1 000 MW機組重要輔助系統旁路門控制優化研究

范永江

（神華國華寧海電廠，浙江 寧波 315612）

0 引言

大型火力發電廠許多重要輔助系統均配置了旁路門，如給水旁路門、定子冷卻水旁路門、發電機冷氫溫度調節旁路門，這些系統的旁路門通常不是調節門，而是普通的帶中停的電動門。正常運行時，這些旁路門是關閉的。在一些異常工況下，系統主回路的調節門發生故障，造成主調節門異常關閉，使被控對象失去控制，對機組安全運行造成很大影響，嚴重時導致跳機事故的發生。此時，及時開啟旁路門能避免事故的發生，或防止事件進一步擴大。

某火力發電廠2×1 000 MW機組汽輪機是上海汽輪機有限公司采用德國西門子公司技術生產的超超臨界一次中間再熱雙背壓凝汽式汽輪機，其型號為1000/26.25/600/600（TC4F）；型式為高中壓聯合啟動、超超臨界、一次中間再熱、單軸、雙背壓、四缸四排汽。鍋爐為上海鍋爐廠有限公司引進Alstom-Power公司的1 000 MW超超臨界一次再熱、單爐膛單切圓燃燒直流爐，其型號為SG3091/27.56-M54X。

汽輪機采用定-滑-定運行方式。單元機組采用爐、機、電單元控制室集中控制方式，發電機采用水-氫-氫冷卻方式。

DEH（數字式電液控制系統）設置冷氫溫度高保護，其原理為：用于冷卻發電機的氫氣在其工作壓力下對應的露點很低，一般稍低于其工作溫度，如果定冷水溫度比其低的話，會造成冷氫結露，影響其冷卻效果，進而影響發電機正常工作。1 000 MW機組在實際運行中，發電機冷氫溫度在38~41℃，發電機定子線圈進水溫度在40~45℃，為了防止上面定冷水比冷氫溫度低這種情況發生，必須要保證冷氫溫度比定冷水溫度低，所以該機組設計冷氫溫度高保護邏輯。

1 主調節門故障引起跳機事件經過

1.1 ETS（汽輪機跳閘保護系統）動作前機組狀態

2月15日11∶42，5號機組負荷793 MW，協調投入，AGC（自動發電控制）方式，主蒸汽壓力23.2 MPa，主蒸汽溫度590.7℃，再熱蒸汽壓力4.16 MPa，再熱蒸汽溫度561.29℃，總煤量267.6 t/h，總給水量2 190 t/h，總風量2 291 t/h，A，B，C，D，E共5套制粉系統運行，主機真空-99.88 kPa，5A和5B真空泵運行，5A和5B汽泵運行，雙引、雙送、雙一次風機運行，脫硫、脫硝系統運行正常。

1.2 事件經過

2 月 15 日 11∶42∶39∶708， 5 號機組汽輪機 ETS動作，首出原因為發電機冷氫B溫度高。

2月 15日 11∶41∶19， 5 號機組負荷 793 MW，發電機氫冷卻器冷卻水回水可調氣動門反饋由23.96%升至 71.42%；11∶41∶37，A 側、B 側 6點冷氫溫度均開始上升；11∶42∶09時，溫度升到報警值48℃，DCS（分散控制系統）操作員站發出5號機冷氫溫度高報警，大屏光字牌“COLD H2 TEMP H”報警；11∶42∶38時，B側 3個冷氫溫度超過 53℃跳機值（3選2邏輯，A側冷氫溫度高溫度也同時升高，滯后于B側9 s達到53℃跳機值），延時1 s后，B側冷氫溫度高ETS保護動作，汽輪機跳閘，發電機解列，高旁動作，鍋爐維持運行。跳機前后閥位、指令、溫度歷史趨勢見圖1。

圖1 跳機前后閥位、指令、溫度歷史趨勢

1.3 故障處理

ETS動作后，立即去就地檢查發電機氫冷卻器冷卻水回水可調氣動門（氣動門型號為COPES-VULCAN 0810-150609-1-2，定位器為SIEMENS 6DR5210-OEN00-0AA0）。在檢查中發現：發電機氫冷卻器冷卻水回水可調氣動門定位器反饋大部分時間指示在72%，偶爾跳變到0%。當定位器反饋指示在72%時，調門實際閥桿處于關到位狀態，而當定位器反饋跳變時，調門實際閥位也處于波動狀態，跳機前后發電機氫冷卻器冷卻水回水可調氣動門閥位反饋與指令趨勢見圖2，可見閥位反饋大幅波動跳變。為判斷發電機氫冷卻器冷卻水回水可調氣動門本體是否故障，進行了調門開啟試驗：將調門開啟，用聽棒聽見水流聲；試驗時，調門開度最大開啟60%，閉冷水泵出口壓力由0.85 MPa下降到0.79 MPa。通過試驗，可以判斷西門子定位器故障，而調門本體無故障，閥芯無脫落現象。因此，更換發電機氫冷卻器冷卻水回水可調氣動門的西門子定位器，更換后恢復系統重新開機。

圖2 跳機前后閥位趨勢

在此次事件中，由于發電機氫冷卻器冷卻水回水可調氣動門就地定位器故障，使該氣動門關閉，造成發電機氫冷卻器冷卻水中斷，使冷氫溫度在80 s內由40.9℃迅速升高至53℃，造成5號機組冷氫溫度高ETS保護動作，使汽輪機跳閘，發電機解列。

2 旁路門控制邏輯修改設想

造成ETS動作的直接原因是：發電機氫冷卻器冷卻水回水可調氣動門的定位器故障，導致氫冷卻器冷卻水主管路斷水，如果氫冷器旁路門在冷氫溫度達報警值時能及時開啟，則可以避免冷卻器回路斷水，從而降低或延緩故障，避免事故的進一步擴大。

為此，提出旁路門參與控制的設想：當主調節門故障關閉時，旁路門及時打開，參與控制；當系統恢復正常時，旁路門根據實際情況手動關閉。旁路門參加控制作為設備故障的應急手段之一，可以提高設備運行的安全性。

由于旁路門與主管路的管徑大部分是一致的，也有個別旁路門管徑與主管路尺寸不一樣，所以旁路門打開的方式、開度、開啟時間等要通過試驗來驗證，并根據試驗結果來設計旁路門參與控制的邏輯。

3 旁路門開啟試驗

旁路門開啟試驗的目的是確定主調節門故障時旁路門的目標開度，其中，以最大需求流量對應的開度為最大目標開度，此開度為旁路門開啟后的開度上限。

以冷氫溫度調節門為例，進行旁路門開啟試驗，驗證旁路門開啟效果，確定旁路門的目標開度。在機組正常運行時，其冷氫溫度調節門開度一般在21%~28%，正常無功需求工況下，其冷氫溫度調節門開度為25%時即可滿足冷卻流量需求。

因此，在冷氫溫度調節門開度為25%時，開始進行試驗。首先，冷氫溫度調門開度由25%左右逐漸切換至旁路電動門調節，最終試驗結果顯示旁路電動門開度為30%時，與冷氫溫度調門25%開度通流量基本一致，如表1所示。

表1 調門、旁路門流量特性

假設旁路門開足仍達不到相應的比例，則直接開足旁路門也會對被調量有相應的影響，可以延緩事故的擴大化。

4 優化后旁路門參與控制的邏輯

以發電機冷氫溫度調節旁路門為例，考慮到無法判斷主調節門是因為控制器、元件、信號電纜故障，還是主調節門本身故障（如閥芯脫落）。但無論是哪種故障，均表現為被調量“定冷水溫度”異常。如果定冷水溫度低，對機組的安全性沒有影響，但定冷水溫度上升則會造成很大的風險。為此，只要針對定冷水溫度高進行有針對性的邏輯修改即可。

根據試驗結果，得出主調節門故障時旁路門的目標開度，旁路門打開的觸發條件是被調量的異常值，該值可以根據機組的實際工況來設定。補充停止打開條件、旁路門關閉的條件就可以設計出帶有旁路門的氣動、電動調節門的控制邏輯，從而確保異常工況下，旁路門自動開啟，快速的動作，確保機組正常運行。

現場的旁路門有3種：帶中停的電動門并有開度指示、帶中停功能的不帶開度指示和全開全關型，針對3種電動旁路門分別制定控制邏輯。

4.1 帶中停且有開度指示的電動旁路門控制邏輯

對于帶中停功能的電動旁路門，具體邏輯為：

（1）開啟閥門的條件：當定冷水溫度達到高2值時，立即發出一個脈沖信號去開旁路門。邏輯如圖3所示。

圖3 旁路門開邏輯

（2）旁路門的停止打開條件：溫度降到高1值；運行人員手動停止開門；達到目標開度。

這3個條件是“或”的關系，任一條件滿足時，旁路門不再開啟而是保持在一定的開度上。

（3）關門條件：由運行人員手動關門。

4.2 帶中停但無開度指示的電動旁路門控制邏輯

（1）可以發一個脈沖信號來控制開旁路門的時間，而這個脈沖的脈寬，則需要通過試驗來確定，記錄1 s脈沖、5 s脈沖、10 s脈沖時該電動門的開度，并根據試驗值來確定發出的脈沖寬度，該脈沖的時間即為邏輯圖中可調脈沖寬度，開度試驗數據見表2。需注意的是，脈沖時間要考慮DCS發出指令經I/O卡件后返回的時間。

表2 脈沖時間與實際開度的對照表

（2）旁路門停止打開條件：溫度降到高1值；溫度大于高2值脈沖信號取非；運行人員手動停止開門。

這3個條件為“或”的關系，任一條件滿足時，旁路門不再開啟，停留在一定開度。邏輯如圖4所示。

圖4 旁路門復位條件

（3）旁路門關閉的指令則仍然為手動指令，此指令由運行人員根據機組的實際工況進行。

4.3 全開全關型電動旁路門的控制

如果不是帶中停功能的電動旁路門，而是直接接收開指令、然后直接開到位的電動門，則應增加復位中停功能，需要斷掉電動門中的自保持回路，修改電動門的硬接線，并將閥門的開指令改為長信號，而不是脈沖信號。如果無法改變電動門的自保持回路，那么只能實現旁路門全開，此時被調量“定冷水溫度”將直線下跌，但即使下跌也只是影響經濟性，安全性仍然可以保障。

5 邏輯優化的推廣應用

梳理1 000 MW機組全部熱力系統，在不增加投資的情況下，下列系統的旁路門可以采用該優化邏輯。

5.1 發電機定子水冷卻器冷卻水回水旁路門

（1）在實際運行中，發電機定子線圈進水溫度在40~45℃，將發電機定子線圈進水溫度報警值從53℃修改至50℃。

（2）增加發電機定子水冷卻器冷卻水回水可調氣動門閥門指令與反饋偏差大于10%報警信號，并送至大屏，以提醒定位器出現故障。

（3）當發電機定子線圈進水溫度大于53℃時，開啟定子水冷卻器冷卻水回水可調氣動門旁路電動門到30%，將“開到位或運行發關旁路電動門指令時”，作為復位條件，運行即可以手動操作該旁路電動門。

5.2 勵磁機冷卻水水溫調節旁路門

（1）將勵磁機后熱風溫度報警值從75℃修改至65℃。

（2）增加勵磁機冷卻水水溫調節門閥門指令與反饋偏差大于10%報警信號，并送至大屏以提醒定位器出現故障。

（3）當勵磁機后熱風溫度大于73℃時，開啟勵磁機冷卻水溫度調節門旁路電動門到20%，“開到位或運行發關旁路電動門指令時”作為復位條件，運行即可以手動操作該旁路電動門。

對于被控對象是有上、下限要求的旁路門，則不能采用該邏輯，如汽輪機潤滑油溫控制系統中，潤滑油溫的高低對機組的安全運行具有危害性，此類旁路門則不宜采用該邏輯。

6 結語

在資金充裕的情況下，硬件優化的最優選擇是將旁路電動門更換為調節門，雖然需要增設指令線及反饋線等控制電纜，DCS也需要重新分配卡件通道進行組態，但后期調節效果好。次之是更換為帶中停功能的電動門。

該研究在不增加投資、不進行設備改造的情況下，僅僅利用現有設備通過做試驗，計算流量比，設計出有針對性的控制邏輯，實現了旁路門優化的控制功能，補充機組重要設備故障時的應急手段，從而提高機組的安全性能，可供其他同類型機組借鑒。

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