300MW純凝機組改為抽凝機組的熱工自動化設計

單煒 李敏娟 姚均天

(中機國能電力工程有限公司,上海 200061)

300MW純凝機組改為抽凝機組的熱工自動化設計

單煒 李敏娟 姚均天

(中機國能電力工程有限公司,上海 200061)

為了滿足城市供熱需要,秦皇島熱電廠#3和#4純凝機組將改造為抽凝機組,隨著機組性能的改造,汽機數字電液控制系統(DEH)和分散控制系統(DCS)也需進行改造;新增的“供熱首站”,將作為公用設備納入單元機組DCS控制。

純凝機組改抽凝機組 汽機抽汽調節 熱網加熱器控制 公用設備的單元化控制

1 系統概述

秦皇島熱電廠一期工程2×2 0 0 M W凝汽抽汽式供熱機組于1993年建成投產發電,并后續建成熱網供熱;二期工程2×300MW凝汽式機組于1996年建成投產發電;三期工程2×300MW凝汽抽汽式供熱機組5號機分別于2006年11月、2007年3月建成投產發電。是總容量1600MW的大型區域性熱電廠。

改造工程將秦皇島熱電廠二期工程的2×300MW純凝機組(#3機組和#4機組)改造為抽凝機組,計劃單機抽汽量250t/h,增加供熱能力以解決當前日益增長的城市集中供熱對熱源的需求量,并且提高城市的環境質量,減少污染,保證經濟發展的可持續性。

2 熱工自動化控制要求

改造工程熱工自動化控制主要難點。

(1)新增抽汽系統的調節與控制。純凝機組改造為抽凝機組后,新增加的抽汽管路涉及到汽機本體的改造,在保證抽汽品質的同時,應避免進入低壓缸的蒸汽帶水。并且新增加的聯通管調節閥、抽汽逆止閥、抽汽快關閥、抽汽調節閥如何進行協調控制？

(2)新增“熱網首站”的公用設備如何納入機組單元化控制。#3和#4機組新增加的熱網循環水系統,設置2臺熱網加熱器,每臺機組的汽機抽汽對應1臺熱網加熱器,2臺熱網加熱器采用串聯加熱方式對熱網循環水進行加熱。老廠#3和#4機組的DCS為單元制,彼此相互獨立沒有配置公用系統,串聯加熱的循環水回路如何在兩臺機組上監控？熱網公用循環水泵如何控制？循環水供水熱量和熱網回水流量如何在兩臺機組DCS中監測？

以上兩個控制難題能否解決,直接影響到機組自動化控制水平的高低。

3 控制方案設計

3.1 汽機抽汽系統的調節與控制

在上海汽輪機廠的改造方案中,在汽機中、低壓缸連通管加裝三通及聯通管調節閥。在中、低壓缸連通管上引出一根Ф800×16抽汽管,在這根抽汽管上依次加裝抽汽逆止閥、抽汽快關閥和抽汽調節閥。

3.1.2 控制要求

根據運行要求,“抽汽壓力控制”和“供汽量控制”是抽凝機組改造的關鍵:

(1)“抽汽壓力控制”非常重要,壓力控制會影響汽機中壓缸排汽的蒸汽品質,如果壓力過低,就會造成蒸汽帶水,對中壓缸末級葉片造成損傷。對抽汽壓力的控制,可以通過調節中、低壓缸連通管上的“聯通管調節閥”來實現,控制低壓缸進汽壓力,防止壓力過低對汽機安全運行造成不利影響。

(2)“供汽量控制”不到位,會影響汽機中壓缸排汽至熱網加熱器的供汽量,而供汽量的多少則直接影響熱網循環水的溫度。對供汽量控制,可以通過調節抽汽管道上的“抽汽調節閥”來實現,控制抽汽調節閥的開度,進而控制進入熱網加熱器的供汽量,以適應熱網供熱量的需求。

3.1.3 熱工自動化設計方案

(3)定期清管。應根據管段輸送的氣質情況、管道的輸送效率和輸送壓差，預測管道內黑粉沉積規律，確定合適的清管周期和工藝[9]。可暫定清管周期為1年，后期根據粉末量再調整，直到找到合適的清管周期。清管前可在黑粉易積聚位置打孔，確定黑粉積聚情況，選擇合適的清管工藝。清管時應根據黑粉積聚量，循序漸進，多階段多次清管，防止一次清出量過多，導致卡堵。同時，也要對上游伴生氣輸送管線開展清管作業，減少輸往下游的黑粉量。

經過設計院與汽機廠技術人員共同研討,聯通管和抽汽管道上新增加的調節閥門與汽機本體的安全運行息息相關,為了控制機組的發電量,同時還要保證熱網加熱蒸汽的品質,聯通管抽汽調節閥、抽汽快關閥和抽汽調節閥納入DEH控制最為安全可靠。

原廠DEH采用美國西屋公司的DEH III系統(WDPF II系統硬件),現采用北京日立控制系統有限公司的HIACS-5000系統對DEH進行換型改造,以便與機組DCS統一硬件。汽機廠根據抽汽系統的控制要求對DEH的硬件和軟件進行設計,共配置了2對DPU,分別由DEH完成以下4個功能:操作員自動控制(OA)、汽輪機超速保護(OPC)、轉子應力控制器(RSC)、自動汽輪機控制(ATC)。

增加抽汽控制功能后,在抽汽工況下,由聯通管調節閥和抽汽調節閥,協調控制低壓缸進汽壓力和抽汽壓力,達到機組對外穩定供熱的目標;在凝汽工況下,聯通管調節閥全開、抽汽調節閥全關,確保發電。

DEH新增以下主要控制功能:

(1)凝汽工況和抽汽工況手動切換功能。(2)熱網解列或汽機跳閘時,系統自動切換到凝汽工況。(3)抽汽工況汽機OPC時,聯通管調節閥瞬間關閉,抽汽調節閥全關,以穩定汽機轉速;凝汽工況汽機OPC時,聯通管調節閥不動。(4)負荷大于150MW時,抽汽方式允許投入;小于100MW時抽汽方式自動解除。(5)為保證汽機安全運行,根據汽機運行工況設計抽汽壓力高、低保護功能,限制聯通管調節閥和抽汽調節閥的開度。(6)在凝汽工況時,自動閉鎖聯通管調節閥和抽汽調節閥的伺服閥,強制打開聯通管調節閥,強制關閉抽汽調節閥,以防止閥門誤動。(7)DPU故障時,調節閥要能夠保位;DPU恢復運行,邏輯能夠自動跟蹤當前閥門位置,實際開度擾動量不應大于1%。(8)由于其它原因DEH切手動狀態,運行人員能夠通過軟手操,控制調整聯通管調節閥和抽汽調節閥開度。(9)抽汽工況初始投入時,聯通管調節閥和抽汽調節閥均在手動方式;投入抽汽自動時,聯通管調節閥和抽汽調節閥應按照電廠提供的調節閥匹配曲線,按照設定的速率動作,減少對汽輪機組的沖擊。

3.2 “熱網首站”熱網循環水公用設備的機組單元化控制

3.2.1 工藝設計方案

新增的公用系統—— “供熱首站”,設置2臺熱網加熱器,每臺機組的汽機抽汽對應1臺熱網加熱器。熱網循環水回水由外部熱網進入供熱首站,經熱網循環泵(3臺變頻水泵)升壓,進入每臺機組的熱網加熱器,且2臺熱網加熱器采用串聯加熱熱網循環水的方式。熱網管道在熱網加熱器側設置旁路系統,可以保證熱網加熱器分別和全部旁路運行,增加熱網系統的運行靈活性。

3.2.2 控制要求

為保證機組熱效率,根據電廠運行人員要求,以下控制對象僅由單元機組DCS監控:

#3機熱網循環泵及泵進、出口電動閥;

#3機熱網加熱器及加熱器進、出口電動閥;

#4機熱網循環泵及泵進、出口電動閥;

#4機熱網加熱器及加熱器進、出口電動閥。

為了保證機組供熱的靈活性和安全性,要求以下公用設備在#3機組D C S和#4機組D C S均能監控:

公用熱網循環泵及泵進、出口電動閥;

熱網循環水旁路電動閥;熱網供水熱量;

熱網回水流量。

3.2.3 熱工自動化設計方案

(1)公用設備單元化控制。

老廠#3機組和#4機組的DCS相互獨立沒有配置公用DCS域,如何實現公用控制設備在兩臺機組上監控的同時,又能節省造價？

經過與電廠運行人員討論,現場采用信號分配器(即:信號隔離放大器)實現對公用設備的“一進二出”。

信號分配器在自動化控制系統中應用很廣,它用來對各種工業信號變送、轉 換、隔離、傳輸、運算的儀表,可與各種工業傳感器或檢測儀表配合,取回參數信號,進行隔離變送傳輸,滿足用戶本地監視遠程數據采集的需求。

本工程將兩臺機組同時需要控制的公用設備的模擬量和開關量信號先接至信號分配器,通過分配器隔離放大后,轉換成兩個信號分別送入#3機組和#4機組的DCS,采用這種可靠的設計方式既省去了建立DCS公用域,也避免了重復設置熱工檢測元件,不失為一種節約投資的好方法。

(2)熱網循環水系統的控制。1)熱網系統的運行方式如下:①#3熱網加熱器和#4熱網加熱器串聯運行;②#3熱網加熱器單獨運行;③#4熱網加熱器單獨運行。2)循環泵的順序控制(以下僅列出#3機組控制系統,#4機組控制系統同理):①#3機循環泵的投運:#3機循環泵啟動,待升至一定轉速后,打開#3機循環泵進口電動閥和#3機循環泵出口電動閥,然后進行升速,以適應供熱負荷需求。②#3機循環泵的停運:關閉#3機循環泵進口電動閥和#3機循環泵出口電動閥后,立即停運#3機循環泵。3)熱網加熱器順序控制(以下僅列出#3機組控制系統,#4機組控制系統同理):①#3熱網加熱器的投運:打開#3熱網加熱器進水電動閥和#3熱網加熱器出水電動閥,待兩個電動閥全開后,關閉#3熱網循環水旁路電動閥。②#3熱網加熱器的切除:先開旁路閥,待旁路閥全開后,再關閉進水閥和出水閥。

采用以上控制方式可以保證熱網加熱器分別和全部旁路運行,增加了熱網系統運行的靈活性。

(3)熱量結算。加熱后的循環水通過供水母管接至廠區熱網循環水總母管,再接至各個熱用戶。這里的供水需要參與貿易結算,采用在供水母管上安裝“流量演算器”來計算供水熱量。首先在母管上安裝壓力(P)、溫度(T)和流量(F)檢測元件。通過壓力和溫度參數算出熱水的焓,當知道了焓值和流量便可以計算出熱量(Q)。

4 結語

本次純凝機組改為抽凝機組的設計,在保證原有汽機安全運行的前提下,對DEH進行了必要的改造,滿足了供熱需求,并且節約了投資,最重要的體現就是對供熱首站的公用設備采用單元化控制,節省了建立“公用DCS域”的費用。