单炜 李敏娟 姚均天

(中机国能电力工程有限公司,上海 200061)

300MW纯凝机组改为抽凝机组的热工自动化设计

单炜 李敏娟 姚均天

(中机国能电力工程有限公司,上海 200061)

为了满足城市供热需要,秦皇岛热电厂#3和#4纯凝机组将改造为抽凝机组,随着机组性能的改造,汽机数字电液控制系统(DEH)和分散控制系统(DCS)也需进行改造;新增的“供热首站”,将作为公用设备纳入单元机组DCS控制。

纯凝机组改抽凝机组 汽机抽汽调节 热网加热器控制 公用设备的单元化控制

1 系统概述

秦皇岛热电厂一期工程2×2 0 0 M W凝汽抽汽式供热机组于1993年建成投产发电,并后续建成热网供热;二期工程2×300MW凝汽式机组于1996年建成投产发电;三期工程2×300MW凝汽抽汽式供热机组5号机分别于2006年11月、2007年3月建成投产发电。是总容量1600MW的大型区域性热电厂。

改造工程将秦皇岛热电厂二期工程的2×300MW纯凝机组(#3机组和#4机组)改造为抽凝机组,计划单机抽汽量250t/h,增加供热能力以解决当前日益增长的城市集中供热对热源的需求量,并且提高城市的环境质量,减少污染,保证经济发展的可持续性。

2 热工自动化控制要求

改造工程热工自动化控制主要难点。

(1)新增抽汽系统的调节与控制。纯凝机组改造为抽凝机组后,新增加的抽汽管路涉及到汽机本体的改造,在保证抽汽品质的同时,应避免进入低压缸的蒸汽带水。并且新增加的联通管调节阀、抽汽逆止阀、抽汽快关阀、抽汽调节阀如何进行协调控制？

(2)新增“热网首站”的公用设备如何纳入机组单元化控制。#3和#4机组新增加的热网循环水系统,设置2台热网加热器,每台机组的汽机抽汽对应1台热网加热器,2台热网加热器采用串联加热方式对热网循环水进行加热。老厂#3和#4机组的DCS为单元制,彼此相互独立没有配置公用系统,串联加热的循环水回路如何在两台机组上监控？热网公用循环水泵如何控制？循环水供水热量和热网回水流量如何在两台机组DCS中监测？

以上两个控制难题能否解决,直接影响到机组自动化控制水平的高低。

3 控制方案设计

3.1 汽机抽汽系统的调节与控制

在上海汽轮机厂的改造方案中,在汽机中、低压缸连通管加装三通及联通管调节阀。在中、低压缸连通管上引出一根Ф800×16抽汽管,在这根抽汽管上依次加装抽汽逆止阀、抽汽快关阀和抽汽调节阀。

3.1.2 控制要求

根据运行要求,“抽汽压力控制”和“供汽量控制”是抽凝机组改造的关键:

(1)“抽汽压力控制”非常重要,压力控制会影响汽机中压缸排汽的蒸汽品质,如果压力过低,就会造成蒸汽带水,对中压缸末级叶片造成损伤。对抽汽压力的控制,可以通过调节中、低压缸连通管上的“联通管调节阀”来实现,控制低压缸进汽压力,防止压力过低对汽机安全运行造成不利影响。

(2)“供汽量控制”不到位,会影响汽机中压缸排汽至热网加热器的供汽量,而供汽量的多少则直接影响热网循环水的温度。对供汽量控制,可以通过调节抽汽管道上的“抽汽调节阀”来实现,控制抽汽调节阀的开度,进而控制进入热网加热器的供汽量,以适应热网供热量的需求。

3.1.3 热工自动化设计方案

(3)定期清管。应根据管段输送的气质情况、管道的输送效率和输送压差，预测管道内黑粉沉积规律，确定合适的清管周期和工艺[9]。可暂定清管周期为1年，后期根据粉末量再调整，直到找到合适的清管周期。清管前可在黑粉易积聚位置打孔，确定黑粉积聚情况，选择合适的清管工艺。清管时应根据黑粉积聚量，循序渐进，多阶段多次清管，防止一次清出量过多，导致卡堵。同时，也要对上游伴生气输送管线开展清管作业，减少输往下游的黑粉量。

经过设计院与汽机厂技术人员共同研讨,联通管和抽汽管道上新增加的调节阀门与汽机本体的安全运行息息相关,为了控制机组的发电量,同时还要保证热网加热蒸汽的品质,联通管抽汽调节阀、抽汽快关阀和抽汽调节阀纳入DEH控制最为安全可靠。

原厂DEH采用美国西屋公司的DEH III系统(WDPF II系统硬件),现采用北京日立控制系统有限公司的HIACS-5000系统对DEH进行换型改造,以便与机组DCS统一硬件。汽机厂根据抽汽系统的控制要求对DEH的硬件和软件进行设计,共配置了2对DPU,分别由DEH完成以下4个功能:操作员自动控制(OA)、汽轮机超速保护(OPC)、转子应力控制器(RSC)、自动汽轮机控制(ATC)。

增加抽汽控制功能后,在抽汽工况下,由联通管调节阀和抽汽调节阀,协调控制低压缸进汽压力和抽汽压力,达到机组对外稳定供热的目标;在凝汽工况下,联通管调节阀全开、抽汽调节阀全关,确保发电。

DEH新增以下主要控制功能:

(1)凝汽工况和抽汽工况手动切换功能。(2)热网解列或汽机跳闸时,系统自动切换到凝汽工况。(3)抽汽工况汽机OPC时,联通管调节阀瞬间关闭,抽汽调节阀全关,以稳定汽机转速;凝汽工况汽机OPC时,联通管调节阀不动。(4)负荷大于150MW时,抽汽方式允许投入;小于100MW时抽汽方式自动解除。(5)为保证汽机安全运行,根据汽机运行工况设计抽汽压力高、低保护功能,限制联通管调节阀和抽汽调节阀的开度。(6)在凝汽工况时,自动闭锁联通管调节阀和抽汽调节阀的伺服阀,强制打开联通管调节阀,强制关闭抽汽调节阀,以防止阀门误动。(7)DPU故障时,调节阀要能够保位;DPU恢复运行,逻辑能够自动跟踪当前阀门位置,实际开度扰动量不应大于1%。(8)由于其它原因DEH切手动状态,运行人员能够通过软手操,控制调整联通管调节阀和抽汽调节阀开度。(9)抽汽工况初始投入时,联通管调节阀和抽汽调节阀均在手动方式;投入抽汽自动时,联通管调节阀和抽汽调节阀应按照电厂提供的调节阀匹配曲线,按照设定的速率动作,减少对汽轮机组的冲击。

3.2 “热网首站”热网循环水公用设备的机组单元化控制

3.2.1 工艺设计方案

新增的公用系统—— “供热首站”,设置2台热网加热器,每台机组的汽机抽汽对应1台热网加热器。热网循环水回水由外部热网进入供热首站,经热网循环泵(3台变频水泵)升压,进入每台机组的热网加热器,且2台热网加热器采用串联加热热网循环水的方式。热网管道在热网加热器侧设置旁路系统,可以保证热网加热器分别和全部旁路运行,增加热网系统的运行灵活性。

3.2.2 控制要求

为保证机组热效率,根据电厂运行人员要求,以下控制对象仅由单元机组DCS监控:

#3机热网循环泵及泵进、出口电动阀;

#3机热网加热器及加热器进、出口电动阀;

#4机热网循环泵及泵进、出口电动阀;

#4机热网加热器及加热器进、出口电动阀。

为了保证机组供热的灵活性和安全性,要求以下公用设备在#3机组D C S和#4机组D C S均能监控:

公用热网循环泵及泵进、出口电动阀;

热网循环水旁路电动阀;热网供水热量;

热网回水流量。

3.2.3 热工自动化设计方案

(1)公用设备单元化控制。

老厂#3机组和#4机组的DCS相互独立没有配置公用DCS域,如何实现公用控制设备在两台机组上监控的同时,又能节省造价？

经过与电厂运行人员讨论,现场采用信号分配器(即:信号隔离放大器)实现对公用设备的“一进二出”。

信号分配器在自动化控制系统中应用很广,它用来对各种工业信号变送、转 换、隔离、传输、运算的仪表,可与各种工业传感器或检测仪表配合,取回参数信号,进行隔离变送传输,满足用户本地监视远程数据采集的需求。

本工程将两台机组同时需要控制的公用设备的模拟量和开关量信号先接至信号分配器,通过分配器隔离放大后,转换成两个信号分别送入#3机组和#4机组的DCS,采用这种可靠的设计方式既省去了建立DCS公用域,也避免了重复设置热工检测元件,不失为一种节约投资的好方法。

(2)热网循环水系统的控制。1)热网系统的运行方式如下:①#3热网加热器和#4热网加热器串联运行;②#3热网加热器单独运行;③#4热网加热器单独运行。2)循环泵的顺序控制(以下仅列出#3机组控制系统,#4机组控制系统同理):①#3机循环泵的投运:#3机循环泵启动,待升至一定转速后,打开#3机循环泵进口电动阀和#3机循环泵出口电动阀,然后进行升速,以适应供热负荷需求。②#3机循环泵的停运:关闭#3机循环泵进口电动阀和#3机循环泵出口电动阀后,立即停运#3机循环泵。3)热网加热器顺序控制(以下仅列出#3机组控制系统,#4机组控制系统同理):①#3热网加热器的投运:打开#3热网加热器进水电动阀和#3热网加热器出水电动阀,待两个电动阀全开后,关闭#3热网循环水旁路电动阀。②#3热网加热器的切除:先开旁路阀,待旁路阀全开后,再关闭进水阀和出水阀。

采用以上控制方式可以保证热网加热器分别和全部旁路运行,增加了热网系统运行的灵活性。

(3)热量结算。加热后的循环水通过供水母管接至厂区热网循环水总母管,再接至各个热用户。这里的供水需要参与贸易结算,采用在供水母管上安装“流量演算器”来计算供水热量。首先在母管上安装压力(P)、温度(T)和流量(F)检测元件。通过压力和温度参数算出热水的焓,当知道了焓值和流量便可以计算出热量(Q)。

4 结语

本次纯凝机组改为抽凝机组的设计,在保证原有汽机安全运行的前提下,对DEH进行了必要的改造,满足了供热需求,并且节约了投资,最重要的体现就是对供热首站的公用设备采用单元化控制,节省了建立“公用DCS域”的费用。