600MW供熱機組的供熱控制方案及應(yīng)用

文愛民

（福建鴻山熱電有限責任公司，泉州 362712）

福建鴻山熱電廠兩臺超臨界抽汽凝汽式汽輪機，單機額定功率600MW，最大功率677MW，最大供熱抽汽流量為950t／h，是我國首臺單機供熱流量達到500t／h的大容量抽汽供熱機組，為泉州石獅市的祥芝、鴻山、錦尚沿海三鎮(zhèn)的印染企業(yè)提供工業(yè)用熱。自2010年1月投產(chǎn)以來，熱負荷長期保持在400t／h以上，最大達到550t／h。

1 供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鴻山熱電廠位于石獅三鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)中心，供熱管網(wǎng)分為南線和北線，2臺機組的4段抽汽經(jīng)過噴水減溫后匯流至同1根母管向外供熱，兩條供熱管路負荷相當。熱負荷較低時采用單機供熱，熱負荷較高時可根據(jù)需要2臺機組協(xié)同供熱。

600MW汽輪機為一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、抽汽凝汽式，共有8級非調(diào)整抽汽：供熱抽汽位于第4段，該段同時也為除氧器、給水泵汽輪機供汽；另外7段分別為高、低壓加熱器供汽。單元機組供熱抽汽設(shè)置兩根抽汽管道，分為A側(cè)和B側(cè)；兩側(cè)各安裝了三個閥門，順著蒸汽流向，依次為供熱抽汽逆止閥（帶氣動快關(guān)功能）、供熱抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥（液動閥）和供熱抽汽減溫水后電動門。供熱抽汽管道布置比較復雜，增加了控制的難度。

機組中壓缸至低壓缸之間的連通管上安裝了LCV閥，該閥由閥門位置反饋組件、閥門控制器、電液伺服閥和油動機組成。LCV閥的開度采用比例、微分控制，當閥門控制器接收到DEH發(fā)送的0～20mA的指令時，控制器輸出電流信號，經(jīng)過電液伺服閥轉(zhuǎn)換成油動機的調(diào)節(jié)油壓控制閥門的開度。為了減少管道的節(jié)流損失，純凝工況下該閥門處于全開狀態(tài)；當機組進入供熱工況時利用該閥門開度控制供熱抽汽壓力。

2 供熱抽汽的安全控制

由于南北供熱管道總長度大于10km，管道容積大，一旦汽輪機負荷突然下降，低壓缸蒸汽壓力就會低于供熱母管壓力、蒸汽從供熱管道倒流進入汽輪機低壓缸，造成機組超速或者汽輪機葉片損壞等嚴重事故。因此，機組除了具有常規(guī)發(fā)電機組安全保護措施外，還設(shè)置了快速切斷機組與供熱母管連接的功能，該功能通過快速關(guān)閉分別布置在供熱抽汽A側(cè)管道和B側(cè)管道上的三個閥門來實現(xiàn)。由于供熱抽汽改變了汽輪機的配汽結(jié)構(gòu)，可能危及中、低壓缸末級葉片安全，因而控制系統(tǒng)必須設(shè)置中壓缸出口排汽壓力保護、低壓缸入口壓力保護功能。為了防止發(fā)電機甩電負荷時超速，需要設(shè)置供熱工況下的甩負荷超速保護功能。整體的控制策略有以下幾方面。

1）供熱切除條件（任一條件觸發(fā)）當機組負荷小于320MW，或者發(fā)生手動切除供熱、發(fā)電機解列、機組RB（單臺磨煤機RB除外）、汽輪機跳閘、A／B兩側(cè)供熱被同時切除、OPC動作、供熱母管管溫超過280℃等事件時，系統(tǒng)發(fā)出中斷供熱指令，連鎖關(guān)閉A／B兩側(cè)的供熱抽汽逆止閥、供熱抽汽快關(guān)閥和供熱抽汽減溫水后電動門。

2）單側(cè)供熱切除 DCS一旦收到A側(cè)或者B側(cè)中供熱抽汽快關(guān)閥、供熱抽汽逆止閥或者供熱抽汽減溫水后電動門的某個閥門已關(guān)信號，立即發(fā)出關(guān)閉同側(cè)另外兩個閥門的指令，停止該側(cè)供熱。機組另一側(cè)維持供熱不受影響。

3）中壓缸出口排汽壓力保護 當中壓缸出口壓力低于0.65MPa或者高于1.25MPa時，發(fā)出停機指令。

4）低壓缸入口壓力保護 當?shù)蛪焊椎娜肟趬毫^低時，發(fā)出報警并請求手動停機。

5）供熱工況下甩電負荷 機組在供熱工況下運行，一旦發(fā)生甩電負荷控制系統(tǒng)連鎖切除供熱，同時關(guān)閉LCV閥阻止汽機超速。如果發(fā)出切除供熱指令經(jīng)過10s后控制系統(tǒng)未收到A／B兩側(cè)都有一個閥門關(guān)閉的信號，就會發(fā)出報警信號；如果經(jīng)過30s仍然未收到這樣的信號就發(fā)出停機指令。如果控制系統(tǒng)接收到A／B兩側(cè)都已經(jīng)有一個閥門已關(guān)信號，延時2s重啟LCV閥，讓機組維持3 000r／min。如果LCV閥重啟120s后發(fā)現(xiàn)蝶閥開度小于90%，控制系統(tǒng)將認為蝶閥發(fā)生開啟故障，并發(fā)出停機指令。

3 汽輪機供熱抽汽的流量控制

圖1 是 C600／476242／1.0／566／566 型汽 輪機的配汽曲線。當抽汽壓力為1.0MPa時，可以看出機組發(fā)電量與供熱抽汽量的調(diào)節(jié)具有耦合性：如果采用高壓調(diào)節(jié)汽門進行調(diào)節(jié)，那么增加高壓調(diào)節(jié)閥的開度可以同時增大機組發(fā)電量與供熱量，減少高壓調(diào)閥的開度可以同時減少機組發(fā)電量與供熱量。當高壓調(diào)節(jié)閥開度確定后，利用LCV閥可以進一步對發(fā)電量與供熱量進行分配：增加LCV閥的開度可以增加進入低壓缸的蒸汽量和機組的發(fā)電量、減少供熱流量；減少LCV閥的開度可以減少進入低壓缸的蒸汽量和機組的發(fā)電量，增加供熱流量。

圖1 汽輪機配汽曲線

600MW汽輪機組的供熱抽汽的流量可以采用解耦策略來進行控制：利用高壓調(diào)節(jié)汽門開度控制發(fā)電量，利用LCV閥的開度調(diào)節(jié)來控制機組供熱量。如果供熱負荷比較大，流量只需要用LCV閥調(diào)節(jié)，但是在供熱負荷較低時由于LCV閥必須全開，抽汽的壓力和流量只能依靠供熱抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥的節(jié)流作用控制。例如，負荷在400MW時機組的抽汽流量應(yīng)該在420t／h至900t／h之間（見圖1），如果所需要的供熱負荷小于下限420t／h，為了減少供熱抽汽流量，LCV閥已全開，這時可以利用供熱抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥進行制。供熱快關(guān)調(diào)節(jié)閥控制流量具有較大的節(jié)流作用，當供熱汽流較大時能量損失較大，因此在供熱負荷較大供熱抽汽的壓力較高時不能替代LCV閥調(diào)節(jié)流量。

3.1 供熱負荷較大、供熱抽汽壓力大于0.8MPa

供熱抽汽壓力降低后供熱抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥開度會自動減少，當閥門開度減少到60%以下后，一旦遇到抽汽壓力上升到0.8MPa以上，供熱抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥的控制將從自動切換控制為手動控制。無法自動增加該閥門開度，因此供熱抽汽就會因為閥門開度太小出現(xiàn)節(jié)流造成經(jīng)濟損失。為此，當供熱抽汽壓力升至0.8MPa以上，并且負荷穩(wěn)定，就應(yīng)當及時將供熱抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥的開度增加到60%，減少供汽的節(jié)流損失。為此，供熱抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥抽汽壓力一旦大于0.8MPa，如果調(diào)節(jié)閥的控制處在自動狀態(tài)，自動控制狀態(tài)延時300s后觸發(fā)120s脈沖，將供熱快關(guān)調(diào)節(jié)閥以0.5%／s的速度將開度增加到60%；如果調(diào)節(jié)閥的控制處在手動狀態(tài)，則將供熱快關(guān)調(diào)節(jié)閥的下限設(shè)置為0，不限制供熱抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥的開關(guān)速率，保證危急情況下能快速關(guān)閉該閥門。

當供熱抽汽壓力大于0.8MPa時，供熱投入后只要供熱抽汽壓力在正常范圍，發(fā)電機和汽機運行正常，抽汽壓力、低壓缸入口壓力不低于設(shè)定值，就可以將抽汽壓力的調(diào)節(jié)投入自動方式，利用LCV閥為蝶閥進行控制。抽汽壓力的設(shè)定值一般為0.9～1.2MPa。蝶閥采用高壓抗燃油控制，調(diào)節(jié)速度快、壓力特性反應(yīng)迅速，因此從供熱蝶閥收到快關(guān)指令至供熱壓力發(fā)生變化的過程時間短。圖2是在機組負荷保持穩(wěn)定后供熱抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)門開度保持不變的情況下，把供熱抽汽蝶閥開度增加3%，蝶閥后壓力及供熱抽汽量的階躍變化。

圖2 供熱壓力在LCV閥階躍擾動下的響應(yīng)

從圖2中可以清楚地看到，供熱抽汽蝶閥開度改變后，壓力的改變約有3s延時，具有很好的響應(yīng)特性。從圖2中還可以看到，供熱抽汽蝶閥開度增加3%，供熱抽汽流量降低了26t／h，供熱抽汽蝶閥的控制接近線性。

由于LCV閥開度采用比例、微分控制，因此開度變化準確穩(wěn)定。

如圖3所示，將壓力設(shè)定值從1.0MPa連續(xù)地降到0.92MPa時，供熱抽汽蝶閥在PI控制器的控制下緩慢開啟（供熱抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥開度保持），抽汽壓力隨著調(diào)節(jié)閥門的開啟下降，很好地完成對供熱抽汽壓力的控制。

圖3 供熱壓力控制斜坡響應(yīng)

3.2 供熱負荷較小、供熱抽汽壓力小于0.8MPa

快關(guān)調(diào)節(jié)閥是一種蝶閥，工作壓力為0～1.0MPa，在供熱負荷較小供熱并且抽汽壓力小于0.8MPa時，供熱流量調(diào)節(jié)必須采用供熱抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥控制。快關(guān)調(diào)節(jié)閥開度在60%以下時具有流量調(diào)節(jié)的功能，其中開度在5.5%～40%開度與流量具有線性關(guān)系，開度為40%～70%時具有快開流量特性，但當開度增加到70%以上后就無流量調(diào)節(jié)作用。因此在供熱負荷較低時，可以通過調(diào)節(jié)該閥的開度調(diào)節(jié)供熱流量。為了減少供熱抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失，同時保證快關(guān)的作用，供熱抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥開度一般不能大于60%，因此可以調(diào)節(jié)的供熱流量有限。

供熱抽汽分為A側(cè)和B側(cè)，只要中壓缸排汽壓力正常，只要某側(cè)的供熱抽汽管道保持通路并不觸發(fā)供熱切除指令，就可以把該測供熱快關(guān)調(diào)節(jié)閥投入自動控制狀態(tài)。一旦某側(cè)供熱管道改變?yōu)榉峭窌r將觸發(fā)60s脈沖，把同側(cè)供熱抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥強制關(guān)閉，該側(cè)的調(diào)節(jié)閥也將由自動控制切換成手動控制。

在機組負荷保持穩(wěn)定和LCV閥保持開度不變的情況下，進行抽汽壓力對調(diào)節(jié)閥開度階躍的響應(yīng)的試驗，當供熱抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥開度出現(xiàn)3%階躍時，供熱抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥后的壓力及供熱抽汽量變化如圖4所示。

圖4 抽汽壓力對調(diào)節(jié)閥開度階躍的響應(yīng)

可以看出，該機組所采用的供熱抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥具有中壓蝶閥的流量特性，但是該蝶閥的控制有較大的延遲，延遲時間在10s左右。為此采用PI調(diào)節(jié)器提高供熱抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力，實驗結(jié)果表明PI調(diào)節(jié)器的比例作用為0.2、積分時間為18s，效果較好。

圖5 供熱抽汽壓力在熱負荷降低時的響應(yīng)

圖5給出了供熱抽汽壓力調(diào)節(jié)控制自動投入后熱負荷降低時的控制特性曲線。從圖5中的控制特性可以看出，壓力流量的控制效果較好。

4 供熱抽汽溫度調(diào)節(jié)

根據(jù)當?shù)毓嵊脩舻男枨螅摍C組的供熱抽汽溫度應(yīng)該控制在230℃左右。由于噴水減溫的水源取自凝結(jié)水，而自凝結(jié)水的溫度一般約20℃，可是機組的抽汽溫度接近400℃，因此當減溫水噴入減溫裝置后需要一定的時間進行汽化混合，要求溫度傳感器的安裝位置與噴水減溫裝置保持足夠的空間距離，確保溫度測量的準確性。由于原設(shè)計噴水減溫裝置與溫度測量元件距離僅3.5m，溫度測量不準確。因此改造方案在南線供熱支線和北線供熱支線分別設(shè)置3個溫度測點，用于測定噴水減溫后的溫度，測點離噴水減溫裝置距離達到20m以上。正常運行時A側(cè)和B側(cè)的噴水減溫裝置分別控制北線、南線供熱抽汽溫度；由于采用了PI控制實際效果良好，見圖6。可以看到，與改造前相比，改造后供熱溫度更加穩(wěn)定。

圖6 溫度測點改造后供熱抽汽溫度的控制效果

5 結(jié)論

改進的供熱保護、流量控制、溫度控制策略，充分考慮了供熱中的安全性和高效性，在實際應(yīng)用中取得了很好的控制效果，保證了該廠機組的安全性和經(jīng)濟性，同時也很好地兼顧了該地區(qū)熱用戶的需求，取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。