熱電母管制背壓機組快速減負荷控制技術的設計及應用

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(上海電力建設啟動調整試驗所有限公司, 上海 200031)

近年來,為了推進大氣污染防治、提高能源利用效率、促進熱電產業健康發展,解決我國北方地區冬季供暖期空氣污染嚴重、熱電聯產發展滯后、區域性用電用熱矛盾突出等問題,政府出臺了相關政策,鼓勵各地建設背壓熱電聯產機組和各種全部利用汽輪機乏汽熱量的熱電聯產方式,來滿足用熱需求。背壓燃煤熱電聯產機組建設容量不受國家燃煤電站總量控制目標限制,因此作為國家鼓勵發展的環保節能導向產業之一,背壓熱電聯產機組以其高效節能、改善環境的顯著優勢,將會得到長足的發展[1-2]。

熱電母管制背壓機組,多爐多機并列運行時,系統多輸入多輸出耦合性較強,任一汽機遮斷會造成主蒸汽母管壓力突升,甚至導致壓力控制閥(Pressure Control Valve,PCV)動作,母管上各鍋爐汽包水位大幅波動,控制不當可能造成一臺或多臺鍋爐主燃料跳閘(Master Fuel Trip,MFT),使得下級汽源受到影響,供汽中斷會給熱用戶尤其是化工等行業的用戶帶來巨大的安全風險[3]。同樣,任一鍋爐主要輔機跳閘時,若不能使整個熱力系統快速達到新的平衡工況,也將直接影響機組的安全運行和連續供熱。

目前,國內同類型機組在發生此類事故工況下,主要由運行人員手動操作某臺鍋爐減出力,既要兼顧主汽母管壓力及汽包水位,還要維持熱網供汽,易造成人為操作失誤,導致機組非正常停運,甚至危及機組運行安全,影響熱用戶生產安全,造成巨大的經濟損失。

鑒于此,筆者及其技術團隊設計了一種針對熱電母管制背壓機組快速減負荷(Run Back,RB)的自動控制策略及其實施方法。當任一汽機遮斷或任一鍋爐主要輔機跳閘時,采用相應鍋爐自動RB運行、相關系統協同控制的設計理念,使機組能夠在短時間內平穩降至安全運行區域,自動維持熱網供汽,避免人為操作和影響熱網用戶生產安全等各類風險的產生。

1 控制策略的技術原理

多爐多機并列運行,當任一汽機遮斷時,本機排汽對熱網供汽切斷,且主汽母管憋壓導致壓力迅速飛升,甚至引起PCV動作,工質快速泄放,使母管上各鍋爐汽包水位大幅波動,易造成超限保護動作。一臺或多臺鍋爐MFT,致使事故進一步擴大,對外供汽受到大幅影響,給熱用戶帶來巨大的安全風險。因此,任一汽機跳閘時的快速控制十分重要。

多爐多機并列運行,當任一鍋爐主要輔機跳閘時,本爐輔機出力與系統輸出失衡,影響鍋爐安全運行,同時背壓機控制排汽壓力,不能起到穩定主汽壓力和汽包水位的作用,進而對其他鍋爐產生影響,控制不當可能導致鍋爐發生MFT,延長系統恢復時間,造成事故擴大。因此,任一鍋爐主要輔機跳閘時的快速控制也十分關鍵。

本文控制策略主要采用的技術原理如下。

(1) 熱電母管制背壓機組正常運行時,由鍋爐側自動控制主蒸汽母管壓力,每臺汽機高壓調門控制背壓,保證汽機在設計的背壓下工作,汽機側不再設主汽壓力控制器[4-5]。

(2) 運行人員預先將“#臺鍋爐RB聯動#臺汽機快減”投切開關和“#臺汽機遮斷聯動#臺鍋爐RB”投切開關按照要求投入。

(3) 當3爐2機中的任一汽機遮斷時,汽機側按原聯鎖保護動作,聯動預選的鍋爐觸發RB,鍋爐主控以100%/min的速率降至50%負荷,同時聯開主蒸汽母管至熱管網減溫減壓電動調門至負荷對應開度,投入自動,抑制主汽壓力飛升,避免汽包水位突降等導致爐側MFT,并直接通過新蒸汽補償汽機遮斷導致排汽中斷而造成的熱管網蒸汽的損失,在保證機組負荷平穩下降的同時維持熱網供汽穩定。

(4) 當任一鍋爐主要輔機跳閘時,觸發本鍋爐RB,鍋爐主控按設計速率降至目標位,聯動預選汽機快減,汽輪機數字電液控制系統(Digital Electric Hydraulic Control System,DEH)以10 MW/min的速率減至36 MW對應的總閥位指令,控制主汽壓力平穩下降,避免汽包水位大幅波動,使機組自動控制并達到新的平衡工況,維持熱網供汽。

2 控制策略的實施方法及應用分析

針對母管制背壓機組,在任一汽機遮斷時,控制的關鍵在于如何抑制主蒸汽母管壓力的飛升,導致汽包液位瞬時突變而使一臺或多臺鍋爐發生MFT;同時由于汽機遮斷,導致排汽中斷,可能會影響熱用戶的生產安全。因此,采用“選擇相應的鍋爐觸發RB且將主蒸汽母管至熱管網減溫減壓電動調門超馳至一定開度”的控制方式來兼顧汽包液位的穩定和熱網供汽的連續。

針對母管制背壓機組,在任一鍋爐主要輔機跳閘時,首先要考慮的是將本臺鍋爐負荷迅速降至單側輔機的出力范圍內,同時由于背壓機正常運行時高壓調門控制排汽壓力,沒有主汽壓力控制器,不能在鍋爐RB時控制主汽壓力。因此,采用“選擇相應的汽機自動按預設的速率降低總閥位指令”的控制方式實現機組的滑壓運行,以保證系統的穩定運行。

(1) 借鑒單元機組RB控制理念,在母管制機組每臺鍋爐上設計增加RB回路,RB信號觸發后,相應鍋爐主控切手動,鍋爐主控指令以預設的速率降至目標位,觸發跳磨邏輯,燃料主控、風量指令自動減至對應的總燃料量和總風量,主給水調門自動控制汽包水位。

(2) 當任一汽機遮斷時,為保證主蒸汽母管不超壓、不超溫,同時熱網供汽不中斷,可將主蒸汽母管至熱管網減溫減壓電動調門超馳至一定開度,再投入自動控制來兼顧主汽和供汽穩定,調門超馳開度由汽機遮斷前的負荷來確定。汽機遮斷快速減負荷控制流程如圖1所示。

圖1 汽機遮斷快速減負荷控制流程

(3) 當任一鍋爐主要輔機跳閘時,相應DEH接收快減信號后采用關小高調門來控制主汽壓力(其關鍵在于汽機調門關閉幅度與關閉速率),使其能夠實現滑壓運行。根據鍋爐RB后機組蓄熱釋放特性、主汽壓力變化速率,設置DEH以額定工況下20%/min的速率減至70%對應的總閥位指令,高調門的實際開度由總閥位指令對應的通流曲線決定。鍋爐主要輔機跳閘快速減負荷控制流程如圖2所示。

(4) 如果鍋爐熱負荷短時間內無法改變,而高調門關小后導致主汽流量大量減少,再熱汽流量大量增加,那么汽溫變化的必然趨勢就是主汽溫和再熱汽溫升高。RB回路的優勢在于其快速降低燃料量本身就能快速抑制主汽溫度和主汽壓力的飛升,輔助過熱器減溫水自動控制,用以控制主汽溫度。

在某3×480 t/h超高溫高壓燃煤鍋爐+2×50 MW抽背式汽輪發電機組熱電聯產項目上,對本文的控制策略進行了測試。

首先進行任一汽機遮斷,鍋爐快速降負荷試驗。試驗前,2臺汽機總負荷為103.5 MW,2#汽機負荷為51.2 MW,選擇聯動2#鍋爐RB。手動遮斷2#汽機后,2#鍋爐RB動作,鍋爐主控退至手動,指令以100%/min的速率降至50%,燃料主控、風量指令自動減至對應的總燃料量和總風量,主給水調門自動控制汽包水位;鍋爐主蒸汽母管至熱管網減溫減壓電動調門置30%開度后投入自動,維持熱網供汽。RB動作8 min系統達到穩定,鍋爐母管主汽壓力由9.7 MPa升至最高11.6 MPa后緩慢降至9.5 MPa,主汽溫度由534 ℃升至最高538 ℃后緩慢降至507 ℃,汽包水位最高為+170 mm,最低為-190 mm,過程曲線如圖3所示。熱網供汽流量降至170 t/h,供汽壓力維持1.53 MPa,供汽溫度升至320 ℃。

圖2 鍋爐主要輔機跳閘快速減負荷控制流程

圖3 任一汽機遮斷,快速減負荷控制過程示意

然后進行任一鍋爐主要輔機跳閘,相應機、爐快速降負荷試驗。

試驗前,2臺汽機總負荷101.3 MW,選擇聯動1#汽機快減,1#汽機負荷50.8 MW。手動跳閘1#爐一次風機,1#鍋爐RB動作,鍋爐主控退至手動,指令以200%/min的速率降至40%,燃料主控、風量指令自動減至對應的總燃料量和總風量,主給水調門自動控制汽包水位;1#機DEH接收1#爐RB聯動信號,1#汽機以10 MW/min的速率減至36 MW對應的總閥位指令,實際負荷降約28 MW;2#機負荷基本不變。RB動作6 min系統達到穩定,鍋爐母管主汽壓力由9.4 MPa緩慢降至7.8 MPa,主汽溫度由555 ℃緩慢降至526 ℃,汽包水位最高為+10 mm,最低為-50 mm,過程曲線如圖4所示。熱網供汽流量降至190 t/h,供汽壓力降至1.48 MPa,供汽溫度升至326 ℃。

圖4 任一鍋爐主要輔機跳閘,快速減負荷控制過程示意

3 結 語

本文通過在抽背式汽輪發電機組熱電聯產項目上設計快速減負荷控制技術,并在滿負荷運行工況下進行了試驗。試驗結果表明,在母管制背壓機組多爐多機并列運行時,任一汽機遮斷或任一鍋爐主要輔機跳閘情況下,機組運行狀態控制穩定、熱網供汽穩定并維持自動控制,母管汽壓、母管汽溫、燃料量、總風量、汽包水位、供汽流量等關鍵參數能夠自動控制在設計要求范圍,確保了機組的安全運行,保障了熱用戶的安全生產,極大地降低了人為干預可能帶來的風險系數,避免了潛在事故的發生。