300 MW直接空冷機組控制系統(tǒng)分析及優(yōu)化

蘭立剛， 吳廣生， 馬 睿， 陳冠華

(四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗所， 成都 610072)

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300 MW直接空冷機組控制系統(tǒng)分析及優(yōu)化

蘭立剛， 吳廣生， 馬 睿， 陳冠華

(四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗所， 成都 610072)

介紹了波黑Stanari 300 MW直接空冷(ACC)機組全程自動控制策略，對ACC步序控制、汽輪機排汽壓力調(diào)節(jié)、順流單元的防凍保護(hù)、逆流單元的除霜邏輯等控制子系統(tǒng)進(jìn)行了分析，對試運過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了改進(jìn)。結(jié)果表明：該方案能夠確保機組安全啟停和經(jīng)濟(jì)運行，并能適應(yīng)各種事故工況，對ACC系統(tǒng)實現(xiàn)全程自動控制有很好的參考作用。

汽輪機； 直接空冷； 步序控制； 排汽壓力調(diào)節(jié)； 防凍保護(hù)； 除霜邏輯

直接空冷(ACC)系統(tǒng)利用空氣通過鼓風(fēng)或者引風(fēng)形式，直接對汽輪機乏汽進(jìn)行冷卻和冷凝。空氣與排汽之間進(jìn)行表面換熱，無需中間冷卻介質(zhì)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活。筆者以波黑Stanari 300 MW ACC機組為例，分析了系統(tǒng)全程自動控制策略，并對調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了改進(jìn)。

1 系統(tǒng)概況

ACC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，主要由進(jìn)汽管道、換熱器(冷凝器)、軸流式冷卻風(fēng)機、抽真空系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)以及相應(yīng)的閥門等組成?？绽鋼Q熱器由順流換熱器和逆流換熱器兩部分組成。鍋爐來的高溫蒸汽經(jīng)汽輪機做功后，再經(jīng)排汽裝置進(jìn)入一根大直徑排汽管道分流，并由蒸汽分配管箱進(jìn)入換熱器管束。大約80%的蒸汽通過順流換熱器冷凝(蒸汽和凝結(jié)水自上而下順流)，20%未冷凝的蒸汽經(jīng)過逆流換熱器冷凝(蒸汽和凝結(jié)水的流動方向相反)。抽真空系統(tǒng)將由于設(shè)備不嚴(yán)密而漏入的空氣及不凝結(jié)氣體從逆流換熱器頂部末端抽走并冷卻分離，排至大氣[1-2]。

圖1 ACC系統(tǒng)示意圖

該300 MW機組ACC系統(tǒng)配置6列(每列5臺)風(fēng)機，其中第1、2、3、5、6列安裝有立管閥。每列第1、3、5個單元為順流換熱器，第2、4個單元為逆流換熱器；第4列為啟動列，無立管閥，其蒸汽分配管末端安裝一個溫度測量儀表，用于檢測啟動時蒸汽的分配。各風(fēng)機均由變頻器控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對汽輪機排汽壓力的調(diào)節(jié)。

2 控制策略

ACC控制系統(tǒng)采用與主機一體化的Symphony Plus控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)包括汽輪機排汽壓力調(diào)節(jié)、風(fēng)機步序控制、順流單元的防凍保護(hù)、逆流單元的除霜邏輯、風(fēng)機單機控制、空冷系統(tǒng)抽汽蝶閥控制等子系統(tǒng)。該機組ACC控制系統(tǒng)不包括真空泵的啟停，系統(tǒng)啟動過程只檢測凝汽器真空(汽輪機排汽壓力)是否滿足啟動條件。

2.1 建立真空

ACC系統(tǒng)啟動前應(yīng)啟動2～3臺真空泵抽真空。在DCS畫面按下“ACC啟動”按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入第00步，打開所有排汽蝶閥、凝結(jié)水閥及旁路快速抽真空閥，建立真空。當(dāng)環(huán)境溫度低于3 ℃時，冬季模式被激活，DCS上顯示“冬季模式”；當(dāng)環(huán)境溫度高于5 ℃時，進(jìn)入夏季模式。冬季模式下，冷凝器真空建立定值為15 kPa；夏季模式下，真空定值為30 kPa。真空建立后可根據(jù)情況手動停運1～2臺真空泵。

冬季ACC系統(tǒng)啟動階段，因供汽流量小，時間長而容易結(jié)冰。因此，在空冷系統(tǒng)啟動階段，必須保證第4列末端排汽溫度在最短時間內(nèi)達(dá)到排汽大管道的蒸汽溫度，如果其溫差大于5 K，則有結(jié)冰風(fēng)險。此條件由運行人員自行判斷，不進(jìn)入邏輯。

2.2 步序控制

當(dāng)控制邏輯檢測到真空建立后，自動關(guān)閉旁路快速抽真空閥，ACC步序進(jìn)入第0步，關(guān)閉所有凝結(jié)水閥和排汽蝶閥，同時將汽輪機排汽壓力調(diào)節(jié)器投入自動，并將所有風(fēng)機手操器投入自動。此時可設(shè)置排汽壓力設(shè)定值；如不設(shè)置排汽壓力設(shè)定值，則排汽壓力設(shè)定值ps等于真空建立值。此后ACC系統(tǒng)根據(jù)ps和汽輪機排汽壓力pm進(jìn)行邏輯判斷，執(zhí)行增減步序指令啟停相應(yīng)空冷風(fēng)機。

步序增減順序見表1。第00步為建立真空階段(所有閥門打開)。冬季模式下，真空建立完畢后，進(jìn)入第0步，此后按順序增減步；夏季模式下，步序器由第00步直接跳至第12步, 此后按順序增減步。只有當(dāng)環(huán)境溫度高于25 ℃時，才允許進(jìn)入第17步。

表1 風(fēng)機啟停步序

注：n表示該單元與系統(tǒng)連接,保持自然冷卻；0表示該列立管閥關(guān)閉，該列脫離系統(tǒng)，不參與冷卻；F30表示風(fēng)機啟動，最大運行頻率30 Hz；F50表示風(fēng)機最大運行頻率50 Hz；F55表示風(fēng)機最大運行頻率55 Hz

2.3pm調(diào)節(jié)

空冷風(fēng)機在步序控制中被啟動，被啟動的風(fēng)機受pm調(diào)節(jié)器控制，其輸出速率為10%/min，輸出范圍為30%～60%(15～30 Hz)。當(dāng)所有風(fēng)機都被啟動后，隨著進(jìn)入空冷島蒸汽流量的增大，空冷凝汽器壓力升高，被啟動的風(fēng)機速度增大。風(fēng)機輸出達(dá)到60%后，隨著空冷凝汽器壓力進(jìn)一步升高，步序?qū)⑦M(jìn)入第16步，風(fēng)機變頻器運行范圍切換至30%～100%(15～50 Hz)。環(huán)境溫度超過25 ℃時，允許步序進(jìn)入第17步，風(fēng)機可進(jìn)行超頻運行，其運行范圍為30%～110%(15～55 Hz)。所有被啟動的風(fēng)機都受pm調(diào)節(jié)器控制，除非防凍保護(hù)或除霜邏輯動作。

2.4 防凍保護(hù)與除霜邏輯

當(dāng)凝結(jié)水溫度低于相應(yīng)排汽溫度時，就意味著發(fā)生了過冷，說明順流管束已經(jīng)存有大量空氣；當(dāng)抽真空溫度過低時，說明逆流管束內(nèi)存有大量空氣。這些空氣為不凝結(jié)氣體，無論如何轉(zhuǎn)動風(fēng)機都無法將其凝結(jié)，降低了凝汽器壓力。在冬季出現(xiàn)過冷時，有必要提高ps以降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速。因此防凍保護(hù)與除霜保護(hù)邏輯只在冬季模式(環(huán)境溫度低于3 ℃)下才會被激活。

2.4.1 防凍保護(hù)

當(dāng)任意列凝結(jié)水溫度低于25 ℃(可根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整)時，順流防凍保護(hù)被激活，并發(fā)出“順流保護(hù)”報警。順流風(fēng)機1、3、5會以10%/min的速度降速到零；或者該列所有凝結(jié)水溫度都不低于35 ℃時，停止降速并以當(dāng)前速度運行；當(dāng)該列所有凝結(jié)水溫度均高于40 ℃時，“順流保護(hù)”報警解除，順流風(fēng)機1、3、5重新接受汽輪機pm調(diào)節(jié)器控制(以10%/min的速度切換至汽輪機pm調(diào)節(jié)器輸出指令)。

當(dāng)任意列抽真空溫度低于25 ℃(可根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整)時，ps自動增加3 kPa并報警。30 min后，如果仍低于25 ℃，則ps再增加3 kPa。

2.4.2 除霜邏輯

在冬季，逆流管束上部排出的空氣中的水分，有時會在管束列管內(nèi)壁形成霜，增加管道的阻力，嚴(yán)重時會把管路堵塞。因此，有必要對逆流管束定時加熱，以便讓熱的空氣將霜除去，這就是除霜邏輯。當(dāng)環(huán)境溫度低于-2 ℃(3取2)時，除霜邏輯動作：按照1～6列2號逆流風(fēng)機，1～6列4號逆流風(fēng)機的順序，輪流停運1臺逆流風(fēng)機，停運的風(fēng)機5 min后恢復(fù)運行并接受pm調(diào)節(jié)器輸出的頻率指令。周而復(fù)始，直至環(huán)境溫度高于0 ℃(3取2)，除霜邏輯退出[1]。

3 問題及優(yōu)化

在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，除霜邏輯動作時，原邏輯未判斷除霜邏輯是否已運行，當(dāng)環(huán)境溫度在-2 ℃波動時，會多次觸發(fā)除霜邏輯，造成逆流風(fēng)機頻繁啟停。因此增加除霜邏輯判斷條件：當(dāng)環(huán)境溫度低于-2 ℃且除霜邏輯未動作時才觸發(fā)除霜邏輯。

在調(diào)試過程中，增加ACC系統(tǒng)手/自動啟動切換邏輯，實現(xiàn)了ACC系統(tǒng)手/自動啟動過程的無擾切換。首先將所有啟動風(fēng)機調(diào)整至相同頻率，然后根據(jù)風(fēng)機啟動臺數(shù)并對照啟動步序表，輸入當(dāng)前步序號，然后按下“ACC啟動”按鈕，系統(tǒng)自動跟蹤到當(dāng)前步序，pm調(diào)節(jié)器輸出自動跟蹤運行風(fēng)機平均頻率反饋并投入自動。

冬季模式下當(dāng)任意列抽真空溫度低于25 ℃，ps自動疊加偏置3 kPa；30 min后仍低于25 ℃時，ps偏置再增加3 kPa。原邏輯當(dāng)抽真空溫度一直低于25 ℃時，ps偏置每隔30 min不斷疊加，而當(dāng)抽真空溫度恢復(fù)時，ps偏置也沒有恢復(fù)措施。因此增加邏輯：當(dāng)抽真空溫度恢復(fù)正常時，ps偏置自動減少3 kPa；同時設(shè)置其限值為±6 kPa，防止ps偏置過大造成pm波動太大[1,5]。

4 應(yīng)用效果

波黑Stanari 300 MW機組在整套啟動及30天滿負(fù)荷試運期間，ACC系統(tǒng)投入全程自動。圖2為2016年3月7日沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)到滿負(fù)荷排汽壓力曲線，圖3為2016年3月18日CCS變負(fù)荷排汽壓力曲線。在沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)升負(fù)荷及變負(fù)荷過程中，ACC系統(tǒng)各項控制功能均能正常運行和相互切換，排汽壓力穩(wěn)定，調(diào)節(jié)效果好，滿足機組正常運行要求。圖4為2016年2月27日引風(fēng)機RB和給水泵RB動作時排汽壓力曲線。RB動作時排汽壓力穩(wěn)定在12 kPa左右，最大偏差為±2 kPa。圖5為2016年2月29日FCB時排汽壓力曲線。FCB動作時，排汽壓力擾動較大，最高上升到25 kPa，但經(jīng)過兩個波峰的過渡過程后，排汽壓力最終仍穩(wěn)定在12 kPa附近。FCB動作時，ACC全程控制系統(tǒng)能夠確保機組不會因為真空下降造成打閘停機，為FCB后再次并網(wǎng)帶負(fù)荷創(chuàng)造了條件。

圖2 沖轉(zhuǎn)到滿負(fù)荷過程排汽壓力曲線

圖3 變負(fù)荷過程排汽壓力曲線

圖4 RB過程排汽壓力曲線

圖5 FCB過程排汽壓力曲線

5 結(jié)語

通過對ACC系統(tǒng)全程控制方案的優(yōu)化和改進(jìn)，波黑Stanari 300 MW ACC機組實現(xiàn)了從建立真空、沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)到滿負(fù)荷全程自動控制；在RB和FCB等事故工況下，該方案同樣具有良好的適應(yīng)性，能夠維持機組的穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運行，確保機組安全啟停，對同類型機組實現(xiàn)全程自動控制有較好參考作用。

[1] 賈玉鳳, 任國華, 宋成祥. 300 MW CFB直接空冷系統(tǒng)防凍控制策略優(yōu)化設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程, 2015, 23(19): 60-62, 65.

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Analysis and Optimization of the Control System in a 300 MW Direct Air-cooling Unit

Lan Ligang, Wu Guangsheng, Ma Rui, Chen Guanhua

(Sichuan Electric Power Industry Commissioning & Test Institute, Chengdu 610072, China)

An introduction is presented to the ACC full automatic control strategy of Stanari 300 MW unit in Bosnia-Herzegovina, together with an analysis on its sub-control systems, such as the ACC sequence control, the turbine exhausting pressure regulation, the freezing protection of parallel cells and the anti-frosting logic of reflux cells, etc. For problems occurring during commissioning and operation of the unit, improvement measures were put forward and taken. Results show that the scheme can help to secure the safety during start up, shutdown and economic operation of the unit, which is applicable to all kinds of accidental conditions, and therefore may serve as a reference for full automatic control of direct air-cooling systems.

steam turbine; direct air-cooling system; sequence control; exhausting pressure regulation; freezing protection; anti-frosting logic

2016-04-13；

2016-05-25

蘭立剛(1981—)，男，工程師，主要從事火電廠熱工自動控制系統(tǒng)調(diào)試與研究。

E-mail: llgbandit@sina.com

TK323

A

1671-086X(2017)02-0140-05