余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度波動大的原因分析

薛志敏，曾 睿

(中山嘉明電力有限公司，廣東 中山 528437)

0 引言

所謂燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)，就是將燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)和汽輪機(jī)循環(huán)組合成一個整體的熱力循環(huán)，并利用梯級能量提高整個熱力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)效率。壓氣機(jī)是S109FA燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵組件，其作用是從周圍環(huán)境連續(xù)不斷地吸入空氣，并將空氣壓縮增壓后連續(xù)不斷地供給燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室。由于國內(nèi)同類型機(jī)組壓氣機(jī)發(fā)生了幾起壓氣機(jī)葉片斷裂事故，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面影響，為此某電廠在大修期間增加了壓氣機(jī)改造項(xiàng)目。

S109FA機(jī)組壓氣機(jī)改造后，該電廠機(jī)組在穩(wěn)定負(fù)荷260 MW加載至額定負(fù)荷390 MW的過程中，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度波動偏大，出現(xiàn)溫度下降接近40℃的異常現(xiàn)象。該機(jī)組高壓過熱蒸汽溫度在改造前后的變化情況如表1所示。

表1 壓氣機(jī)改造前后高壓過熱蒸汽溫度變化

該聯(lián)合循環(huán)機(jī)組由穩(wěn)定負(fù)荷增至額定負(fù)荷時，其加載速率為20 MW/m in，耗時小于10 m in。若長期出現(xiàn)高壓過熱蒸汽溫度波動接近40 ℃的異?，F(xiàn)象，將對汽輪機(jī)高壓缸金屬產(chǎn)生交變應(yīng)力，影響設(shè)備壽命。按機(jī)務(wù)運(yùn)行規(guī)程規(guī)定：余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度在10 m in內(nèi)下降超過50 ℃時，需要對機(jī)組進(jìn)行緊急停機(jī)處理。在增大負(fù)荷的過程中，雖按設(shè)定值調(diào)整余熱鍋爐再熱蒸汽溫度，但汽輪機(jī)高壓主蒸汽、再熱蒸汽溫差大于15 ℃，從而觸發(fā)Mark Ⅵ控制系統(tǒng)發(fā)出汽輪機(jī)高壓主蒸汽、再熱蒸汽溫差大報警。

1 余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制原理

該電廠S109FA機(jī)組余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計為一級減溫噴水調(diào)節(jié)，減溫器布置在一級高壓過熱器與二級高壓過熱器之間，采用串級控制方法，以高壓過熱蒸汽溫度作為被調(diào)量，以高壓過熱器減溫器后的溫度作為導(dǎo)前蒸汽溫度。

余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制邏輯如圖1所示。VALU=530是人為手動輸入高壓過熱蒸汽溫度控制值的最小值；余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度與SET=510及BIAS=10求和，說明高壓過熱蒸汽溫度控制最小值為520 ℃；VALU=565經(jīng)LOSELECT輸出，說明高壓過熱蒸汽溫度控制最大值為565 ℃。

圖1 余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制邏輯

從機(jī)組啟動到帶額定負(fù)荷過程中，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度達(dá)到額定溫度值。在負(fù)荷增大的過程中，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度的控制設(shè)定值是壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉(IGV)角度函數(shù)。當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉角度小于65°時，DCS控制系統(tǒng)鎖住高壓過熱蒸汽溫度控制人為輸入窗口，此時余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制值只能接受自動控制輸入值；當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉角度大于70°時(IGV RESET)，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度的控制設(shè)定值已達(dá)到額定溫度設(shè)定值，此時DCS控制系統(tǒng)將激活高壓過熱蒸汽溫度控制人為輸入窗口，由運(yùn)行操作員給定余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度的控制設(shè)定值。OUT PUT為高壓過熱蒸汽溫度控制值輸出，可控制高壓過熱蒸汽減溫水調(diào)節(jié)閥，以確保高壓過熱蒸汽溫度達(dá)到高壓過熱蒸汽溫度控制值。

當(dāng)余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度隨著壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉角度增大而變大時，若壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉角度瞬間變化過大，將擾動高壓過熱蒸汽溫度的控制設(shè)定值。為防止發(fā)生此種情況，當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉角度瞬間變化過大時，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度的控制設(shè)定值將按一定變化速率變大。根據(jù)S109FA機(jī)組燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度的大小，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度設(shè)定值應(yīng)該大于510 ℃，且小于566 ℃。

余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度設(shè)定值y與壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉角度x的函數(shù)曲線如圖2所示。余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制值與IGV角度折點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)值，如表2所示。

圖2 余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度設(shè)定值與IGV角度關(guān)系

改造前，該電廠S109FA機(jī)組壓氣機(jī)IGV最小運(yùn)行角為49°。結(jié)合圖2和表1，得知機(jī)組余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度設(shè)定值的最小值為520 ℃，最大值為560 ℃。

表2 余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制值與IGV角度的折點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值

2 高壓過熱蒸汽溫度波動偏大原因分析

壓氣機(jī)改造后，機(jī)組負(fù)荷在260 MW加載至額定負(fù)荷過程中，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度受IGV溫控基準(zhǔn)控制。在此過程中，壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉(IGV)角度逐漸開大至全開84°，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制設(shè)定值也不斷增加至最大設(shè)定值560 ℃。理論上，隨著余熱鍋爐熱量的不斷增大和余熱鍋爐高壓過熱蒸汽減溫水調(diào)節(jié)閥的不斷關(guān)小，正常情況下應(yīng)該不會出現(xiàn)余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度下降接近40 ℃的異?，F(xiàn)象。

機(jī)組在穩(wěn)定負(fù)荷時，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度為648.9 ℃。機(jī)組從穩(wěn)定負(fù)荷加載至額定負(fù)荷時，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度受IGV溫控基準(zhǔn)控制，結(jié)合S109FA機(jī)組在不同工況下的IGV溫控基準(zhǔn)TTRXGV曲線得知：在相同壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度下，壓氣機(jī)等熵壓縮效率越高，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度維持648.9 ℃的IGV角度區(qū)域越窄(部分負(fù)荷下)；改造后，壓氣機(jī)等熵壓縮效率略有增加，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度維持648.9 ℃的IGV角度區(qū)域變窄(部分負(fù)荷下)。一般來說，在燃料(天然氣)成分基本不變的情況下，余熱鍋爐進(jìn)口煙氣熱量由燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度來決定，即燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度的高低決定余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度的高低。

改造后，在壓氣機(jī)進(jìn)氣工況相同下，機(jī)組負(fù)荷從穩(wěn)定負(fù)荷加載至額定負(fù)荷過程中，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度低于648.9 ℃，說明某個IGV角度下的余熱鍋爐煙氣熱量減小(較改造前），在高壓過熱蒸汽減溫水調(diào)節(jié)閥開度與高壓過熱蒸汽溫度控制邏輯不變的情況下，造成機(jī)組在加載過程中出現(xiàn)余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度下降的現(xiàn)象。

結(jié)合改造前后折合流量與IGV角度的擬合關(guān)系曲線可以看出：在相同IGV角度下，壓氣機(jī)進(jìn)氣流量較壓氣機(jī)改造前是增加的。改造前，機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在260 MW時，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽減溫水流量一般約為27 t/h；改造后，機(jī)組負(fù)荷仍穩(wěn)定在260 MW時，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽減溫水流量約為30 t/h。

從壓氣機(jī)進(jìn)氣空氣流量和余熱鍋爐高壓過熱蒸汽減溫水流量變化可知：在機(jī)組運(yùn)行工況大致相同且負(fù)荷為260 MW的情況下，壓氣機(jī)改造后余熱鍋爐熱量是增加的；壓氣機(jī)改造前后，機(jī)組負(fù)荷加減載速率不變，均為20 MW/m in，壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉(IGV)角度加減速率一致。改造后，機(jī)組從穩(wěn)定負(fù)荷260 MW加載至額定負(fù)荷過程中，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度出現(xiàn)下降接近40 ℃的異?，F(xiàn)象，與理論設(shè)計(即隨著S109FA機(jī)組負(fù)荷增加，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度應(yīng)遞增)相反。

綜上所述，壓氣機(jī)改造后，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度維持648.9 ℃的IGV角度區(qū)域變窄(部分負(fù)荷下)，且機(jī)組在穩(wěn)定負(fù)荷下鍋爐高壓過熱蒸汽減溫水量增加，增強(qiáng)了減溫作用。機(jī)組從穩(wěn)定負(fù)荷260 MW加載至額定負(fù)荷過程中，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制值只與壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉IGV角度有關(guān)，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽減溫水調(diào)節(jié)閥調(diào)整速率跟不上過熱蒸汽溫度控制值的要求，因此造成余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度上升滯后嚴(yán)重，出現(xiàn)了較大的減溫現(xiàn)象。

3 處理措施

基于上述對S109FA機(jī)組壓氣機(jī)改造后余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度波動偏大的原因分析，現(xiàn)提出以下改進(jìn)措施。

(1) 由于余熱鍋爐高壓過熱蒸汽減溫水調(diào)節(jié)閥的動作速率固定不變，需根據(jù)改造后的壓氣機(jī)流量、效率等性能參數(shù)重新設(shè)計選擇調(diào)節(jié)閥，以滿足余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度調(diào)整速率。這就需要停機(jī)檢修更換該調(diào)節(jié)閥，將增加機(jī)組的運(yùn)行成本及時間成本。較現(xiàn)實(shí)的解決方法是：從分析余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制邏輯出發(fā)，結(jié)合改造前后的折合流量與IGV角度關(guān)系，修改余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制邏輯參數(shù)，以適應(yīng)壓氣機(jī)改造后余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度的調(diào)整要求。

(2) 從修改余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制邏輯參數(shù)考慮，只要能確保改造后機(jī)組在穩(wěn)定負(fù)荷260 MW時，在相同運(yùn)行工況下高壓過熱蒸汽的減溫水流量為27 t/h(與改造前一致)，即可解決余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度下降波動偏大問題。因此，需要修改改造后的余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制參數(shù)，提高改造后的余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制值(在相同IGV角度下)。

根據(jù)余熱鍋爐高壓過熱器的換熱原理，結(jié)合減溫水的能量平衡，確定修改余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制值。從機(jī)務(wù)運(yùn)行規(guī)程得知：S109FA機(jī)組正常運(yùn)行時，余熱鍋爐高熱過熱蒸汽溫度應(yīng)保證在(565.5±8.3)℃范圍內(nèi)。因此，修改后的余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度最高設(shè)定值不允許超過573.8 ℃，且不允許低于557.2 ℃。修改后余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度設(shè)定值y與壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉(IGV)角度x的函數(shù)曲線如圖3所示；修改后余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制值與IGV角度的折點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值如表3所示。

圖3 修改后余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度設(shè)定值與IGV角度關(guān)系

表3 修改后余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制值與IGV角度的折點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值

對比表2與表3可知，改造后余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制參數(shù)在修改前后，其IGV開度從45°到64°區(qū)間的2段折線斜率分別為：修改前，第 1 段為 2.7 ℃/(°)，第 2 段為 1.67 ℃/(°)，高壓過熱蒸汽溫度最大設(shè)定值為560 ℃；修改后，第1 段為 3.5 ℃/(°)，第 2 段為 1.33 ℃/(°)，高壓過熱蒸汽溫度最大設(shè)定值為562 ℃。

余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制參數(shù)修改后，高壓過熱蒸汽溫度的變化情況如表4所示。

機(jī)組從穩(wěn)定負(fù)荷260 MW加載到額定負(fù)荷過程中，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度谷值為548.2 ℃，在允許的波動范圍內(nèi)變化，保證了機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

表4 高壓過熱蒸汽溫度控制參數(shù)修改前后高壓過熱蒸汽溫度變化

4 結(jié)束語

針對該電廠壓氣機(jī)改造后，S109FA機(jī)組從穩(wěn)定負(fù)荷加載到額定負(fù)荷過程中，余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度出現(xiàn)下降接近40 ℃的異?，F(xiàn)象，根據(jù)余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度控制原理，結(jié)合IGV溫度控制基準(zhǔn)曲線與壓氣機(jī)改造后壓氣機(jī)的性能參數(shù)變化，分析了高壓過熱蒸汽溫度下降波動偏大的原因，進(jìn)而提出了修改高壓過熱蒸汽溫度控制邏輯參數(shù)的解決方法，使高壓過熱蒸汽溫度變化在允許范圍內(nèi)，保證了機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 中國華電集團(tuán)公司．大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)叢書．控制系統(tǒng)分冊[M]．北京：中國電力出版社，2009：162-163．

2 薛志敏．S109FA機(jī)組IGV溫控基準(zhǔn)優(yōu)化的探討[J]．燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)，2013，15(3)：2-6.

3 薛志敏．S109FA燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)改造后壓氣機(jī)性能分析[J]．燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)，2014，16(1)：14-18.

4 馬紅偉，鞏向偉，柴 林．鍋爐過熱蒸汽三級減溫器噴管斷裂原因分析及改進(jìn)[J]．電力安全技術(shù)，2011，13(1)：43-44.