超超臨界汽輪機(jī)組中壓缸冷態(tài)啟動過程優(yōu)化研究

華電國際十里泉發(fā)電廠 張 博 劉會陽

通過研究華電國際電力股份有限公司十里泉發(fā)電廠的超超臨界汽輪機(jī)組的中壓缸冷態(tài)啟動過程，提出如下優(yōu)化措施：在輔汽母管加熱汽源并對預(yù)暖邏輯進(jìn)行優(yōu)化以合理提高冷態(tài)啟動高壓缸溫度，縮短啟動時間；對沖轉(zhuǎn)過程中高壓缸正暖邏輯進(jìn)行優(yōu)化，控制沖轉(zhuǎn)期間高壓缸溫度平穩(wěn)上升并達(dá)到滿足切缸要求的金屬溫度，高排溫度不超限；優(yōu)化切缸邏輯，確定機(jī)組冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)啟動時合理的切缸速度，實(shí)現(xiàn)高、低壓旁路減壓閥關(guān)閉及高排逆止門開啟平穩(wěn)切換，保證切缸過程中機(jī)組負(fù)荷相對穩(wěn)定，高壓缸金屬溫升率、高排溫度、振動等參數(shù)在正常范圍；通過開發(fā)預(yù)警、異常分析及優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行啟動狀態(tài)診斷與故障分析，進(jìn)行東汽超超臨界機(jī)組中壓缸啟動的技術(shù)積累和不斷優(yōu)化。

1 技術(shù)方案

進(jìn)行現(xiàn)場技術(shù)改造及系統(tǒng)開發(fā)。新增一路輔汽聯(lián)箱母管蒸汽至高排逆止門管道、閥門、疏水門，沖轉(zhuǎn)前開啟此閥門對高壓缸加熱；增加高排管道疏水門，保證疏水充分；開展暖缸、切缸邏輯優(yōu)化研究。對切缸過程中高調(diào)門、高排逆止門、高低壓旁路減壓閥、VV 閥等切換進(jìn)行研究，確定冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)切缸速度及最佳自動切換邏輯。設(shè)計(jì)邏輯算法首先通過汽機(jī)動態(tài)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

開發(fā)啟動預(yù)警、異常分析及優(yōu)化系統(tǒng)。結(jié)合非線性狀態(tài)估計(jì)模型和深度學(xué)習(xí)方法建立故障預(yù)警模型，并通過優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)模型的自學(xué)習(xí)功能，實(shí)現(xiàn)啟動過程中的超前預(yù)警；利用機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)的分布式特性、并發(fā)計(jì)算和流式數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行高效率診斷和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的計(jì)算頻率達(dá)到秒級，診斷結(jié)果及優(yōu)化頻率達(dá)到秒級；建立高讀寫速率和高性價(jià)比的時序數(shù)據(jù)庫，對每次啟動過程進(jìn)行分析研究并不斷完善、優(yōu)化啟動控制邏輯[1]。

2 詳細(xì)實(shí)施內(nèi)容

2.1 高壓缸預(yù)暖氣源改造

首先實(shí)現(xiàn)預(yù)暖汽源改造。目前8、9號機(jī)組輔汽聯(lián)箱通過母管連接，輔汽聯(lián)箱汽源穩(wěn)定，其工作壓力為0.5～1.2MPa、工作溫度為320～370℃，因此高壓缸預(yù)暖系統(tǒng)進(jìn)行如下改造:從輔汽聯(lián)箱備用接口引一路管道接至高壓缸預(yù)暖調(diào)節(jié)電動門前管道并增加一個手動、電動隔離門、逆止門，作為高壓缸預(yù)暖汽源,在隔離門前后增加疏水手動門、氣動門；將原再熱蒸汽冷段至高壓缸倒暖電動門增加一個手動門、電動門作為高壓缸預(yù)暖備用汽源；高排逆止門前、后增加疏水管道、閥門，消除切缸時因排水不暢造成的管道振動。改造方案見圖1，紅色為增加部分。

圖1 改造方案圖

2.2 DCS 邏輯改造完善

系統(tǒng)改造后暖缸汽源參數(shù)穩(wěn)定，不受鍋爐再熱蒸汽冷段參數(shù)的限制。預(yù)暖調(diào)節(jié)門實(shí)現(xiàn)自動控制，控制金屬溫升率為1℃/min。為提高暖缸效果，高壓缸第一級金屬溫度目標(biāo)由150℃改為180℃，預(yù)暖結(jié)束進(jìn)行悶缸，預(yù)暖控制通過修改DCS 控制組態(tài)邏輯實(shí)現(xiàn)；開展冷態(tài)啟動沖轉(zhuǎn)時高調(diào)門閥位開度優(yōu)化試驗(yàn)，確定高調(diào)門的合理開度范圍及加熱蒸汽流量。對正暖沖轉(zhuǎn)時的高調(diào)門控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，保證高壓缸金屬溫度平穩(wěn)上升、加熱均勻，并達(dá)到機(jī)組帶負(fù)荷切缸時高壓缸金屬溫度要求。

2.3 啟動過程故障預(yù)警

實(shí)現(xiàn)機(jī)組啟動過程中設(shè)備故障和異常事件的超前預(yù)警（對啟動過程中的監(jiān)控參數(shù)再進(jìn)行明確下，如振動大、瓦溫超限、上下缸溫差大、切缸過程水沖擊及高排逆止門頻繁開關(guān)等問題）。利用歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，從狀態(tài)特征信息的復(fù)雜性和不確定性出發(fā)，采用定性和定量特征相結(jié)合的思想，充分利用各種監(jiān)測、診斷、試驗(yàn)系統(tǒng)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)特征證據(jù)，對汽輪機(jī)組啟動過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行參數(shù)預(yù)警和故障預(yù)警。故障預(yù)警是根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測所獲得的信息,結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)特性和參數(shù)，對可能要發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)報(bào)、分析和判斷，確定故障的類別、部位、程度和原因，并根據(jù)專家知識提出可行的解決方案，由監(jiān)控人員決策并處理。

數(shù)據(jù)模型預(yù)警：通過分析啟動過程中歷史故障記錄分析故障發(fā)生特點(diǎn)，使用預(yù)警模型的方法對不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷這些數(shù)據(jù)是否正常，并通過挖掘各種數(shù)據(jù)之間的關(guān)系在故障征兆發(fā)生的前期發(fā)現(xiàn)各個故障，發(fā)出預(yù)警信號；專家模型預(yù)警：結(jié)合歷史故障對故障進(jìn)行定性和定量分析。利用歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，從狀態(tài)特征信息的復(fù)雜性和不確定性出發(fā)，采用定性和定量特征相結(jié)合的思想，充分利用各種監(jiān)測、診斷、試驗(yàn)系統(tǒng)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)特征證據(jù)，根據(jù)中壓缸啟動的歷史經(jīng)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)異常變化的狀態(tài)，對系統(tǒng)設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)警。

2.4 切缸關(guān)鍵控制要點(diǎn)異常診斷

切缸是中壓缸啟動機(jī)組一項(xiàng)獨(dú)有的啟動和操作流程，切缸過程中對關(guān)鍵控制要點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)預(yù)判和異常診斷，從而合理調(diào)整高、低壓旁路系統(tǒng)，選擇合適的切缸主再熱參數(shù)和負(fù)荷，果斷、快速切缸，避免切缸過程中負(fù)荷波動或反切缸動作，成功實(shí)現(xiàn)中壓缸啟動，有效的縮短啟動時間，降低啟動能耗[2]；切缸主蒸汽參數(shù)預(yù)控診斷。對主蒸汽參數(shù)控制值和過熱度等狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)預(yù)控，合理控制主蒸汽與高壓缸金屬之間溫差和主蒸汽參數(shù)的過熱度?？紤]鍋爐啟動特性能夠達(dá)到并維持的合理主蒸汽壓力控制值。

切缸再熱參數(shù)預(yù)控診斷。研究中調(diào)門開度與負(fù)荷的調(diào)節(jié)特性，再熱溫度、再熱壓力和中調(diào)門通流量之間的特性變化關(guān)系。綜合考慮高壓缸末級葉片過熱、中調(diào)門特性規(guī)律實(shí)現(xiàn)再熱溫度和再熱壓力的預(yù)控診斷；切缸負(fù)荷預(yù)控診斷。機(jī)組切缸負(fù)荷的大小由進(jìn)入中壓缸的流量決定，研究主蒸汽參數(shù)、再熱蒸汽參數(shù)、高旁流量、中調(diào)門開度和軸向推力等因素對切缸負(fù)荷的影響程度，進(jìn)行切缸負(fù)荷的合理優(yōu)化；切缸后升負(fù)荷率預(yù)控診斷。切缸后升負(fù)荷率直接影響鍋爐和汽機(jī)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，根據(jù)高排逆止門前后壓力情況和高排逆止門狀態(tài)進(jìn)行升負(fù)荷率的優(yōu)化控制。

2.5 組啟動過程優(yōu)化改進(jìn)

對于所設(shè)定的故障，提供超前趨勢預(yù)報(bào)。分析引起該故障征兆的可能原因，指導(dǎo)運(yùn)行人員調(diào)整，避免故障發(fā)生。對于突發(fā)故障，提供黑匣子功能并提出該故障的分析診斷意見。判別汽輪機(jī)是否具備啟動條件，并指導(dǎo)干預(yù)運(yùn)行人員按運(yùn)行規(guī)程要求正確啟動機(jī)組。分析并提出啟停過程中出現(xiàn)的異常情況，全程跟蹤機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行，記錄、分析、挖掘設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的規(guī)律，分析機(jī)組故障發(fā)生的特性和數(shù)據(jù)變化規(guī)律，推送預(yù)警提示和操作建議。

將每次啟動過程產(chǎn)生的大量的歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成知識，同時利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和利用，對高壓缸倒暖、沖轉(zhuǎn)正暖及切缸邏輯進(jìn)行對比、分析，提出優(yōu)化指導(dǎo)建議并進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)；完善平臺評價(jià)分析和數(shù)據(jù)應(yīng)用功能，為機(jī)組啟動期間的設(shè)備壽命管理、減人增效等提供支持?jǐn)?shù)據(jù)和理論知識，并具備推廣到別的機(jī)組的價(jià)值。

3 項(xiàng)目預(yù)期效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)與自動化指標(biāo)

利用綜合控制優(yōu)化技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法及大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)優(yōu)化啟動過程、縮短啟動時間，每次啟動可節(jié)省費(fèi)用45.8萬元。高壓缸預(yù)暖汽源改造和啟動邏輯優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)東汽超超臨界機(jī)組的中壓缸啟動過程中自動倒暖、自動正暖、自動切缸。開發(fā)機(jī)組啟動故障預(yù)警、異常診斷、優(yōu)化改進(jìn)系統(tǒng)，進(jìn)行啟動過程故障超前預(yù)警和特性挖掘，實(shí)現(xiàn)啟動控制邏輯等持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。

3.2 性能指標(biāo)

倒暖優(yōu)化指標(biāo)：系統(tǒng)改造后暖缸汽源參數(shù)穩(wěn)定，不受鍋爐再熱蒸汽冷段參數(shù)的限制。為了提高暖缸效果，高壓缸第一級金屬溫度目標(biāo)由150℃改為180℃，倒暖調(diào)節(jié)門實(shí)現(xiàn)自動控制，控制金屬溫升率為1℃/min；沖轉(zhuǎn)高壓缸正暖指標(biāo)：冷態(tài)啟動沖轉(zhuǎn)時優(yōu)化控制主汽調(diào)節(jié)閥開度，適當(dāng)提高高壓缸沖轉(zhuǎn)時加熱蒸汽流量，保證高壓缸金屬溫度平穩(wěn)上升、加熱均勻，保證機(jī)組并列切缸前高壓內(nèi)缸金屬溫度達(dá)到320℃及以上。

切缸保護(hù)邏輯指標(biāo)：增加切缸前高壓缸金屬溫度閉鎖功能。當(dāng)切缸前高壓缸第一級金屬溫度＜320℃，自動切缸無法進(jìn)行。將切缸時間改為≤2min，控制高壓缸金屬溫升率不超限值；完善切缸保護(hù)邏輯。高調(diào)門開啟、高低壓旁路關(guān)閉過程實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)自動控制，保證切缸過程中負(fù)荷穩(wěn)定、高壓缸排汽溫度不超限值，高排逆止門平穩(wěn)打開。