塔式光熱機(jī)組 SGS 跳閘控制邏輯調(diào)試方法優(yōu)化改進(jìn)

趙廣榮

(中國電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司,江西 南昌 330001)

塔式光熱機(jī)組利用大規(guī)模自動跟蹤太陽的定日鏡場陣列,將太陽熱輻射精準(zhǔn)反射到置于高塔頂部的集熱器(MSR),集熱器利用熔鹽作為吸熱工質(zhì)吸收太陽輻射能量,并間接通過蒸汽發(fā)生系統(tǒng)(SGS)產(chǎn)生高溫高壓蒸汽(540～560 ℃),其間產(chǎn)生的熱量用來發(fā)電和儲存在熱熔鹽罐,以備早、晚或多云時發(fā)電使用。蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是利用熔鹽作為儲熱介質(zhì)的太陽能熱發(fā)電站的核心系統(tǒng)之一[1]。

塔式光熱機(jī)組主要由鏡場、吸熱塔、冷熔鹽罐、熱熔鹽罐、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)以及空冷島等關(guān)鍵部件組成,這些部件形成了機(jī)組發(fā)電最主要的熔鹽循環(huán)和汽水循環(huán)[2],如圖1所示。

圖1 某100 MW塔式光熱機(jī)組系統(tǒng)圖

熔鹽儲熱是光熱發(fā)電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分,它提供了能量轉(zhuǎn)換裝置所需的初始溫度,換熱管則將這些熱量進(jìn)行高效的交換[3]。在塔式光熱機(jī)組正常運(yùn)行過程中,當(dāng)SGS(包括蒸汽側(cè)和熔鹽側(cè))一旦發(fā)生威脅設(shè)備運(yùn)行安全的情況時,為了防止造成設(shè)備損壞,SGS跳閘,切斷SGS熔鹽循環(huán),以保護(hù)SGS各附屬設(shè)備,最大程度降低機(jī)組發(fā)生運(yùn)行事故的風(fēng)險。機(jī)組在消除設(shè)備故障后能及時快速啟動SGS并建立穩(wěn)定熔鹽循環(huán),能降低SGS熔鹽側(cè)凍鹽的風(fēng)險,增加機(jī)組的發(fā)電效率。

根據(jù)塔式光熱機(jī)組SGS跳閘保護(hù)動作特點(diǎn)及動作后系統(tǒng)恢復(fù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),結(jié)合電力調(diào)試相關(guān)技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),對調(diào)試方法進(jìn)行改進(jìn)。以此提升SGS運(yùn)行的安全性,有效減少SGS跳閘后系統(tǒng)恢復(fù)時間,降低SGS熔鹽凍結(jié)的風(fēng)險,提高機(jī)組運(yùn)行發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性,保障機(jī)組運(yùn)行安全可靠性。

1 控制邏輯調(diào)試及優(yōu)化

1.1 SGS跳閘條件調(diào)試

常規(guī)塔式光熱機(jī)組,SGS換熱器(包括過熱器、再熱器、蒸發(fā)器、省煤器)熔鹽側(cè)溫度變化率一般不參與SGS跳閘保護(hù)。為了減少換熱器在SGS啟動/停止過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力,延長SGS內(nèi)各設(shè)備的使用壽命,根據(jù)SGS設(shè)備廠家要求,對SGS內(nèi)換熱器,包括過熱器、再熱器、蒸發(fā)器、省煤器本體殼側(cè)進(jìn)口端熔鹽溫度與管側(cè)進(jìn)口端蒸汽溫度最大溫差設(shè)置保護(hù),當(dāng)進(jìn)鹽溫度變化率高高±15 ℃/min,延時2 s時,觸發(fā)SGS跳閘。

SGS分為一、二列運(yùn)行,兩列SGS熔鹽回冷熔鹽罐共用一根母管,很難實(shí)現(xiàn)單列SGS熔鹽側(cè)系統(tǒng)隔離,容易造成公用熔鹽管路串鹽,進(jìn)而導(dǎo)致堵鹽凍鹽事故。為保障機(jī)組正常安全運(yùn)行,SGS任意一列觸發(fā)SGS跳閘條件,另一列也同時觸發(fā)SGS跳閘。

如若觸發(fā)SGS熔鹽側(cè)疏鹽條件或手動緊急疏鹽按鈕,為防止SGS發(fā)生嚴(yán)重事故或事故擴(kuò)大化,SGS將自動執(zhí)行疏鹽順控。根據(jù)DCS控制邏輯,SGS任意一列SGS跳閘觸發(fā)疏鹽條件,另一列同時觸發(fā)疏鹽條件。

1.2 SGS自動疏鹽順序控制邏輯優(yōu)化

1.2.1 SGS自動疏鹽順序優(yōu)化

SGS疏鹽采用手動控制,易發(fā)生誤操作現(xiàn)象。為更好地控制SGS疏鹽,SGS采用自動疏鹽順控,優(yōu)化疏鹽順序。當(dāng)疏鹽條件觸發(fā),正常情況下SGS熔鹽側(cè)系統(tǒng)疏鹽先后順序取決于換熱器實(shí)際安裝位置,由高到低執(zhí)行疏鹽:通過過熱器、再熱器、蒸發(fā)器、省煤器進(jìn)行疏鹽。特殊情況下,如發(fā)生省煤器出口熔鹽溫度低低保護(hù)時,SGS熔鹽側(cè)系統(tǒng)疏鹽順控將優(yōu)先進(jìn)行省煤器鹽側(cè)疏鹽,確保將SGS換熱器凍鹽風(fēng)險降至最低。

1.2.2 SGS自動疏鹽順控步序

SGS疏鹽順控第一步: 確認(rèn)SGS跳閘已動作,手動啟動疏鹽順控,SGS熔鹽側(cè)閥門置自動位置,如觸發(fā)緊急疏鹽條件,DCS將會自動執(zhí)行疏鹽順控。

SGS疏鹽順控第二步:停止調(diào)溫鹽泵組和熱鹽泵組;關(guān)閉調(diào)溫鹽至SGS進(jìn)鹽電動閥門和調(diào)節(jié)閥門,關(guān)閉進(jìn)鹽電動閥門和調(diào)節(jié)閥門。

SGS疏鹽順控第三步:打開再熱器、過熱器進(jìn)鹽調(diào)節(jié)閥和電動門; 疏鹽泵組投自動,疏鹽泵自動啟動/停止,以控制疏鹽罐液位。

SGS疏鹽順控第四步:依次打開過熱器、再熱器、蒸發(fā)器、省煤器熔鹽側(cè)本體排空電動門和疏鹽電動門進(jìn)行疏鹽。由于過熱器和再熱器熔鹽側(cè)溫度在整個系統(tǒng)中是最高的,為保障設(shè)備本體安全,必須優(yōu)先進(jìn)行疏鹽。其次對SGS至冷鹽罐再循環(huán)管、調(diào)溫泵至再熱器管道等進(jìn)行疏鹽。監(jiān)測SGS疏鹽時熔鹽側(cè)各溫度和壓力參數(shù)的變化,當(dāng)SGS熔鹽側(cè)過熱器、再熱器、省煤器、蒸發(fā)器、主要熔鹽管道所有疏鹽閥和排空閥均已打開,且熔鹽管路所有壓力測點(diǎn)數(shù)值小于0.5 barg,此狀態(tài)保持600 s后可視為SGS熔鹽已疏空。

SGS疏鹽順控第五步:打開再熱器、過熱器、蒸發(fā)器、省煤器、熔鹽管路所有排空管路疏鹽閥,將排空管存留熔鹽排至疏鹽罐。

1.2.3 SGS自動疏鹽注意事項(xiàng)

疏鹽順控結(jié)束后,保持熔鹽側(cè)所有閥門在開位的同時,閥門及管道電伴熱保持加熱模式繼續(xù)運(yùn)行24～36 h;疏鹽過程中,注意疏鹽泵聯(lián)啟正常,仔細(xì)觀察疏鹽罐液位變化,當(dāng)疏鹽順控結(jié)束后,疏鹽罐液位長時間沒有上漲,才能確保SGS鹽已排凈;SGS熔鹽側(cè)疏鹽結(jié)束后,SGS汽水側(cè)蒸汽壓力會緩慢降低,此時盡可能進(jìn)行保溫保壓,延長SGS整個疏鹽過程。

2 調(diào)試方法改進(jìn)步驟

2.1 SGS跳閘條件確定

根據(jù)SGS廠家說明書、設(shè)計(jì)院相關(guān)文件及前述SGS跳閘條件優(yōu)化,業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)備廠家、組態(tài)廠家共同討論確定SGC跳閘條件及控制邏輯優(yōu)化方案,組態(tài)廠家按照邏輯方案進(jìn)行組態(tài)工作。詳細(xì)SGS 跳閘條件如下。

1)延時2 s跳閘:汽包液位低低 9%;過熱蒸汽出口、再熱蒸汽出口、過熱器、再熱器進(jìn)口熔鹽溫度高高 570 ℃;省煤器進(jìn)口給水、汽包飽和蒸汽、再熱器進(jìn)汽、過熱器進(jìn)鹽、再熱器進(jìn)鹽、蒸發(fā)器進(jìn)鹽、省煤器進(jìn)鹽溫度變化率高高±15 ℃/min;過熱器進(jìn)鹽溫度與蒸汽側(cè)進(jìn)汽溫度溫差高高 280 ℃;再熱器進(jìn)鹽溫度與蒸汽側(cè)進(jìn)汽溫度溫差高高 290 ℃;蒸發(fā)器進(jìn)鹽溫度與水側(cè)進(jìn)口溫度溫差高高 190 ℃;省煤器熔鹽側(cè)進(jìn)鹽溫度與給水進(jìn)口溫度差高高 110 ℃;進(jìn)鹽混合壓力高高 20 barg;蒸發(fā)器進(jìn)鹽溫度高高 500 ℃;省煤器進(jìn)鹽溫度高高 380 ℃;汽包壓力高高185 barg;冷熔鹽進(jìn)鹽溫度高高 370 ℃。

2)延時2 s跳閘并觸發(fā)疏鹽:汽包壓力低低 54 barg;過熱器出口熔鹽溫度低低 260 ℃;再熱器出口熔鹽溫度低低 260 ℃;省煤器進(jìn)口熔鹽溫度低低 260 ℃;省煤器出口熔鹽溫度低低 255 ℃。

3)低壓旁路跳閘SGS:再熱器壓力高高30 barg,或SGS熱負(fù)荷大于80 MWt,機(jī)組未并網(wǎng),低壓旁路關(guān)閉。

4)當(dāng)空冷島疏水罐液位高高高、SGS熱負(fù)荷大于70 MWt、機(jī)組已并網(wǎng)時,延時20 s。

5)所有給水泵失去,延時600 s。

6)SGS熱負(fù)荷大于70 MWt且機(jī)組未并網(wǎng),高壓蒸汽旁路關(guān)閉,延時10 s。

7)延時120 s跳閘:當(dāng)SGS熱負(fù)荷大于15 MWt時,所有調(diào)溫泵跳閘,所有熱鹽泵跳閘。

8)手動按鈕。

9)緊急疏鹽請求。

10)所有強(qiáng)制循環(huán)泵跳閘或泵出口流量低低60 kg/s,延時120 s(觸發(fā)疏鹽)。

2.2 SGS熔鹽側(cè)閥門測試

考慮到二元熔鹽特有的低溫凍結(jié)性質(zhì),為避免閥門卡澀或損壞,在熔鹽側(cè)閥門投運(yùn)前,運(yùn)行人員應(yīng)完成試運(yùn)設(shè)備和系統(tǒng)的閥門、測點(diǎn)、報警信號單體調(diào)試驗(yàn)收傳動試驗(yàn)[4]。若閥門未進(jìn)行測試,熔鹽系統(tǒng)運(yùn)行時閥門產(chǎn)生故障,易導(dǎo)致熔鹽管路堵塞。

SGS熔鹽側(cè)閥門測試采用“先就地后遠(yuǎn)方傳動模式”進(jìn)行。將閥門控制器切換到“就地”控制模式,就地進(jìn)行閥門開關(guān)測試與DCS控制畫面校對開關(guān)到位信號正確無誤。將閥門控制器切換到“遠(yuǎn)方”控制模式,重新測試閥門開關(guān)校對開關(guān)到位信號并記錄閥門開關(guān)全行程時間。調(diào)節(jié)閥傳動采用對閥門全行程0、25%、50%、75%、100%開度校對,調(diào)節(jié)閥指令與反饋偏差應(yīng)在1%以內(nèi)。SGS熔鹽側(cè)閥門傳動在SGS未充鹽之前可以不投入閥門或管道電伴熱運(yùn)行,熔鹽側(cè)閥門傳動必須在閥門電伴熱溫度合適、閥門閥體及傳動軸承處保溫層合格的情況下進(jìn)行。

2.3 SGS跳閘條件靜態(tài)試驗(yàn)

在啟動SGS預(yù)熱和充鹽工作前必須完成SGS跳閘條件靜態(tài)邏輯模擬試驗(yàn),跳閘條件必須逐一校對核準(zhǔn),確保跳閘首出和動作對象正確。將DCS畫面所有SGS跳閘條件和首出復(fù)位, 檢查SGS跳閘動作對象并置于模擬運(yùn)行狀態(tài),手動操作SGS跳閘按鈕或者模擬SGS跳閘條件,DCS畫面確認(rèn)SGS跳閘首出及動作對象是否正常。按順序逐一進(jìn)行全部SGS跳閘條件靜態(tài)邏輯模擬試驗(yàn),確保組態(tài)邏輯符合設(shè)計(jì)要求。

2.4 SGS自動疏鹽順控試驗(yàn)

模擬SGS跳閘條件中任意一條,SGS應(yīng)進(jìn)入自動疏鹽狀態(tài),按照過熱器、再熱器、蒸發(fā)器、省煤器順序進(jìn)行疏鹽。若模擬省煤器出口熔鹽溫度低低保護(hù),SGS熔鹽側(cè)系統(tǒng)疏鹽順控將優(yōu)先進(jìn)行省煤器鹽側(cè)疏鹽,確保將SGS換熱器凍鹽風(fēng)險降至最低。檢查自動疏鹽步序是否符合SGS自動疏鹽順控優(yōu)化后的邏輯方案。

2.5 SGS跳閘后系統(tǒng)恢復(fù)

運(yùn)行機(jī)組觸發(fā)SGS跳閘保護(hù)后,操作人員應(yīng)及時查出原因,快速處理故障,啟動恢復(fù)SGS,重新并網(wǎng)發(fā)電。調(diào)試單位在分系統(tǒng)試運(yùn)和整套啟動試運(yùn)中,監(jiān)督和指導(dǎo)運(yùn)行操作[5]。

2.5.1 SGS跳閘后操作

確認(rèn)SGS已跳閘,動作對象正確。SGS蒸汽側(cè)進(jìn)行保壓,避免SGS蒸汽系統(tǒng)壓力快速泄壓導(dǎo)致SGS熔鹽側(cè)觸發(fā)緊急疏鹽條件。SGS熔鹽側(cè)將熱鹽泵、調(diào)溫泵控制器,以及一、二列調(diào)溫鹽至SGS的調(diào)節(jié)閥、熱鹽調(diào)節(jié)閥、再熱器進(jìn)鹽調(diào)節(jié)閥、過熱器進(jìn)鹽調(diào)節(jié)閥均切換手動控制。保持汽包水位正常。復(fù)位SGS跳閘,確認(rèn)所有跳閘條件及首出已復(fù)位完成。

2.5.2 只投入熱鹽運(yùn)行時操作(一、二列同步進(jìn)行)

SGS跳閘后,一、二列SGS熔鹽側(cè)熔鹽循環(huán)已切斷,為防止SGS熔鹽側(cè)系統(tǒng)入口混合熔鹽壓力超壓,SGS熔鹽至冷鹽罐再循環(huán)閥保持全開。SGS熔鹽側(cè)重新啟動充鹽時應(yīng)緩慢進(jìn)行,打開熱鹽至SGS進(jìn)鹽調(diào)節(jié)閥3%開度,熱鹽流量大約為30 kg/s(單列)。此時SGS熔鹽側(cè)流程為:熱熔鹽泵—SGS入口熔鹽混合管路—SGS熔鹽至冷熔鹽罐再循環(huán)閥—冷熔鹽罐。打開SGS過熱器和再熱器進(jìn)鹽調(diào)節(jié)閥至5%開度,SGS熔鹽側(cè)開始建立小流量循環(huán)。根據(jù)蒸發(fā)器進(jìn)鹽溫度變化率(小于15 ℃/min),逐步緩慢打開過熱器和再熱器進(jìn)鹽調(diào)節(jié)閥,最終保持過熱器進(jìn)鹽調(diào)節(jié)閥50%開度,再熱器進(jìn)鹽調(diào)節(jié)閥10%開度。檢查確認(rèn)SGS蒸汽側(cè)系統(tǒng)閥門狀態(tài)及旁路系統(tǒng)具備進(jìn)汽條件。保持一、二列過熱器出口蒸汽主、旁路的電動門、手動門打開,高壓蒸汽旁路閥關(guān)閉且保持手動模式,低壓旁路投入自動控制 ,高、低壓旁路減溫水投入自動控制。關(guān)閉一、二列SGS熔鹽至冷鹽罐再循環(huán)閥,同時快速手動打開高壓蒸汽旁路閥10%～15%開度。觀察一、二列蒸發(fā)器進(jìn)鹽溫度變化趨勢,在SGS熔鹽至冷鹽罐再循環(huán)閥關(guān)閉后,一、二列蒸發(fā)器進(jìn)鹽溫度通常會出現(xiàn)快速上升,此時需根據(jù)該溫度變化率適當(dāng)調(diào)節(jié)高壓蒸汽旁路開度值(經(jīng)驗(yàn)值為25%)。SGS蒸汽通流回路建立,熔鹽與蒸汽進(jìn)行熱交換后,蒸發(fā)器進(jìn)鹽溫度變化率會趨向穩(wěn)定,SGS熔鹽側(cè)鹽循環(huán)建立。待一、二列蒸發(fā)器進(jìn)口鹽溫變化趨勢穩(wěn)定后,可逐步緩慢加大一、二列熱鹽至SGS進(jìn)鹽調(diào)節(jié)閥開度,在加大進(jìn)SGS熱鹽流量過程中,需緩慢逐步將再熱器進(jìn)鹽調(diào)節(jié)閥打開,當(dāng)再熱器出口熔鹽溫度與過熱器出口熔鹽溫度的溫差在20 ℃以內(nèi)時,將過熱器和再熱器進(jìn)鹽調(diào)閥開度比例調(diào)整至60%：40%。高壓蒸汽旁路閥門適時投入自動控制。繼續(xù)增加熱鹽至SGS的熔鹽流量,直到達(dá)到汽機(jī)沖轉(zhuǎn)參數(shù),等待機(jī)組并網(wǎng)。

2.5.3 冷熱鹽混合運(yùn)行時操作(一、二列同步進(jìn)行)

SGS熔鹽至冷熔鹽罐再循環(huán)閥已打開。打開熱鹽至SGS進(jìn)鹽調(diào)節(jié)閥3%開度,熱鹽流量大約為30 kg/s,打開調(diào)溫至SGS進(jìn)鹽調(diào)節(jié)閥10%開度。此時需要根據(jù)SGS過熱器和再熱器進(jìn)鹽溫度調(diào)整調(diào)溫熔鹽流量,通常保持SGS入口混合熔鹽溫度低于過熱器和再熱器進(jìn)鹽溫度5 ℃即可。以下操作基本與SGS只通熱鹽運(yùn)行操作基本一致,可根據(jù)調(diào)試任務(wù)進(jìn)行SGS升溫或降溫運(yùn)行。在關(guān)閉SGS熔鹽至冷熔鹽罐再循環(huán)閥后,SGS入口混合熔鹽溫度會發(fā)生大幅度波動,此時應(yīng)保持熱鹽至SGS進(jìn)鹽調(diào)節(jié)閥和調(diào)溫至SGS進(jìn)鹽調(diào)節(jié)閥開度不變,不建議進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)SGS冷熱鹽混合運(yùn)行跳閘后,根據(jù)調(diào)試任務(wù)安排進(jìn)行降溫至冷鹽循環(huán),總用時2 h 36 min。SGS降溫期間系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)正常,SGS降溫速率符合設(shè)備廠家小于15 ℃/min的要求。

2.5.4 操作注意事項(xiàng)

SGS熔鹽側(cè)各設(shè)備(包括過熱器、再熱器、蒸發(fā)器、省煤器)進(jìn)鹽溫度變化率需嚴(yán)格執(zhí)行廠家升溫速率,要求小于15 ℃/min,避免產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,損壞設(shè)備。恢復(fù)運(yùn)行期間,給水加熱器需及時投入,防止因給水溫度低造成省煤器熔鹽側(cè)凍鹽。保證SGS蒸汽側(cè)系統(tǒng)壓力,避免出現(xiàn)汽包壓力低低(低于54 barg)導(dǎo)致SGS緊急疏鹽。 機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行期間,注意再熱器蒸汽入口溫度不能低于240 ℃,避免再熱器熔鹽側(cè)凍鹽。

3 結(jié)語

采用優(yōu)化后的SGS跳閘條件及控制邏輯后,最大程度地保障了SGS熔鹽側(cè)系統(tǒng)各換熱設(shè)備安全運(yùn)行,為機(jī)組可靠性運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。調(diào)試方法的改進(jìn)縮短了調(diào)試工期,提升了調(diào)試質(zhì)量,相關(guān)SGS跳閘后系統(tǒng)恢復(fù)的運(yùn)行操作要求,有效縮短了機(jī)組重新并網(wǎng)發(fā)電的時間。

某項(xiàng)目中SGS 跳閘后,經(jīng)過1 h 38 min機(jī)組重新并網(wǎng)發(fā)電,提高了塔式光熱機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。2022年12月15日12:01,SGS一、二列開始進(jìn)行疏鹽順控。在SGS疏鹽過程中,始終保持1#疏鹽泵運(yùn)行,疏鹽罐液位從最初液位345 mm上升至最高1 588 mm,隨后開始下降至500 mm。2022年 12月15日13:01,停止1#疏鹽泵運(yùn)行,此過程共耗時近60 min。SGS一列開始執(zhí)行疏鹽順控到完成疏鹽順控的時間為19 min,SGS二列開始執(zhí)行疏鹽順控到完成疏鹽順控的時間為20 min 30 s。

SGS系統(tǒng)換熱器運(yùn)行工況得到良好的保障,過熱器、再熱器、省煤器、再熱器、蒸發(fā)器未曾發(fā)生一例凍鹽和泄漏事故,縮短了機(jī)組進(jìn)入整套啟動的時間,使機(jī)組順利進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行期,極大地提高了電廠的經(jīng)濟(jì)效益及地方環(huán)保效益。