某電廠2×1000MW超超臨界機(jī)組高壓旁路控制系統(tǒng)可靠性改進(jìn)研究

國能徐州發(fā)電有限公司 牛志崗

1 引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及電網(wǎng)容量的擴(kuò)大，以及“上大壓小”政策的有效實(shí)施，我國的火電機(jī)組已經(jīng)跨上了百萬級的臺階，國內(nèi)新建百萬機(jī)組數(shù)量也在不斷增多，相對于以往的機(jī)組而言，大容量機(jī)組具有高參數(shù)、低消耗、少排放等特點(diǎn)。對于這樣的機(jī)組，其高壓旁路控制系統(tǒng)的重要性不言而喻，國能徐州發(fā)電有限公司從挖掘高壓旁路控制系統(tǒng)的潛在隱患，在分析清楚系統(tǒng)控制原理的基礎(chǔ)上，提出了三個(gè)方面的改善建議并已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際，提高了高旁控制系統(tǒng)的可靠性，對機(jī)組長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

2 超超臨界機(jī)組中旁路系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 旁路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

所謂的汽輪機(jī)旁通系統(tǒng)，從本質(zhì)上來講屬于一種較為常見的蒸汽旁通系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由以下兩方面構(gòu)成，即使蒸汽管道和汽輪機(jī)。二者在連接方式上為并聯(lián)，實(shí)際作業(yè)過程中能夠發(fā)揮降溫減壓作用。從結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行分析，可將其簡單的分為單級、兩級、三級旁路系統(tǒng)。高壓旁路系統(tǒng)，在作業(yè)過程中能夠提供一個(gè)穩(wěn)定的蒸汽源，為加熱鍋爐和加熱系統(tǒng)正常運(yùn)行提供有力保障；低壓分流系統(tǒng)將加熱的蒸汽引入冷凝器，使再熱器對管道進(jìn)行加熱，恢復(fù)工作介質(zhì)。本設(shè)計(jì)既保護(hù)了再熱器，又基本滿足了調(diào)試時(shí)蒸汽參數(shù)與汽輪機(jī)金屬溫度匹配的要求。如果汽輪機(jī)失去負(fù)荷，其可以使汽輪機(jī)無負(fù)荷或輔助動力運(yùn)行。

2.2 旁路系統(tǒng)的容量

蒸汽機(jī)防空系統(tǒng)容量的選擇，應(yīng)結(jié)合實(shí)際需要，以其旁路功能為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，從概念的角度進(jìn)行分析，旁路容量為系統(tǒng)的最大蒸汽量，具體大小的劃分上，以其占鍋爐標(biāo)稱吸汽能力的百分比進(jìn)行呈現(xiàn)。結(jié)合實(shí)際工作要求，啟動旁路的選擇，應(yīng)重點(diǎn)考慮是否具備再在熱保護(hù)功能，容量方面最好能夠控制在20%mcr左右，上下浮動不超過10%。如果鍋爐閥PCV能正常運(yùn)行，具有40%MCR容量的旁路可以滿足大多數(shù)設(shè)備的需要[1]。

2.3 旁路的功能

一是適應(yīng)不同的機(jī)組啟動方式。在機(jī)組啟動時(shí)，根據(jù)實(shí)際工作的需要，相應(yīng)的機(jī)制運(yùn)行狀態(tài)也略有不同，通常情況下包括下兩種，即恒壓運(yùn)行和滑壓運(yùn)行，這兩種工作狀態(tài)都可以通過旁路相應(yīng)的裝置的調(diào)整進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，如機(jī)組想要以滑動才能運(yùn)行，相關(guān)工作的人員則需要對其蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)進(jìn)行參數(shù)控制，確保其處于低參數(shù)運(yùn)行狀態(tài)，而如果想要汽輪機(jī)提供作業(yè)所需的供熱和負(fù)荷，工作人員則只要針對其主蒸汽壓力和主蒸汽電流進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，通過參數(shù)的調(diào)高，使其適應(yīng)汽輪機(jī)的金屬狀態(tài)。

二是保護(hù)再熱器。該功能主要是用于鍋爐啟動階段，以旁路系統(tǒng)為通道，鍋爐中的蒸氣可以直接進(jìn)入蓄熱系統(tǒng)，以保護(hù)散熱器不過熱[2]。

三是如果汽輪機(jī)短時(shí)間出現(xiàn)故障，鍋爐可以不停機(jī)運(yùn)行。當(dāng)壓力降低時(shí)，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)旁路系統(tǒng)吸收脫硫，進(jìn)入冷凝器恢復(fù)工質(zhì)。

當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，設(shè)備可以通過旁路系統(tǒng)的能量傳輸，借助輔助電源運(yùn)行。當(dāng)主蒸汽壓力或熱蒸汽壓力超過設(shè)定值時(shí)，旁路系統(tǒng)的閥門將迅速開啟，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的超壓保護(hù)。

2.4 旁路控制系統(tǒng)高旁溫度控制特性

由于通過低壓閥進(jìn)入電容器的飽和蒸汽受到傳統(tǒng)閉環(huán)溫度控制濕度高或低的影響，很容易通過冷凝器的冷卻管道。低壓旁路溫度控制系統(tǒng)控制低壓旁通閥后的蒸汽，維持能量平衡。在預(yù)估低壓旁通閥的壓力和低壓旁通蒸汽流量的加熱蒸汽壓力的基礎(chǔ)上，根據(jù)低壓旁通后再熱器的壓力、溫度計(jì)算出蒸汽的焓降。根據(jù)低旁通閥后蒸汽焓降與純化水焓降的差值，以及精處理結(jié)束時(shí)的壓力和溫度，計(jì)算出焓降和低旁通蒸汽流量的乘積。從而計(jì)算出理論上抽水量，再用低旁通水量對其進(jìn)行調(diào)整。

由節(jié)流閥的流量特性函數(shù)計(jì)算出閥位指令。為了防止繞過關(guān)閉低壓出口溫度上升時(shí)，最小的脫硫控制水閥必須相應(yīng)地增加。

2.5 旁路系統(tǒng)的運(yùn)行情況與探討

機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行的過程中，根據(jù)自身的需要，一般可實(shí)現(xiàn)以下幾種功能，即啟動、溢出和安全，其中啟動功能在實(shí)現(xiàn)的過程中，主要是通過旁路系統(tǒng)來對自身狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以起到改善其中條件的作用，通過相應(yīng)工藝的應(yīng)用，可以有效調(diào)節(jié)汽輪機(jī)汽溫輸入和氣缸溫度，實(shí)現(xiàn)鍋爐汽溫的有效控制。溢流功能意味著殘余蒸汽旁路系統(tǒng)事故發(fā)生后，會突然降低放電單元的負(fù)載在過渡過程中，以確保最低下的鍋爐穩(wěn)定燃燒負(fù)荷。安全功能是指當(dāng)蒸汽壓力過高時(shí)，此時(shí)則會立即觸發(fā)噴霧系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制，根據(jù)設(shè)定好的條件，會將多余的蒸汽排放到電容器中，繼而起到保護(hù)工作設(shè)備及減少作業(yè)噪聲的作用。

發(fā)生事故時(shí)，必須使用輔助電源或不得降低鍋爐，除設(shè)備配備旁路系統(tǒng)外，設(shè)備本身應(yīng)能適應(yīng)這種運(yùn)行方式，包括非油穩(wěn)燃鍋爐最小負(fù)荷、溫度升高、排氣室汽輪機(jī)負(fù)荷、電容容量降低等。經(jīng)過多年的實(shí)踐，由于工廠維修質(zhì)量、管網(wǎng)安裝條件、運(yùn)行管理、企業(yè)管理等各種因素，往往難以保證旁路系統(tǒng)處于熱備狀態(tài)。因此，許多旁路系統(tǒng)的“溢流和安全”保護(hù)功能無法實(shí)現(xiàn)。一些電廠旁路使用不當(dāng)也給機(jī)組帶來了安全隱患。如大同二電廠352機(jī)組一次旁路系統(tǒng)發(fā)生爆炸，貴陽電廠投產(chǎn)后不久，30%旁路系統(tǒng)后管道振動和突破過渡得到抑制。

2.6 超超臨界機(jī)組旁路系統(tǒng)的主要功能

一是提高啟動特性。在機(jī)組運(yùn)行的過程中，為了滿足工作需要，針對一些煙氣溫度較高的區(qū)域，通常會設(shè)置加熱器，針對這些裝置如何的進(jìn)行保護(hù)就顯得尤為重要，機(jī)組旁路系統(tǒng)的設(shè)置則可以起到很好的防護(hù)效果，在緊急情況下可以防止燃燒現(xiàn)象的出現(xiàn)。且在汽輪機(jī)和鍋爐作業(yè)的過程中，得益于機(jī)組旁路系統(tǒng)的有效調(diào)節(jié)，汽輪機(jī)金屬升溫速率會控制在科學(xué)合理范圍之內(nèi)，預(yù)防其出現(xiàn)金屬過度疲勞現(xiàn)象，延長其實(shí)際使用壽命。

二是在臨時(shí)負(fù)荷過渡條件下，剩余容量可以處理剩余蒸汽。自從許用載荷減速率的鍋爐低于汽輪機(jī)及其允許的最小負(fù)荷高于汽輪機(jī)，旁路系統(tǒng)的有效應(yīng)用，可以在一定程度上提升鍋爐的運(yùn)行穩(wěn)定性，這方面特性的發(fā)揮，尤指臨時(shí)過渡條件下，根據(jù)相關(guān)工作數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析可知，如果應(yīng)得到的話，其可以有效避免過度安全閥作用的發(fā)揮，既在汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，旁路系統(tǒng)可以代替鍋爐安全閥發(fā)揮保護(hù)作用。針對汽輪發(fā)電機(jī)故障問題，旁路系統(tǒng)一可以發(fā)揮針對性作用，防止鍋爐設(shè)備異常關(guān)閉現(xiàn)象的出現(xiàn)[3]。

3 壓力開關(guān)可靠性改造

國能徐電2×1000MW機(jī)組旁路系統(tǒng)是由Bopp&Reuther公司提供的液壓控制系統(tǒng)。旁路閥采用液動控制，在正常情況下，旁路系統(tǒng)從全關(guān)到全開的一次行程時(shí)間為10s；在緊急情況下，旁路系統(tǒng)能快速開啟或快速關(guān)閉的最長時(shí)間小于2s。液（油）動執(zhí)行器的工作介質(zhì)為抗燃油，油系統(tǒng)由13-16MPa的控制油（驅(qū)動油）組成每臺機(jī)組的旁路系統(tǒng)裝置液動執(zhí)行器的供油裝置（油站）配供2套。供油裝置（油站）配供油溫自動控制裝置、在線自動凈化過濾裝置及沖洗裝置。每套油站備用裝置自動投入時(shí)間無延遲，投入后60s即可達(dá)到工作油壓。油站蓄能器所儲能量，在其電源故障的情況下，能提供足夠的液壓動力，使旁路系統(tǒng)所有閥門完成1～2次全行程的開或關(guān)。

目前，高旁控制共有四套回路，即DCS內(nèi)部判斷主汽壓力與設(shè)定值偏差大調(diào)節(jié)開啟、DCS內(nèi)部主汽壓力高快開高旁、運(yùn)行操作臺高旁快開按鈕和就地壓力開關(guān)動作快開高旁。

前三套控制回路均為多點(diǎn)保護(hù)，既有效避免高旁拒動又避免高旁誤動，可靠性較高。第四套回路設(shè)計(jì)是整個(gè)高壓旁路就地設(shè)置有三套獨(dú)立的壓力開關(guān)控制，只要任意一個(gè)壓力開關(guān)動作，四個(gè)高旁通過高旁快開電磁閥開啟，壓力開關(guān)動作定值為29.8MPa。此設(shè)計(jì)為單點(diǎn)保護(hù)，該項(xiàng)保護(hù)的可靠性較為薄弱。一旦某個(gè)壓力開關(guān)誤動，則會引起高旁動作，影響機(jī)組安全運(yùn)行。為提高保護(hù)的可靠性，將就地單個(gè)壓力開關(guān)動作聯(lián)啟高旁改為三個(gè)壓力開關(guān)至少兩個(gè)動作聯(lián)啟高旁，提高保護(hù)的可靠性。

首先國能徐州發(fā)電有限公司2×1000MW機(jī)組高旁壓力開關(guān)安全快開為失電動作，任意一個(gè)開關(guān)動作，將同時(shí)發(fā)送給PCS1、PCS2控制柜的繼電器模塊，四個(gè)高旁將同時(shí)開啟。改造前雖然采用兩個(gè)常閉節(jié)點(diǎn)串聯(lián)法，但是使用的是同一塊壓力開關(guān)的節(jié)點(diǎn)，誤動的風(fēng)險(xiǎn)很高。經(jīng)過國能徐州發(fā)電有限公司專業(yè)技術(shù)人員的充分論證，結(jié)合25反錯(cuò)要求，在不改動原有輸出線的情況下，新增加一排中間過度端子排，將開關(guān)1、2，2、3，1、3各取一副常閉節(jié)點(diǎn)串聯(lián)作為安全快開的輸出，從而實(shí)現(xiàn)重要保護(hù)“三取二”的原則，大大減少誤動的可能。經(jīng)過就地多次試驗(yàn)，完全滿足現(xiàn)場的使用要求。高旁壓力開關(guān)改造原理圖如圖1所示。

圖1 高旁壓力開關(guān)改造前后原理圖

4 高旁就地控制柜24V電源可靠性提升改造

4.1 目前配置

高旁就地控制柜直流24V電源作為整個(gè)高旁系統(tǒng)就地控制卡件、比例閥、電磁閥等工作電源。國能徐州發(fā)電有限公司現(xiàn)配置為1、3號高旁合用一套控制電源，2、4號高旁合用一套控制電源[4]。每套控制電源由2塊交流220V轉(zhuǎn)直流24V電源模塊冗余配置組成，電源模塊型號為PHCENIX QUINTPS/1AC/24DC/20，兩塊電源模塊直流24V輸出端正、負(fù)分別直接并聯(lián)。

4.2 存在的問題

由于兩個(gè)電源模塊輸出端直接并聯(lián)，且電源模塊內(nèi)部并未隔離，如一塊電源模塊內(nèi)部發(fā)生短路會直接影響另外一塊電源模塊，造成供電中斷、高旁全開，嚴(yán)重影響機(jī)組安全。近年來，方天技術(shù)監(jiān)督檢查等均提出高旁24V控制電源內(nèi)部沒有隔離的整改問題，且同類型機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生過一個(gè)電源模塊短路故障造成供電中斷、高旁開啟的不安全事件。

4.3 解決方案

經(jīng)研究，該型號電源模塊已使用近8年，且工作正常，因此本次改造不對電源模塊換型，只更換為同型號電源模塊。

在同一控制柜兩塊24V電源模塊的輸出正端加裝一個(gè)隔離模塊，該模塊型號為MDK40-6，額定容量40A，該型號電源模塊已在DEH控制柜內(nèi)使用多年，可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單，能起到兩路電源隔離作用。改造后原理圖見圖2所示。

圖2 改造后原理圖

5 高旁油系統(tǒng)控制塊移位改造

5.1 目前存在的問題

國能徐州發(fā)電有限公司高旁系統(tǒng)原設(shè)計(jì)為集成塊和電磁閥組與油動機(jī)集中安裝在閥門上，由于此處溫度較高，并且每次啟停爐高旁閥動作時(shí)，閥門及管路的振動不可避免的影響集成塊、電磁閥組的螺栓連接組件的疲勞強(qiáng)度及密封件的密封性能，易發(fā)生液壓油泄漏。

5.2 高壓旁路閥工作原理分析

5.2.1 正常開啟關(guān)閉時(shí)間

旁路油站供油正常，高旁閥完全關(guān)閉狀態(tài)下，安全電磁閥帶電，快開電磁閥失電，系統(tǒng)給出開啟旁路閥指令，比例閥開啟，抗燃油經(jīng)過比例閥、快開電磁閥、節(jié)流閥進(jìn)入到油缸的有桿腔，活塞桿向上移動，閥門開啟之指定位置。

5.2.2 快開時(shí)間

旁路油站供油正常，高旁閥完全關(guān)閉狀態(tài)下，安全電磁閥帶電，系統(tǒng)給出快開旁路閥指令，快開電磁閥帶電，快開電磁閥閥芯移動切換油路。

5.2.3 安全快開時(shí)間

旁路油站供油正常，高旁閥完全關(guān)閉狀態(tài)下，安全電磁閥帶電，快開電磁閥失電，系統(tǒng)給出安全快開旁路閥指令，安全快開電磁閥失電，插裝閥安全油壓泄壓，插裝閥打開。

依據(jù)對高旁控制系統(tǒng)原理的分析，原始設(shè)備的參數(shù)，得出改造后對正常開啟關(guān)閉時(shí)間沒有影響，通過對改造設(shè)備的設(shè)計(jì)可以對快開時(shí)間延長不超過20%,對安全快開時(shí)間延長不超過0.2s。

5.3 具體解決方案

增加高旁閥巡查檢修平臺。根據(jù)現(xiàn)場布置情況增加高旁閥，減溫水隔離閥、調(diào)節(jié)閥的檢修平臺。增加的平臺同時(shí)要考慮油動機(jī)電磁閥移位后布置位置，增加平臺示位置如圖3所示。

圖3 增加平臺示意圖

油動機(jī)油系統(tǒng)集成塊及電磁閥組移位。根據(jù)平臺位置與進(jìn)、回油管位置，就近布置電磁閥組，保留現(xiàn)有的油管隔離閥，在隔離閥后用不銹鋼管與電磁閥組連接，電磁閥后用不銹鋼管引出后采用高壓軟管與油動機(jī)模塊連接[5]。油管布置要求簡潔、整齊、阻力最小，所有接頭均采用錐形硬密封，軟管長度盡可能短，不銹鋼管進(jìn)行必要的支架加固，避免振動，油動機(jī)油系統(tǒng)集成塊及電磁閥組移位對比如圖4所示。

圖4 油動機(jī)油系統(tǒng)集成塊及電磁閥組移位對比圖

電磁閥控制部分改造。電磁閥外移后，熱控設(shè)備電纜相應(yīng)移動，充分利用舊電纜，電纜長度不足則需從高旁PCS控制柜敷設(shè)相應(yīng)新電纜。原各閥門油動機(jī)配套的中間接線端子箱為卡扣式，中間接線環(huán)節(jié)多，需拆除。

因閥門調(diào)試需要，閥門位移傳感器的信號電纜設(shè)置中間接線端子箱，安裝在電磁閥組件平臺的合適位置，便于檢修維護(hù)。電磁閥及位移開關(guān)的信號電纜取消中間接線。

電磁閥加裝防雨罩及平臺防漏油措施。電磁閥組件增加防雨罩，防止風(fēng)雨侵蝕，同時(shí)對電磁閥組件位置的平臺增加鋼板封閉和儲油池，當(dāng)電磁閥密封出現(xiàn)泄漏時(shí)要求避免泄漏油噴射至高溫閥門或者管道上，漏油不會從平臺滴落至下部設(shè)備管道上。

6 結(jié)語

本文對高旁系統(tǒng)壓力開關(guān)改造、就地控制柜24V電源改造、油系統(tǒng)集成塊及電磁閥組外移改造方法進(jìn)行了詳盡的說明闡述，改造后高旁控制系統(tǒng)可靠性效果明顯，具有較高的推廣和研究價(jià)值。