Design of the Control Scheme for Steam Driven Induced Draft Fans
in Large Scale Coal-fired Generation Units
孫 漾 杭莉莉
(中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院 ,上?!?00063)
大型燃煤發(fā)電機組汽動引風(fēng)機控制方案設(shè)計
Design of the Control Scheme for Steam Driven Induced Draft Fans
in Large Scale Coal-fired Generation Units
孫漾杭莉莉
(中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院 ,上海200063)
摘要:大型燃煤發(fā)電機組鍋爐常規(guī)采用電動引風(fēng)機。汽動引風(fēng)機能夠大幅提高引風(fēng)機的運行效率。結(jié)合某1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機組鍋爐汽動引風(fēng)機改造工程,討論了采用汽動引風(fēng)機的優(yōu)缺點,介紹了汽動引風(fēng)機改造相關(guān)工藝系統(tǒng)及設(shè)備,分析了汽動引風(fēng)機的運行模式,提出了相關(guān)的調(diào)節(jié)、聯(lián)鎖與保護控制需求以及儀表和控制系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案現(xiàn)已順利完成安裝、調(diào)試并投入運行,完全能夠滿足機組實際生產(chǎn)運行的需要。
關(guān)鍵詞:大型燃煤發(fā)電機組汽動引風(fēng)機抽背式控制方案儀表與控制系統(tǒng)設(shè)計節(jié)能降耗
Abstract:Very common, in large-scale coal-fired power generation units, the electric induced draft (ID) fans are used for boiler. While it is found that the steam driven ID fans can greatly improve the operating efficiency of the fans. With the retrofit project of ID fans in certain 1 000 MW ultra super critical coal-fired power generation unit as example, the advantages and disadvantages of the steam driven ID fans are discussed, and relevant technological system and equipment of the retrofit project are introduced. The operation mode of the steam driven ID fans are analyzed, and the related control demands for regulation, interlock and protection, as well as the design strategy of I&C control system are proposed. The installation, commissioning of the strategy have been completed and the system has been put into operation, the design meets the requirements of practical production operation.
Keywords:Large scale coal-fired generation unitSteam driven induced draft fanExtraction backpressureControl scheme
Design of I&C systemEnergy saving and reducing consumption
0引言
目前,國內(nèi)1 000 MW級超超臨界燃煤機組鍋爐常規(guī)采用靜葉可調(diào)軸流電動引風(fēng)機。電動引風(fēng)機是機組最大的耗電設(shè)備之一[1-2],其耗電量往往可達單臺機組發(fā)電量的1.4%以上[3]。大型燃煤發(fā)電機組已廣泛采用汽輪機驅(qū)動給水泵。近年來,國內(nèi)已有工程開始嘗試采用汽輪機驅(qū)動引風(fēng)機。某電廠1號機組為1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機組,2007年底正式投運。該機組于2013年進行大修,同時,實施電動引風(fēng)機改用汽輪機驅(qū)動技術(shù)改造。本文結(jié)合該機組汽動引風(fēng)機技改工程,介紹了機組原有工藝系統(tǒng)和儀控系統(tǒng)概況,分析了采用汽動引風(fēng)機的優(yōu)缺點,描述了汽動引風(fēng)機的工藝流程,并根據(jù)相關(guān)工藝系統(tǒng),探討了其控制方式和控制要求,提出了儀表和控制系統(tǒng)設(shè)計方案。
1原有系統(tǒng)概況
① 工藝系統(tǒng)概況
本機組鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司設(shè)計制造的超超臨界參數(shù)變壓運行、帶中間混合集箱垂直管圈水冷壁直流爐、單爐膛、一次中間再熱、八角雙火焰切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)Π型、露天布置燃煤鍋爐。汽機為哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司和日本東芝聯(lián)合設(shè)計制造的超超臨界、一次中間再熱、凝汽式、單軸、四缸四排汽汽輪機。發(fā)電機為哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司和日本東芝聯(lián)合設(shè)計制造的水氫氫冷卻、靜態(tài)勵磁汽輪發(fā)電機。
鍋爐設(shè)置2臺50%動葉可調(diào)軸流式送風(fēng)機,2臺50%動葉可調(diào)軸流式一次風(fēng)機,2臺50%三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器,2臺50%靜葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機。機組設(shè)置2×3臺高壓加熱器,4臺低壓加熱器,1臺臥式除氧器,2臺50%汽動給水泵+1臺30%電動給水泵,高、低壓二級串聯(lián)液動旁路。
② 控制系統(tǒng)概況
本機組采用爐、機、電集中控制方式,自動控制系統(tǒng)主要包括分散控制系統(tǒng)(DCS)、汽機數(shù)字電液調(diào)速系統(tǒng)(DEH)、汽機緊急跳閘系統(tǒng)(ETS)、汽機本體監(jiān)測儀表(TSI)、給水泵汽機電液調(diào)速系統(tǒng)(MEH)、給水泵汽機緊急跳閘系統(tǒng)(METS)、給水泵汽機監(jiān)測儀表(MTSI)等。
DCS是整套控制系統(tǒng)的核心,采用Emerson公司的Ovation系統(tǒng)。DCS包括分散處理站、人機接口裝置和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)等,負責(zé)采集和處理機組運行所需的全部數(shù)據(jù)、設(shè)備順序啟??刂?、聯(lián)鎖保護、模擬量調(diào)節(jié)、爐膛安全監(jiān)控等,以及機組運行監(jiān)視、數(shù)據(jù)顯示、報警、性能計算和記錄等。單元機組DCS約7 000個I/O點,29對DPU,在電子設(shè)備間布置57面控制機柜,就地布置5面遠程I/O柜。
DEH采用Toshiba公司的TOSMAP系統(tǒng),負責(zé)控制汽機的轉(zhuǎn)速和負荷。ETS采用與DEH一體化的系統(tǒng),獨立冗余的控制單元,負責(zé)監(jiān)視汽機跳閘信號,當運行參數(shù)超過極限時,立即關(guān)斷汽機進汽,實現(xiàn)緊急停機。TSI對汽機轉(zhuǎn)子、汽缸和軸承等部件運行參數(shù)進行連續(xù)監(jiān)視,并將模擬量參數(shù)信號、報警或跳閘信號通過硬接線或通信方式送至DCS、DEH、ETS及汽機振動監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)(TDM)。DEH、ETS及TSI均隨汽輪機成套配供。MEH、METS及MTSI隨給水泵汽輪機成套配供,負責(zé)給水泵汽輪機的監(jiān)視、控制與保護。MEH、METS采用與DCS相同的硬件組成一體化控制系統(tǒng)。其他如等離子燃燒控制、爐管泄漏監(jiān)測等系統(tǒng)采用PLC控制,通過硬接線接入機組DCS。
各系統(tǒng)組成一套完整的控制系統(tǒng),實現(xiàn)對整套機組的運行監(jiān)視、控制和保護等。
2汽動引風(fēng)機改造主要工藝系統(tǒng)及設(shè)備
電動引風(fēng)機通常采用靜葉擋板進行風(fēng)量調(diào)節(jié)。當機組負荷較低時,電動機功率不變,引風(fēng)機靜葉擋板開度較低,截流能量損失嚴重。汽動引風(fēng)機采用蒸汽驅(qū)動,通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制風(fēng)量,靜葉擋板的節(jié)流損耗能夠被消除。常用的汽輪機有凝汽式和背壓式兩種。對于熱用戶較少的電廠,凝汽式汽輪機組更加便于合理回收工質(zhì);對于長期穩(wěn)定對外供熱機組,背壓式汽輪機能夠提供更加靈活的供熱方式。因此,采用汽動引風(fēng)機能夠利用鍋爐的富余出力,在部分負荷下,尤其是低負荷下提高引風(fēng)機的運行效率,最多可使引風(fēng)機消耗的功率減少一半[4],從而大幅降低廠用電耗,增加售電收益[5]。同時,避免了風(fēng)機啟動過程中大電流對廠用電系統(tǒng)的沖擊[6-7]。對于對外供熱機組,采用背壓機供熱能夠減少供熱蒸汽的節(jié)流降壓損失,提高售熱經(jīng)濟效益[8]。但是,采用汽動引風(fēng)機將增加機組工藝系統(tǒng)的復(fù)雜度、前期設(shè)備投資、安裝調(diào)試及運行維護的工作量。本機組汽動引風(fēng)機技改采用抽背式汽輪機,其主要相關(guān)工藝系統(tǒng)如下。
① 鍋爐煙系統(tǒng)
本機組原有2臺50%電動引風(fēng)機A和B。本次汽動引風(fēng)機技改鍋爐煙系統(tǒng)新增一臺50%靜葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機,并新增相應(yīng)的引風(fēng)機入口、出口擋板。引風(fēng)機A和B采用汽輪機驅(qū)動,引風(fēng)機C采用電動機驅(qū)動,如圖1所示。
圖1 鍋爐煙系統(tǒng)P&ID圖
保留一臺電動引風(fēng)機能夠增加機組運行的靈活性和可靠性。在機組啟動階段,本機無法提供汽源,電動引風(fēng)機可作為機組的啟動引風(fēng)機。當機組正常運行時,可采用兩臺汽動引風(fēng)機并列運行、電動引風(fēng)機備用的方式。當有汽動引風(fēng)機故障時,可采用一電一汽引風(fēng)機并列運行的方式。當機組出現(xiàn)Runback工況時[9-10],可采用電動引風(fēng)機或單臺汽動引風(fēng)機運行的方式。
② 汽動引風(fēng)機蒸汽系統(tǒng)
汽動引風(fēng)機蒸汽系統(tǒng)包括引風(fēng)機汽機供汽系統(tǒng)、引風(fēng)機汽機排汽至除氧器蒸汽系統(tǒng)、汽機排汽至輔助蒸汽母管蒸汽系統(tǒng)、抽汽至廠區(qū)供熱管網(wǎng)蒸汽系統(tǒng),以及兩臺機組間的汽機供汽聯(lián)絡(luò)管道系統(tǒng)等,如圖2所示。引風(fēng)機汽機進汽來源于機組冷段及鍋爐一級再熱器出口的混合蒸汽,兩臺汽機的抽汽母管連接至廠區(qū)供熱管網(wǎng),排汽母管連接分別連接至除氧器及機組輔助蒸汽母管。汽動引風(fēng)機蒸汽系統(tǒng)包括回?zé)岷凸醿煞N主要運行模式。回?zé)崮J綍r,引風(fēng)機汽機排汽全部回到除氧器回收工質(zhì)。供熱模式時,可采用汽機排汽或抽汽對外供應(yīng)工業(yè)蒸汽。
引風(fēng)機汽機布置在爐后,除氧器及輔助蒸汽母管在爐前主廠房中,管道長度約200 m。因此,在汽機抽汽母管分別接出兩路管道,用于啟動時對200 m長的排汽管道進行暖管。
為防止汽機進水,在汽機主汽門前設(shè)沖管/暖管電動閥,抽汽和排汽管道均設(shè)有逆止門。此外,所有管道低點設(shè)置疏水點。
圖2 汽動引風(fēng)機蒸汽系統(tǒng)P&ID圖
③ 引風(fēng)機汽輪機本體系統(tǒng)
引風(fēng)機汽機本體系統(tǒng)包括引風(fēng)機汽機本體、蒸汽及疏水系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、控制油系統(tǒng)。汽機本體、蒸汽及疏水系統(tǒng)包括汽機本體、主汽門、主汽調(diào)節(jié)閥、軸封系統(tǒng)、疏水系統(tǒng),以及相應(yīng)的管道及接口等。汽機潤滑油系統(tǒng)包括潤滑油箱、潤滑油泵、排油煙風(fēng)機、蓄能器、濾油器、冷油器及相應(yīng)的管道等。汽機控制油系統(tǒng)包括速關(guān)組合電磁閥組、數(shù)字電液轉(zhuǎn)換器等。
3汽動引風(fēng)機系統(tǒng)控制方案
1) 汽動引風(fēng)機蒸汽系統(tǒng)的運行模式
如前所述,汽動引風(fēng)機蒸汽系統(tǒng)可采用回?zé)岷凸醿煞N主要運行模式。不同運行模式下,蒸汽系統(tǒng)的控制方式如下。
(1) 回?zé)崮J剑号牌凛o汽母管電動閥關(guān)閉,排汽至除氧器電動閥全開,引風(fēng)機汽機的背壓控制為滑壓運行方式。此時,汽機背壓約等于除氧器壓力。當除氧器壓力高時,開啟排汽至輔汽氣動調(diào)節(jié)閥,調(diào)節(jié)輔助蒸汽母管壓力,間接降低除氧器壓力。如果背壓持續(xù)升高,且以上閥門動作無效,則依次開啟引風(fēng)機汽機PCV閥、機械式安全閥降低背壓,防止排汽超壓。
(2) 供熱模式:根據(jù)本項目引風(fēng)機汽機選型可知,引風(fēng)機汽機供熱模式下,單臺汽機最大抽汽量為10 t/h,抽汽溫度400 ℃左右,壓力可達1.5 MPa以上;機組滿負荷運行時,排汽流量約80~90 t/h,排汽參數(shù)約為1.2 MPa/320 ℃。因此,供熱模式總體上可分為采用抽汽的小流量/高參數(shù)供熱模式和采用排汽的大流量/低參數(shù)供熱模式兩種工況。
① 抽汽供熱模式:通過抽汽至供熱管道進行供熱,每臺引風(fēng)機汽機最大抽汽量不超過10 t/h,機組最大供汽量不超過20 t/h。抽汽至供熱氣動調(diào)節(jié)閥維持供熱母管壓力,通過調(diào)節(jié)兩臺汽動引風(fēng)機的抽汽管道電動球閥開度,保持兩臺引風(fēng)機汽機抽汽量基本相同。排汽至除氧器或輔汽母管的氣動調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)汽機背壓。
② 排汽供熱模式:排汽至輔助蒸汽管道進行供熱,開啟排汽至輔汽電動閥,關(guān)閉排汽至輔汽氣動調(diào)節(jié)閥和排汽至除氧器電動閥,采用排汽至除氧器氣動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)汽機背壓。如果汽機背壓高,部分開啟排汽至除氧器電動閥,使更多的排汽溢流至除氧器,如果汽機背壓及除氧器壓力持續(xù)升高,開啟汽機PCV閥并報警。
2) 汽動引風(fēng)機系統(tǒng)模擬量調(diào)節(jié)控制要求
(1) 兩臺汽動引風(fēng)機并列運行時,通過調(diào)節(jié)汽機調(diào)門開度調(diào)節(jié)汽機轉(zhuǎn)速,從而調(diào)節(jié)引風(fēng)機轉(zhuǎn)速,控制爐膛壓力。當有電動引風(fēng)機運行時,仍采用引風(fēng)機靜葉開度調(diào)節(jié)爐膛壓力。
(2) 兩臺引風(fēng)機并列運行時(兩臺汽動或一電一汽),引風(fēng)機轉(zhuǎn)速應(yīng)協(xié)調(diào)控制。
(3) 引風(fēng)機汽機進汽/排汽溫度控制:引風(fēng)機汽機排汽溫度的控制主要通過合理的控制進汽溫度來實現(xiàn)。引風(fēng)機汽機的進汽由兩部分混合組成,一部分為溫度較低的冷段蒸汽,另一部分為溫度較高的一級再熱器出口蒸汽。在冷段蒸汽管道設(shè)置氣動調(diào)節(jié)閥,調(diào)節(jié)兩部分蒸汽的混合比例,從而調(diào)節(jié)混合蒸汽溫度,進而間接調(diào)節(jié)引風(fēng)機排汽溫度。
(4) 回?zé)崮J较?,調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)應(yīng)維持回?zé)崞胶?,保證除氧器不超壓;供熱模式下,調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)應(yīng)維持熱網(wǎng)平衡,在系統(tǒng)安全的前提下,維持供熱母管壓力。
3) 汽動引風(fēng)機系統(tǒng)順控、聯(lián)鎖與保護
汽動引風(fēng)機相關(guān)系統(tǒng)至少應(yīng)實現(xiàn)以下順控、聯(lián)鎖及保護功能。
(1) 引風(fēng)機、引風(fēng)機汽輪機及相關(guān)輔助設(shè)備的保護。
① 引風(fēng)機防喘振保護、引風(fēng)機軸承及電機防超溫保護。
② 引風(fēng)機汽機進汽過熱度低,停機保護。
③ 引風(fēng)機汽機排汽溫度過高,停機保護。
④ 引風(fēng)機汽機背壓高,PCV閥快開,背壓高高,安全閥動作。
⑤ 引風(fēng)機汽機超速、軸位移、振動、軸承溫度、潤滑油壓力保護等。
(2) 機組啟動時,可選擇采用電動引風(fēng)機啟動或采用鄰機汽源驅(qū)動汽動引風(fēng)機進行啟動。
(3) 機組運行過程中,汽動引風(fēng)機可選擇采用本機汽源或鄰機汽源進行驅(qū)動及兩路汽源的自動切換。
(4) 機組運行過程中,兩臺引風(fēng)機運行時,第三臺引風(fēng)機備用。
(5) 當引風(fēng)機汽機汽源無法滿足進汽及出力要求時(如負荷降低或停機過程中),退出汽動引風(fēng)機,聯(lián)鎖啟動電動引風(fēng)機。
(6) 所有疏水點通過工質(zhì)的過熱度對疏水閥進行控制。
(7) 當機組出現(xiàn)Runback工況時,因鍋爐出力減小,蒸汽參數(shù)下降,考慮機組運行的穩(wěn)妥性,如采用單臺汽動引風(fēng)機運行方式時,應(yīng)采用回?zé)崮J?,切斷對外供熱,并在可能的情況下,盡量采用電動引風(fēng)機。
4汽動引風(fēng)機系統(tǒng)儀表配置及控制系統(tǒng)設(shè)計
1) 汽動引風(fēng)機系統(tǒng)儀表配置
(1) 鍋爐煙系統(tǒng)儀表配置
如圖1所示,虛線框內(nèi)的儀表為本次技改工程新增儀表,包括引風(fēng)機C入口及出口壓力、引風(fēng)機C出口溫度、引風(fēng)機C流量。
(2) 汽動引風(fēng)機蒸汽系統(tǒng)儀表配置
如圖2所示,汽動引風(fēng)機蒸汽系統(tǒng)儀表配置如下。
① 在引風(fēng)機汽機進汽母管設(shè)置溫度儀表,用于引風(fēng)機汽機進汽溫度的調(diào)節(jié)。
② 引風(fēng)機汽機進汽管道設(shè)置長徑噴嘴測量流量,并在噴嘴前設(shè)置壓力儀表,噴嘴后設(shè)置溫度儀表,用于流量補償。
③ 引風(fēng)機汽機排汽母管設(shè)置壓力儀表,用于指示汽機背壓。
④ 排汽母管靠近汽機房除氧器側(cè)設(shè)置溫度儀表,用于啟動暖管。
⑤ 引風(fēng)機汽機抽汽管道設(shè)置長徑噴嘴測量流量,用于調(diào)節(jié)兩臺汽機抽汽量平衡。
⑥ 引風(fēng)機汽機抽汽母管至供熱蒸汽管道設(shè)置壓力、溫度儀表,用于指示供熱蒸汽參數(shù)。
⑦ 疏水點控制:所有疏水點處設(shè)置溫度、壓力儀表并由DCS計算過熱度,通過過熱度對疏水閥進行控制。
(3) 引風(fēng)機汽機本體儀表配置
① 汽機排汽設(shè)置三重冗余的壓力和溫度儀表,用于排汽超壓及超溫聯(lián)鎖保護。
② 汽機本體設(shè)置六重冗余的轉(zhuǎn)速儀表,3只用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),3只用于超速停機保護。
③ 汽機本體設(shè)置冗余的軸位移、軸承振動、軸承溫度、潤滑油壓力、調(diào)節(jié)油壓力儀表,用于汽機設(shè)備保護。
2) 汽動引風(fēng)機控制系統(tǒng)設(shè)計
如前所述,工藝系統(tǒng)及儀表設(shè)計方案確定后,經(jīng)統(tǒng)計,本次技改工程鍋爐煙系統(tǒng)新增I/O點41點,引風(fēng)機汽機蒸汽系統(tǒng)及汽機本體I/O點共421點。通過對機組原有DCS控制器功能及I/O點分布進行研究,決定將本次技改煙系統(tǒng)新增設(shè)備的控制納入原有DCS煙風(fēng)系統(tǒng)控制器中。同時,新增2對控制器,分別用于引風(fēng)機汽機A、B本體(包括引風(fēng)機汽機MEH及METS)及引風(fēng)機汽機蒸汽系統(tǒng)的控制。新增控制器仍然采用Emerson公司的Ovation系統(tǒng),并與原有DCS構(gòu)成一體化的控制系統(tǒng)。
為實現(xiàn)新增設(shè)備/控制器與原有工藝系統(tǒng)/控制器間的可靠協(xié)調(diào)與聯(lián)鎖,新增的2對控制器與原有DCS系統(tǒng)間設(shè)置用于跳閘和重要保護的硬接線信號26點,包括MFT、轉(zhuǎn)速指令與反饋、啟動允許、停機、復(fù)位信號等。
本次技改新增的2對控制器及其電源、卡件等共4面機柜,另有1面引風(fēng)機汽機本體監(jiān)視儀表(MTSI)機柜,布置在機組原有的電子設(shè)備間中。新增控制器采用集控室原有操作員站進行監(jiān)控。
5結(jié)束語
本文結(jié)合某1 000 MW超超臨界機組汽動引風(fēng)機改造工程,介紹了該機組原有工藝系統(tǒng)、儀表與控制系統(tǒng)配置情況,研究了燃煤機組采用汽輪機驅(qū)動引風(fēng)機的優(yōu)缺點,描述了本次汽動引風(fēng)機改造鍋爐煙系統(tǒng)、引風(fēng)機汽機蒸汽系統(tǒng)及引風(fēng)機汽機本體系統(tǒng)主要工藝系統(tǒng)及設(shè)備。根據(jù)工藝配置情況,分析并提出了汽動引風(fēng)機相關(guān)系統(tǒng)的運行模式、調(diào)節(jié)控制與聯(lián)鎖保護要求。根據(jù)系統(tǒng)控制功能,提出了系統(tǒng)儀表配置及控制系統(tǒng)設(shè)計方案。采用汽動引風(fēng)機增加了工藝系統(tǒng)的復(fù)雜度、前期設(shè)備投資及安裝調(diào)試工作量,但長期運行后,節(jié)約廠用電及增加售熱收入效果顯著。目前,該系統(tǒng)已經(jīng)順利完成安裝、調(diào)試,并已正式投入運行。本文提出的儀表與控制系統(tǒng)設(shè)計方案能夠滿足機組實際生產(chǎn)運行的需要。
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中圖分類號:TP273
文獻標志碼:A
DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502006
修改稿收到日期:2014-07-13。
第一作者孫漾(1984-),男,2012年畢業(yè)于華東理工大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè),獲博士學(xué)位,工程師;主要從事過程建模與控制優(yōu)化、大型火力發(fā)電機組自動化系統(tǒng)的研究。