600 MW直接空冷機組背壓飛升保護(hù)邏輯優(yōu)化

王天堃

(神華國能集團(tuán)有限公司，北京 100033)

0 引言

直接空冷技術(shù)是一種節(jié)水、環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，可實現(xiàn)對水資源的循環(huán)利用，在煤電一體化項目中應(yīng)用較多。600 MW直接空冷機組的背壓值是重要的控制與保護(hù)參數(shù)，在夏季高溫時段，背壓參數(shù)不同程度地限制了空冷機組負(fù)荷。受自然大風(fēng)影響，空冷島會出現(xiàn)熱風(fēng)回流現(xiàn)象，可導(dǎo)致背壓飛升、機組跳閘，南非馬廷巴電廠、山西漳山電廠、大同第二發(fā)電公司均發(fā)生過因背壓大幅波動造成保護(hù)動作停機的事件，嚴(yán)重制約了空冷機組的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。因此，避免空冷機組背壓飛升造成保護(hù)動作停機，成為亟待解決的課題[1]。

1 背壓保護(hù)問題分析

神華國能集團(tuán)有限公司的600 MW直接空冷機組多分布在山西、陜西、寧夏、內(nèi)蒙古等偏遠(yuǎn)地區(qū)，全年溫度、風(fēng)速、風(fēng)向變化較大。受多種因素影響，直接空冷汽輪機的背壓頻繁大幅變化，在夏季高溫、大風(fēng)時尤為突出[2]。目前，國內(nèi)直接空冷機組普遍采用在背壓達(dá)報警值之前限制或降低機組出力的控制方式，導(dǎo)致機組頻繁限負(fù)荷運行。在高背壓、低負(fù)荷時，汽輪機末級葉片的蒸汽體積流量和排汽速率大大下降，末級葉片供汽不足，動應(yīng)力急劇增大，可能超過葉片材料的疲勞強度，造成葉片損壞；夏季運行時在自然大風(fēng)的作用下，空冷凝汽器散熱片排出的熱空氣又返回到風(fēng)機入口，導(dǎo)致散熱器入口空氣溫度升高，傳熱溫差減小，嚴(yán)重降低散熱器傳熱效率，造成空冷島出現(xiàn)熱風(fēng)回流現(xiàn)象[3]，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速達(dá)6～9 m/s。風(fēng)向角為180°時，空冷島熱回流對機組背壓的影響最大，嚴(yán)重時可導(dǎo)致背壓高保護(hù)動作停機。為避免上述現(xiàn)象發(fā)生，有2種方法可以嘗試。

(1)提高空冷島風(fēng)機平均轉(zhuǎn)速。直接空冷機組多采用變頻技術(shù)來控制軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)速，以調(diào)節(jié)汽輪機背壓。從經(jīng)濟(jì)運行角度來看，提高風(fēng)機轉(zhuǎn)速可使汽輪機背壓降低，但需對背壓降低多發(fā)的電量與提高風(fēng)機轉(zhuǎn)速多耗的電量進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較[2]。

(2)減少空冷島乏汽進(jìn)汽量。當(dāng)出現(xiàn)空冷島熱風(fēng)回流現(xiàn)象時，機組背壓升高幅度大、速度快，降低進(jìn)入空冷島的乏汽量，可以平衡空冷島瞬間失去的冷卻能力，防止背壓快速升高。但因機組背壓的升高有延遲，當(dāng)運行人員發(fā)現(xiàn)背壓升高時，一般已經(jīng)失去了降負(fù)荷的最佳時機，所以當(dāng)機組背壓升高到一定值時需要通過快減負(fù)荷(RB)來減少汽輪機排汽量，快速降低背壓，使汽輪機恢復(fù)到安全運行區(qū)域，避免機組跳閘。

2 背壓保護(hù)策略優(yōu)化

針對空冷機組背壓飛升問題，按照快速降低空冷島乏汽進(jìn)汽量來控制背壓值的技術(shù)思路，選定某公司600 MW亞臨界直接空冷機組開展背壓保護(hù)優(yōu)化工作。

2.1 優(yōu)化監(jiān)測與報警功能

(1)風(fēng)速、風(fēng)向監(jiān)測。原來安裝在空冷島散熱翅片部位的風(fēng)速及風(fēng)向測量裝置高度偏高，受自然大風(fēng)引起的熱風(fēng)回流影響，未能真實反映出實際的風(fēng)向、風(fēng)速信息。根據(jù)該公司所處的地理環(huán)境特點，將測量裝置移至爐頂上部，以便能及時監(jiān)測到自然風(fēng)向的變化；同時在集控室操作員畫面中增加環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向報警頁面，自然風(fēng)向變化較快且風(fēng)速變化速率達(dá)到一定值時發(fā)出預(yù)警。

(2)背壓報警、預(yù)警。該600 MW直接空冷機組原設(shè)定的背壓報警值與跳機保護(hù)值間隔較小，報警后運行人員必須在較短的時間內(nèi)做出反應(yīng)并正確處理，非常容易出現(xiàn)操作不當(dāng)?shù)那闆r。試驗人員根據(jù)該機組日常運行情況，對監(jiān)測和報警功能進(jìn)行改進(jìn)，重新設(shè)定報警條件，給運行人員創(chuàng)造應(yīng)急處理的時間和機會。參考該機組實際運行工況，在背壓大于46 kPa時增設(shè)報警，提前預(yù)警以保證運行人員有足夠的操作時間降低機組負(fù)荷，減少空冷島乏汽進(jìn)汽量；增設(shè)背壓變化速率報警，通過背壓變化速率判斷功能邏輯，背壓值在1 min內(nèi)增量大于2 kPa即觸發(fā)光子牌聲光報警，運行人員提前按照事故預(yù)想及應(yīng)急處理程序進(jìn)行人工干預(yù)。

2.2 設(shè)計背壓飛升RB功能

為消除自然大風(fēng)引起的背壓飛升影響，最有效的方法就是降低空冷島的乏汽進(jìn)汽量，背壓速率變化較快并達(dá)到設(shè)定值時RB動作，快速調(diào)減機組負(fù)荷[4]。控制策略為：當(dāng)機組背壓超過設(shè)定值，同時背壓飛升速率超過設(shè)定值時機組RB動作，快速減少乏汽進(jìn)汽量，避免汽輪機背壓值上升太快，造成機組跳閘。通過分析歷史數(shù)據(jù)和試驗驗證，將機組各工況下的背壓值與相應(yīng)的背壓飛升速率作為定值組，用于邏輯判斷，相應(yīng)RB條件觸發(fā)后及時甩負(fù)荷。

將空冷島排氣管道兩側(cè)的數(shù)據(jù)信號按照三選中原則進(jìn)行選擇后，再選取兩者中的較大值，然后進(jìn)行測點質(zhì)量判斷，作為背壓飛升RB邏輯判斷值，RB控制邏輯如圖1所示。控制邏輯基于空冷背壓值在不同區(qū)間距離跳閘值的風(fēng)險程度，設(shè)置了不同的判斷速率。主要依據(jù)空冷系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對不同工況下的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算而得到判斷速率。以該600 MW直接空冷機組背壓飛升RB為例，其觸發(fā)條件如下。

圖1 空冷機組背壓飛升RB控制邏輯

(1)機組大于RB動作負(fù)荷設(shè)定值：在負(fù)荷大于410 MW時觸發(fā)RB動作，RB動作后的目標(biāo)值設(shè)定為300 MW，負(fù)荷小于300 MW時復(fù)位。

(2)空冷背壓為48～55 kPa，背壓飛升變化速率大于5 kPa/min；空冷背壓為56～59 kPa，背壓飛升變化速率大于3 kPa/min；空冷背壓大于60 kPa。滿足上述3個條件中的任一條件時觸發(fā)RB動作。

2.3 邏輯設(shè)計技術(shù)要點

為保證空冷機組運行的穩(wěn)定性，必須避免誤動和拒動，需對引入邏輯運算的背壓值模擬量信號進(jìn)行測點數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷，如果信號的質(zhì)量有問題，將閉鎖此功能，防止因信號質(zhì)量問題造成空冷機組RB誤動；排氣管道兩側(cè)背壓值要經(jīng)過比選，選擇最大背壓值作為邏輯判斷依據(jù)。因汽輪機排氣管道兩側(cè)的背壓值可能出現(xiàn)較大偏差，要避免汽輪機背壓高保護(hù)已動作但背壓飛升RB未動作的情況發(fā)生[5]。

不同機組背壓飛升RB動作的負(fù)荷設(shè)定值、背壓變化速率設(shè)定值需根據(jù)機組運行特性區(qū)別對待，通過對機組歷史運行數(shù)據(jù)的分析，尋找當(dāng)環(huán)境急劇惡化時，背壓上升較快的負(fù)荷臨界點，審慎選擇相關(guān)設(shè)定值。

3 保護(hù)優(yōu)化應(yīng)用效果

某年春季，陜西區(qū)域某亞臨界600 MW空冷機組背壓飛升RB動作前，機組負(fù)荷為560 MW，背壓為38 kPa，由于自然大風(fēng)使風(fēng)向、風(fēng)速變化較快，機組背壓值異常波動，背壓迅速攀升至48 kPa，觸發(fā)背壓飛升RB動作，機組快速減負(fù)荷，穩(wěn)定在298 MW，背壓穩(wěn)定在28 kPa。背壓飛升RB動作歷史曲線如圖2所示。

圖2 空冷機組背壓飛升RB動作歷史曲線

從歷史數(shù)據(jù)庫中分析該時間段內(nèi)的相關(guān)參數(shù)曲線，如未設(shè)計空冷飛升RB功能，約3.5 min機組背壓就會達(dá)到背壓保護(hù)動作值，因此背壓飛升RB動作避免發(fā)生了一次機組非計劃停運。

另外，經(jīng)電廠運行人員反饋，在機組運行監(jiān)盤過程中，空冷背壓增量速率報警功能簡單實用，機組背壓達(dá)到飛升RB動作值之前，能夠及時發(fā)出預(yù)警信號，提醒運行人員提前進(jìn)行相關(guān)操作，調(diào)整機組運行，避免機組背壓進(jìn)一步惡化。

4 結(jié)束語

直接空冷機組背壓飛升RB功能的應(yīng)用從控制策略角度降低了由于自然大風(fēng)、熱風(fēng)回流造成機組背壓值急劇上升而導(dǎo)致機組非計劃停運的風(fēng)險。夏季可將空冷機組背壓提高到接近報警值運行，及時提醒運行人員提前干預(yù)，有效減少機組限負(fù)荷次數(shù)；也適用于直接空冷系統(tǒng)多臺風(fēng)機同時出現(xiàn)故障等導(dǎo)致機組背壓突然上升的情況。神華國能集團(tuán)有限公司多臺直接空冷機組均已開展背壓飛升RB邏輯優(yōu)化工作，投入少、效益明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳小強，羅志浩，尹峰.超超臨界1 000 MW機組RB控制策略分析及優(yōu)化[J].熱力發(fā)電，2010，39(7)：72-74.

[2]王琪，劉文平，孫建國，等.600 MW直接空冷機組RB試驗控制策略優(yōu)化與試驗措施完善[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù),2008,26(4)：20-23.

[3]羅建平，張長青，王小成.國華錦界能源有限公司#3機組RB控制策略及試驗[J]. 熱力發(fā)電，2009,38(1)：92-95.

[4]羅志浩，王達(dá)峰，姚文偉.600 MW機組RB功能試驗及其分析[J].熱力發(fā)電，2007,36(7)：62-65.

[5]李華東.超臨界與亞臨界機組RB控制策略比較[J].熱力發(fā)電，2009,38(7)：14-17.