1 000 MW机组重要辅助系统旁路门控制优化研究

2018-06-11范永江

浙江电力 2018年5期

范永江

（神华国华宁海电厂，浙江宁波 315612）

0 引言

大型火力发电厂许多重要辅助系统均配置了旁路门，如给水旁路门、定子冷却水旁路门、发电机冷氢温度调节旁路门，这些系统的旁路门通常不是调节门，而是普通的带中停的电动门。正常运行时，这些旁路门是关闭的。在一些异常工况下，系统主回路的调节门发生故障，造成主调节门异常关闭，使被控对象失去控制，对机组安全运行造成很大影响，严重时导致跳机事故的发生。此时，及时开启旁路门能避免事故的发生，或防止事件进一步扩大。

某火力发电厂2×1 000 MW机组汽轮机是上海汽轮机有限公司采用德国西门子公司技术生产的超超临界一次中间再热双背压凝汽式汽轮机，其型号为1000/26.25/600/600（TC4F）；型式为高中压联合启动、超超临界、一次中间再热、单轴、双背压、四缸四排汽。锅炉为上海锅炉厂有限公司引进Alstom-Power公司的1 000 MW超超临界一次再热、单炉膛单切圆燃烧直流炉，其型号为SG3091/27.56-M54X。

汽轮机采用定-滑-定运行方式。单元机组采用炉、机、电单元控制室集中控制方式，发电机采用水-氢-氢冷却方式。

DEH（数字式电液控制系统）设置冷氢温度高保护，其原理为：用于冷却发电机的氢气在其工作压力下对应的露点很低，一般稍低于其工作温度，如果定冷水温度比其低的话，会造成冷氢结露，影响其冷却效果，进而影响发电机正常工作。1 000 MW机组在实际运行中，发电机冷氢温度在38~41℃，发电机定子线圈进水温度在40~45℃，为了防止上面定冷水比冷氢温度低这种情况发生，必须要保证冷氢温度比定冷水温度低，所以该机组设计冷氢温度高保护逻辑。

1 主调节门故障引起跳机事件经过

1.1 ETS（汽轮机跳闸保护系统）动作前机组状态

2月15日11∶42，5号机组负荷793 MW，协调投入，AGC（自动发电控制）方式，主蒸汽压力23.2 MPa，主蒸汽温度590.7℃，再热蒸汽压力4.16 MPa，再热蒸汽温度561.29℃，总煤量267.6 t/h，总给水量2 190 t/h，总风量2 291 t/h，A，B，C，D，E共5套制粉系统运行，主机真空-99.88 kPa，5A和5B真空泵运行，5A和5B汽泵运行，双引、双送、双一次风机运行，脱硫、脱硝系统运行正常。

1.2 事件经过

2 月 15 日 11∶42∶39∶708， 5 号机组汽轮机 ETS动作，首出原因为发电机冷氢B温度高。

2月 15日 11∶41∶19， 5 号机组负荷 793 MW，发电机氢冷却器冷却水回水可调气动门反馈由23.96%升至 71.42%；11∶41∶37，A 侧、B 侧 6点冷氢温度均开始上升；11∶42∶09时，温度升到报警值48℃，DCS（分散控制系统）操作员站发出5号机冷氢温度高报警，大屏光字牌“COLD H2 TEMP H”报警；11∶42∶38时，B侧 3个冷氢温度超过 53℃跳机值（3选2逻辑，A侧冷氢温度高温度也同时升高，滞后于B侧9 s达到53℃跳机值），延时1 s后，B侧冷氢温度高ETS保护动作，汽轮机跳闸，发电机解列，高旁动作，锅炉维持运行。跳机前后阀位、指令、温度历史趋势见图1。

图1 跳机前后阀位、指令、温度历史趋势

1.3 故障处理

ETS动作后，立即去就地检查发电机氢冷却器冷却水回水可调气动门（气动门型号为COPES-VULCAN 0810-150609-1-2，定位器为SIEMENS 6DR5210-OEN00-0AA0）。在检查中发现：发电机氢冷却器冷却水回水可调气动门定位器反馈大部分时间指示在72%，偶尔跳变到0%。当定位器反馈指示在72%时，调门实际阀杆处于关到位状态，而当定位器反馈跳变时，调门实际阀位也处于波动状态，跳机前后发电机氢冷却器冷却水回水可调气动门阀位反馈与指令趋势见图2，可见阀位反馈大幅波动跳变。为判断发电机氢冷却器冷却水回水可调气动门本体是否故障，进行了调门开启试验：将调门开启，用听棒听见水流声；试验时，调门开度最大开启60%，闭冷水泵出口压力由0.85 MPa下降到0.79 MPa。通过试验，可以判断西门子定位器故障，而调门本体无故障，阀芯无脱落现象。因此，更换发电机氢冷却器冷却水回水可调气动门的西门子定位器，更换后恢复系统重新开机。

图2 跳机前后阀位趋势

在此次事件中，由于发电机氢冷却器冷却水回水可调气动门就地定位器故障，使该气动门关闭，造成发电机氢冷却器冷却水中断，使冷氢温度在80 s内由40.9℃迅速升高至53℃，造成5号机组冷氢温度高ETS保护动作，使汽轮机跳闸，发电机解列。

2 旁路门控制逻辑修改设想

造成ETS动作的直接原因是：发电机氢冷却器冷却水回水可调气动门的定位器故障，导致氢冷却器冷却水主管路断水，如果氢冷器旁路门在冷氢温度达报警值时能及时开启，则可以避免冷却器回路断水，从而降低或延缓故障，避免事故的进一步扩大。

为此，提出旁路门参与控制的设想：当主调节门故障关闭时，旁路门及时打开，参与控制；当系统恢复正常时，旁路门根据实际情况手动关闭。旁路门参加控制作为设备故障的应急手段之一，可以提高设备运行的安全性。

由于旁路门与主管路的管径大部分是一致的，也有个别旁路门管径与主管路尺寸不一样，所以旁路门打开的方式、开度、开启时间等要通过试验来验证，并根据试验结果来设计旁路门参与控制的逻辑。

3 旁路门开启试验

旁路门开启试验的目的是确定主调节门故障时旁路门的目标开度，其中，以最大需求流量对应的开度为最大目标开度，此开度为旁路门开启后的开度上限。

以冷氢温度调节门为例，进行旁路门开启试验，验证旁路门开启效果，确定旁路门的目标开度。在机组正常运行时，其冷氢温度调节门开度一般在21%~28%，正常无功需求工况下，其冷氢温度调节门开度为25%时即可满足冷却流量需求。

因此，在冷氢温度调节门开度为25%时，开始进行试验。首先，冷氢温度调门开度由25%左右逐渐切换至旁路电动门调节，最终试验结果显示旁路电动门开度为30%时，与冷氢温度调门25%开度通流量基本一致，如表1所示。

表1 调门、旁路门流量特性

假设旁路门开足仍达不到相应的比例，则直接开足旁路门也会对被调量有相应的影响，可以延缓事故的扩大化。

4 优化后旁路门参与控制的逻辑

以发电机冷氢温度调节旁路门为例，考虑到无法判断主调节门是因为控制器、元件、信号电缆故障，还是主调节门本身故障（如阀芯脱落）。但无论是哪种故障，均表现为被调量“定冷水温度”异常。如果定冷水温度低，对机组的安全性没有影响，但定冷水温度上升则会造成很大的风险。为此，只要针对定冷水温度高进行有针对性的逻辑修改即可。

根据试验结果，得出主调节门故障时旁路门的目标开度，旁路门打开的触发条件是被调量的异常值，该值可以根据机组的实际工况来设定。补充停止打开条件、旁路门关闭的条件就可以设计出带有旁路门的气动、电动调节门的控制逻辑，从而确保异常工况下，旁路门自动开启，快速的动作，确保机组正常运行。

现场的旁路门有3种：带中停的电动门并有开度指示、带中停功能的不带开度指示和全开全关型，针对3种电动旁路门分别制定控制逻辑。

4.1 带中停且有开度指示的电动旁路门控制逻辑

对于带中停功能的电动旁路门，具体逻辑为：

（1）开启阀门的条件：当定冷水温度达到高2值时，立即发出一个脉冲信号去开旁路门。逻辑如图3所示。

图3 旁路门开逻辑

（2）旁路门的停止打开条件：温度降到高1值；运行人员手动停止开门；达到目标开度。

这3个条件是“或”的关系，任一条件满足时，旁路门不再开启而是保持在一定的开度上。

（3）关门条件：由运行人员手动关门。

4.2 带中停但无开度指示的电动旁路门控制逻辑

（1）可以发一个脉冲信号来控制开旁路门的时间，而这个脉冲的脉宽，则需要通过试验来确定，记录1 s脉冲、5 s脉冲、10 s脉冲时该电动门的开度，并根据试验值来确定发出的脉冲宽度，该脉冲的时间即为逻辑图中可调脉冲宽度，开度试验数据见表2。需注意的是，脉冲时间要考虑DCS发出指令经I/O卡件后返回的时间。

表2 脉冲时间与实际开度的对照表

（2）旁路门停止打开条件：温度降到高1值；温度大于高2值脉冲信号取非；运行人员手动停止开门。

这3个条件为“或”的关系，任一条件满足时，旁路门不再开启，停留在一定开度。逻辑如图4所示。

图4 旁路门复位条件

（3）旁路门关闭的指令则仍然为手动指令，此指令由运行人员根据机组的实际工况进行。

4.3 全开全关型电动旁路门的控制

如果不是带中停功能的电动旁路门，而是直接接收开指令、然后直接开到位的电动门，则应增加复位中停功能，需要断掉电动门中的自保持回路，修改电动门的硬接线，并将阀门的开指令改为长信号，而不是脉冲信号。如果无法改变电动门的自保持回路，那么只能实现旁路门全开，此时被调量“定冷水温度”将直线下跌，但即使下跌也只是影响经济性，安全性仍然可以保障。