

④ 非冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，高壓主蒸汽過熱度＞21℃且有上升趨勢，高壓并汽門在開，高壓主汽流量證實(shí)。

4）#1（2）號高壓主汽旁路前疏水。

① 冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，高壓旁路調(diào)節(jié)閥前過熱度＜21℃，燃機(jī)啟動。

② 冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，高壓旁路調(diào)節(jié)閥前汽過熱度＞21℃。

③ 非冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，燃機(jī)點(diǎn)火。

④ 非冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，高壓旁路調(diào)節(jié)閥前過熱度＞21℃且有上升趨勢。

5）高壓主蒸汽母管疏水。

圖4 汽機(jī)低壓主汽疏水5閥組DCS畫面Fig.4 DCS picture of low pressure main steam drain 5 valve groups of steam turbine

① 冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，優(yōu)選過熱度＜21℃，燃機(jī)啟動。

② 冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，并汽門狀態(tài)優(yōu)選過熱度＞21℃，優(yōu)選并汽門狀態(tài)位確認(rèn)。

③ 非冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，燃機(jī)在點(diǎn)火且3 號機(jī)未并網(wǎng)。

④ 非冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，并汽門狀態(tài)優(yōu)選過熱度＞21℃且有上升趨勢，優(yōu)選并汽門狀態(tài)位確認(rèn)。

6）背壓機(jī)入口電動門前疏水。

① 冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，背壓機(jī)電動主汽門前過熱度＜21℃，燃機(jī)啟動。

② 冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，1 號爐高壓主汽并汽門在開位或2 號爐高壓主汽并汽門在開位，背壓機(jī)電動主汽門前過熱度＞40℃，優(yōu)選并汽門狀態(tài)位確認(rèn)。

③ 非冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，燃機(jī)點(diǎn)火且3 號機(jī)未并網(wǎng)。

④ 非冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，背壓機(jī)電動主汽門前過熱度＞21℃且有上升趨勢，優(yōu)選并汽門狀態(tài)位確認(rèn)。

7）高壓主蒸汽至高（低）壓減溫減壓器疏水。

① 冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，高壓主蒸汽母管過熱度＜21℃，燃機(jī)啟動。

② 冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，高壓主蒸汽母管過熱度＞21℃。

③ 非冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，燃機(jī)點(diǎn)火且3 號機(jī)未并網(wǎng)。

④ 非冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，高壓主蒸汽母管過熱度＞21℃且有上升趨勢。

圖5 汽機(jī)高壓主汽疏水13閥組邏輯組態(tài)Fig.5 Logic configuration of steam turbine high pressure main steam drain 13 valve groups

8）#1（2）號高壓主汽出口疏水。

① 冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，高壓主蒸汽過熱度＜21℃，燃機(jī)啟動。

② 冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度≤200℃，高壓主蒸汽過熱度＞21℃，高壓主汽流量證實(shí)。

③ 非冷態(tài)順控開：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，燃機(jī)點(diǎn)火。

④ 非冷態(tài)順控關(guān)：3 號機(jī)上缸內(nèi)壁溫度＞200℃，高壓主蒸汽過熱度＞21℃且有上升趨勢，高壓主汽流量證實(shí)。

上述控制邏輯組態(tài)與畫面如圖5 和圖6 所示。

2.3 應(yīng)用效果

綜上所述，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組疏水自動控制的研究與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合循環(huán)機(jī)組啟動后，自動判斷運(yùn)行工況并根據(jù)機(jī)組運(yùn)行工況（冷態(tài)、熱態(tài)、一拖一、二拖一）實(shí)現(xiàn)順控開關(guān)疏水閥和疏水的全程順控功能；減少了運(yùn)行人員人為操作偏差及失誤的可能性，實(shí)現(xiàn)“技防”與“人防”相結(jié)合，在保證機(jī)組安全的前提下，提高了整套機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)束語

圖6 汽機(jī)高壓主汽疏水13閥組DCS畫面Fig.6 DCS picture of steam turbine high pressure main steam drain 13 valve groups

本項(xiàng)目是基于DCS 系統(tǒng)邏輯組態(tài)功能，實(shí)現(xiàn)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組疏水的自動控制[9]，隨著智慧電廠建設(shè)的推進(jìn)，為二拖一分軸機(jī)組實(shí)施APS 技術(shù)研究具有一定實(shí)踐與借鑒意義。

通過項(xiàng)目的應(yīng)用，對機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有極大的提升與保障，并取得了一定的節(jié)能降耗作用。