劉兵，蓋東飛，

(1.華電章丘發(fā)電有限公司，濟(jì)南　250216; 2.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，?jì)南　250013)

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火力發(fā)電廠純凝機(jī)組供熱改造中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

劉兵1，蓋東飛2，

(1.華電章丘發(fā)電有限公司，濟(jì)南250216; 2.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，?jì)南250013)

摘要:火電廠中小型純凝機(jī)組存在效率低、煤耗高、污染大等問題，經(jīng)濟(jì)效益不很理想，而中小熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組關(guān)閉后形成的供熱負(fù)荷缺口又亟需填補(bǔ)。為適應(yīng)形勢(shì)變化，近幾年大量的純凝機(jī)組陸續(xù)轉(zhuǎn)型為抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。以某電廠容量為2×225 MW +2×300 MW的機(jī)組為例，針對(duì)亞臨界純凝機(jī)組供熱改造中存在的問題，選取控制系統(tǒng)和控制邏輯的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并給出針對(duì)性建議。

關(guān)鍵詞:火力發(fā)電廠;純凝機(jī)組;供熱改造;熱電聯(lián)產(chǎn);控制系統(tǒng)

0　引言

目前，我國正處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化加速發(fā)展的時(shí)期，隨著城市的發(fā)展和人民居住條件的改善，熱負(fù)荷需求不斷增加，而大部分城市供熱仍以老小型熱電、集中鍋爐房、分散小鍋爐，甚至單戶采暖為主，集中供熱普及率低、能耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重，急需改造。電力需求與供給的矛盾已趨于緩和，從宏觀調(diào)控出發(fā)，每年需要的火電裝機(jī)有一定限度，電網(wǎng)不可能容納這么多的熱電廠上網(wǎng)。由于大部分老小型熱電機(jī)組技術(shù)水平相對(duì)較差，機(jī)組效率低，發(fā)、供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗高，經(jīng)檢測(cè)鑒定允許延長使用壽命時(shí)，在缺乏其他高效熱源的條件下，改為供熱機(jī)組仍可取得一定的節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。這些機(jī)組與所在供電地區(qū)新建設(shè)的大容量、高效率純凝機(jī)組相比，發(fā)、供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗仍有較大差距，均面臨“上大壓小”的壓力，需要找到生存的出路。純凝機(jī)組供熱改造不但可以解決熱源問題，不占電力平衡指標(biāo)，而且能夠延長機(jī)組使用壽命。

1　工程概況

某電廠現(xiàn)容量為2×225 MW +2×300 MW，2臺(tái)225 MW機(jī)組因設(shè)備老化、電網(wǎng)負(fù)荷等原因年發(fā)電1.446 PW·h，設(shè)備利用小時(shí)數(shù)為3215h。綜合供電煤耗為375.39g/(kW·h)，廠用電率10.39％，能耗指標(biāo)越來越高，呈現(xiàn)逐年遞增趨勢(shì)，與國家節(jié)能降耗要求的差距越來越大，已不能滿足國家對(duì)電力企業(yè)的要求。隨著設(shè)備的老化，機(jī)組性能嚴(yán)重下降，設(shè)備運(yùn)行經(jīng)常出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，2臺(tái)機(jī)組經(jīng)常停用檢修，并曾連續(xù)停用達(dá)3個(gè)月之久，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并給電網(wǎng)安全帶來不利因素。因此，擬拆除二期工程2×225 MW燃煤機(jī)組并對(duì)三期工程2× 300 MW機(jī)組進(jìn)行改造。

為滿足該地區(qū)日益增長的熱負(fù)荷需求，緩解供熱緊張局面，發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)改善城市環(huán)境，節(jié)能減排并提高能源利用率，該電廠計(jì)劃將三期2臺(tái)N300－16.7/538/538型300 MW凝汽式汽輪機(jī)改造為抽汽凝汽式機(jī)組。

純凝機(jī)組供熱改造設(shè)計(jì)方案:額定調(diào)整抽汽壓力，0.9 MPa;最大調(diào)整壓力，1.0 MPa;可調(diào)整抽汽壓力，0.8～1.0 MPa;抽汽溫度，約335℃; 2臺(tái)機(jī)組最大供熱抽汽量，600 t/h，其中200 t/h為工業(yè)用汽，不回收。

2　改造方案

根據(jù)汽輪機(jī)廠熱平衡分析，此次改造工程將熱負(fù)荷確定為2×300 t/h:非采暖期抽汽量為2×100 t/h，全部為工業(yè)用汽，回水率為0;采暖期總抽汽量為2×300 t/h，工業(yè)用汽量2×100 t/h，回水率為零，采暖用汽量2×200 t/h，回水率為60％。

抽汽供熱系統(tǒng)工藝原理如圖1所示。抽汽管道采用母管制布置，從中壓缸排汽出口的中、低壓缸連通管上引出1根抽汽管道作為采暖供熱汽源，連通管上安裝1個(gè)抽汽調(diào)節(jié)蝶閥，抽汽口位置在蝶閥之前，通過調(diào)整抽汽調(diào)節(jié)蝶閥開度維持一定的供熱壓力。抽汽管自連通管引出后依次加裝逆止閥、安全閥、快關(guān)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)閘閥。單機(jī)抽汽引出后在汽輪機(jī)廠房出口處合并為供熱母管，供熱母管引出1路支管作為供熱除氧器的加熱用汽，在支管后的母管上安裝有流量計(jì)量裝置，作為供熱貿(mào)易結(jié)算計(jì)量的依據(jù)。

圖1　抽汽供熱系統(tǒng)工藝原理

熱網(wǎng)采暖凝結(jié)水回水也采用母管制，采暖回水由廠外回至廠內(nèi)的大氣式旋膜供熱除氧器，除氧后通過凝結(jié)水回水母管送至每臺(tái)機(jī)組的主機(jī)除氧器，回水量由單機(jī)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)。

供熱設(shè)備控制的實(shí)現(xiàn)根據(jù)設(shè)備的功能、系統(tǒng)進(jìn)行劃分，公用回水除氧器部分的設(shè)備信號(hào)接入公用分散控制系統(tǒng)(DCS)，在公用DCS中設(shè)計(jì)控制邏輯，利用網(wǎng)關(guān)將信號(hào)接入2臺(tái)機(jī)組的DCS中，單機(jī)運(yùn)行人員通過操作權(quán)限的獲取來實(shí)現(xiàn)對(duì)公用部分設(shè)備的控制。單機(jī)抽汽及回水部分的設(shè)備信號(hào)則分別引入單機(jī)的DCS，由單機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)。

抽汽管道上裝設(shè)具有快關(guān)功能的液控蝶閥和氣動(dòng)逆止閥各1個(gè):電動(dòng)閘閥作為汽輪機(jī)防進(jìn)水的第1級(jí)保護(hù);氣動(dòng)逆止閥作為防止汽輪機(jī)突然甩負(fù)荷后的超速保護(hù)，兼防止汽輪機(jī)進(jìn)水事故的第2級(jí)保護(hù)。在抽汽管道上還裝有2個(gè)安全閥用于保護(hù)汽輪機(jī)，防止汽輪機(jī)超壓。

大氣式旋膜除氧器加熱用蒸汽來自對(duì)外供汽管道，為防止汽輪機(jī)進(jìn)水和冷蒸汽對(duì)設(shè)備造成損壞，加熱蒸汽管道上設(shè)有必要的止回閥及關(guān)斷用電動(dòng)閘閥。除氧器下面設(shè)一供熱凝結(jié)水回水水泵坑，水泵坑里布置有3臺(tái)50％容量的供熱凝結(jié)水回水泵，除過氧的凝結(jié)水經(jīng)此回水泵升壓后，回水至主廠房?jī)?nèi)的除氧器。在主廠房?jī)?nèi)的回水管道上設(shè)有流量測(cè)量裝置和流量調(diào)節(jié)閥，回水流量與抽汽管道的流量信號(hào)形成聯(lián)鎖，通過回水流量調(diào)節(jié)閥來控制每臺(tái)機(jī)組的回水量。

3　主要控制系統(tǒng)邏輯

為保證主機(jī)及供熱系統(tǒng)的安全運(yùn)行，與汽輪機(jī)廠、汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)程控廠家及調(diào)試單位等共同研究制定了系統(tǒng)的控制邏輯及保護(hù)定值。整個(gè)控制系統(tǒng)主要分為抽汽供熱邏輯、抽汽凝結(jié)水回水系統(tǒng)邏輯兩部分。其中，抽汽供熱邏輯包括抽汽控制、抽汽壓力回路調(diào)節(jié)、抽汽逆止閥控制、抽汽電動(dòng)閘閥控制、抽汽液動(dòng)調(diào)節(jié)快關(guān)閥控制、供熱抽汽連通管調(diào)節(jié)閥、抽汽退出、供熱控制基本保護(hù)等子系統(tǒng)控制邏輯;抽汽凝結(jié)水回水系統(tǒng)邏輯包括凝結(jié)水回水除氧器水位及壓力控制、凝結(jié)水回水泵控制、高壓除氧器控制等子系統(tǒng)閉環(huán)控制邏輯。

為保證機(jī)組安全運(yùn)行，當(dāng)抽汽壓力小于0.8 MPa時(shí)應(yīng)退出抽汽，而抽汽壓力(中排壓力)超壓不需要停機(jī)，在供熱工況下不需要監(jiān)視連通管管后進(jìn)入低壓缸的蒸汽壓力，連通管液壓快關(guān)調(diào)節(jié)閥全關(guān)時(shí)，應(yīng)保證低壓缸最小通流量的快關(guān)閥前壓力為0.8 MPa。針對(duì)DEH主機(jī)保護(hù)功能，確定了供熱投入、切除條件:機(jī)組并網(wǎng)后，負(fù)荷大于180 MW時(shí)才能抽汽;供熱抽汽投入后，負(fù)荷低于145 MW(延時(shí)5 s)時(shí)自動(dòng)退出抽汽控制。供熱投切信號(hào)邏輯如圖2所示。

圖2　供熱投切信號(hào)邏輯

抽汽控制投入且抽汽在自動(dòng)控制時(shí)主機(jī)高調(diào)門、供熱抽汽連通管調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，主機(jī)高調(diào)門與供熱抽汽連通管調(diào)節(jié)閥單向動(dòng)作(同向動(dòng)作)，操作人員在聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)增減負(fù)荷時(shí)，抽汽壓力基本維持不變。當(dāng)操作人員增減抽汽壓力時(shí)，通過DEH電功率回路或協(xié)調(diào)控制回路保持負(fù)荷基本不變。DEH投入抽汽控制后，調(diào)節(jié)級(jí)壓力回路不能投入?？焖贉p負(fù)荷(RB)發(fā)生后，抽汽壓力回路自動(dòng)退出，停止對(duì)外供汽。在未投抽汽壓力回路時(shí)，抽汽的目標(biāo)及給定類似負(fù)荷控制的閥位方式，目標(biāo)值和給定值為一計(jì)算值，不代表實(shí)際要求的抽汽壓力?？刂七壿嬋鐖D3所示，圖中CCS為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

當(dāng)機(jī)組投入抽汽控制后，抽汽壓力控制在牽連調(diào)節(jié)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)，保證抽汽壓力穩(wěn)定。當(dāng)DEH檢測(cè)到抽汽壓力信號(hào)故障時(shí)會(huì)自動(dòng)切除該回路，在故障未消除前無法投回路。當(dāng)該回路投入時(shí)，抽汽目標(biāo)給定值跟蹤當(dāng)前抽汽壓力值，抽汽目標(biāo)給定值即為要求的抽汽壓力值，自動(dòng)狀態(tài)下，運(yùn)行人員可設(shè)定抽汽壓力值及調(diào)壓速率，確認(rèn)后控制系統(tǒng)自動(dòng)按設(shè)定的速率調(diào)整供熱壓力至給定值。抽汽投入后，抽汽口最大允許抽汽壓力為0.95 MPa，大于此壓力DEH閉鎖增指令;極限壓力值為0.97 MPa，大于此壓力DEH切除供熱，供熱抽汽保護(hù)動(dòng)作。在抽汽投入的情況下突然解列，超速保護(hù)控制單元(OPC)動(dòng)作時(shí)先關(guān)閉供熱抽汽連通管調(diào)節(jié)閥，再延時(shí)打開，避免因供熱突然切除，連通管液控蝶閥全開，增加機(jī)組低壓缸進(jìn)汽量而引起機(jī)組超速。為防止抽汽倒灌，在供熱抽汽連通管調(diào)節(jié)閥打開前，逆止門應(yīng)關(guān)閉。當(dāng)機(jī)組在自動(dòng)發(fā)電量控制(AGC)方式下運(yùn)行時(shí)，為優(yōu)先保證機(jī)組采暖供熱，按照“以熱定電”的原則，供熱負(fù)荷作為前饋信號(hào)參與鍋爐主控;當(dāng)供熱負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，AGC指令降至180 MW或超過270 MW，自動(dòng)切除AGC，汽輪機(jī)主控切手動(dòng)，維持一定的供熱壓力。

圖3　控制邏輯

4　改造過程中的主要問題

受供熱量的影響，對(duì)外供熱管道的尺寸較大，直徑達(dá)到1200 mm，流量測(cè)量裝置選用了傳統(tǒng)的孔板，由于流量孔板尺寸較大，目前國內(nèi)計(jì)量檢定部門還沒有合適的設(shè)備對(duì)孔板進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定，流量測(cè)量的準(zhǔn)確性完全依靠孔板制造廠家的設(shè)計(jì)、加工能力，供熱流量結(jié)算時(shí)存在一定的爭(zhēng)議。針對(duì)此問題，可考慮根據(jù)實(shí)際供熱量的大小增加供熱旁路管道及流量計(jì)量裝置，根據(jù)供熱量的大小選用合適量程的供熱管道進(jìn)行供熱，同時(shí)因旁路供熱管道的管徑相對(duì)較小，安裝的流量計(jì)量裝置可通過實(shí)流標(biāo)定的方式確定計(jì)量的準(zhǔn)確性，從而減少供熱計(jì)量方面存在的爭(zhēng)議。

5　結(jié)論

供熱改造需根據(jù)電廠自身情況及周圍用電和用汽環(huán)境，在確定對(duì)外供汽的壓力和流量基礎(chǔ)上，因地制宜地制定改造方案。該項(xiàng)目利用現(xiàn)有場(chǎng)地，具有投資少、周期短的特點(diǎn)，而且可在機(jī)組大修時(shí)間完成。改造過程既要重視抽汽供熱的效率，又要保證機(jī)組運(yùn)行的安全性，該項(xiàng)目改造完成后已安全運(yùn)行近2年，不僅提高了電廠運(yùn)營效益，而且大大緩解了當(dāng)?shù)氐牟膳闷肮I(yè)用汽需求，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益良好。

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(本文責(zé)編:白銀雷)

劉兵(1967—)，男，山東章丘人，工程師，從事火電廠控制系統(tǒng)的檢修及運(yùn)行維護(hù)工作(E-mail: 1580063386@ qq.com)。

蓋東飛(1976—)，男，山東萊陽人，高級(jí)工程師，從事火電廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的工作(E-mail: gaidf@163.com)。

作者簡(jiǎn)介:

收稿日期:2014－03－20;修回日期:2015－11－20

中圖分類號(hào):TM 621.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

文章編號(hào):1674－1951(2016)01－0022－03