9F燃机-汽轮机单轴联合循环机组启动过程中汽包水位自动控制策略分析

2015-04-28周阳程途江苏华电戚墅堰发电有限公司江苏常州231011

中国科技纵横 2015年8期

周阳　程途（江苏华电戚墅堰发电有限公司，江苏常州 231011）

周阳程途
（江苏华电戚墅堰发电有限公司，江苏常州 231011）

以热力循环为基础的火力发电机组，机组启动到运行、到停机全过程自动是电厂自动化控制的一项重要课题，本文针对9F燃机-汽轮机单轴联合循环发电机组在启动过程中余热锅炉汽包水位控制特点，及本厂9F燃机-汽轮机单轴联合循环发电机组余热锅炉汽包水位自动控制中的一些不足，进行了详细的分析，并提出控制策略建议，以供大家一同探讨。

汽轮机汽包水位温度匹配

随着科技高速发展，大型火力发电机组的启、停、运行，均走向高度自动化，但由于各电厂热力系统不尽相同，存在各种差异，再加上设备状况参差不齐，在自动化实现上总存在着各种问题，本文针对9F燃机－汽轮机单轴联合循环机组在汽包水位自动化控制中所遇到的问题，进行一些分析、提出建议，以供大家一同探讨。

1　现高、中、低压汽包全程自动控制所面临的问题

9F燃机－汽轮机单轴联合循环机组所配套的余热锅炉（以下简称余炉）为三压三汽包锅炉，由高、中、低压三个系统组成。该型机组的启动又分冷、温和极热三种状态，这三种状态是按汽轮机高压内上缸壁温决定的。燃机在启动温度匹配过程中，其排烟温度受汽轮机缸温控制，排烟温度在371℃至566℃之间变化。机组停机后，汽轮机缸温的下降是一个缓慢的过程，而停机后余炉温度的下降要比汽轮机缸温下降的快得多。正常情况下，余炉要比汽轮机提前3天降至室温。非正常情况下，如余炉抢修、放水，1天后甚至6小时左右，余炉压力即可降至0，余炉在很短时间内即可接近常温，而此时汽轮机缸温可能还有400℃左右，机组启动后，匹配温度较高。由于烟温/水温差较大，造成余炉水位在机组启动阶段的控制存在着许多复杂性。

1.1汽轮机、余热锅炉均为冷态

（余炉的冷、热态由于没有统一规定，这里根据本文要求暂定：冷态，余炉汽包压力均为0，所有省煤器内水温接近于室温；热态，高压汽包压力≥3.7MPa，高压省煤器出口水温≥150℃。汽轮机依据规程，高压内上缸温度≤204℃为冷态，≥204℃为热态。——下同）冷态时，燃机启动后的匹配温度为371℃，燃机排烟温度低，温度匹配时间长，汽轮机加载时间长，炉水膨胀剧烈程度低，高、中、低压炉水依次膨胀，且为正向膨胀。在机组启动过程中，高压汽包水位一般升高300mm左右，中压汽包水位升高150mm左右，低压汽包水位升高300mm左右。造成水位升高的原因有：

（1）省煤器、蒸发器中水受热膨胀。（2）蒸发器中水蒸发，出现大量的汽泡，造成水位升高。（3）给水调整阀内漏。（4）旁路开启、主蒸汽阀开启等等，造成汽包压力下降，引起虚假水位升高。（5）低压汽包还存在由于凝汽器水位过高，为减少向系统外排水，而过度进水现象。

1.2汽轮机、余炉均为热态

此时燃机启动后的匹配温度为471℃以上，燃机排烟温度高，温度匹配时间短，汽轮机加载时间短，炉水膨胀剧烈程度相对较低，由于余炉的高、中压部分温度相对较高，机组启动后在鼓风作用下，高、中压部分的热量被吹到低压部分，造成余热锅炉低压部分升温升压快，而高、中压部分由于机组启动后有一个冷拖及点火并网后排烟温度存在一个低温区的过程，高压部分的炉水会出现一个降温、水位一定幅度下降的过程。中压部分则变化不大。当燃机排烟温度由于受温度匹配的控制快速升高，超过高压炉水温度后，此时高、中压汽包水位开始升高，其升高的速度与燃机排烟温度和炉水的温差成一定的比例关系。在机组热态启动过程中，高压汽包水位一般可升高200mm左右，中压汽包水位升高100mm左右，低压汽包水位升高250mm左右。

1.3汽轮机为温/热态、余炉为冷态

此种情况一般出现在机组停运24小时后（和余炉的保温性能有关），或由于某些检修等特殊情况，余热锅炉温度被快速降低。在此工况下由于燃机温度匹配时排烟温度较高，炉水膨胀剧烈，高、中、低压汽包水位快速升高，且幅值大。如果水位调整不及时，或不能做到先期调节，高压汽包水位可升高350mm左右，中压汽包水位可升高200mm左右，低压汽包水位升高300mm左右，此状态下极易造成机组因汽包水位高而跳闸。

2　汽包水位自动调节策略及建议

由于存在上述问题，因此在设计汽包水位自动调节时应分为两段，一为机组启动阶段，一为机组正常运行阶段。由于机组在停机阶段时，其汽水循环尚在，炉水降温均匀，所以水位波动不大。

2.1机组启动前的汽包水位限定

由于汽包水位升高有上述5种原因（见：造成水位升高的原因），因此首先应控制好机组启动前的汽包水位。各汽包在启动前保持一个适当的较低水位是给炉水膨胀留出空间，同时这个水位还要兼顾因机组启动过程中冷拖及低负荷阶段时，对余炉冷却造成的水位下降，以防止机组低水位跳闸。根据运行经验及对余炉汽水系统的计算，高压汽包合适的启动允许水位是－610mm～－280mm，中压汽包水位允许启动是－190mm～－50mm，低压汽包水位允许启动条件是－1322mm～－300mm。凝汽器水位的高低也应在机组启动前加以限制，水位以400～550mm之间为佳，可以使凝汽器具备一个安全的水容积，可以承受一定的过度充水。

2.2利用蒸发器的定期排污阀控制汽包水位

由于机组启动后，余炉升到一定压力必须有一个炉水排污的过程，因此可以把高、中压蒸发器的定期排污也纳入机组启动过程中的水位调节中去，这样可以既起到启动中余炉的排污作用，又可以更好地控制汽包水位。可设定机组启动阶段，高、中压汽包压力＞0.5MPa，且机组点火成功后，高、中压给水泵运行时，此时当实际水位高过汽包水位自动调节的设定值50mm时，发短脉冲开对应的定期排污阀，使水位下降或减缓水位升高。当水位正常后自动关闭（手动开启定期排污阀则不受此逻辑控制），但当汽包水位达低一值时强制发关短脉冲信号，关相应的定期排污阀。

2.3启动阶段汽包水位自动值的设定

在机组启动阶段对汽包水位的自动设定值的确定是有一定难度的，因为不同的启动状态有不同的启动水位要求，这里有机组冷热态特性，还有阀门、设备、系统、人员等问题。因此这个问题可以交给运行人员去解决，只要这个设定值在机组启动允许范围内，DCS均应确认水位设定有效，并作为启动水位自动控制使用。

2.4机组水位自动调节的启动阶段与正常运行阶段的分界点

机组水位自动调节的启动阶段与正常运行阶段的分界点可以

选择在250MW，即机组负荷达250MW后，机组水位自动控制进入正常运行模式，且此时即使负荷再返回到250MW以下，启动阶段的水位控制相关逻辑也不会再投入，直到下次机组启动。如此时高、中、低压汽包水位偏低（高压汽包水位＜－280mm、中压汽包水位＜－50mm、低压汽包水位＜－300mm）可作一次提醒告警，告知相应汽包水位偏低。对于汽包水位调节过程中单冲量及三冲量的转换则不受上述逻辑的影响，只需在原DCS上根据水位调整情况进行适当完善即可。由于部分机组启动时的相关水位控制用限制逻辑早在2 5 0 M W前就已退出，此时的负荷点主要是一个象征作用，主要用于对运行人员的提醒，以及对启动时投用的相关逻辑进行一个检视。

2.5中压并汽阶段中压汽包水位波动问题

启动并汽阶段中压汽包的水位波动主要问题是：中压过热器向再热器并汽过程中由于蒸汽流量、压力出现波动变化对汽包产生影响，造成“虚假水位”形成水位上下大幅波动。流量、压力出现波动变化的主要原因是阀门开启的初始阶段，阀门稍开5%，即可造成中压汽包水位突升80mm以上，此情况与阀门线性有关，也和汽包汽水循环不足有关，通过改变中压过热器压力调节阀的调节特性及阀门线性，以及通过开大中压旁路及开启中压蒸发器定期排污阀加强汽水流通，可以改善中压汽包的压力波动情况，有利于改善中压汽包在机组中压并汽阶段的水位波动现象。

中压过热器出口压力调节与中压旁路压力调节在中压并汽过程中应实现平稳切换，如采用自动方式，应设置“并汽指令按钮”，“并汽指令按钮”的投入需符合中压并汽条件。当并“汽指令按钮”激活后，中压过热器出口压力调节阀在自动状态下维持汽包压力，中压旁路压力调节阀则以一定的速率缓慢下关，当中压汽包水位下跌较快，与水位自动设定值偏差达－50mm时，中压旁路压力调节阀停止关闭，保持开度不变，直到中压汽包水位与水位自动设定值偏差＜－50mm时，继续下关，直到关到0%，当中压旁路压力调节阀开度＜2%后（表示阀门关闭），将中压旁路自动设定值由当前值加上0.24MPa，并小于上限，即保持中压旁路在机组正常运行始终处于关闭状态，直到汽轮机卸载或中压过热器超压。一但汽轮机卸载、中压过热器出口压力调节阀关闭，中压旁路自动设定值将回到当前值，参与中压汽包压力调节，同时也尽可能减小中压汽包的水位波动，同时“并汽指令按钮”自动退出。