瞿虹劍,俞 衛(wèi),邵 良,王 鑫
(華能上海燃機(jī)發(fā)電有限責(zé)任公司,上海 200942)
華能上海石洞口燃機(jī)電廠安裝的3套燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組,由西門(mén)子公司和上海電氣集團(tuán)聯(lián)合供貨,采用單軸“一拖一”布置形式(帶3S離合器)。西門(mén)子燃?xì)廨啓C(jī)型號(hào)為V94.3A型,輸出功率270MW。余熱鍋爐由上海電氣集團(tuán)引進(jìn)ALSTOM公司技術(shù)設(shè)計(jì)制造,為三壓再熱、臥式布置、無(wú)補(bǔ)燃、自然循環(huán)式。汽輪機(jī)由上海電氣集團(tuán)引進(jìn)西門(mén)子技術(shù)制造,額定功率135.8MW。機(jī)組DCS控制系統(tǒng)采用西門(mén)子公司的TELEPERM XP,燃機(jī)和汽輪機(jī)的控制和保護(hù)采用西門(mén)子SIMADYN-D和S-95保護(hù)裝置。
目前西門(mén)子所有燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組都采用汽機(jī)高壓缸啟動(dòng)的中速暖機(jī)模式,其特點(diǎn)是汽機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中,燃機(jī)負(fù)荷、燃機(jī)排氣溫度、汽機(jī)主要蒸汽參數(shù)幾乎不變,都為高參數(shù)啟動(dòng),這種單一的汽機(jī)啟動(dòng)模式結(jié)果造成汽機(jī)閥門(mén)截流嚴(yán)重和暖機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等弊端,導(dǎo)致設(shè)備損耗大、冷態(tài)機(jī)組調(diào)峰性能差、暖機(jī)運(yùn)行節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性不足等問(wèn)題,一直以來(lái)都是困擾國(guó)內(nèi)西門(mén)子9F型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的難題。
華能上海燃機(jī)電廠分析原燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的控制模式,根據(jù)燃機(jī)、汽機(jī)特性,詳細(xì)制定優(yōu)化原則、試驗(yàn)方案及試驗(yàn)步驟,利用啟機(jī)機(jī)會(huì)實(shí)施汽機(jī)中速暖機(jī)試驗(yàn),摸索出了一套可行有效的汽機(jī)暖機(jī)新模式,實(shí)現(xiàn)了汽機(jī)暖機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)三種狀態(tài)下的不同暖機(jī)方式的復(fù)合模式,并實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程的變參數(shù)控制及全過(guò)程的程控自動(dòng),徹底消除了西門(mén)子關(guān)于汽機(jī)啟動(dòng)技術(shù)的弊端。
汽機(jī)啟動(dòng)暖機(jī)優(yōu)化主要參照石洞口燃機(jī)電廠燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)《運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)》、《控制邏輯圖》;石洞口燃機(jī)電廠余熱鍋爐《運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)》、《控制邏輯圖》;石洞口燃機(jī)電廠DCS系統(tǒng)《控制邏輯圖》等標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)等進(jìn)行。
(1)通過(guò)一系列的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、觀察和分析機(jī)組運(yùn)行參數(shù),確定合適的汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)的暖機(jī)參數(shù)。并確定燃機(jī)、汽機(jī)、余熱鍋爐保護(hù)控制的可靠性。
(2)對(duì)原西門(mén)子聯(lián)合循環(huán)機(jī)組燃機(jī)與汽機(jī)控制回路進(jìn)行功能分析、找出其控制特點(diǎn)和不足之處,進(jìn)行控制邏輯修改和參數(shù)調(diào)整,并通過(guò)啟動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證,最終實(shí)現(xiàn)2.3套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)最佳啟動(dòng)控制。
從安全性、經(jīng)濟(jì)性、調(diào)節(jié)品質(zhì)考慮,對(duì)優(yōu)化控制的實(shí)現(xiàn)設(shè)置以下原則:
(1)對(duì)燃機(jī)與汽機(jī)的保護(hù)回路及邏輯定值不做任何修改
(2)對(duì)燃機(jī)帶部分負(fù)荷和基本負(fù)荷控制邏輯不做任何修改
(3)對(duì)影響燃機(jī)燃燒穩(wěn)定性的控制邏輯不做任何修改
(4)對(duì)汽機(jī)暖管和沖轉(zhuǎn)條件的X、Z準(zhǔn)則邏輯和參數(shù)不做任何修改
(5)對(duì)汽機(jī)各個(gè)狀態(tài)下的啟動(dòng)蒸汽溫度參數(shù)不做修改
(6)對(duì)影響汽機(jī)升速和暖機(jī)穩(wěn)定性的邏輯和參數(shù)不作修改
(7)汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)暖機(jī)疏水控制實(shí)施變參數(shù)控制
(8)汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)暖機(jī)負(fù)荷實(shí)施三段式復(fù)合控制
(9)汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)暖機(jī)各蒸汽參數(shù)控制實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換
(10)汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)暖機(jī)的主要蒸汽參數(shù)實(shí)施變參數(shù)控制
(11)汽機(jī)暖機(jī)各個(gè)階段的各調(diào)節(jié)器參數(shù)實(shí)現(xiàn)變參數(shù)控制
(12)整個(gè)汽機(jī)中速暖機(jī)至并網(wǎng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)程控控制
(13)運(yùn)行操作畫(huà)面不做任何修改,不增加任何手動(dòng)操作點(diǎn)
依照優(yōu)化原則,保證優(yōu)化過(guò)程的安全性和正確性,科學(xué)實(shí)施以下步驟,實(shí)現(xiàn)汽機(jī)暖機(jī)各個(gè)階段的優(yōu)化控制。
(1)對(duì)原聯(lián)合循環(huán)機(jī)組燃機(jī)負(fù)荷、OTC、IGV、冷卻風(fēng)、喘振等各個(gè)控制回路進(jìn)行功能分析、邏輯分析,確認(rèn)其匹配于汽機(jī)暖機(jī)各個(gè)階段的控制原理,以及其原控制方式的設(shè)計(jì)依據(jù)。
(2)對(duì)原聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽機(jī)暖機(jī)負(fù)荷、蒸汽壓力、蒸汽溫度、高壓缸排汽壓力、高壓葉片壓力、高壓缸排氣溫度、高壓缸壓力比控制回路進(jìn)行功能分析、邏輯分析,確認(rèn)其聯(lián)合循環(huán)的汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)暖機(jī)各個(gè)階段(暖機(jī)前、中速暖機(jī)、中速暖機(jī)至全速、燃機(jī)與汽機(jī)偶合、聯(lián)合循環(huán)建立)的控制原理。
(3)汽機(jī)啟動(dòng)暖機(jī)各個(gè)階段的應(yīng)力裕量(MARGIN)分析和掌握。精確理解汽機(jī)熱應(yīng)力控制邏輯,對(duì)汽機(jī)啟動(dòng)暖機(jī)各個(gè)階段的應(yīng)力裕量控制范圍定性分析,以確定汽機(jī)暖機(jī)和沖轉(zhuǎn)時(shí)燃機(jī)和汽機(jī)主要參數(shù)的控制范圍。
(4)分析和掌握原暖機(jī)控制方式的設(shè)計(jì)依據(jù),找出控制點(diǎn)。通過(guò)一系列的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),觀察和分析機(jī)組運(yùn)行參數(shù),進(jìn)一步確定汽機(jī)暖機(jī)特性。分析其原控制方式的設(shè)計(jì)依據(jù),找出其控制方式的不足之處,在充分理解汽機(jī)運(yùn)行規(guī)程的基礎(chǔ)上,找出原控制方式切換的關(guān)鍵控制點(diǎn)及控制參數(shù),為最終實(shí)現(xiàn)控制方式的無(wú)擾動(dòng)切換創(chuàng)造條件。
(5)在不改變聯(lián)合循環(huán)控制邏輯的基礎(chǔ)上,手動(dòng)調(diào)整燃機(jī)對(duì)應(yīng)于汽機(jī)暖機(jī)的主要控制參數(shù)(負(fù)荷、排氣溫度)后,實(shí)施冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)暖機(jī)試驗(yàn),分析暖機(jī)過(guò)程參數(shù)變化,確定燃機(jī)匹配參數(shù)。
(6)在不改變聯(lián)合循環(huán)控制邏輯的基礎(chǔ)上,手動(dòng)調(diào)整汽機(jī)暖機(jī)的主要控制參數(shù)(蒸汽壓力、溫度、過(guò)熱度)后,實(shí)施冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)暖機(jī)試驗(yàn),分析暖機(jī)過(guò)程參數(shù)變化,確定汽機(jī)暖機(jī)時(shí)汽機(jī)旁路、汽機(jī)調(diào)門(mén)、汽機(jī)疏水的控制參數(shù)。
(7)修改聯(lián)合循環(huán)控制邏輯,去除原汽機(jī)暖機(jī)的單一模式,實(shí)施汽機(jī)暖機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)3種狀態(tài)下的不同暖機(jī)方式的復(fù)合模式,并徹底修改聯(lián)合循環(huán)的燃機(jī)、汽機(jī)啟動(dòng)程控邏輯,做到理論上各種方式的全過(guò)程自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換。
(8)進(jìn)行修改邏輯后的汽機(jī)暖機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)試驗(yàn),在試驗(yàn)中驗(yàn)證三種控制方式的全過(guò)程自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換,完善各個(gè)切換點(diǎn)的控制參數(shù),反復(fù)試驗(yàn)直至確認(rèn)無(wú)誤。
(9)在試驗(yàn)中進(jìn)一步調(diào)整各個(gè)控制階段的調(diào)節(jié)器參數(shù),提高控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì),實(shí)現(xiàn)汽機(jī)啟動(dòng)的快速穩(wěn)定控制。
(10)分析汽機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的各個(gè)額定參數(shù)的變化趨勢(shì)曲線,確認(rèn)其是否在汽機(jī)的熱應(yīng)力、熱保護(hù)定值范圍之內(nèi),以便進(jìn)一步優(yōu)化控制參數(shù)。
(1)汽機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷、溫度指令處理
汽機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷、溫度指令指汽機(jī)暖機(jī)前、中速暖機(jī)、汽機(jī)全速、汽機(jī)偶合后4階段的燃機(jī)負(fù)荷、排氣溫度的設(shè)定值,如圖1所示,西門(mén)子原設(shè)計(jì)其汽機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷、溫度具有以下特點(diǎn):
圖1 汽機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷、溫度指令處理示意圖
1)負(fù)荷、溫度定值為常數(shù),一般負(fù)荷定值為130MW,溫度定值為540℃,受環(huán)境溫度的修正夏天分別為140MW、550℃左右。
2)汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)啟動(dòng)的各個(gè)階段燃機(jī)負(fù)荷、溫度定值保持不變。
3)汽機(jī)熱態(tài)啟動(dòng)的燃機(jī)負(fù)荷、溫度定值與冷態(tài)、溫態(tài)啟動(dòng)相同。
4)其高參數(shù)啟動(dòng)設(shè)定值主要目的是降低汽機(jī)暖機(jī)過(guò)程中的煙氣中的NOx的含量,但也導(dǎo)致汽機(jī)閥門(mén)截流嚴(yán)重和暖機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等弊端。
(2)汽機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷、溫度變化速率的自動(dòng)計(jì)算
聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的汽機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷變化速率主要取決于余熱鍋爐和汽輪機(jī)。由圖1中可知,機(jī)組負(fù)荷指令變化的有效速率是以下4個(gè)數(shù)值的小選值:
1)運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定的機(jī)組負(fù)荷變化速率。
2)根據(jù)汽輪機(jī)的應(yīng)力(溫度裕量)和煙氣溫度計(jì)算得出的允許變化速率(0~20MW/min)。
3)根據(jù)高壓汽包壁溫差和二級(jí)減溫進(jìn)口汽溫變化率計(jì)算得出的允許變化速率(0~20MW/min)。
4)根據(jù)高壓汽包壓力的變化率計(jì)算得出的允許變化率(0~20MW/min)。
為了進(jìn)一步說(shuō)明汽輪機(jī)和余熱鍋爐對(duì)負(fù)荷變化速率的影響,相關(guān)參數(shù)變化幅值(速率)對(duì)允許負(fù)荷變化速率的影響見(jiàn)表1。當(dāng)允許速率為20 MW/min時(shí),即表示在該幅值(速率)下的參數(shù)變化不影響變負(fù)荷速率;當(dāng)允許速率為13MW/min時(shí),即表示幅值(速率)放大后負(fù)荷允許變化速率從不受限降低為13MW/min。
經(jīng)過(guò)速率處理后的負(fù)荷指令送給燃機(jī)后,燃機(jī)內(nèi)部也有速率限制,目前按照設(shè)計(jì)值該速率最快為13MW/min。
汽機(jī)啟動(dòng)壓力主要指汽機(jī)暖機(jī)前、中速暖機(jī)、汽機(jī)全速、汽機(jī)偶合后4階段的主蒸汽壓力、再熱蒸汽壓力的設(shè)定值,其定值用于汽機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中各個(gè)階段的高、中壓旁路調(diào)門(mén)和汽機(jī)高、中壓調(diào)門(mén)的壓力控制,具有以下特點(diǎn):
(1)汽機(jī)啟動(dòng)壓力定值為常數(shù),一般主蒸汽壓力定值為8MPa,再熱蒸汽壓力定值為2MPa。
(2)汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)啟動(dòng)的各個(gè)階段蒸汽壓力定值保持不變。
(3)汽機(jī)熱態(tài)啟動(dòng)的蒸汽壓力定值與冷態(tài)、溫態(tài)啟動(dòng)相同。
(4)汽機(jī)啟動(dòng)結(jié)束后直至汽機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)足前,蒸汽壓力仍然保持不變;當(dāng)汽機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)足后,汽機(jī)處于隨動(dòng)的滑壓控制,壓力定值由高、中壓蒸汽流量的函數(shù)設(shè)定。
汽機(jī)啟動(dòng)的負(fù)荷、溫度指令邏輯優(yōu)化在原控制的基礎(chǔ)上增加了(虛線框內(nèi))汽機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷、溫度設(shè)定計(jì)算功能塊和汽機(jī)冷、溫、熱態(tài)啟動(dòng)判斷功能塊,如圖2所示。
圖2 汽機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷、溫度指令優(yōu)化處理示意圖
(1)負(fù)荷、溫度定值實(shí)現(xiàn)三段式設(shè)定,切換三種對(duì)應(yīng)的冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)的負(fù)荷、溫度定值;對(duì)應(yīng)三種狀態(tài)的參數(shù)為65MW/420℃、100MW/500℃、130MW/540℃左右,當(dāng)然受環(huán)境溫度的修正。
(2)汽機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)的各個(gè)階段燃機(jī)負(fù)荷、溫度定值為變負(fù)荷、溫度控制。
(3)汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)暖機(jī)負(fù)荷、溫度控制實(shí)現(xiàn)全過(guò)程程控自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換。
汽機(jī)啟動(dòng)壓力指令邏輯優(yōu)化在原控制的基礎(chǔ)上增加了(虛線框內(nèi))汽機(jī)啟動(dòng)壓力設(shè)定計(jì)算功能塊和汽機(jī)冷、溫、熱態(tài)啟動(dòng)判斷功能塊,如圖3所示。通過(guò)汽機(jī)冷、溫、熱態(tài)啟動(dòng)判斷功能塊對(duì)壓力設(shè)定計(jì)算功能塊設(shè)置而具備以下功能:
(1)汽機(jī)啟動(dòng)壓力定值實(shí)現(xiàn)三段式設(shè)定,切換為三種對(duì)應(yīng)的冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)的壓力定值,對(duì)應(yīng)三種狀態(tài)的參數(shù)為5、6.5、8MPa左右(高壓)。
(2)汽機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)的各個(gè)階段壓力定值為變壓力定值控制。
圖3 汽機(jī)啟動(dòng)壓力指令優(yōu)化處理示意圖
(3)汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)暖機(jī)各壓力參數(shù)控制實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)程控?zé)o擾動(dòng)切換。
(1)汽機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷、溫度定值三段式控制的實(shí)現(xiàn)使冷態(tài)暖機(jī)時(shí)間至少減少一半以上,原冷態(tài)暖機(jī)時(shí)間至少7h且暖機(jī)負(fù)荷減少一半,原冷態(tài)暖機(jī)負(fù)荷至少130MW,大大降低了機(jī)組氣耗。
(2)汽機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)的各個(gè)階段燃機(jī)負(fù)荷、溫度定值變化功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步保證汽機(jī)暖機(jī)升速過(guò)程中汽缸、高中壓轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力有足夠的裕量,使汽機(jī)軸系振動(dòng)、位移等參數(shù)在合理范圍內(nèi)。
(3)溫態(tài)暖機(jī)時(shí)間不變,但暖機(jī)負(fù)荷減少50 MW,同樣降低了機(jī)組氣耗。
(4)汽機(jī)啟動(dòng)壓力定值三段式控制的實(shí)現(xiàn)使汽機(jī)冷態(tài)暖機(jī)階段的高壓調(diào)門(mén)開(kāi)度增大到8%以上(原模式為2%),加快了高壓缸升溫速度并使調(diào)門(mén)節(jié)流大幅度降低。
(5)汽機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)的各個(gè)階段壓力定值變化功能的實(shí)現(xiàn)使汽機(jī)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)各個(gè)階段的汽機(jī)旁路調(diào)門(mén)、汽機(jī)調(diào)門(mén)處于最佳控制點(diǎn),徹底提高了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。
(6)具體優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)效益說(shuō)明(運(yùn)行提供):經(jīng)濟(jì)效益的比較可以采取多種方法,這里所采取的方法是,當(dāng)以并網(wǎng)到聯(lián)合循環(huán)負(fù)荷達(dá)到300MW為比較區(qū)間,新暖機(jī)方法所消耗的天然氣和時(shí)間都比西門(mén)子原始設(shè)計(jì)的方法少,但是,因?yàn)楹臅r(shí)長(zhǎng),所以西門(mén)子原始方式下的冷態(tài)暖機(jī)累計(jì)電量是高于新暖機(jī)方法的。因此,以采取新暖機(jī)方法時(shí),發(fā)電量達(dá)到原始暖機(jī)方式結(jié)束后機(jī)組出力上升到300MW時(shí)間段內(nèi)的累計(jì)發(fā)電量為準(zhǔn),計(jì)算這段時(shí)間內(nèi),采用新方法暖機(jī)的天然氣消耗能夠減小的量計(jì)算公式為
總體經(jīng)濟(jì)效益=天然氣單價(jià)×[原始暖機(jī)耗氣-新暖機(jī)耗氣-(原始暖機(jī)電量-新暖機(jī)電量)/30×300MW時(shí)單位小時(shí)耗氣]
新、舊冷態(tài)暖機(jī)方式下的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 新舊冷態(tài)暖機(jī)方式下相關(guān)參數(shù)
按照前面所列計(jì)算方法,得到:
總體經(jīng)濟(jì)效益=2.39×[32.88-15.11-(98.52-37.69)/30×5.56]×104=15.45×104(元)
所以采用新的冷態(tài)啟動(dòng)方式,每次可比采用原始冷態(tài)啟動(dòng)方式節(jié)約15.45萬(wàn)元。
2012年,電廠的冷態(tài)啟動(dòng)次數(shù)為22次,2011年為38次,平均為30次。按照每年平均冷態(tài)啟動(dòng)次數(shù)為30次計(jì)算,如果在80MW負(fù)荷進(jìn)行汽機(jī)冷態(tài)暖機(jī),則可創(chuàng)造的直接經(jīng)濟(jì)效益約達(dá)463.5萬(wàn)元。
此次汽機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)優(yōu)化的開(kāi)發(fā)成功標(biāo)志著我廠在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)控制技術(shù)的自主開(kāi)發(fā)上走向成熟,也標(biāo)志著節(jié)能減排工作進(jìn)入新階段,此技術(shù)目前處于國(guó)內(nèi)外燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)領(lǐng)先地位,此項(xiàng)目已獲華能2013年科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)和第四屆全國(guó)電力行業(yè)設(shè)備管理創(chuàng)新成果二等獎(jiǎng)。