STAG209E燃氣-蒸汽聯合循環機組疏水自動控制的研究與應用

童振翔，黃月麗，曹 鑫，茅珈浩，湯可人，潘雪澄，陳海文，胡孟文，杜嘉奇

（華電浙江龍游熱電有限公司，浙江 龍游 324400）

0 引言

火力發電廠機組啟動過程，隨著蒸汽溫度壓力升高，蒸汽與管道發生熱交換。當管道溫度低于蒸汽溫度時，蒸汽溫度降低，從而使蒸汽過熱度下降。當蒸汽溫度低于當前壓力下的飽和溫度時，部分蒸汽凝結產生凝結水，在高速流動蒸汽的推動下，凝結水在熱力系統管道、閥門內產生強烈撞擊，損壞管道和閥門。若凝結水未及時排出，會隨著蒸汽進入汽輪機，與葉片發生撞擊，使葉片損傷甚至斷裂[1]。此外，由于蒸汽與凝結水的溫度不同，會使金屬局部產生溫差，引起差應力，加速設備變形甚至爆管，減少設備使用壽命。因此，機組啟動過程中，應及時排出熱力系統管道內產生的凝結水[2]。

目前，火力發電機組疏水系統以半自動控制方式為主，通過人為手動操作電動疏水閥實現系統的疏水[3]。由于人為疏水存在重大安全隱患，某廠開展針對STAG209E 燃氣-蒸汽聯合循環機組疏水自動控制的研究，結合機組二拖一、一拖一、冷態、熱態等多種工況，通過邏輯組態設計，實現機組在啟動階段全廠疏水閥組的自動控制功能。

1 課題研究背景

1.1 現狀介紹

某廠建設有一套STAG209E 燃氣-蒸汽聯合循環機組，由2 臺燃氣輪機發電機組，2 臺余熱鍋爐，1 臺抽凝式蒸汽輪機發電機組和1 臺背壓式蒸汽輪機發電機組組成。燃氣輪機發電機組和蒸汽輪機發電機組為二拖一分軸布置。

燃機排氣進入余熱鍋爐，通過各受熱面產生熱交換，余熱鍋爐產生的蒸汽進入汽輪機做功。余熱鍋爐分為高壓汽包、低壓汽包以及除氧器系統，高壓系統產生高壓過熱蒸汽經過高壓主蒸汽管道進入汽輪機做功，低壓系統產生低壓過熱蒸汽經過低壓主蒸汽管道進入汽輪機第11 級做功。從余熱鍋爐主蒸汽管道到汽輪機進汽門共布置了30 個氣動疏水閥，其中兩臺余熱鍋爐高壓系統各布置了4 個氣動疏水閥，低壓系統各布置了2 個氣動疏水閥；汽輪機高壓主蒸汽管道共布置13 個氣動疏水閥，汽輪機低壓主蒸汽管道共布置5 個氣動疏水閥，汽輪機本體布置了8 個氣動疏水閥。

投產以來，機組日開夜停調峰運行。在機組啟動過程中，各疏水閥采用手動控制，由于機組運行工況的多樣性且熱力系統疏水閥布置數量多，加之人員操作規范性不一等問題，造成機組疏水系統操作方式不同，使機組運行的經濟性相差較大[4]。

1.2 問題與分析

二拖一機組具備較為復雜且多樣的運行方式，可分為一拖一與二拖一方式運行。根據機組啟動時汽輪機高壓內缸溫度，又可分為冷態啟動與熱態啟動。結合燃機啟動先后順序，共有8 種啟動工況，設計應用較為復雜。

原有設計僅根據過熱度進行判斷，執行疏水閥自動開、關操作，無法滿足機組熱態啟動工況的需求[5]，且相關疏水閥可參照的過熱度并不能完全表征蒸汽管道實際運行情況。因此，該操作方式已無法保證可靠疏水，嚴重影響機組的安全經濟運行。

現結合機組的運行狀態，基于DCS 系統邏輯組態的研究應用，實現疏水的自動控制，并完善系統相關溫度過熱度顯示，規范運行人員對疏水系統的運行監控，保障機組安全經濟運行[6]。

1.3 研究意義

機組疏水系統在火力發電廠中對安全、經濟運行起著重要作用。實現燃氣-蒸汽聯合循環機組疏水系統的自動控制功能，提升設備自動化應用水平，能有效減少運行人員操作工作量及誤操作，實現“技防”與“人防”相結合，從而提升余熱鍋爐和汽輪機系統的安全，并保障整套機組的經濟運行。

2 研究與實施

2.1 項目研究范圍

對燃氣-蒸汽聯合循環機組疏水系統現存的問題進行分析，研究實現自動控制，主要范圍與內容：

1）掌握目前疏水閥控制的現狀。

2）增加主蒸汽管道各溫度測點過熱度顯示。

3）區分“二拖一”與“一拖一”工況，“二拖一”工況又分先啟與后啟。

4）區分“冷態”與“熱態”工況。

5）不同的疏水閥開關條件依據的過熱度測點選擇。

6）過熱度上升證實邏輯設計。

7）疏水閥后管路暢通判據。

8）蒸汽流量證實。

9）系統全過程自動控制的設計與應用。

2.2 方案研究與應用

2.2.1 方案的目標

機組疏水系統自動控制研究的目標：①在主蒸汽管道各溫度測點均增加過熱度顯示，便于運行人員監控；②疏水閥自動開關邏輯符合蒸汽系統管道運行要求；③保證疏水充分，即在保證機組安全的前提下提高經濟性；④根據機組啟動工況，順控開關疏水閥，實現疏水的全程順控[7]；⑤減少人為操作偏差及失誤的可能性，實現“技防”與“人防”相結合。

2.2.2 結合運行操作規程進行控制策略研究

將疏水系統分為鍋爐側高低壓疏水系統與汽機側高低壓疏水系統，按照3 個系統并結合具體工況進行設計。

通過DCS 系統邏輯組態功能，將機組疏水系統啟動狀態分為冷態、非冷態工況，根據汽輪機上缸內壁溫度來區分工況。其中，又細分為“一拖一”以及“二拖一”工況?！岸弦弧狈抢鋺B關和冷態關細分為有無“二拖一后啟1 號”工況，即兩個工況細分為10 個子工況。燃機啟動后，結合汽輪機的狀態分別在燃機“start 至點火”“點火至并網”“真空＜-50KPa”“汽輪機掛閘”階段自動開疏水閥；根據所啟動的燃機以及先后順序，判斷主蒸汽優選過熱度、蒸汽流量滿足要求，對鍋爐高、低壓主蒸汽管道，汽機高、低壓主蒸汽管道總計30 個疏水閥實施了全程自動開、關功能[8]。

2.2.3 控制邏輯實現順控功能

2.2.3.1 余熱鍋爐高低壓疏水閥組（12閥）

1）#1（2）號余熱鍋爐過熱器疏水閥組（共6 個：高壓過熱器1 疏水閥、高壓過熱器2 疏水閥、低壓過熱器疏水閥）。

① 冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，主蒸汽過熱度＜21℃，燃機啟動后。

② 冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，疏水閥后管路暢通、主蒸汽過熱度＞21℃，主蒸汽流量證實。

圖1 余熱鍋爐高低壓疏水12閥組邏輯組態Fig.1 Logic configuration of high and low pressure drain 12 valve groups of waste heat boiler

③ 非冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，燃機啟動后。

④ 非冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，疏水閥后管路暢通，主蒸汽過熱度＞21℃且有上升趨勢，主蒸汽流量證實。

2）#1（2）號余熱鍋爐集箱疏水閥組（共6 個：高壓過熱蒸汽集箱疏水閥、高壓過熱蒸汽減溫器疏水閥、低壓過熱蒸汽集箱疏水閥）。

① 冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，主蒸汽過熱度＜21℃，燃機啟動后。

② 冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，疏水閥后管路暢通、主蒸汽過熱度＞21℃，主蒸汽流量證實。

③ 非冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，燃機點火后。

④ 非冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，疏水閥后管路暢通，主蒸汽過熱度＞21℃且有上升趨勢，主蒸汽流量證實。

上述控制邏輯組態與畫面如圖1、圖2 所示。

2.2.3.2 汽機低壓主汽疏水閥組（5閥）

1）#1（2）號低壓主汽并汽門前疏水。

① 冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，低壓主蒸汽過熱度＜21℃，燃機啟動后。

② 冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，低壓主汽并汽門在開位、低壓主汽并汽門后過熱度＞21℃，低壓主蒸汽過熱度＞21℃，低壓主蒸汽流量證實。

③ 非冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，燃機點火后。

圖2 余熱鍋爐高低壓疏水12閥組DCS畫面Fig.2 DCS picture of high and low pressure drain 12 valve groups of waste heat boiler

④ 非冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，低壓主汽并汽門在開位、低壓主汽并汽門后過熱度＞21℃且有上升趨勢，低壓主蒸汽過熱度＞21℃，低壓主蒸汽流量證實。

2）#1（2）號低壓主汽旁路閥前疏水。

① 冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，低壓旁路壓力調節閥前過熱度＜21℃，燃機啟動后。

② 冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，低壓旁路壓力調節閥前過熱度＞21℃，低旁的閥位＞10%。

③ 非冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，燃機點火后。

④ 非冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，低壓旁路壓力調節閥前過熱度有上升趨勢，低旁的閥位＞10%。

3）低壓補汽閥組前疏水。

① 順控開：1 號（或2 號）燃機點火且3 號機未并網。

② 順控關：汽機汽輪機入口低壓主汽過熱度＞21℃，補汽調節閥行程＞10%，低壓已完成并汽。

上述控制邏輯組態與畫面如圖3、圖4 所示。

2.2.3.3 汽機高壓主蒸汽疏水閥組（13閥）如圖5、圖6所示

1）#1（2）號汽機高壓主汽門前疏水。

① 順控開：燃機點火或并網且3 號機未并網，3 號機真空＜-50KPa。

② 順控關：汽機高壓主汽門前過熱度＞21℃，汽機高壓調門1 開度＞10%或汽機高壓調門2 開度＞10%，3 號機已并網。

2）汽機電動主汽門前疏水。

① 冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，汽機電動主汽門前過熱度＜21℃，燃機啟動。

圖3 汽機低壓主汽疏水5閥組邏輯組態Fig.3 Logic configuration of steam turbine low pressure main steam drain 5 valve groups

② 冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，汽機電動主汽門前過熱度＞21℃，汽機電動主氣門或旁路門在開。

③ 非冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，燃機點火且3 號機未并網。

④ 非冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，汽機電動主汽門前過熱度＞21℃且在上升趨勢，汽機電動主氣門或旁路門在開。

3）1#（2）號高壓主汽并汽門前疏水。

① 冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，高壓主蒸汽過熱度＜21℃，燃機啟動。

② 冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，高壓主蒸汽過熱度＞21℃，高壓并汽門在開，高壓主汽流量證實。

③ 非冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，燃機點火。

④ 非冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，高壓主蒸汽過熱度＞21℃且有上升趨勢，高壓并汽門在開，高壓主汽流量證實。

4）#1（2）號高壓主汽旁路前疏水。

① 冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，高壓旁路調節閥前過熱度＜21℃，燃機啟動。

② 冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，高壓旁路調節閥前汽過熱度＞21℃。

③ 非冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，燃機點火。

④ 非冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，高壓旁路調節閥前過熱度＞21℃且有上升趨勢。

5）高壓主蒸汽母管疏水。

圖4 汽機低壓主汽疏水5閥組DCS畫面Fig.4 DCS picture of low pressure main steam drain 5 valve groups of steam turbine

① 冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，優選過熱度＜21℃，燃機啟動。

② 冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，并汽門狀態優選過熱度＞21℃，優選并汽門狀態位確認。

③ 非冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，燃機在點火且3 號機未并網。

④ 非冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，并汽門狀態優選過熱度＞21℃且有上升趨勢，優選并汽門狀態位確認。

6）背壓機入口電動門前疏水。

① 冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，背壓機電動主汽門前過熱度＜21℃，燃機啟動。

② 冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，1 號爐高壓主汽并汽門在開位或2 號爐高壓主汽并汽門在開位，背壓機電動主汽門前過熱度＞40℃，優選并汽門狀態位確認。

③ 非冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，燃機點火且3 號機未并網。

④ 非冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，背壓機電動主汽門前過熱度＞21℃且有上升趨勢，優選并汽門狀態位確認。

7）高壓主蒸汽至高（低）壓減溫減壓器疏水。

① 冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，高壓主蒸汽母管過熱度＜21℃，燃機啟動。

② 冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，高壓主蒸汽母管過熱度＞21℃。

③ 非冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，燃機點火且3 號機未并網。

④ 非冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，高壓主蒸汽母管過熱度＞21℃且有上升趨勢。

圖5 汽機高壓主汽疏水13閥組邏輯組態Fig.5 Logic configuration of steam turbine high pressure main steam drain 13 valve groups

8）#1（2）號高壓主汽出口疏水。

① 冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，高壓主蒸汽過熱度＜21℃，燃機啟動。

② 冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度≤200℃，高壓主蒸汽過熱度＞21℃，高壓主汽流量證實。

③ 非冷態順控開：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，燃機點火。

④ 非冷態順控關：3 號機上缸內壁溫度＞200℃，高壓主蒸汽過熱度＞21℃且有上升趨勢，高壓主汽流量證實。

上述控制邏輯組態與畫面如圖5 和圖6 所示。

2.3 應用效果

綜上所述，燃氣-蒸汽聯合循環機組疏水自動控制的研究與應用，實現了聯合循環機組啟動后，自動判斷運行工況并根據機組運行工況（冷態、熱態、一拖一、二拖一）實現順控開關疏水閥和疏水的全程順控功能；減少了運行人員人為操作偏差及失誤的可能性，實現“技防”與“人防”相結合，在保證機組安全的前提下，提高了整套機組運行的經濟性。

3 結束語

圖6 汽機高壓主汽疏水13閥組DCS畫面Fig.6 DCS picture of steam turbine high pressure main steam drain 13 valve groups

本項目是基于DCS 系統邏輯組態功能，實現燃氣-蒸汽聯合循環機組疏水的自動控制[9]，隨著智慧電廠建設的推進，為二拖一分軸機組實施APS 技術研究具有一定實踐與借鑒意義。

通過項目的應用，對機組安全經濟運行有極大的提升與保障，并取得了一定的節能降耗作用。