海上威尼斯【连载】联合循环机组控制和保护特点(三)-CAA发电自动化

【连载】联合循环机组控制和保护特点(三)-CAA发电自动化
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联合循环机组控制和保护特点
第一节联合循环机组简介
第二节 燃气轮机控制和保护特点
第三节余热锅炉及蒸汽轮机控制和保护特点
第四节 辅助和公用系统控制特点
第五节 联合循环机组涉网控制
【连载】联合循环机组控制和保护特点(一)
【连载】联合循环机组控制和保护特点(二)第三节余热锅炉及蒸汽轮机控制和保护特点
余热锅炉是联合循环中燃气轮机与蒸汽轮机之间的纽带,依据燃气轮机的排气参数进行设计,余热锅炉的性能对整个联合循环系统的影响很大。与常规燃煤锅炉相比,通常余热锅炉没有燃料输送、煤粉制备及燃烧设备,仅有汽水系统。目前F级联合循环中的余热锅炉,一般采用无补燃的三压再热循环系统配置,除了高压进汽和低压补汽外,汽轮机高压缸排汽与余热锅炉的中压供汽混合后进入余热锅炉的再热器吸热,以提高汽轮机再热蒸汽的温度,进一步提高汽轮机效率。这种三压再热循环的方式可以在排气温度比较低、平均传热温差比较小的情况下,充分回收燃气轮机排气余热,保持较高的蒸汽参数。由于这种结构的余热锅炉有三个汽包,过热器和减温系统相对较复杂,而且回收余热受燃气轮机控制影响很大,旁路控制又与汽机控制密切相关,所以余热锅炉的控制除了考虑自身的运行特性外,还必须配合燃气轮机和汽机运行的特点和当前的运行工况进行控制。双压和单压余热锅炉的模拟量控制,只需要在三压余热锅炉基础上简化即可。
余热锅炉的测控范围,涉及燃气轮机排气尾部烟道部分、各级热交换器部分、汽水循环部分、除氧给水部分等。余热锅炉及公用系统(Balance Of Plant,BOP)既可采用与燃气轮机相同的控制系统,也可采用其他公司的DCS。
通常余热锅炉控制策略由燃气轮机供货商提供,采用以燃气轮机为中心的余热锅炉跟随燃气轮机(HRSG Follow GT)控制方式,蒸汽轮机跟随余热锅炉(ST Follow HRSG)的控制模式,以利最大化汲取燃料能量转化为电力。
对于单轴联合循环发电机组来说,燃气轮机和汽机共同作用于一台发电机重生之十福晋,负荷控制在机岛部分的控制系统中实现,为了提高在部分负荷工况时的效率,蒸汽轮机采用滑压方式运行。对于分轴联合循环发电机组来说,由于燃气轮机、汽机各带一台发电机,且汽机负荷响应比燃气轮机负荷响应滞后,因此发电负荷分别控制,汽机根据余热锅炉参数及实际运行要求,采用定压或滑压方式运行。
本书以某F级联合循环机组为例,介绍余热锅炉的模拟量控制系统、顺序控制系统、保护系统以及汽轮机的主要控制系统,部分与燃煤机组相同的控制和保护内容将省略。
一、余热锅炉
(一)汽包水位控制
三压再热循环余热锅炉中设计了高、中、低压三个汽包,与之对应,有三个汽包水位系统。从控制原理上说,三个汽包水位控制系统基本相同,都是根据汽包水位的变化以及给水和蒸汽流量的变化调节给水量,保证蒸发量与给水量间的相对平衡,维持汽包水位在允许的范围内,所以,汽包水位控制的关键是汽包水位设定值的选取、汽包水位的测量和汽包水位控制方法的选取。
在汽包水位设定值的选取方面,除了考虑常规锅炉中虚假水位的问题外,还考虑了燃气轮机排气温度、排气流量变化对汽包水位的影响,根据燃气轮机运行情况和机组负荷变化情况自动切换选取余热锅炉的汽包水位设定值。在控制系统接收到燃气轮机控制系统送出的点火暖机结束信号前,控制系统根据汽包压力换算得到合理的汽包水位启动设定值。在控制系统接收到点火暖机结束信号后,汽包水位设定值切换为暖机结束时刻的汽包水位值。随着燃气轮机燃料量的增加,汽包温度和压力逐渐升高,蒸发量逐渐增大,当蒸汽量和给水流量均超过预定值后,汽包水位设定值切换为正常零水位。
汽包水位的测量与常规燃煤机组相同,高、中、低汽包各安装三个不同位置的单室平衡容器,测量的水位信号经压力和温度补偿并选择中值作为水位控制的测量值。
在汽包水位的控制方法上,控制系统根据机组当前的运行工况,分别采用单冲量和三冲量两种控制方法控制汽包水位。单冲量控制方法下,控制系统由汽包水位设定值和汽包水位测量值构成闭环负反馈的控制回路进行汽包水位控制。三冲量控制方式下,除汽包水位设定点外,控制系统采用蒸汽流量、给水流量和汽包水位测量值三个检测信号用于汽包水位控制。两种控制方式根据运行工况自动切换,当蒸汽流量和给水流量均超过给定的流量设定值后蓝极速网吧,控制方式自动切换为三冲量。当蒸汽流量和给水流量任一低于给定的流量设定值后,控制方式自动切换为单冲量。在实际运行中,启动阶段和低负荷阶段,蒸汽参数低、汽水流量低,控制系统选用单冲量控制方法进行汽包水位控制。随着负荷升高,蒸汽参数高、汽水流量大,这时控制系统选用三冲量控制方法进行汽包水位控制。
需要注意的是:若高压主蒸汽流量包含高压过热器减温水流量,当减温水流量较大时则不能忽略减温水流量的影响。在三冲量控制方式下,需将高压给水流量与高压过热器减温水量的差值作为高压汽包给水的实际流量。高、中压给水均取自低压汽包,因此在低压汽包的水位控制中需要将高、中压给水流量及相关的减温水流量折合进低压蒸汽流量中。
余热锅炉与常规燃煤锅炉的最主要的区别是它没有燃烧系统,且出于经济性考虑,联合循环大多采用滑压运行方式。对于余热锅炉的给水控制对象来说,在汽机加载结束前,外部扰动为蒸汽流量扰动。汽机加载结束后,调节汽阀全开,外部扰动为负荷扰动,由于滑压运行的联合循环发电机组负荷由燃气轮机负荷决定(一般燃气轮机负荷与汽机负荷之比一般为2比1),随着燃气轮机负荷的变化,燃气轮机排气温度及流量发生变化,因此负荷扰动也可以间接用汽包压力扰动来代表。
三压再热循环余热锅炉的高压给水控制系统一般采用两段式控制方案,即高压汽包水位控制及高压给水调节阀前后差压控制。前者由串级三冲量控制系统实现,来维持高压汽包水位在设定值。后者由高压给水泵转速控制系统实现,其任务是通过控制给水泵的转速,来维持高压给水调节阀前后的差压在设定值,以保证调节阀流量特性的线性度,同时防止低负荷时调节阀承受过大的差压,也称为给水泵出口压力控制系统。
为了使高压汽包水位在三冲量控制方式时的调节品质进一步提高,可采用变参数调节。当高压汽包水位控制系统的被调量偏差较大时,采用较强的调节规律,使控制系统尽快消除水位偏差;而当被调量偏差较小时,采用较弱的调节规律,以避免在稳态时频繁调节,减少执行机构及调节阀门的磨损。
当高压给水流量过大时,为了抑制给水流量的进一步增加,控制系统发出闭锁增命令,同时送至单冲量控制系统的水位调节器和三冲量控制系统的给水流量调节器,调节器的输出只能减少而不能增加。在高压给水调节阀前后差压调节器的输出指令里加入了高压给水流量限制回路,当高压给水流量限制指令小于调节器的输出指令时,高压给水调节阀前后差压控制信号就被限制住,不再继续增加,防止高压给水流量的进一步增大。这两种措施保证高压给水系统安全运行。
中、低压汽包水位控制系统与高压汽包水位控制系统基本一致,本本不再赘述。
(二)温度控制
三压再热循环余热锅炉中,来自真空除氧式凝汽器的给水经凝结水泵进入余热锅炉低压省煤器,低压省煤器出水分为两路:一路进入低压汽包;为了防止低压省煤器低温腐蚀,另一路通过再循环泵与凝结水混合,保证余热锅炉进水温度。低压省煤器进口温度控制的功能是,当运行中度硫份天然气燃料时,通过调整低压省煤器再循环调节阀来提升进入低压省煤器的凝结水温度,从而避免低压省煤器烟气流动侧腐蚀。
低压省煤器进口温度控制为单回路系统,采用常规的PI调节。通常设置两台低压省煤器再循环泵,互为备用。当低压省煤器进口温度控制指令较低时,为了防止再循环泵汽蚀,通过闭锁功能限制低压省煤器进口温度调节器输出指令,使其不允许减小,从而保证低压省煤器再循环泵的最小流量。为了防止再循环泵的流量过高,无论是在稳态还是在低压省煤器进口温度低于设定值,都应该限制再循环泵的流量。当低压省煤器进口温度控制指令较高时,通过闭锁功能限制低压省煤器进口温度调节器输出指令,使其不允许增加,从而保证低压省煤器再循环泵的流量不超限。
不同的余热锅炉配置不同的减温方案,如福斯·特惠勒公司的三压再热余热锅炉配置高、低压过热器和中压再热器,其中高压过热器共有4级,在2、3级和3、4级过热器之间设置了二级喷水减温装置,控制高压过热器出口蒸气温度。而杭州锅炉厂的三压再热余热锅炉,其高压过热器设置一级喷水减温装置。
与常规燃煤锅炉类似,余热锅炉的高压过热器出口温度控制采用比较复杂的导前汽温加串级调节系统,如图1-7所示,以获得较好的调节效果。

主回路调节器接受主蒸汽温度和设定值之间的偏差,输出指令作为内回路调节器的给定值,对内回路进行校正,消除温度偏差。为了防止积分饱和,主回路可采用带复位功能的比例和外部积分调节作用。
因为导前汽温是测得的减温器后的温度,能够快速反映减温水侧的自发性扰动(内部扰动)而引起的温度变化,因而内回路调节器就可以根据导前汽温的变化迅速改变减温水量,消除因给水压力波动等原因引起的减温水量的扰动。
由于初级过热器出口汽温较低,当减温水量较大时,有可能存在过量喷水的情况,使得蒸汽温度降到饱和温度而导致蒸汽带水。为了防止蒸汽带水而损坏汽轮机叶片,应设置过热度保护。为防止因二级减温器出口蒸汽压力信号故障而失去过热度保护功能,可以引入主蒸汽压力信号,当二级减温器出口蒸汽压力信号故障时,二级减温器出口蒸汽的饱和温度则由主蒸汽压力及末级过热器阻力计算得到。
喷水减温阀前后的压差较大,而喷水减温调节阀工作中有可能进入较小开度范围内调节,为了防止对阀门的损伤,在执行机构指令里加入了限制回路。当减温水流量小于设定值时,最小流量调节器输出增加,与高压主蒸汽温度串级控制回路输出指令比较,若温度控制指令小于最小流量调节器的输出,则将最小流量调节器的输出作为喷水减温调节阀的指令,从而保护调节阀。
由于余热锅炉输入的能量来自于燃气轮机排气诱奴娇,从热力特性来讲,余热锅炉生成的蒸汽参数只与燃气轮机排气有关,即蒸汽温度取决于燃气轮机排气流量及温度。机组启动后,在部分负荷时,IGV参与燃气轮机排气温度调节,虽然此时排气温度能够控制比较稳定,但排气流量将随着IGV开度的变化而变化,从而直接影响机组带负荷时的蒸汽温度。因此,在高压主蒸汽温度全程自动控制策略中,设计了IGV前馈回路。
再热蒸汽的温度控制也采用了串级方式进行控制,控制方法与高压串级喷水减温系统基本相同。主回路调节器根据中压过热器出口温度与设定值之间的偏差计算副回路调节器的给定值,副回路调节器则根据主回路调节器送出的温度设定值和减温器后温度值的偏差直接控制喷水调节阀。
(三)旁路控制
通常余热锅炉系统设置高、中、低压三个并联旁路系统,主要由旁路压力调节阀、旁路减温水隔离阀和旁路减温水调节阀组成,对解决联合循环机组主设备间热惯性差异,改善机组启动性能等方面有非常重要的作用。
在机组启动初期,旁路系统配合余热锅炉系统暖管和储能的要求,将不符合汽机进汽要求的蒸汽经旁路系统流回凝汽器,保证余热锅炉汽水系统的均匀受热,减少工质损失;在汽机进汽准备阶段,旁路系统与温度匹配相配合,共同调节蒸汽参数,满足汽机进汽条件;在汽机进汽阶段,旁路系统配合汽机主汽调阀的开启逐步减小旁路蒸汽流量,保持汽机主汽调阀开启过程中主汽压力稳定;正常运行时,旁路系统以备用压力控制模式跟踪运行过程中主蒸汽压力的变化,限制其波动幅度;在机组跳闸或者甩负荷时,旁路系统起到安全阀的作用,将余热锅炉产生的多余蒸汽导入凝汽器,保证锅炉出口蒸汽压力和主蒸汽压力平稳下降勒夫吃鼻屎,避免余热锅炉汽包超压;在机组组快速降负荷或负荷太低时,可以通过开启旁路系统,保证蒸汽参数,保护汽机;旁路系统保证高、中压过热器有一定的蒸汽流量,使其得到足够的冷却从而起保护作用。
高压旁路压力控制采用单回路系统,其关键是设定值的选取。由于联合循环机组中高压旁路是配合燃气轮机和汽机运行的辅助系统,所以在高压旁路控制中引入了燃气轮机控制系统和汽机控制系统的相关信号作为高压旁路运行方式的切换信号。控制系统通过这些切换信号改变高压旁路压力设定值的算法,实现余热锅炉高压旁路系统和燃气轮机、汽机间的协调运行,见图1-8(图中Z-1表示上一个周期的采样值)。

图1-8 高压旁路压力控制原理图
随着燃气轮机排气温度升高和余热锅炉升温升压的开始,高压旁路压力控制阀逐渐打开,将高压蒸汽通过旁路阀导入凝汽器,以保证高压主蒸汽压力始终等于高压旁路压力设定值;在控制系统接收到汽机控制系统送出的汽机高压主汽调阀进气压力控制(Inlet Pressure Control,IPC)投入信号后,高压旁路压力设定值根据当前高压蒸汽压力自动实时更新,始终比当前高压蒸汽压力大一个常数,保证高压旁路压力控制阀逐渐关闭;正常运行阶段,如果高压蒸汽压力低于上限,高压旁路压力设定值根据当前高压蒸汽压力实时更新,始终比当前高压蒸汽压力大一个常数,保证高压旁路压力控制阀始终在关闭状态,如果发生高压蒸汽压力高于上限,则设定值被限制在高限,随着高压旁路蒸汽压力的升高,高压旁路控制阀打开,直至高压蒸汽压力低于上限为止。
在接收到汽机控制系统送出的汽机高压调阀IPC退出,或发电机出口断路器断开的信号后,高压旁路压力设定值保持为IPC退出时刻或发电机出口断路器断开时刻的高压蒸汽管道压力值,高压旁路控制阀随高压主蒸汽压力的变化调整开度,始终保持高压主蒸汽压力等于压力设定值。
在机组主保护退出或机组转速降至暖机转速以下时,燃气轮机暖机信号被清除,高压旁路的压力设定值根据当前高压蒸汽压力自动实时更新,始终比当前高压蒸汽压力大一个常数,高压旁路压力控制阀保持关闭状态。
此外,为了应对故障情况下联合循环机组对高压旁路控制的要求,在控制系统接收到汽机控制系统送出的汽机跳闸信号或发电机跳闸信号后,高压旁路压力设定值保持为汽机跳闸或发电机跳闸时刻的高压蒸汽管道压力值,高压旁路控制阀迅速打开将蒸汽通过旁路系统引入凝汽器。
当机组出现异常情况,若再经高旁压力控制回路判断、自动切换,则可能因处理时间太长而危及设备安全,所以,控制系统为高压旁路压力控制阀设置了“快关”功能,一旦出现凝汽器失真空、或高旁减温阀失控、或凝汽器水位高、或高旁温控阀后温度高等情况,高压旁路压力控制阀卸载电磁阀立即动作,控制阀立即关闭(图1-8中“电磁阀失电关闭”信号),以保护相关设备的安全。
中压旁路压力控制与高压旁路压力控制类似,不再赘述。
低压旁路压力控制也采用单回路控制系统,与高压和中压不同的是,低压旁路设定值一般采用手动控制方式。低压旁路设定值只有两个固定的常数,即启动设定值和运行设定值,运行人员根据机组运行工况手动切换低压旁路压力控制设定值。在启动阶段,蒸汽参数不符合进汽要求,因此手动将设定值设置为比较低的启动设定值,蒸汽通过旁路进入凝汽器,帮助余热锅炉低压系统暖炉、暖管;在运行阶段,将蒸汽设定为较高的运行设定值,控制低压旁路压力调节门逐渐关闭,配合汽机低压缸进汽加载。
为了保护凝汽器淮南一中,当进入凝汽器的蒸汽温度高于设定值时,必须对蒸汽进行喷水减温,高、中、低压旁路都设置有喷水减温系统,由相应的喷水减温阀控制各自的喷水减温水量。高、中、低压喷水减温阀开度采用相同的控制策略,有焓差控制、温度控制和混合控制三种控制方式。
焓差控制方式根据蒸汽焓值和凝汽器焓值之差控制旁路减温水流量。通常在发电机断路器没有闭合时采用焓差控制方式调节旁路减温阀开度。焓差控制相当于一个比例环节。考虑到高压旁路喷水减温阀的特性,因此要对焓差控制指令进行线性修正。
直接温度控制方式采用闭环负反馈的形式,根据凝汽器入口温度设定值和凝汽器入口温度反馈值的偏差控制旁路减温水流量。通常在减温水需求量较小时采用温度控制方式调节旁路减温阀开度。
混合控制方式采用串级调节的形式进行旁路减温水流量的控制,通常在减温水需求量较大时采用混合控制方式。主回路调节器根据旁路温度设定值和旁路后主蒸汽温度的偏差进行计算,主回路调节器的输出经减温水流量计算值修正后作为副回路调节器的给定值,副回路调节器的反馈值为旁路减温水流量,旁路减温水流量由控制系统根据质量和能量守恒定律进行计算,涉及参数有蒸汽流量、蒸汽焓值、减温水焓值和凝汽器入口蒸汽焓值等。混合控制方式通过控制减温水喷水量来控制进入凝汽器的旁路蒸汽焓值,是焓差控制和直接温度控制的结合,内回路控制器使用前馈控制来获得所需的减温水流量,这种控制不依赖温度反馈因此不会受与温度测量相关的时间延迟影响。在保证排入凝汽器旁路蒸汽焓值在设计范围内的前提下,通过串级控制系统控制高压旁路蒸汽温度稳定,从而保证凝汽器温度在规定范围内,保护凝汽器。
中压和低压旁路蒸汽温度控制和高压旁路蒸汽温度控制类似,不再赘述。
(三)中压汽包压力控制
余热锅炉控制系统设置了汽包压力控制系统,该套系统分两路,一路由高压汽包至中压汽包反送蒸汽电动隔离阀及压力调节阀构成新四小天王,另一路由中压汽包至低压汽包反送蒸汽电动隔离阀及压力调节阀构成。该控制系统的主要作用为:一是机组启、停及低负荷阶段,将高一级的汽包蒸汽反送至低一级汽包,尽早使低一级汽包建立压力,并维持其在最小运行压力之上,加快汽水循环,缩短启动时间;二是保证中、低压系统有足够的蒸汽用于其它相关系统可靠用汽。三是在机组启停阶段,稳定汽包压力。
中压汽包压力通过调节高压汽包反送至中压汽包的流量来控制。当中压旁路或者中压进汽控制的中压汽包压力保持在最小运行压力之上,高压汽包反送至中压汽包的调节阀就保持关闭;当中压系统开始提供低压冷却蒸汽时,中压汽包压力开始下降,反送蒸汽调节阀就打开控制中压汽包压力。中压汽包压力控制原理见图1-9,采用单回路控制。

图1-9 中压汽包压力控制原理图
低压汽包压力控制的作用与中压汽包压力控制类似,通过中压汽包蒸汽反送至低压汽包,来限制启停等运行动态期间低压汽包压力的跌落速率并建立汽包的最小运行压力,限制压力跌落的速率可以在变工况运行时防止锅炉给水泵气蚀余量不足。
(四)中压过热器出口压力控制
三压再热余热锅炉启动期间,将中压过热蒸汽由中压旁路蒸汽系统切换到再热器冷端进汽,停机期间将中压过热蒸汽由再热器冷端进汽切换到中压旁路蒸汽系统。在启动、停机和正常运行过程中,为了保证中压系统在全过程中的压力平稳,必须控制中压过热蒸汽出口压力等于或大于一个最小压力,为了防止动态切换过程中压力突变,河珠熙中压过热器出口压力下降的速率也必须控制在允许范围内。中压过热器出口压力控制原理见图1-10,采用单回路控制系统。

图1-10 中压过热器出口压力控制原理图
图中控制器的设定值是动态值,设定值跟踪中压过热器出口压力,经过限速模块后再减去一个较小的偏置值,再进入大选模块。当低于最小压力时,设定值就取最小压力。当中压过热器出口压力不满足控制条件时,设定值切换至最大设定值,中压过热器出口调节阀关闭。
当机组发生跳闸或中压汽包水位高二值情况时,调节器的输出被限制在0,切断进入再热器冷端的中压蒸汽。
机组启动期间,中压汽包压力较小时,控制不起作用,中压过热器出口调节阀处于关闭状态。随着中压汽包压力逐步升高,设定值也逐步升高,调节器的输出指令逐步增加,调节阀逐步打开,控制中压中压过热器出口压力在最小压力之上缓慢升高。当中压并汽时,中压汽包压力跌落很快,由于限速模块的作用,设定值以所设置的速率下降,这时设定值将小于中压过热器出口压力,控制系统关小调节阀,保证中压中压过热器出口压力在最小压力之上,避免中压汽包压力剧烈波动,从而避免中压汽包水位波动。
机组正常运行时,随着压力进一步升高,中压过热器出口调节阀将至全开位置,当某种原因引起中压过热器出口下降时,由于限速模块的作用,调节阀也将关犬刑小,保证中压过热器出口压力不会下降过多。
机组停机期间,随着中压过热器出口压力的下降,调节阀逐步关闭,当压力下降至最小压力时,设定值保持为最小基底压力,随着压力的进一步下降,调节阀全关。
(五)余热锅炉主要保护
与常规燃煤锅炉比,由于没有燃料系统、燃烧系统及送风系统,余热锅炉保护内容简洁得多,主要保护内容有汽包水位保护、蒸汽温度保护和余热锅炉烟囱挡板保护等。
汽包水位保护、蒸汽温度保护与常规燃煤锅炉类似,不同之处在于保护动作后的结果。以GE燃气轮机组成的单轴联合循环机组为例,当高、中压汽包水位高Ⅱ值时,触发快速减负荷至全速空载“RUNBACK to FSNL(Full Speed No Load,全速空载)”。当蒸汽温度(包括主蒸汽、再热蒸汽和再热冷段入口蒸汽)高Ⅰ值时,延时触发燃气轮机RUNBACK,降低排气温度直至蒸汽温度低于保护定值;当蒸汽温度高Ⅱ值时,触发“RUNBACK to FSNL”,汽机控制阀同时关闭。
余热锅炉烟囱挡板保护的目的是防止运行时因挡板关闭时造成余热锅炉管道及炉墙过压或裂开。余热锅炉烟囱挡板开位置限位开关采用三选二逻辑,如果燃气轮机转速达到某一个转速时,档板未全开则燃气轮机立即跳闸。
二、蒸汽轮机
常规单轴联合循环机组中的蒸汽轮机控制相对来说比较简单,蒸汽轮机的控制阀(包括高压控制阀HPCV、中压控制阀IPCV和低压控制阀LPCV)一般全开。速度控制由燃气轮机控制系统实现(分轴机组由单独的DEH控制),汽轮机的控制阀不参与此控制(Siemens由于配有SSS离合器,燃气轮机、汽机可以各自实现自身的转速控制,一般在燃气轮机并网后汽轮机由高压调节阀控制升速,SSS离合器的啮合相当于汽轮机并网,并网后控制压力),只有在蒸汽压力降低或者负荷降低运行时,通过关小阀门来保持蒸汽压力。
联合循环机组转子的加速是由燃气轮机的启动设备和点火成功后的燃气轮机来实现的。加速开始时,所有的控制阀完全关闭,汽轮机完全由燃气轮机带动。当汽轮机速度达到一定转速后正德人寿,LPCV打开到一个预定位置,将冷却蒸汽引入汽轮机,以防止过长的末级叶片因“鼓风效应”而导致温度升高太快袋鼠之国。
当主蒸汽压力和温度符合汽轮机通流条件时,HPCV和IPCV按照由ATC(Automatic Turbine Control)计算出的转子应力所决定的最佳预定的速率开启,直至全开位置。在启动控制过程中,如果出现温度变化剧烈,转子应力超出允许情况下,则保持控制阀位置不变,以防止应力进一步升高。
在冷却蒸汽来源从辅助锅炉切换至自身的HRSG后,LPCV按照预定的速率依程序开至最大位置。当需要参与压力调节时,通过调节高、中、低压调节阀的开度来控制高、中、低压蒸汽压力。
与启动程序控制一样,停机时所有的控制阀按照预定的速率依程序关至最小位置。首先LPCV关闭到保持汽轮机叶片最小冷却蒸汽的位置,然后HPCV和IPCV按照预定的速率依程序关至最小位置。透平遮断时LPCV完全关闭。
在发生甩负荷情况、或者转子转速超过107.5%时,控制系统快速关闭高、中、压低压调节阀门,遏止机组的最大转速飞升,使其不超过保护系统动作转速。
以GE燃气轮机组成的单轴联合循环机组为例,甩负荷时,当汽机负荷设定值降为0时主汽门关闭。高压旁路压力控制器不再处于跟踪模式而处于压力控制模式,并将发生甩负荷时采样所得的高压蒸汽的压力实际值作为高压旁路的压力设定值。
中压汽包压力控制阀的位置指令变为0,迅速关闭中压汽包压力控制阀。中压压力控制的动作值设为启动前的值。中压旁路压力控制器不再处于跟踪模式而处于压力控制模式,并将发生甩负荷时采样所得的中压蒸汽的压力实际值作为中压旁路的压力设定值。
汽机低压调门迅速关闭。低压调门关闭10秒后再次开启,但在转速高于103%时低压调门不会开启。低压进汽控制阀处于压力控制模式并以200%/分钟的速度开启。余热锅炉低压蒸汽作为汽机的冷却蒸汽,如有必要中压蒸汽经冷却蒸汽压力控制阀进行补充。如果压力升高至低压旁路压力控制阀的动作值(高于低压蒸汽系统的正常运行压力)时,低压旁路压力控制阀开启。
当主汽门开度小于20%时,左右再热主汽门阀座前疏水、左右再热主汽门阀座后疏水阀门开启。
机组跳闸后,各液动主汽门和调门,包括联合高压主汽门、联合中压主汽门、低压主汽门、低压调门和燃气轮机燃料阀迅速关闭。
高压旁路压力控制器不再处于压力跟踪模式而处于压力控制模式。跳闸时采样所得的压力实际值作为压力控制的设定值。余热锅炉中压汽包压力控制阀迅速关闭。中压旁路压力控制器不再处于压力跟踪模式而处于压力控制模式,跳闸时采样所得的压力实际值作为压力控制的设定值。
如果压力升高至低压旁路压力控制阀的动作值(高于低压蒸汽系统的正常运行压力)时,低压旁路压力控制阀开启。疏水和关断阀门程控顺序同甩负荷。
联合循环中蒸汽轮机的保护与常规蒸汽轮机保护基本相同,本书不再赘述。
三、联合循环顺控
目前,发电用联合循环机组大多采用“日启夜停”的两班制运行方式,这种运行方式要求机组每天在最短时间内高效启动并使得设备的寿命消耗最少,并且停机后,也要求保持设备可在最短时间内启动的状态,同时使得设备的寿命消耗最少。由于单独的燃气轮机已经设计为“一键启停”自动控制海上威尼斯,因此联合循环机组通常设计为能够实现高度自动化的全自动启停(Automatic Plant Start-up and Shutdown System,APS)程序控制,可以有效提高机组启停效率,缩短机组启停时间,避免浪费,同时可以避免启停过程中人为操作失误,还可以实现在启停过程中对机组寿命自诊断分析和保护。
联合循环机组的APS功能可以采用先进的人工智能控制策略,按照设备制造厂提供的特性曲线控制参数,自动识别机组和设备的运行状态,然后自动选择与之相适应的控制程序和步骤,以最优化的方式完成机组的启停过程。
例如某个2×400MW 燃气轮机联合循环电厂,燃气轮机、汽轮机和余热锅炉的DCS控制系统均为Siemens公司产品。该电厂经过将近一年的设计、组态和调试。两套燃气轮机联合循环机组实现了从设备全停状态到启动、带联合循环60%负荷,以及从额定负荷到设备全停的APS功能。机组启动过程结束后,机组协调控制、AGC和闭环回路均正常投入。可以实现220MW至400MW范围负荷调整,速率为5%ECR(Eeconomical Continue Rate,机组额定工况出力),满足大幅度高速率电网负荷自动调度。整个启动过程仅保留了两个人工断点,分别为汽水品质等待和汽机升速等待。
APS系统功能可划分为启动过程和停机过程两大逻辑流程。每个流程中可分为:机组协调功能级、和子组功能级、单体设备级三个层次,如图1-11。

图1-11APS流程原理图
单体设备和子组功能级是APS的基础,其主要任务为管理辅助系统的启停。控制对象为辅助系统的设备或子环设备。每个系统间互相独立,可由运行人员手动激活,执行辅助系统的单独运行或停运。子组功能级只负责过程系统的启停,和设备控制级执行设备的条件闭锁、联锁及保护功能。一个过程系统的子组功能可由一个或多个子组组成。例如:燃气轮机子组由油系统子组、天然气子组、天然气疏水子组、盘车子组、SFC(发电机变频启动装置)子组等组成。
机组协调功能级是APS的核心部分,是更高级别的控制层,其负责整个机组的协调启停。控制对象为子组功能级和子组协调自动,按照预选的模式逐个执行各个分系统的操作。机组级功能与子组级功能不同,前者将监测汽轮机的温度水平自动计算出与之匹配的压力、温度等参数的控制曲线,完成升温、升压、负荷限制及暖机等步骤。通过机组协调功能级的执行可实现辅助系统、余热锅炉、燃气轮机及汽机的启停。
机组启停过程预留了不同的模式供运行人员选择,如启动过程有锅炉上水模式、燃气轮机点火准备模式、联合循环启动模式。停机过程分为保留凝结水、和不保留凝结水两种模式。
同理,子组功能级和单体设备级也都可以设计不同的预留模式,以备在不同情况下,APS主顺控逻辑进行选择,减少人为操作断点。
以某Siemens燃气轮机组成的单轴联合循环机组为例,APS启动过程,实现了从机组设备全停状态直到60%额定负荷的自动过程。其APS启动过程有三种模式供运行人员选择,分别为锅炉上水模式、燃气轮机点火准备模式及启动联合循环模式。APS系统将依次启动燃气轮机罩壳系统、循环水系统、闭式水系统、凝结水系统、开式水循环系统、辅助蒸汽系统、主机疏水系统、润滑油系统、控制油系统、真空及轴封系统、凝结水预加热系统、给水系统、旁路除氧系统、汽机启动子组及高中低压锅炉系统,完成上述系统的启动,当高中低压汽包达到启动水位后,将等待运行切换至下一模式,期间汽机子组将等待燃气轮机点火后进行升温升压。在预设时间内如果模式没有切换,启动程序将到此结束。
燃气轮机点火准备模式在完成锅炉上水步骤后,将继续执行高低压蒸汽系统、风烟系统、机组协调控制回路、炉侧疏水系统的启动。等待燃气轮机点火条件的满足,程序将维持等待状态。
联合循环机组启动模式将在燃气轮机点火准备模式执行的步骤基础上,完成燃气轮机子组的启动,在燃气轮机点火后汽机子组、高中低压锅炉子组等将继续执行,直到完成所有程序为止。在燃气轮机将完成点火准备、点火、升速、并网及加载等步序期间,汽机完成暖机、升速、并网、旁路协同关闭等步序。旁路关闭后机组协调控制将切换为单元控制模式。
当检测到发电机并网、燃气轮机IGV离开最小位置,且锅炉高中低压蒸汽流量都大于60%,结束启动程序。整个APS启动过程可以是连续的,在激活启动程序开始前将模式直接切换至联合循环启动模式,程序将执行至整个联合循环投入。大多数情况下,启动燃气轮机之前需要对系统做全面的检查,包括锅炉侧,汽机侧及燃气轮机侧设备的运行情况,以及燃气轮机点火条件的确认。因此经常会先选择燃气轮机点火准备模式,检查确认好后再将模式切换至联合循环启动模式,程序将继续执行下面的步骤。
以某GE燃气轮机组成的“二拖一”联合循环机组为例,APS启动程序首先检查燃气轮机、余热锅炉、汽轮机以及发电机各系统的启动条件是否满足。满足条件后,程序执行各辅机系统及设备的启动投运,如启动锅炉、辅汽系统系统、闭式水系统、循环水系统、开式水系统、轴封系统、凝结水系统等。
辅助系统自动启动程序结束后,自动触发1号余热锅炉启动,包括开启烟囱挡板,启动高、中、低压给水系统,直至汽包水位满足启动要求。余热锅炉上水完毕,自动触发1号燃气轮机启动指令。燃气轮机控制系统按照启动程序启动燃气轮机,达到清吹转速后,经过适当延时打开高、中、低压过热器出口电动阀门,同时自动投入旁路系统压力及温度自动控制,当各电动阀门全部打开且凝汽器真空满足条件时,燃气轮机点火、暖机、升速至额定转速等待并网(此处可设置断点,下同)。若选择自动同期,则燃气轮机自动并网,控制方式切换至遥控方式。当汽机IPC投入后,经过适当延时开始自动升负荷至目标负荷,燃气轮机启动结束。
燃气轮机并网后,余热锅炉升温升压,旁路及主再热蒸汽暖管疏水。当汽机进汽参数达到要求后,触发汽机启动条件,打开高、低压主汽门,开始进汽冲转升速至额定转速等待并网,由汽机控制系统根据高、中、低压应力情况自动控制汽机升速率及暖机时间。汽机并网后,自动增负荷指令至某个合适的值,中压调门逐步开大,机组负荷上升。汽机自动顺流,高压调门逐步开大,调门开启后汽机进入IPC模式。当低压补汽和汽机中压排汽缸温差满足条件后,自动触发低压补汽投入指令,低压蒸汽自动并汽。
低压补汽程序结束后,自动触发2号余热锅炉启动和2号燃气轮机启动,基本和上述1号余热锅炉和2号燃气轮机启动过程相似。等到“二拖一”自动并汽后,旁路自动关闭,联合循环增加负荷至目标值,启动顺控结束。
以GE燃气轮机组成的联合循环机组为例,顺控停机目的主要有:正常停机时要减小汽机和余热锅炉的冷却速度,维持余热锅炉较高的蒸汽参数直到燃气轮机排气温度不大于566度,并最大限度地提高停机效率;减少汽机和余热锅炉的冷却可以减少下一次启动所需的时间,并且由于温度变化范围的减小可以降低周期应力值;维持再热段汽流直到燃气轮机排气温度降下来,可以提高再热段的运行温度,因此可以减少停机时的寿命损失。
当燃气轮机控制系统收到停机指令后,以8.3%MCR/分钟的速率开始降负荷,汽机维持三压运行末世基因锁,并处于压力控制模式。当IGV关至49°时,DCS将停机指令发至汽机控制系统。汽机主汽门以20%/分钟的常速开始关闭。当DCS收到汽机已不处于压力控制模式时的信号时,将此时的运行压力设为高压旁路压力控制阀的动作值。随着主汽门关闭,高压旁路压力控制阀打开以控制压力。位于中压过热器出口和冷段再热蒸汽管线之间的中压汽包压力控制阀以100%/分钟的常速关闭。当中压汽包压力控制阀开始关闭时,将目前的压力值设为中压旁路压力动作值,旁路压力控制投入。随着中压汽包压力控制阀关闭,中压蒸汽旁路阀开启以控制压力。
随着汽机主汽门和中压汽包压力控制阀的关闭,燃气轮机继续降负荷。当排气温度降到566℃时,燃气轮机停止降负荷。按照程序的设定,在燃气轮机排气温度达到566℃后大约1分钟后汽机主汽门到达全关位置。延时1分钟是为了维持再热器中有一定的蒸汽流量直到燃气轮机排气温度降到566℃以下。
当主汽门和中压汽包压力控制阀全关时,DCS发出一信号至燃气轮机控制系统,燃气轮机继续降负荷。当主汽门开度小于30%时,下列汽机疏水门开启:主汽门阀座后疏水;右再热主汽门阀座前疏水;右再热主汽门阀座后疏水;左再热主汽门阀座前疏水;左再热主汽门阀座后疏水。当主汽门开度小于20%时,再热系统疏水阀门开启。
当发电机断路器打开后,机组减速,当转速降到某一定值时燃气轮机跳闸。燃气轮机燃料切断后高压和低压蒸汽隔离阀关闭,下列疏水阀关闭:余热锅炉高压过热器疏水阀门;高压过热器出口、高压蒸汽流量元件进口和高压旁路连接段下游的主蒸汽管道疏水阀门;中压过热器疏水阀门;余热锅炉中压管道疏水阀;余热锅炉低压过热器出口疏水阀;低压管道疏水阀门。
三、联合循环主机连锁
机组保护系统主要监视装置的运行状态,迅速响应正确的遮断信号以保证装置的安全性。它应该独立于其他控制系统和监视系统,在任何时候都能起作用,为此,除燃气轮机的排气温度外的其他用于保护的信号一般都应采用独立的测量信号。
另一方面,机组保护系统应该具有充裕的冗余配置,无论是处理器、输入信号和通道都应该是冗余设计,以保证可靠闭锁和遮断,杜绝带病运行。
此外,一般均配备硬件连接的手动遮断按钮(即紧急遮断按钮),以便于在危急情况下迅速关停机组沽宁,防止机组事故扩大甚至发生恶性事故。
图1-12 为单轴联合循环机组主机连锁系统功能的概述示意图。从图中不难看出,主要装置(燃气轮机、蒸汽轮机、余热锅炉、发电机)的任何遮断信号都将使机组停机。需要指出的是,Siemens机组由于具有SSS离合器,因此在汽轮机遮断时燃气轮机并不需要立即停机,只有当离合器不能正常脱开时才自动遮断燃气轮机。

图1-12 联合循环主机连锁系统功能示意图
当燃气轮机跳闸后,即跳汽轮机;同样地,当燃气轮机跳闸后,即跳发电机出口开关。
对于“二拖一”联合循环机组,运行时汽机故障跳闸,汽机发电机跳闸,两台燃气轮机RB,若旁路压力超限或温度升高无法控制时紧急停运相应余热锅炉。“二拖一”运行时,任一燃气轮机跳闸时,相应发电机跳闸,汽机保持IPC控制运行,相应余热锅炉解列,转为“一拖一”运行。“二拖一”运行时,任一燃气轮机发电机跳闸,相应燃气轮机跳闸,汽机保持IPC控制运行,相应余热锅炉解列,转为“一拖一”运行。“二拖一”运行时,任一余热锅炉跳闸(汽包水位或烟囱挡板保护动作),相应燃气轮机RB,转为“一拖一”运行。“一拖一”运行时,主机连锁与单轴机组类似。
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