新建火力發(fā)電機(jī)組報(bào)警系統(tǒng)改進(jìn)研究

洪成磊

(上海申能電力科技有限公司，上海 200131)

0 引 言

隨著國家經(jīng)濟(jì)深入發(fā)展，電力消費(fèi)呈現(xiàn)新常態(tài)特征[1]。電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，電力消費(fèi)增長(zhǎng)減速換擋，結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，電力消費(fèi)增長(zhǎng)主要?jiǎng)恿τ筛吆哪芟蛐屡d產(chǎn)業(yè)、服務(wù)業(yè)和居民生活用電轉(zhuǎn)換，電力供需形勢(shì)由偏緊轉(zhuǎn)為寬松[2-3]。加之科技水平不斷提高，中國火電主力機(jī)型由原來的300 MW迅速發(fā)展到600 MW，甚至1 000 MW以上機(jī)組，這標(biāo)志著中國的火電技術(shù)已達(dá)到了新的高度。當(dāng)今DCS技術(shù)比較完善，機(jī)組任一子系統(tǒng)、子設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)都可以采集，并且通過這些參數(shù)的變化可以判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況。目前各火電企業(yè)已逐漸由機(jī)、爐、電單專業(yè)協(xié)同操作過渡到三專業(yè)集中控制。機(jī)組日常控制人員少、工作量大已成為常態(tài)。單元機(jī)組監(jiān)控測(cè)點(diǎn)有近萬個(gè)，運(yùn)行人員每天疲于監(jiān)視，但仍可能忽視某些監(jiān)控測(cè)點(diǎn)，有些情況下運(yùn)行人員還沒有查找到異常參數(shù)，事故可能已經(jīng)發(fā)生。因此，DCS操作系統(tǒng)中的報(bào)警功能就顯得尤為重要，當(dāng)機(jī)組中的子系統(tǒng)、子設(shè)備發(fā)生異常時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，以便操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)，迅速找到相應(yīng)子系統(tǒng)，進(jìn)行處理，保證機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 新建機(jī)組報(bào)警系統(tǒng)存在的問題

1.1 重要報(bào)警參數(shù)缺失

電力企業(yè)建設(shè)初期，由于工程進(jìn)度及工程降低造價(jià)的關(guān)系，有些影響機(jī)組運(yùn)行性能的DCS系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)被簡(jiǎn)化或被忽視，導(dǎo)致機(jī)組正常運(yùn)行中，無法對(duì)一些重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，有些參數(shù)的設(shè)置未考慮到隨環(huán)境因素的變化，對(duì)機(jī)組能損偏差的計(jì)算往往以設(shè)計(jì)工況為基準(zhǔn)，無法實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)，從而影響機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1.2 報(bào)警定值設(shè)置不合理

在報(bào)警限值的設(shè)置上，有些參數(shù)將報(bào)警限值設(shè)定為固定值，機(jī)組運(yùn)行工況變化時(shí)，無法準(zhǔn)確反應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)，報(bào)警限值應(yīng)該是動(dòng)態(tài)的，應(yīng)取在機(jī)組所處工況的最優(yōu)值處或最優(yōu)值附近。

2 DCS報(bào)警系統(tǒng)的改進(jìn)

參數(shù)的基準(zhǔn)值是指在相應(yīng)負(fù)荷下，設(shè)備正常運(yùn)行應(yīng)達(dá)到的最佳值。當(dāng)運(yùn)行參數(shù)偏離基準(zhǔn)值時(shí)，將造成一定的能量損耗，所以設(shè)置合理的參數(shù)基準(zhǔn)值，一方面可指導(dǎo)運(yùn)行人員監(jiān)盤調(diào)整，另一方面可指導(dǎo)專業(yè)管理人員進(jìn)行能耗分析。當(dāng)機(jī)組在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，可以將生產(chǎn)廠家提供的設(shè)計(jì)參數(shù)作為基準(zhǔn)值。但當(dāng)機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行、參與深度調(diào)峰時(shí)，負(fù)荷降低較多，設(shè)備參數(shù)同樣可能降低較多，仍采用設(shè)計(jì)參數(shù)作為基準(zhǔn)值明顯不妥，有些參數(shù)要通過最佳運(yùn)行調(diào)整試驗(yàn)來確定基準(zhǔn)值，有些參數(shù)采用變工況計(jì)算結(jié)果作為基準(zhǔn)值。

2.1 DCS報(bào)警系統(tǒng)重要報(bào)警點(diǎn)補(bǔ)充

以“凝汽器傳熱系數(shù)”作為研究對(duì)象。

凝汽器是電站汽輪機(jī)組中重要的換熱設(shè)備[4]，其主要作用是在汽輪機(jī)的排汽部分建立低背壓，使蒸汽能最大限度地做功，然后冷卻變成凝結(jié)水，予以回收。凝汽器的這種功能需要真空、循環(huán)水兩個(gè)系統(tǒng)配合完成。真空系統(tǒng)主要將進(jìn)入凝汽器的不凝結(jié)氣體抽出；循環(huán)水系統(tǒng)主要為凝汽器中的蒸汽冷卻提供冷源[5]，使其變成凝結(jié)水，體積縮小，便于回收，同時(shí)保證排汽部分的高真空?；鹆Πl(fā)電機(jī)組凝汽器凝結(jié)傳熱系數(shù)易受真空系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響[6]，凝汽器傳熱系數(shù)作為考量凝汽器經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，在目前大部分新建火力發(fā)電機(jī)組DCS報(bào)警系統(tǒng)中是缺失的，使得發(fā)電廠運(yùn)行人員及檢修人員對(duì)凝汽器臟污程度不清楚，不利于進(jìn)行汽輪機(jī)系統(tǒng)熱力經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。

對(duì)凝汽器凝結(jié)傳熱系數(shù)進(jìn)行熱力學(xué)研究，分析如下。

1)凝汽器熱負(fù)荷

(1)

式中:Qc為凝汽器熱負(fù)荷，kJ/s；Qtl為散熱損失，%；Qgl為發(fā)電機(jī)損失，kJ/s；QAux為進(jìn)出系統(tǒng)的輔汽熱量，kJ/s；q0為汽輪機(jī)熱耗率，kJ/(kW·h )；Pe為發(fā)電機(jī)功率，kW。

2)汽輪機(jī)熱耗率

(2)

式中:hms為主蒸汽焓，kJ/kg；hfw為最終給水焓，kJ/kg；hhrh為熱再熱蒸汽焓，kJ/kg；hcrh為冷再熱蒸汽焓，kJ/kg；hrsw為再熱器減溫水焓，kJ/kg；Gms為主蒸汽流量，kg/h；Gfw為主給水流量，kg/h；Ghrh為熱再熱蒸汽流量，kg/h；Gcrh為冷再熱蒸汽流量，kg/h；Grsw為再熱器減溫水流量，kg/h。

由于在火力發(fā)電廠中，再熱蒸汽流量無法在線測(cè)量，只能通過計(jì)算主蒸汽流量與各段抽汽量的差得到。

3)1號(hào)高加進(jìn)汽流量

G1(h1-hd1)=Gfw(hfw0-hfw1)

(3)

式中:hfw0為1號(hào)高加出水焓，kJ/kg；hfw1為1號(hào)高加進(jìn)水焓，kJ/kg；G1為1號(hào)高加進(jìn)汽量，kg/h；h1為1號(hào)高加進(jìn)汽焓，kJ/kg；hd1為1號(hào)高加疏水焓，kJ/kg。

4)2號(hào)高加進(jìn)汽流量

G2(h2-hd2)+G1(hd1-hd2)=Gfw(hfw1-hfw2)

(4)

式中:G2為2號(hào)高加進(jìn)汽量，kg/h；h2為2號(hào)高加進(jìn)汽焓，kJ/kg；hd2為2號(hào)高加疏水焓，kJ/kg；hfw2為2號(hào)高加進(jìn)水焓，kJ/kg。

5)由式(3)、式(4)得到冷再熱蒸汽流量

Gcrh=Gms-G1-G2-Ga

(5)

式中:Ga為高壓缸門桿及軸封漏汽量，kg/h。

6)由式(5)得到熱再熱蒸汽流量

Ghrh=Gcrh+Grsw

(6)

7)凝汽器傳熱系數(shù)(不考慮與外界大氣換熱)，熱平衡方程：

Qc=KΔTmA

(7)

式中:K為凝汽器傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為凝汽器有效換熱面積，m2；ΔTm為換熱器熱力計(jì)算使用的對(duì)數(shù)平均溫差。

(8)

式中:Ts為凝汽器壓力對(duì)應(yīng)飽和溫度，℃；Tw1為循環(huán)水進(jìn)水溫度，℃；Tw2為循環(huán)水出水溫度，℃。

由式(7)、式(8)可得凝汽器傳熱系數(shù)為

(9)

根據(jù)上述各式計(jì)算出凝汽器換熱系數(shù)K，各參數(shù)點(diǎn)均為DCS實(shí)時(shí)采集得到，通過DCS工程師站工程軟件，對(duì)凝汽器傳熱系數(shù)K進(jìn)行邏輯組態(tài)，同時(shí)添加到汽輪機(jī)參數(shù)控制器下。增加凝汽器傳熱系數(shù)K測(cè)點(diǎn)后，可使發(fā)電廠運(yùn)行人員及檢修人員定期對(duì)此參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，提高對(duì)凝汽器換熱情況的重視，并可根據(jù)數(shù)值變化，了解凝汽器臟污程度，及時(shí)安排對(duì)凝汽器管路進(jìn)行清理，提高汽輪機(jī)運(yùn)行安全性及經(jīng)濟(jì)性。

2.2 報(bào)警限值優(yōu)化

以“汽動(dòng)給水泵前置泵電流”作為研究對(duì)象。

給水系統(tǒng)的主要作用是將除氧器中的凝結(jié)水經(jīng)過前置泵、給水泵加壓，高壓加熱器加熱，再到鍋爐省煤器，作為爐側(cè)的水源。前置泵的主要作用是增加汽動(dòng)給水泵的入口壓力，減少汽泵發(fā)生汽蝕的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)保護(hù)汽泵安全起到重要作用。

某660 MW汽輪機(jī)的給水泵組，汽動(dòng)給水泵前置泵電機(jī)采用YKK450-4型電機(jī)，額定功率600 kW，額定電壓6 kV，額定電流67.2 A，轉(zhuǎn)速1 489 r/min。

汽動(dòng)給水泵前置泵工況點(diǎn)電流計(jì)算，選取660 MW、550 MW、450 MW、360 MW等4個(gè)機(jī)組工況點(diǎn)，根據(jù)6 kV母線電壓在5.8～6.3 kV波動(dòng)的實(shí)際狀況，計(jì)算出汽動(dòng)給水泵前置泵電流變化范圍，分析如下。

(10)

式中:ρ=1 000 kg/m3，g=9.8 m/s2，P為前置泵軸功率，W；Q為前置泵流量，m3/h；H為前置泵揚(yáng)程，m；η為前置泵效率，%。

(11)

式中:U為母線電壓，V；I為前置泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流，A；cosφ為功率因數(shù)。

根據(jù)汽動(dòng)給水泵前置泵在660 MW、550 MW、450 MW、360 MW等4個(gè)工況點(diǎn)實(shí)際流量，查詢前置泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能曲線(見圖1)，可知在各工況點(diǎn)揚(yáng)程及效率數(shù)值，即可得出在各工況點(diǎn)電動(dòng)機(jī)軸功率P。

圖1 汽動(dòng)給水泵前置泵性能曲線Fig.1 Performance curve of booster pump of steam feed pump

根據(jù)式(11)，分別求得母線電壓在5.8 kV及6.3 kV時(shí)，4個(gè)工況點(diǎn)電機(jī)理論電流，從而確定汽動(dòng)給水泵前置泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流限值范圍，各工況點(diǎn)參數(shù)見表1、表2。

從表1及表2可以看出，汽動(dòng)給水泵前置泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流在電壓5.8～6.3 kV范圍內(nèi)，機(jī)組運(yùn)行不同工況點(diǎn)(360～660 MW)時(shí)，電流變化范圍在33～50 A之間，故可將汽動(dòng)給水泵前置泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流高限設(shè)置為50 A，低限設(shè)置為33 A。

表1 6.3 kV各工況點(diǎn)參數(shù)Table 1 Parameters of 6.3 kV each operating point

表2 5.8 kV各工況點(diǎn)參數(shù)Table 2 Parameters of 5.8 kV each operating point

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，前置泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流若大于50 A，可以幫助運(yùn)行人員及早發(fā)現(xiàn)廠用電壓異常、前置泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)缺相運(yùn)行、給水系統(tǒng)漏流等異常現(xiàn)象；前置泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流若小于33 A，可以幫助運(yùn)行人員及早發(fā)現(xiàn)可能存在的水泵出口門誤關(guān)憋泵、水泵氣蝕出力下降等情況。

通過對(duì)汽動(dòng)給水泵前置泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流的合理設(shè)置，可通過電流變化，快速發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，及時(shí)進(jìn)行處理，防止異常擴(kuò)大，可以舉一反三，采用此方法對(duì)發(fā)電廠各輔助設(shè)備電流進(jìn)行理論計(jì)算，得出各電流設(shè)置高、低限值，提高參數(shù)設(shè)置合理性。

3 結(jié) 語

闡述分析了火力發(fā)電廠DCS報(bào)警系統(tǒng)中部分影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性、安全性的重要指標(biāo)缺失的不足，通過具體實(shí)例分析這些指標(biāo)重要性，并建議對(duì)此類重要指標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)充，完善現(xiàn)有系統(tǒng)的覆蓋面，用以提高報(bào)警系統(tǒng)的全面性。提出了火力發(fā)電廠DCS系統(tǒng)部分參數(shù)報(bào)警閾值的設(shè)定與生產(chǎn)實(shí)際脫節(jié)的現(xiàn)狀，并提供了解決思路，用以提高報(bào)警系統(tǒng)的時(shí)效性。