9F燃機—汽輪機單軸聯合循環機組啟動過程中汽包水位自動控制策略分析

周陽 程途

【摘 要】以熱力循環為基礎的火力發電機組，機組啟動到運行、到停機全過程自動是電廠自動化控制的一項重要課題，本文針對9F燃機-汽輪機單軸聯合循環發電機組在啟動過程中余熱鍋爐汽包水位控制特點，及本廠9F燃機-汽輪機單軸聯合循環發電機組余熱鍋爐汽包水位自動控制中的一些不足，進行了詳細的分析，并提出控制策略建議，以供大家一同探討。

【關鍵詞】汽輪機 汽包水位 溫度匹配

隨著科技高速發展，大型火力發電機組的啟、停、運行，均走向高度自動化，但由于各電廠熱力系統不盡相同，存在各種差異，再加上設備狀況參差不齊，在自動化實現上總存在著各種問題，本文針對9F燃機-汽輪機單軸聯合循環機組在汽包水位自動化控制中所遇到的問題，進行一些分析、提出建議，以供大家一同探討。

1 現高、中、低壓汽包全程自動控制所面臨的問題

9F燃機-汽輪機單軸聯合循環機組所配套的余熱鍋爐（以下簡稱余爐）為三壓三汽包鍋爐，由高、中、低壓三個系統組成。該型機組的啟動又分冷、溫和極熱三種狀態，這三種狀態是按汽輪機高壓內上缸壁溫決定的。燃機在啟動溫度匹配過程中，其排煙溫度受汽輪機缸溫控制，排煙溫度在371℃至566℃之間變化。機組停機后，汽輪機缸溫的下降是一個緩慢的過程，而停機后余爐溫度的下降要比汽輪機缸溫下降的快得多。正常情況下，余爐要比汽輪機提前3天降至室溫。非正常情況下，如余爐搶修、放水，1天后甚至6小時左右，余爐壓力即可降至0，余爐在很短時間內即可接近常溫，而此時汽輪機缸溫可能還有400℃左右，機組啟動后，匹配溫度較高。由于煙溫/水溫差較大，造成余爐水位在機組啟動階段的控制存在著許多復雜性。

1.1 汽輪機、余熱鍋爐均為冷態

（余爐的冷、熱態由于沒有統一規定，這里根據本文要求暫定：冷態，余爐汽包壓力均為0，所有省煤器內水溫接近于室溫；熱態，高壓汽包壓力≥3.7MPa，高壓省煤器出口水溫≥150℃。汽輪機依據規程，高壓內上缸溫度≤204℃為冷態，≥204℃為熱態。——下同）冷態時，燃機啟動后的匹配溫度為371℃，燃機排煙溫度低，溫度匹配時間長，汽輪機加載時間長，爐水膨脹劇烈程度低，高、中、低壓爐水依次膨脹，且為正向膨脹。在機組啟動過程中，高壓汽包水位一般升高300mm左右，中壓汽包水位升高150mm左右，低壓汽包水位升高300mm左右。造成水位升高的原因有：

（1）省煤器、蒸發器中水受熱膨脹。（2）蒸發器中水蒸發，出現大量的汽泡，造成水位升高。（3）給水調整閥內漏。（4）旁路開啟、主蒸汽閥開啟等等，造成汽包壓力下降，引起虛假水位升高。（5）低壓汽包還存在由于凝汽器水位過高，為減少向系統外排水，而過度進水現象。

1.2 汽輪機、余爐均為熱態

此時燃機啟動后的匹配溫度為471℃以上，燃機排煙溫度高，溫度匹配時間短，汽輪機加載時間短，爐水膨脹劇烈程度相對較低，由于余爐的高、中壓部分溫度相對較高，機組啟動后在鼓風作用下，高、中壓部分的熱量被吹到低壓部分，造成余熱鍋爐低壓部分升溫升壓快，而高、中壓部分由于機組啟動后有一個冷拖及點火并網后排煙溫度存在一個低溫區的過程，高壓部分的爐水會出現一個降溫、水位一定幅度下降的過程。中壓部分則變化不大。當燃機排煙溫度由于受溫度匹配的控制快速升高，超過高壓爐水溫度后，此時高、中壓汽包水位開始升高，其升高的速度與燃機排煙溫度和爐水的溫差成一定的比例關系。在機組熱態啟動過程中，高壓汽包水位一般可升高200mm左右，中壓汽包水位升高100mm左右，低壓汽包水位升高250mm左右。

1.3 汽輪機為溫/熱態、余爐為冷態

此種情況一般出現在機組停運24小時后（和余爐的保溫性能有關），或由于某些檢修等特殊情況，余熱鍋爐溫度被快速降低。在此工況下由于燃機溫度匹配時排煙溫度較高，爐水膨脹劇烈，高、中、低壓汽包水位快速升高，且幅值大。如果水位調整不及時，或不能做到先期調節，高壓汽包水位可升高350mm左右，中壓汽包水位可升高200mm左右，低壓汽包水位升高300mm左右，此狀態下極易造成機組因汽包水位高而跳閘。

2 汽包水位自動調節策略及建議

由于存在上述問題，因此在設計汽包水位自動調節時應分為兩段，一為機組啟動階段，一為機組正常運行階段。由于機組在停機階段時，其汽水循環尚在，爐水降溫均勻，所以水位波動不大。

2.1 機組啟動前的汽包水位限定

由于汽包水位升高有上述5種原因（見：造成水位升高的原因），因此首先應控制好機組啟動前的汽包水位。各汽包在啟動前保持一個適當的較低水位是給爐水膨脹留出空間，同時這個水位還要兼顧因機組啟動過程中冷拖及低負荷階段時，對余爐冷卻造成的水位下降，以防止機組低水位跳閘。根據運行經驗及對余爐汽水系統的計算，高壓汽包合適的啟動允許水位是-610mm～-280mm，中壓汽包水位允許啟動是-190mm～-50mm，低壓汽包水位允許啟動條件是-1322mm～-300mm。凝汽器水位的高低也應在機組啟動前加以限制，水位以400～550mm之間為佳，可以使凝汽器具備一個安全的水容積，可以承受一定的過度充水。

2.2 利用蒸發器的定期排污閥控制汽包水位

由于機組啟動后，余爐升到一定壓力必須有一個爐水排污的過程，因此可以把高、中壓蒸發器的定期排污也納入機組啟動過程中的水位調節中去，這樣可以既起到啟動中余爐的排污作用，又可以更好地控制汽包水位。可設定機組啟動階段，高、中壓汽包壓力>0.5MPa，且機組點火成功后，高、中壓給水泵運行時，此時當實際水位高過汽包水位自動調節的設定值50mm時，發短脈沖開對應的定期排污閥，使水位下降或減緩水位升高。當水位正常后自動關閉（手動開啟定期排污閥則不受此邏輯控制），但當汽包水位達低一值時強制發關短脈沖信號，關相應的定期排污閥。

2.3 啟動階段汽包水位自動值的設定

在機組啟動階段對汽包水位的自動設定值的確定是有一定難度的，因為不同的啟動狀態有不同的啟動水位要求，這里有機組冷熱態特性，還有閥門、設備、系統、人員等問題。因此這個問題可以交給運行人員去解決，只要這個設定值在機組啟動允許范圍內，DCS均應確認水位設定有效，并作為啟動水位自動控制使用。

2.4 機組水位自動調節的啟動階段與正常運行階段的分界點

機組水位自動調節的啟動階段與正常運行階段的分界點可以選擇在250MW，即機組負荷達250MW后，機組水位自動控制進入正常運行模式，且此時即使負荷再返回到250MW以下，啟動階段的水位控制相關邏輯也不會再投入，直到下次機組啟動。如此時高、中、低壓汽包水位偏低（高壓汽包水位<-280mm、中壓汽包水位<-50mm、低壓汽包水位<-300mm）可作一次提醒告警，告知相應汽包水位偏低。對于汽包水位調節過程中單沖量及三沖量的轉換則不受上述邏輯的影響，只需在原DCS上根據水位調整情況進行適當完善即可。由于部分機組啟動時的相關水位控制用限制邏輯早在250MW前就已退出，此時的負荷點主要是一個象征作用，主要用于對運行人員的提醒，以及對啟動時投用的相關邏輯進行一個檢視。

2.5 中壓并汽階段中壓汽包水位波動問題

啟動并汽階段中壓汽包的水位波動主要問題是：中壓過熱器向再熱器并汽過程中由于蒸汽流量、壓力出現波動變化對汽包產生影響，造成“虛假水位”形成水位上下大幅波動。流量、壓力出現波動變化的主要原因是閥門開啟的初始階段，閥門稍開5%，即可造成中壓汽包水位突升80mm以上，此情況與閥門線性有關，也和汽包汽水循環不足有關，通過改變中壓過熱器壓力調節閥的調節特性及閥門線性，以及通過開大中壓旁路及開啟中壓蒸發器定期排污閥加強汽水流通，可以改善中壓汽包的壓力波動情況，有利于改善中壓汽包在機組中壓并汽階段的水位波動現象。

中壓過熱器出口壓力調節與中壓旁路壓力調節在中壓并汽過程中應實現平穩切換，如采用自動方式，應設置“并汽指令按鈕”，“并汽指令按鈕”的投入需符合中壓并汽條件。當并“汽指令按鈕”激活后，中壓過熱器出口壓力調節閥在自動狀態下維持汽包壓力，中壓旁路壓力調節閥則以一定的速率緩慢下關，當中壓汽包水位下跌較快，與水位自動設定值偏差達-50mm時，中壓旁路壓力調節閥停止關閉，保持開度不變，直到中壓汽包水位與水位自動設定值偏差<-50mm時，繼續下關，直到關到0%，當中壓旁路壓力調節閥開度<2%后（表示閥門關閉），將中壓旁路自動設定值由當前值加上0.24MPa，并小于上限，即保持中壓旁路在機組正常運行始終處于關閉狀態，直到汽輪機卸載或中壓過熱器超壓。一但汽輪機卸載、中壓過熱器出口壓力調節閥關閉，中壓旁路自動設定值將回到當前值，參與中壓汽包壓力調節，同時也盡可能減小中壓汽包的水位波動，同時“并汽指令按鈕”自動退出。

3 結語

以上是針對9F燃機-汽輪機單軸聯合循環機組在啟動過程中，汽包水位調節在實際運行產生過程中產生的問題，及如何采用自動控制策略的個人見解，作為拋磚引玉，希望大家共同探討。