火力发电厂纯凝机组供热改造中控制系统设计分析

刘兵，盖东飞，

(1.华电章丘发电有限公司，济南　250216; 2.山东电力工程咨询院有限公司，济南　250013)



火力发电厂纯凝机组供热改造中控制系统设计分析

刘兵1，盖东飞2，

(1.华电章丘发电有限公司，济南250216; 2.山东电力工程咨询院有限公司，济南250013)

摘要:火电厂中小型纯凝机组存在效率低、煤耗高、污染大等问题，经济效益不很理想，而中小热电联产机组关闭后形成的供热负荷缺口又亟需填补。为适应形势变化，近几年大量的纯凝机组陆续转型为抽凝式热电联产机组。以某电厂容量为2×225 MW +2×300 MW的机组为例，针对亚临界纯凝机组供热改造中存在的问题，选取控制系统和控制逻辑的设计进行分析，并给出针对性建议。

关键词:火力发电厂;纯凝机组;供热改造;热电联产;控制系统

0　引言

目前，我国正处于工业化和城镇化加速发展的时期，随着城市的发展和人民居住条件的改善，热负荷需求不断增加，而大部分城市供热仍以老小型热电、集中锅炉房、分散小锅炉，甚至单户采暖为主，集中供热普及率低、能耗高、环境污染严重，急需改造。电力需求与供给的矛盾已趋于缓和，从宏观调控出发，每年需要的火电装机有一定限度，电网不可能容纳这么多的热电厂上网。由于大部分老小型热电机组技术水平相对较差，机组效率低，发、供电标准煤耗高，经检测鉴定允许延长使用寿命时，在缺乏其他高效热源的条件下，改为供热机组仍可取得一定的节能、环保和经济效益。这些机组与所在供电地区新建设的大容量、高效率纯凝机组相比，发、供电标准煤耗仍有较大差距，均面临“上大压小”的压力，需要找到生存的出路。纯凝机组供热改造不但可以解决热源问题，不占电力平衡指标，而且能够延长机组使用寿命。

1　工程概况

某电厂现容量为2×225 MW +2×300 MW，2台225 MW机组因设备老化、电网负荷等原因年发电1.446 PW·h，设备利用小时数为3215h。综合供电煤耗为375.39g/(kW·h)，厂用电率10.39％，能耗指标越来越高，呈现逐年递增趋势，与国家节能降耗要求的差距越来越大，已不能满足国家对电力企业的要求。随着设备的老化，机组性能严重下降，设备运行经常出现不稳定状态，2台机组经常停用检修，并曾连续停用达3个月之久，严重影响机组的安全、经济运行，并给电网安全带来不利因素。因此，拟拆除二期工程2×225 MW燃煤机组并对三期工程2× 300 MW机组进行改造。

为满足该地区日益增长的热负荷需求，缓解供热紧张局面，发展热电联产改善城市环境，节能减排并提高能源利用率，该电厂计划将三期2台N300－16.7/538/538型300 MW凝汽式汽轮机改造为抽汽凝汽式机组。

纯凝机组供热改造设计方案:额定调整抽汽压力，0.9 MPa;最大调整压力，1.0 MPa;可调整抽汽压力，0.8～1.0 MPa;抽汽温度，约335℃; 2台机组最大供热抽汽量，600 t/h，其中200 t/h为工业用汽，不回收。

2　改造方案

根据汽轮机厂热平衡分析，此次改造工程将热负荷确定为2×300 t/h:非采暖期抽汽量为2×100 t/h，全部为工业用汽，回水率为0;采暖期总抽汽量为2×300 t/h，工业用汽量2×100 t/h，回水率为零，采暖用汽量2×200 t/h，回水率为60％。

抽汽供热系统工艺原理如图1所示。抽汽管道采用母管制布置，从中压缸排汽出口的中、低压缸连通管上引出1根抽汽管道作为采暖供热汽源，连通管上安装1个抽汽调节蝶阀，抽汽口位置在蝶阀之前，通过调整抽汽调节蝶阀开度维持一定的供热压力。抽汽管自连通管引出后依次加装逆止阀、安全阀、快关调节阀、电动闸阀。单机抽汽引出后在汽轮机厂房出口处合并为供热母管，供热母管引出1路支管作为供热除氧器的加热用汽，在支管后的母管上安装有流量计量装置，作为供热贸易结算计量的依据。

图1　抽汽供热系统工艺原理

热网采暖凝结水回水也采用母管制，采暖回水由厂外回至厂内的大气式旋膜供热除氧器，除氧后通过凝结水回水母管送至每台机组的主机除氧器，回水量由单机控制系统负责调节。

供热设备控制的实现根据设备的功能、系统进行划分，公用回水除氧器部分的设备信号接入公用分散控制系统(DCS)，在公用DCS中设计控制逻辑，利用网关将信号接入2台机组的DCS中，单机运行人员通过操作权限的获取来实现对公用部分设备的控制。单机抽汽及回水部分的设备信号则分别引入单机的DCS，由单机的控制系统进行控制、调节。

抽汽管道上装设具有快关功能的液控蝶阀和气动逆止阀各1个:电动闸阀作为汽轮机防进水的第1级保护;气动逆止阀作为防止汽轮机突然甩负荷后的超速保护，兼防止汽轮机进水事故的第2级保护。在抽汽管道上还装有2个安全阀用于保护汽轮机，防止汽轮机超压。

大气式旋膜除氧器加热用蒸汽来自对外供汽管道，为防止汽轮机进水和冷蒸汽对设备造成损坏，加热蒸汽管道上设有必要的止回阀及关断用电动闸阀。除氧器下面设一供热凝结水回水水泵坑，水泵坑里布置有3台50％容量的供热凝结水回水泵，除过氧的凝结水经此回水泵升压后，回水至主厂房内的除氧器。在主厂房内的回水管道上设有流量测量装置和流量调节阀，回水流量与抽汽管道的流量信号形成联锁，通过回水流量调节阀来控制每台机组的回水量。

3　主要控制系统逻辑

为保证主机及供热系统的安全运行，与汽轮机厂、汽轮机数字电液控制系统(DEH)程控厂家及调试单位等共同研究制定了系统的控制逻辑及保护定值。整个控制系统主要分为抽汽供热逻辑、抽汽凝结水回水系统逻辑两部分。其中，抽汽供热逻辑包括抽汽控制、抽汽压力回路调节、抽汽逆止阀控制、抽汽电动闸阀控制、抽汽液动调节快关阀控制、供热抽汽连通管调节阀、抽汽退出、供热控制基本保护等子系统控制逻辑;抽汽凝结水回水系统逻辑包括凝结水回水除氧器水位及压力控制、凝结水回水泵控制、高压除氧器控制等子系统闭环控制逻辑。

为保证机组安全运行，当抽汽压力小于0.8 MPa时应退出抽汽，而抽汽压力(中排压力)超压不需要停机，在供热工况下不需要监视连通管管后进入低压缸的蒸汽压力，连通管液压快关调节阀全关时，应保证低压缸最小通流量的快关阀前压力为0.8 MPa。针对DEH主机保护功能，确定了供热投入、切除条件:机组并网后，负荷大于180 MW时才能抽汽;供热抽汽投入后，负荷低于145 MW(延时5 s)时自动退出抽汽控制。供热投切信号逻辑如图2所示。

图2　供热投切信号逻辑

抽汽控制投入且抽汽在自动控制时主机高调门、供热抽汽连通管调节阀实现联动调节，主机高调门与供热抽汽连通管调节阀单向动作(同向动作)，操作人员在联动调节范围内增减负荷时，抽汽压力基本维持不变。当操作人员增减抽汽压力时，通过DEH电功率回路或协调控制回路保持负荷基本不变。DEH投入抽汽控制后，调节级压力回路不能投入。快速减负荷(RB)发生后，抽汽压力回路自动退出，停止对外供汽。在未投抽汽压力回路时，抽汽的目标及给定类似负荷控制的阀位方式，目标值和给定值为一计算值，不代表实际要求的抽汽压力。控制逻辑如图3所示，图中CCS为协调控制系统。

当机组投入抽汽控制后，抽汽压力控制在牵连调节的同时实现闭环调节，保证抽汽压力稳定。当DEH检测到抽汽压力信号故障时会自动切除该回路，在故障未消除前无法投回路。当该回路投入时，抽汽目标给定值跟踪当前抽汽压力值，抽汽目标给定值即为要求的抽汽压力值，自动状态下，运行人员可设定抽汽压力值及调压速率，确认后控制系统自动按设定的速率调整供热压力至给定值。抽汽投入后，抽汽口最大允许抽汽压力为0.95 MPa，大于此压力DEH闭锁增指令;极限压力值为0.97 MPa，大于此压力DEH切除供热，供热抽汽保护动作。在抽汽投入的情况下突然解列，超速保护控制单元(OPC)动作时先关闭供热抽汽连通管调节阀，再延时打开，避免因供热突然切除，连通管液控蝶阀全开，增加机组低压缸进汽量而引起机组超速。为防止抽汽倒灌，在供热抽汽连通管调节阀打开前，逆止门应关闭。当机组在自动发电量控制(AGC)方式下运行时，为优先保证机组采暖供热，按照“以热定电”的原则，供热负荷作为前馈信号参与锅炉主控;当供热负荷变动时，AGC指令降至180 MW或超过270 MW，自动切除AGC，汽轮机主控切手动，维持一定的供热压力。

图3　控制逻辑

4　改造过程中的主要问题

受供热量的影响，对外供热管道的尺寸较大，直径达到1200 mm，流量测量装置选用了传统的孔板，由于流量孔板尺寸较大，目前国内计量检定部门还没有合适的设备对孔板进行实流标定，流量测量的准确性完全依靠孔板制造厂家的设计、加工能力，供热流量结算时存在一定的争议。针对此问题，可考虑根据实际供热量的大小增加供热旁路管道及流量计量装置，根据供热量的大小选用合适量程的供热管道进行供热，同时因旁路供热管道的管径相对较小，安装的流量计量装置可通过实流标定的方式确定计量的准确性，从而减少供热计量方面存在的争议。

5　结论

供热改造需根据电厂自身情况及周围用电和用汽环境，在确定对外供汽的压力和流量基础上，因地制宜地制定改造方案。该项目利用现有场地，具有投资少、周期短的特点，而且可在机组大修时间完成。改造过程既要重视抽汽供热的效率，又要保证机组运行的安全性，该项目改造完成后已安全运行近2年，不仅提高了电厂运营效益，而且大大缓解了当地的采暖用汽及工业用汽需求，社会和经济效益良好。

参考文献:

［1］马呈霞，张丽娟，张世才，等.300 MW纯凝机组改造为供热机组的控制研究及应用［J］.中国电力，2009，42(2) : 64－66.

［2］许明姝.100 MW机组供热自动控制系统改造［J］.山东电力技术，2003(5) : 76－78.

［3］杨旭中.凝汽轮机组改供热的几个问题［J］.电力勘测设计，2008(6) : 38－40.

(本文责编:白银雷)

刘兵(1967—)，男，山东章丘人，工程师，从事火电厂控制系统的检修及运行维护工作(E-mail: 1580063386@ qq.com)。

盖东飞(1976—)，男，山东莱阳人，高级工程师，从事火电厂控制系统设计方面的工作(E-mail: gaidf@163.com)。

作者简介:

收稿日期:2014－03－20;修回日期:2015－11－20

中图分类号:TM 621.8

文献标志码:B

文章编号:1674－1951(2016)01－0022－03