燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠空冷系統(tǒng)順序控制設計與應用

徐振華

(中國華電科工集團有限公司，北京　100160)

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燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠空冷系統(tǒng)順序控制設計與應用

徐振華

(中國華電科工集團有限公司，北京100160)

摘要：為實現(xiàn)馬來西亞某燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠空冷系統(tǒng)的自動順序控制，在分析空冷系統(tǒng)設計參數(shù)及控制系統(tǒng)配置的基礎上，根據(jù)機組狀態(tài)對空冷系統(tǒng)進行了順序啟動、順序停機設計，為保證機組安全運行，設計了專用的空冷凝汽器背壓調節(jié)系統(tǒng)。空冷系統(tǒng)采用順序控制方式后，提高了機組的自動化水平，降低了運行人員的勞動強度。

關鍵詞：燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠；空冷凝汽器；空冷系統(tǒng)；順序控制

0引言

順序控制是指將生產過程中的工況和被控設備的狀態(tài)，按照預先擬定的規(guī)則自動地進行一系列操作，以實現(xiàn)設備和系統(tǒng)的工作。在燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠中，空冷系統(tǒng)的運行采用順序控制方式，將各設備間復雜的邏輯關系程序化，實現(xiàn)自動順序控制，可大大降低運行人員的工作強度，有利于機組的安全、穩(wěn)定運行。

1工程概況

沙巴州(Sabah)是馬來西亞的第二大州，位于東馬，在婆羅洲的北部，自然資源豐富。近些年來，隨著當?shù)亟洕牟粩喟l(fā)展，電力缺乏現(xiàn)象日益突出。本工程位于沙巴州亞庇市(Kota Kinabalu)工業(yè)園內，當?shù)貧夂驅贌釒夂颍Ｄ暄谉岫嘤辍１竟こ滔敌陆üこ蹋ㄔO規(guī)模為一套190 MW 級“2拖1”6FA系列燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組。機組包括2臺PG6111FA型燃氣輪機，2臺雙壓、自除氧、自然循環(huán)臥式余熱鍋爐和相關的輔助設備，1臺約75 MW雙壓、空冷式蒸汽輪機發(fā)電機組和相關的輔助設備，組成2+2+1聯(lián)合循環(huán)機組，凈出力為190 MW。工程熱力系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　熱力系統(tǒng)示意

2空冷系統(tǒng)設置

由于本工程所處園區(qū)內水源較貧乏，且園區(qū)氣候條件比較適合空冷機組的運行，所以最終采用了直接空冷的空冷汽輪發(fā)電機組。直接空冷系統(tǒng)是將汽輪機排出的乏汽由管道引入空冷凝汽器中，通過空冷風機將乏汽冷卻為凝結水，供機組繼續(xù)使用。直接空冷機組具有占地面積小、節(jié)水顯著等特點[1]。

2.1空冷系統(tǒng)的設計參數(shù)

空氣干球溫度，34 ℃；氣壓，1 013 MPa；擋風墻頂部1 m處風速，4.0 m/s；排汽裝置出口背壓，≤15 kPa；汽輪發(fā)電機組功率，71.46 MW；汽輪機排汽量，250.08 t/h；排汽比焓，2 386.8 kJ/kg；環(huán)境溫度，18～40 ℃。

2.2空冷系統(tǒng)設置

空冷凝汽器散熱面積，487 732 m2；迎風面風速，2.5 m/s；風機臺數(shù)，42(工頻)；消耗功率，2 347 kW；計算散熱量，150.3 MW。

2.3控制系統(tǒng)配置

本工程機組控制系統(tǒng)由1套ABB公司生產的800XA分散控制系統(tǒng)(DCS)和2套GE公司生產的 MARK VI控制系統(tǒng)組成。燃氣輪機發(fā)電機組及其輔助系統(tǒng)主要由MARK VI控制系統(tǒng)進行監(jiān)控，并將主要控制功能(如機組啟動、停止、負荷調節(jié)、頻率調節(jié)等)集成到DCS中。余熱鍋爐、汽輪機、發(fā)電機及相關輔機納入DCS進行監(jiān)控。通過DCS實現(xiàn)燃氣輪機、余熱鍋爐、汽輪機、發(fā)電機整個聯(lián)合循環(huán)電廠的集中監(jiān)控[2]。

3空冷控制系統(tǒng)設計方案

本工程空冷控制系統(tǒng)以遠程控制站的方式接入DCS，實現(xiàn)全廠控制系統(tǒng)一體化。空冷控制系統(tǒng)機柜布置在現(xiàn)場的空冷配電間內，通過冗余的工業(yè)以太網(wǎng)接入機組DCS中，在集中控制室內的DCS操作員站實現(xiàn)空冷系統(tǒng)的監(jiān)控[1]，如圖2所示。

圖2　空冷控制系統(tǒng)設計方案

本工程空冷系統(tǒng)共設置42臺風機，分6列布置，每列7臺風機(其中第4臺為逆流區(qū)風機)，均為單一轉速、工頻狀態(tài)運行。

因本工程空冷系統(tǒng)風機均采用單一轉速的電動機，因此，控制系統(tǒng)設計時僅需要考慮空冷風機的開關量控制即可，即在空冷系統(tǒng)啟動、停止和運行過程中，僅需根據(jù)機組工況、各系統(tǒng)運行參數(shù)和風機的狀態(tài)等條件，按照預先規(guī)定的步序啟、停空冷風機即可。所以，順序控制系統(tǒng)在本工程的空冷系統(tǒng)控制中可以發(fā)揮很好的作用。

空冷系統(tǒng)控制方式需根據(jù)機組狀態(tài)分別進行設計，本工程將其分為3種工況，即機組啟動、機組停機、機組正常運行。

3.1空冷系統(tǒng)順序啟動設計

機組啟動過程中，空冷控制系統(tǒng)順序控制啟動投入需要滿足一定的啟動條件，本工程設置了3個順序控制啟動條件：汽輪機背壓高于15 kPa；空冷凝汽器左右側凝結水收集管中凝結水平均溫度大于35 ℃；任意一臺凝結水泵運行。

當這3個條件同時滿足時，在操作員站的組態(tài)畫面中提示空冷系統(tǒng)順序啟動投入允許，運行人員可以通過點擊投入按鈕自動順序啟動空冷系統(tǒng)。順序啟動過程如下：第1步：按1～6列順序順序啟動第4臺風機；第2步：按1～6列順序順序啟動第3臺風機；第3步：按1～6列順序順序啟動第5臺風機；第4步：按1～6列順序順序啟動第2臺風機；第5步：按1～6列順序順序啟動第6臺風機；第6步：按1～6列順序順序啟動第1臺風機；第7步：按1～6列順序順序啟動第7臺風機。

3.2空冷系統(tǒng)順序停機設計

順序停機過程與順序啟動過程完全相反，依據(jù)順序啟動的反向順序進行停機。順序停機過程如下：第1步：按6～1列順序順序停止第7臺風機；第2步：按6～1列順序順序停止第1臺風機；第3步：按6～1列順序順序停止第6臺風機；第4步：按6～1列順序順序停止第2臺風機；第5步：按6～1列順序順序停止第5臺風機；第6步：按6～1列順序順序停止第3臺風機；第7步：按6～1列順序順序停止第4臺風機。

當所有風機停機后，組態(tài)畫面會彈出操作提示，提示運行人員需根據(jù)下一步機組運行工況決定是否停止運行真空泵。若機組將進行熱態(tài)啟動，運行人員可點擊“跳過”按鈕，保持真空泵繼續(xù)運行，以保持空冷凝汽器的真空度，并結束順序停機過程，這樣便于機組快速啟動；若機組無熱態(tài)啟動要求，則運行人員可點擊“下一步”按鈕，繼續(xù)進行順序控制，停止真空泵并打開真空破壞閥，機組完全停機。

3.3空冷系統(tǒng)正常運行過程

機組正常運行過程中，汽輪機背壓隨環(huán)境溫度、風速等因素的變化而變化，為保證機組出力、效率和安全，需調節(jié)空冷系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以保持汽輪機背壓在一定的安全范圍內。

本工程汽輪機正常的排汽背壓為15 kPa，允許最大背壓為55 kPa，自動停機背壓為60 kPa，故空冷系統(tǒng)的調節(jié)必須保證機組運行在安全的背壓范圍內。

由于本工程空冷風機均在工頻狀態(tài)運行，所以汽輪機排汽背壓可以通過啟停相應的空冷風機進行調節(jié)。在機組設計工況下，空冷風機運行40臺；在緊急情況下，需要啟動全部42臺空冷風機和所有的真空泵，盡最大可能降低汽輪機排汽背壓，使機組運行在安全區(qū)域內。

根據(jù)上述條件，本工程設計了一套專用的空冷凝汽器背壓調節(jié)系統(tǒng)。

(1)當汽輪機排汽背壓低于10 kPa時，逐步停止空冷風機，停機步序同3.2，每停止2臺風機后適當延時，對汽輪機排汽背壓進行監(jiān)控，當實際值接近汽輪機排汽背壓設定值15 kPa時，停機步序停止執(zhí)行，保證機組運行在最佳工況下。

(2)當汽輪機排汽背壓高于30 kPa時，逐步啟動備用的空冷風機，啟動步序同3.1，每啟動2臺風機后適當延時，對汽輪機排汽背壓進行監(jiān)控，當實際值接近汽輪機排汽背壓設定值15 kPa時，啟動步序停止執(zhí)行，保證機組運行在最佳工況。

(3)當汽輪機排汽背壓高于55 kPa時，啟動全部處于備用狀態(tài)的空冷風機，啟動步序同3.1，啟動備用真空泵并輸出聲光報警，提示運行人員注意汽輪機排汽背壓，必要時運行人員需就地檢查空冷系統(tǒng)工作狀態(tài)。當汽輪機背壓恢復到正常狀態(tài)時，自動停止備用真空泵，空冷系統(tǒng)進入正常運行狀態(tài)。

3.4需要說明的問題

(1)空冷系統(tǒng)順序控制過程中，若某一臺空冷風機出現(xiàn)故障，程序將自動跳過此風機操作，繼續(xù)執(zhí)行下一步操作，組態(tài)畫面將輸出聲光報警，提示運行人員檢查。

(2)每臺空冷風機本體的保護包括齒輪箱潤滑油壓低、齒輪箱潤滑油溫高、電機線圈溫度高和風機振動高保護，任何一個保護工作將自動停止風機運行，輸出相應的報警，提示運行人員進行處理。

(3)所有空冷系統(tǒng)風機處于正常停機狀態(tài)時，均應手動投入備用狀態(tài)，以便空冷系統(tǒng)順序控制順利執(zhí)行。

(4)由于空冷系統(tǒng)大部分風機均處于24 h連續(xù)運行狀態(tài)，為保證所有風機的性能均衡，運行人員可根據(jù)運行需要，在運行一段時間后手動對備用風機和運行風機進行切換，切換過程不影響順序控制系統(tǒng)執(zhí)行。

4結束語

本工程空冷系統(tǒng)采用順序控制后，大大提高了機組的自動化水平，降低了運行人員的勞動強度，也為機組級順序控制系統(tǒng)的設計奠定了基礎。通過本工程空冷系統(tǒng)順序控制的設計和應用可以看出，火力發(fā)電廠各級順序控制系統(tǒng)的設計和應用需要綜合考慮多種因素，如工藝系統(tǒng)的工作環(huán)境、工藝系統(tǒng)設計特點、系統(tǒng)設備可控性等，并且要將運行人員豐富的運行經驗轉化為高效可靠的計算機程序。順序控制系統(tǒng)的設計和應用不但需要考慮提高工藝控制系統(tǒng)的自動化水平，更應該保證工藝系統(tǒng)乃至機組的安全。本工程空冷系統(tǒng)順序控制系統(tǒng)的應用可為其他工程順序控制系統(tǒng)的設計提供一定的參考。

參考文獻：

[1]大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范：GB 50660—2011[S].

[2]燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠設計規(guī)定：DL/T 5174—2003[S].

(本文責編：劉芳)

收稿日期：2015-12-28；修回日期：2016-03-16

中圖分類號：TM 611.31

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1951(2016)03-0023-03

作者簡介：

徐振華(1982—)，男，吉林長春人，助理工程師，從事火力發(fā)電廠熱控專業(yè)電力設計及技術管理工作(E-mail:xuzhenhua@chec.com.cn)。