張慶文
(江西銅業(yè)集團公司鉛鋅金屬有限公司,江西 九江 332500)
長期以來,我國工業(yè)企業(yè)余熱回收發(fā)電幾乎全部依賴進口發(fā)電機組,鉛鋅公司起初設計也傾向于采用進口汽輪機,當時設計院推薦了2家國際著名的汽輪機公司,設備概算480萬歐元左右(約合人民幣4800萬元),價格十分昂貴,并存在后續(xù)檢修費用高及備件訂貨周期長等一系列問題。因此,討論國產(chǎn)化設備是否能滿足我們的需求且能否成功運行成了關鍵中的關鍵。
為了打破國外蒸汽汽輪發(fā)電機在技術和價格上的壟斷,鉛鋅金屬公司在進行了充分考察和可行性調(diào)研的基礎上,決定與國內(nèi)有實力的設備生產(chǎn)廠家合作,將該設備國產(chǎn)化替代。該項目若成功實施能直接節(jié)約設備投資約3700萬元人民幣,并且還有降低維修費用及縮短維修周期等可觀的間接經(jīng)濟效益。
CRN10-3.6/0.785型透平發(fā)電機既為抽汽式、中間再熱冷凝型汽輪發(fā)電機[1],裝機容量為10MW、入口蒸汽壓力為 3.6MPA、抽汽壓力為0.785MPA的透平發(fā)電機,主要用于利用回收基夫賽特爐余熱鍋爐、煙化爐余熱鍋爐、沸騰爐余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽來發(fā)電,并提供全廠低壓用戶所用蒸汽的設備。
由于該項目是首次運用,沒有相關的借鑒經(jīng)驗,一切要靠摸索來完成。從透平發(fā)電機成功投入運行至今,不論是設備方面還是運行方面都遇到了諸多難點(表1)。
表1 具體事項和對策
鉛鋅主工藝線產(chǎn)生的蒸汽壓力較高,均在4.0 Mpa左右,并且是三大爐一起不間斷吹煉產(chǎn)出蒸汽送往透平發(fā)電機發(fā)電,造成透平發(fā)電機的進口壓力波動幅度較大(圖1)。
圖1 透平發(fā)電機蒸汽系統(tǒng)圖
透平發(fā)電機的進口蒸汽量波動過大且透平發(fā)電機的運行控制為手動人為加減負荷,這樣一來:
(1)很容易造成入口蒸汽壓力過低,使得蒸汽帶水進入透平發(fā)電機:①會造成主、再熱汽汽溫急劇下降;②使得透平機組振動增大,聲音異常,并會造成水沖擊現(xiàn)象;③透平機組各類閥門閥桿、法蘭汽封等處大量冒汽,損壞設備;④使得負荷突然下降并造成負荷擺動,軸竄、脹差異常變化,推力軸瓦溫度、回油溫度異常升高等現(xiàn)象;⑤使得葉片產(chǎn)生嚴重的沖蝕損壞[2-4]。
(2)很容易使得蒸汽壓力憋高,超過設計值并使得各個余熱鍋爐相互憋壓,造成安全閥動作,影響整個主工藝的運行和余熱鍋爐安全。
(3)在管網(wǎng)蒸汽壓力憋高時,為不影響主工藝的生產(chǎn),往往都是把蒸汽排空,大量的蒸汽排空不僅產(chǎn)生噪音污染還造成蒸汽的浪費,直接影響透平發(fā)電機的效益。
經(jīng)過多方的協(xié)同合作,得出造成該結(jié)果的原因主要有下面幾點:
(1)煙化爐余熱鍋爐的產(chǎn)汽量波動比較大的(見表2)。
(2)三大余熱鍋爐的產(chǎn)汽周期不固定,使得蒸汽管網(wǎng)的流量波動比較大。
(3)三大爐子的汽包產(chǎn)汽壓力設定都不一樣,造成蒸汽管網(wǎng)壓力漂浮不定。
(4)透平發(fā)電機組的運行模式為手動控制,不能及時的發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)壓力的變化趨勢。
表2 為設計院設計各個余熱鍋爐的蒸汽參數(shù)
根據(jù)上述情況制定了處理的初案:
(1)要求煙化爐操作人員盡量避免產(chǎn)汽量瞬間大起大落,給動力中心操作人員留出一定的操作時間。
(2)協(xié)同合作;要求三大爐的吹煉周期盡量保持協(xié)調(diào),以不造成蒸汽管網(wǎng)壓力波動過大。
(3)統(tǒng)一三大爐的余熱鍋爐汽包壓力設定。
根據(jù)多方協(xié)同處理,并經(jīng)過多次的驗證表明,光是處理外部因素還是不能達到我們的要求,透平發(fā)電機的入口蒸汽壓力波動幅度還是很大。這時,我們把眼光轉(zhuǎn)向了透平發(fā)電機組,是不是可以改變透平發(fā)電機的控制模式?比如把負荷控制改成功率控制或者壓力控制?
4.3.1 選擇方案
根據(jù)我們的了解,國產(chǎn)的透平發(fā)電機的負荷控制模式都是手動控制,并沒有出現(xiàn)過自動負荷控制的先例。但是,國外的大部分機組都能實現(xiàn)負荷的自動控制。為此,我們查找了大量的資料,最后從透平發(fā)電機的控制系統(tǒng)505E上面發(fā)現(xiàn)(表3)[5]:
表3 為505E上串級編輯說明圖
從上表可以看出,其實505E是可以實行串級的自動負荷控制的,控制方式為串級控制。只是現(xiàn)階段很多的控制功能未能得到發(fā)現(xiàn)和改善[6]。
表4 為具體的可修改程序
4.3.2 具體的實施
經(jīng)過多次與廠家協(xié)商,并說明了管網(wǎng)蒸汽波動的問題和505E控制上的自動控制功能,分析了可行性。
當組態(tài)為非發(fā)電機運用時,轉(zhuǎn)速PID始終以轉(zhuǎn)速控制方式運行。而當組態(tài)為發(fā)電機運用時,發(fā)電機和電網(wǎng)斷路器的狀態(tài)決定了轉(zhuǎn)速PID的運行方式。
當發(fā)電機和電網(wǎng)的斷路器都閉合時,轉(zhuǎn)速PID以機組負荷控制方式運行。在電網(wǎng)中并列運行時,給定值高于額定轉(zhuǎn)速就能使負荷從0增加到100%。機組的負荷被轉(zhuǎn)換成額定轉(zhuǎn)速的百分比。
不等率% ×發(fā)電機負荷×額定轉(zhuǎn)速=給定值變化
這說明:當機組在電網(wǎng)中并列運行時,轉(zhuǎn)速給定值能從3000rpm調(diào)整至3150rpm使機組負荷從零增加到100%。
由此我們決定把透平發(fā)電機的運行模式修改為串級控制,當透平發(fā)電機成功并網(wǎng)后并帶上一定負荷,汽機轉(zhuǎn)速顯示為3015rpm以上、負荷在967KW時,即可投入串級控制。
當透平發(fā)電機處于串級控制狀態(tài)時,會根據(jù)我們所設的透平入口蒸汽壓力值來調(diào)整負荷,使得入口蒸汽壓力一直處于平穩(wěn)的狀態(tài)。
跟蹤運行了一個月,透平發(fā)電機運行十分的平穩(wěn),蒸汽管網(wǎng)壓力放空次數(shù)為零、余熱鍋爐安全閥動作次數(shù)為零、透平發(fā)電機各項控制參數(shù)都在最佳的范圍內(nèi);直接經(jīng)濟效益非常的可觀(見表5、表6)。
表5 為2013年度透平發(fā)電機發(fā)電量、作業(yè)率、汽耗率的對比圖
表6 汽輪機發(fā)電量、作業(yè)率及汽耗率一覽表
設備國產(chǎn)化一直是鉛鋅公司乃至集團公司一直所致力的目標,余熱蒸汽發(fā)電的透平發(fā)電機一直以來都是以國外進口的為主,在有色冶煉行業(yè)里一直是半空白狀態(tài),這一課題開創(chuàng)了集團公司的先河,并最終取得了空前的成功。隨著鉛鋅公司今后產(chǎn)能規(guī)模進一步擴大,發(fā)電量一定會隨之增加,將為公司帶來更加長期、可觀的經(jīng)濟效益。
[1]馮慧雯.汽輪機課程設計參考資料[M].北京:水利電力出版社,1992,11:49-53.
[2]康松,楊建明,胥建群.汽輪機原理[M].北京:中國電力出版社,2000,9:7-9.
[3]毛國光.對600MW級汽輪發(fā)電機選型的一些看法[J].中國電力,1999(10):12-23.
[4]李冬梅.220MW空冷汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子通風結(jié)構CFD分析[J].東方電機,2006(01):31-55.
[5]Fitzgerald.505E Governor Installation and Operation Manual[M].CH8585018V1,1997:33-45.
[6]Fitzgerald.505E Governor Installation and Operation Manual[M].CH8585018V1,1997:21-25.