Design of the Control Scheme for Steam Driven Induced Draft Fans

in Large Scale Coal-fired Generation Units

孙　漾　杭莉莉

(中国电力工程顾问集团华东电力设计院 ，上海　200063)

大型燃煤发电机组汽动引风机控制方案设计

Design of the Control Scheme for Steam Driven Induced Draft Fans

in Large Scale Coal-fired Generation Units

孙漾杭莉莉

(中国电力工程顾问集团华东电力设计院 ，上海200063)

摘要：大型燃煤发电机组锅炉常规采用电动引风机。汽动引风机能够大幅提高引风机的运行效率。结合某1 000 MW超超临界燃煤发电机组锅炉汽动引风机改造工程，讨论了采用汽动引风机的优缺点，介绍了汽动引风机改造相关工艺系统及设备，分析了汽动引风机的运行模式，提出了相关的调节、联锁与保护控制需求以及仪表和控制系统设计方案。该方案现已顺利完成安装、调试并投入运行，完全能够满足机组实际生产运行的需要。

关键词：大型燃煤发电机组汽动引风机抽背式控制方案仪表与控制系统设计节能降耗

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，国内1 000 MW级超超临界燃煤机组锅炉常规采用静叶可调轴流电动引风机。电动引风机是机组最大的耗电设备之一[1-2]，其耗电量往往可达单台机组发电量的1.4%以上[3]。大型燃煤发电机组已广泛采用汽轮机驱动给水泵。近年来，国内已有工程开始尝试采用汽轮机驱动引风机。某电厂1号机组为1 000 MW超超临界燃煤发电机组，2007年底正式投运。该机组于2013年进行大修，同时，实施电动引风机改用汽轮机驱动技术改造。本文结合该机组汽动引风机技改工程，介绍了机组原有工艺系统和仪控系统概况，分析了采用汽动引风机的优缺点，描述了汽动引风机的工艺流程，并根据相关工艺系统，探讨了其控制方式和控制要求，提出了仪表和控制系统设计方案。

1原有系统概况

① 工艺系统概况

本机组锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司设计制造的超超临界参数变压运行、带中间混合集箱垂直管圈水冷壁直流炉、单炉膛、一次中间再热、八角双火焰切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构Π型、露天布置燃煤锅炉。汽机为哈尔滨汽轮机厂有限责任公司和日本东芝联合设计制造的超超临界、一次中间再热、凝汽式、单轴、四缸四排汽汽轮机。发电机为哈尔滨电机厂有限责任公司和日本东芝联合设计制造的水氢氢冷却、静态励磁汽轮发电机。

锅炉设置2台50%动叶可调轴流式送风机，2台50%动叶可调轴流式一次风机，2台50%三分仓回转式空气预热器，2台50%静叶可调轴流式引风机。机组设置2×3台高压加热器，4台低压加热器，1台卧式除氧器，2台50%汽动给水泵+1台30%电动给水泵，高、低压二级串联液动旁路。

② 控制系统概况

本机组采用炉、机、电集中控制方式，自动控制系统主要包括分散控制系统(DCS)、汽机数字电液调速系统(DEH)、汽机紧急跳闸系统(ETS)、汽机本体监测仪表(TSI)、给水泵汽机电液调速系统(MEH)、给水泵汽机紧急跳闸系统(METS)、给水泵汽机监测仪表(MTSI)等。

DCS是整套控制系统的核心，采用Emerson公司的Ovation系统。DCS包括分散处理站、人机接口装置和网络通信系统等，负责采集和处理机组运行所需的全部数据、设备顺序启停控制、联锁保护、模拟量调节、炉膛安全监控等，以及机组运行监视、数据显示、报警、性能计算和记录等。单元机组DCS约7 000个I/O点，29对DPU，在电子设备间布置57面控制机柜，就地布置5面远程I/O柜。

DEH采用Toshiba公司的TOSMAP系统，负责控制汽机的转速和负荷。ETS采用与DEH一体化的系统，独立冗余的控制单元，负责监视汽机跳闸信号，当运行参数超过极限时，立即关断汽机进汽，实现紧急停机。TSI对汽机转子、汽缸和轴承等部件运行参数进行连续监视，并将模拟量参数信号、报警或跳闸信号通过硬接线或通信方式送至DCS、DEH、ETS及汽机振动监测和故障诊断系统(TDM)。DEH、ETS及TSI均随汽轮机成套配供。MEH、METS及MTSI随给水泵汽轮机成套配供，负责给水泵汽轮机的监视、控制与保护。MEH、METS采用与DCS相同的硬件组成一体化控制系统。其他如等离子燃烧控制、炉管泄漏监测等系统采用PLC控制，通过硬接线接入机组DCS。

各系统组成一套完整的控制系统，实现对整套机组的运行监视、控制和保护等。

2汽动引风机改造主要工艺系统及设备

电动引风机通常采用静叶挡板进行风量调节。当机组负荷较低时，电动机功率不变，引风机静叶挡板开度较低，截流能量损失严重。汽动引风机采用蒸汽驱动，通过调节转速控制风量，静叶挡板的节流损耗能够被消除。常用的汽轮机有凝汽式和背压式两种。对于热用户较少的电厂，凝汽式汽轮机组更加便于合理回收工质；对于长期稳定对外供热机组，背压式汽轮机能够提供更加灵活的供热方式。因此，采用汽动引风机能够利用锅炉的富余出力，在部分负荷下，尤其是低负荷下提高引风机的运行效率，最多可使引风机消耗的功率减少一半[4]，从而大幅降低厂用电耗，增加售电收益[5]。同时，避免了风机启动过程中大电流对厂用电系统的冲击[6-7]。对于对外供热机组，采用背压机供热能够减少供热蒸汽的节流降压损失，提高售热经济效益[8]。但是，采用汽动引风机将增加机组工艺系统的复杂度、前期设备投资、安装调试及运行维护的工作量。本机组汽动引风机技改采用抽背式汽轮机，其主要相关工艺系统如下。

① 锅炉烟系统

本机组原有2台50%电动引风机A和B。本次汽动引风机技改锅炉烟系统新增一台50%静叶可调轴流式引风机，并新增相应的引风机入口、出口挡板。引风机A和B采用汽轮机驱动，引风机C采用电动机驱动，如图1所示。

图1　锅炉烟系统P&ID图

保留一台电动引风机能够增加机组运行的灵活性和可靠性。在机组启动阶段，本机无法提供汽源，电动引风机可作为机组的启动引风机。当机组正常运行时，可采用两台汽动引风机并列运行、电动引风机备用的方式。当有汽动引风机故障时，可采用一电一汽引风机并列运行的方式。当机组出现Runback工况时[9-10]，可采用电动引风机或单台汽动引风机运行的方式。

② 汽动引风机蒸汽系统

汽动引风机蒸汽系统包括引风机汽机供汽系统、引风机汽机排汽至除氧器蒸汽系统、汽机排汽至辅助蒸汽母管蒸汽系统、抽汽至厂区供热管网蒸汽系统，以及两台机组间的汽机供汽联络管道系统等，如图2所示。引风机汽机进汽来源于机组冷段及锅炉一级再热器出口的混合蒸汽，两台汽机的抽汽母管连接至厂区供热管网，排汽母管连接分别连接至除氧器及机组辅助蒸汽母管。汽动引风机蒸汽系统包括回热和供热两种主要运行模式。回热模式时，引风机汽机排汽全部回到除氧器回收工质。供热模式时，可采用汽机排汽或抽汽对外供应工业蒸汽。

引风机汽机布置在炉后，除氧器及辅助蒸汽母管在炉前主厂房中，管道长度约200 m。因此，在汽机抽汽母管分别接出两路管道,用于启动时对200 m长的排汽管道进行暖管。

为防止汽机进水，在汽机主汽门前设冲管/暖管电动阀，抽汽和排汽管道均设有逆止门。此外，所有管道低点设置疏水点。

图2　汽动引风机蒸汽系统P&ID图

③ 引风机汽轮机本体系统

引风机汽机本体系统包括引风机汽机本体、蒸汽及疏水系统、润滑油系统、控制油系统。汽机本体、蒸汽及疏水系统包括汽机本体、主汽门、主汽调节阀、轴封系统、疏水系统，以及相应的管道及接口等。汽机润滑油系统包括润滑油箱、润滑油泵、排油烟风机、蓄能器、滤油器、冷油器及相应的管道等。汽机控制油系统包括速关组合电磁阀组、数字电液转换器等。

3汽动引风机系统控制方案

1) 汽动引风机蒸汽系统的运行模式

如前所述，汽动引风机蒸汽系统可采用回热和供热两种主要运行模式。不同运行模式下，蒸汽系统的控制方式如下。

(1) 回热模式：排汽至辅汽母管电动阀关闭，排汽至除氧器电动阀全开，引风机汽机的背压控制为滑压运行方式。此时，汽机背压约等于除氧器压力。当除氧器压力高时，开启排汽至辅汽气动调节阀,调节辅助蒸汽母管压力，间接降低除氧器压力。如果背压持续升高，且以上阀门动作无效，则依次开启引风机汽机PCV阀、机械式安全阀降低背压，防止排汽超压。

(2) 供热模式：根据本项目引风机汽机选型可知，引风机汽机供热模式下，单台汽机最大抽汽量为10 t/h，抽汽温度400 ℃左右，压力可达1.5 MPa以上；机组满负荷运行时，排汽流量约80~90 t/h，排汽参数约为1.2 MPa/320 ℃。因此，供热模式总体上可分为采用抽汽的小流量/高参数供热模式和采用排汽的大流量/低参数供热模式两种工况。

① 抽汽供热模式：通过抽汽至供热管道进行供热，每台引风机汽机最大抽汽量不超过10 t/h，机组最大供汽量不超过20 t/h。抽汽至供热气动调节阀维持供热母管压力，通过调节两台汽动引风机的抽汽管道电动球阀开度,保持两台引风机汽机抽汽量基本相同。排汽至除氧器或辅汽母管的气动调节门调节汽机背压。

② 排汽供热模式：排汽至辅助蒸汽管道进行供热，开启排汽至辅汽电动阀，关闭排汽至辅汽气动调节阀和排汽至除氧器电动阀，采用排汽至除氧器气动调节阀调节汽机背压。如果汽机背压高，部分开启排汽至除氧器电动阀，使更多的排汽溢流至除氧器，如果汽机背压及除氧器压力持续升高，开启汽机PCV阀并报警。

2) 汽动引风机系统模拟量调节控制要求

(1) 两台汽动引风机并列运行时，通过调节汽机调门开度调节汽机转速，从而调节引风机转速，控制炉膛压力。当有电动引风机运行时，仍采用引风机静叶开度调节炉膛压力。

(2) 两台引风机并列运行时(两台汽动或一电一汽)，引风机转速应协调控制。

(3) 引风机汽机进汽/排汽温度控制：引风机汽机排汽温度的控制主要通过合理的控制进汽温度来实现。引风机汽机的进汽由两部分混合组成，一部分为温度较低的冷段蒸汽，另一部分为温度较高的一级再热器出口蒸汽。在冷段蒸汽管道设置气动调节阀，调节两部分蒸汽的混合比例，从而调节混合蒸汽温度，进而间接调节引风机排汽温度。

(4) 回热模式下，调节控制系统应维持回热平衡，保证除氧器不超压；供热模式下，调节控制系统应维持热网平衡，在系统安全的前提下，维持供热母管压力。

3) 汽动引风机系统顺控、联锁与保护

汽动引风机相关系统至少应实现以下顺控、联锁及保护功能。

(1) 引风机、引风机汽轮机及相关辅助设备的保护。

① 引风机防喘振保护、引风机轴承及电机防超温保护。

② 引风机汽机进汽过热度低，停机保护。

③ 引风机汽机排汽温度过高，停机保护。

④ 引风机汽机背压高，PCV阀快开，背压高高，安全阀动作。

⑤ 引风机汽机超速、轴位移、振动、轴承温度、润滑油压力保护等。

(2) 机组启动时，可选择采用电动引风机启动或采用邻机汽源驱动汽动引风机进行启动。

(3) 机组运行过程中，汽动引风机可选择采用本机汽源或邻机汽源进行驱动及两路汽源的自动切换。

(4) 机组运行过程中，两台引风机运行时，第三台引风机备用。

(5) 当引风机汽机汽源无法满足进汽及出力要求时(如负荷降低或停机过程中)，退出汽动引风机，联锁启动电动引风机。

(6) 所有疏水点通过工质的过热度对疏水阀进行控制。

(7) 当机组出现Runback工况时，因锅炉出力减小，蒸汽参数下降，考虑机组运行的稳妥性，如采用单台汽动引风机运行方式时，应采用回热模式，切断对外供热，并在可能的情况下，尽量采用电动引风机。

4汽动引风机系统仪表配置及控制系统设计

1) 汽动引风机系统仪表配置

(1) 锅炉烟系统仪表配置

如图1所示，虚线框内的仪表为本次技改工程新增仪表，包括引风机C入口及出口压力、引风机C出口温度、引风机C流量。

(2) 汽动引风机蒸汽系统仪表配置

如图2所示，汽动引风机蒸汽系统仪表配置如下。

① 在引风机汽机进汽母管设置温度仪表，用于引风机汽机进汽温度的调节。

② 引风机汽机进汽管道设置长径喷嘴测量流量，并在喷嘴前设置压力仪表，喷嘴后设置温度仪表，用于流量补偿。

③ 引风机汽机排汽母管设置压力仪表，用于指示汽机背压。

④ 排汽母管靠近汽机房除氧器侧设置温度仪表，用于启动暖管。

⑤ 引风机汽机抽汽管道设置长径喷嘴测量流量，用于调节两台汽机抽汽量平衡。

⑥ 引风机汽机抽汽母管至供热蒸汽管道设置压力、温度仪表，用于指示供热蒸汽参数。

⑦ 疏水点控制：所有疏水点处设置温度、压力仪表并由DCS计算过热度，通过过热度对疏水阀进行控制。

(3) 引风机汽机本体仪表配置

① 汽机排汽设置三重冗余的压力和温度仪表，用于排汽超压及超温联锁保护。

② 汽机本体设置六重冗余的转速仪表，3只用于转速调节，3只用于超速停机保护。

③ 汽机本体设置冗余的轴位移、轴承振动、轴承温度、润滑油压力、调节油压力仪表，用于汽机设备保护。

2) 汽动引风机控制系统设计

如前所述，工艺系统及仪表设计方案确定后，经统计，本次技改工程锅炉烟系统新增I/O点41点，引风机汽机蒸汽系统及汽机本体I/O点共421点。通过对机组原有DCS控制器功能及I/O点分布进行研究，决定将本次技改烟系统新增设备的控制纳入原有DCS烟风系统控制器中。同时，新增2对控制器，分别用于引风机汽机A、B本体(包括引风机汽机MEH及METS)及引风机汽机蒸汽系统的控制。新增控制器仍然采用Emerson公司的Ovation系统，并与原有DCS构成一体化的控制系统。

为实现新增设备/控制器与原有工艺系统/控制器间的可靠协调与联锁，新增的2对控制器与原有DCS系统间设置用于跳闸和重要保护的硬接线信号26点，包括MFT、转速指令与反馈、启动允许、停机、复位信号等。

本次技改新增的2对控制器及其电源、卡件等共4面机柜，另有1面引风机汽机本体监视仪表(MTSI)机柜，布置在机组原有的电子设备间中。新增控制器采用集控室原有操作员站进行监控。

5结束语

本文结合某1 000 MW超超临界机组汽动引风机改造工程，介绍了该机组原有工艺系统、仪表与控制系统配置情况，研究了燃煤机组采用汽轮机驱动引风机的优缺点，描述了本次汽动引风机改造锅炉烟系统、引风机汽机蒸汽系统及引风机汽机本体系统主要工艺系统及设备。根据工艺配置情况，分析并提出了汽动引风机相关系统的运行模式、调节控制与联锁保护要求。根据系统控制功能，提出了系统仪表配置及控制系统设计方案。采用汽动引风机增加了工艺系统的复杂度、前期设备投资及安装调试工作量，但长期运行后，节约厂用电及增加售热收入效果显著。目前，该系统已经顺利完成安装、调试，并已正式投入运行。本文提出的仪表与控制系统设计方案能够满足机组实际生产运行的需要。

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中图分类号：TP273

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502006

修改稿收到日期：2014-07-13。

第一作者孙漾(1984-)，男，2012年毕业于华东理工大学控制科学与工程专业，获博士学位，工程师；主要从事过程建模与控制优化、大型火力发电机组自动化系统的研究。