大型燃煤發電機組汽動引風機控制方案設計

Design of the Control Scheme for Steam Driven Induced Draft Fans

in Large Scale Coal-fired Generation Units

孫　漾　杭莉莉

(中國電力工程顧問集團華東電力設計院 ，上海　200063)

大型燃煤發電機組汽動引風機控制方案設計

Design of the Control Scheme for Steam Driven Induced Draft Fans

in Large Scale Coal-fired Generation Units

孫漾杭莉莉

(中國電力工程顧問集團華東電力設計院 ，上海200063)

摘要：大型燃煤發電機組鍋爐常規采用電動引風機。汽動引風機能夠大幅提高引風機的運行效率。結合某1 000 MW超超臨界燃煤發電機組鍋爐汽動引風機改造工程，討論了采用汽動引風機的優缺點，介紹了汽動引風機改造相關工藝系統及設備，分析了汽動引風機的運行模式，提出了相關的調節、聯鎖與保護控制需求以及儀表和控制系統設計方案。該方案現已順利完成安裝、調試并投入運行，完全能夠滿足機組實際生產運行的需要。

關鍵詞：大型燃煤發電機組汽動引風機抽背式控制方案儀表與控制系統設計節能降耗

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，國內1 000 MW級超超臨界燃煤機組鍋爐常規采用靜葉可調軸流電動引風機。電動引風機是機組最大的耗電設備之一[1-2]，其耗電量往往可達單臺機組發電量的1.4%以上[3]。大型燃煤發電機組已廣泛采用汽輪機驅動給水泵。近年來，國內已有工程開始嘗試采用汽輪機驅動引風機。某電廠1號機組為1 000 MW超超臨界燃煤發電機組，2007年底正式投運。該機組于2013年進行大修，同時，實施電動引風機改用汽輪機驅動技術改造。本文結合該機組汽動引風機技改工程，介紹了機組原有工藝系統和儀控系統概況，分析了采用汽動引風機的優缺點，描述了汽動引風機的工藝流程，并根據相關工藝系統，探討了其控制方式和控制要求，提出了儀表和控制系統設計方案。

1原有系統概況

① 工藝系統概況

本機組鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司設計制造的超超臨界參數變壓運行、帶中間混合集箱垂直管圈水冷壁直流爐、單爐膛、一次中間再熱、八角雙火焰切圓燃燒方式、平衡通風、固態排渣、全鋼懸吊結構Π型、露天布置燃煤鍋爐。汽機為哈爾濱汽輪機廠有限責任公司和日本東芝聯合設計制造的超超臨界、一次中間再熱、凝汽式、單軸、四缸四排汽汽輪機。發電機為哈爾濱電機廠有限責任公司和日本東芝聯合設計制造的水氫氫冷卻、靜態勵磁汽輪發電機。

鍋爐設置2臺50%動葉可調軸流式送風機，2臺50%動葉可調軸流式一次風機，2臺50%三分倉回轉式空氣預熱器，2臺50%靜葉可調軸流式引風機。機組設置2×3臺高壓加熱器，4臺低壓加熱器，1臺臥式除氧器，2臺50%汽動給水泵+1臺30%電動給水泵，高、低壓二級串聯液動旁路。

② 控制系統概況

本機組采用爐、機、電集中控制方式，自動控制系統主要包括分散控制系統(DCS)、汽機數字電液調速系統(DEH)、汽機緊急跳閘系統(ETS)、汽機本體監測儀表(TSI)、給水泵汽機電液調速系統(MEH)、給水泵汽機緊急跳閘系統(METS)、給水泵汽機監測儀表(MTSI)等。

DCS是整套控制系統的核心，采用Emerson公司的Ovation系統。DCS包括分散處理站、人機接口裝置和網絡通信系統等，負責采集和處理機組運行所需的全部數據、設備順序啟停控制、聯鎖保護、模擬量調節、爐膛安全監控等，以及機組運行監視、數據顯示、報警、性能計算和記錄等。單元機組DCS約7 000個I/O點，29對DPU，在電子設備間布置57面控制機柜，就地布置5面遠程I/O柜。

DEH采用Toshiba公司的TOSMAP系統，負責控制汽機的轉速和負荷。ETS采用與DEH一體化的系統，獨立冗余的控制單元，負責監視汽機跳閘信號，當運行參數超過極限時，立即關斷汽機進汽，實現緊急停機。TSI對汽機轉子、汽缸和軸承等部件運行參數進行連續監視，并將模擬量參數信號、報警或跳閘信號通過硬接線或通信方式送至DCS、DEH、ETS及汽機振動監測和故障診斷系統(TDM)。DEH、ETS及TSI均隨汽輪機成套配供。MEH、METS及MTSI隨給水泵汽輪機成套配供，負責給水泵汽輪機的監視、控制與保護。MEH、METS采用與DCS相同的硬件組成一體化控制系統。其他如等離子燃燒控制、爐管泄漏監測等系統采用PLC控制，通過硬接線接入機組DCS。

各系統組成一套完整的控制系統，實現對整套機組的運行監視、控制和保護等。

2汽動引風機改造主要工藝系統及設備

電動引風機通常采用靜葉擋板進行風量調節。當機組負荷較低時，電動機功率不變，引風機靜葉擋板開度較低，截流能量損失嚴重。汽動引風機采用蒸汽驅動，通過調節轉速控制風量，靜葉擋板的節流損耗能夠被消除。常用的汽輪機有凝汽式和背壓式兩種。對于熱用戶較少的電廠，凝汽式汽輪機組更加便于合理回收工質；對于長期穩定對外供熱機組，背壓式汽輪機能夠提供更加靈活的供熱方式。因此，采用汽動引風機能夠利用鍋爐的富余出力，在部分負荷下，尤其是低負荷下提高引風機的運行效率，最多可使引風機消耗的功率減少一半[4]，從而大幅降低廠用電耗，增加售電收益[5]。同時，避免了風機啟動過程中大電流對廠用電系統的沖擊[6-7]。對于對外供熱機組，采用背壓機供熱能夠減少供熱蒸汽的節流降壓損失，提高售熱經濟效益[8]。但是，采用汽動引風機將增加機組工藝系統的復雜度、前期設備投資、安裝調試及運行維護的工作量。本機組汽動引風機技改采用抽背式汽輪機，其主要相關工藝系統如下。

① 鍋爐煙系統

本機組原有2臺50%電動引風機A和B。本次汽動引風機技改鍋爐煙系統新增一臺50%靜葉可調軸流式引風機，并新增相應的引風機入口、出口擋板。引風機A和B采用汽輪機驅動，引風機C采用電動機驅動，如圖1所示。

圖1　鍋爐煙系統P&ID圖

保留一臺電動引風機能夠增加機組運行的靈活性和可靠性。在機組啟動階段，本機無法提供汽源，電動引風機可作為機組的啟動引風機。當機組正常運行時，可采用兩臺汽動引風機并列運行、電動引風機備用的方式。當有汽動引風機故障時，可采用一電一汽引風機并列運行的方式。當機組出現Runback工況時[9-10]，可采用電動引風機或單臺汽動引風機運行的方式。

② 汽動引風機蒸汽系統

汽動引風機蒸汽系統包括引風機汽機供汽系統、引風機汽機排汽至除氧器蒸汽系統、汽機排汽至輔助蒸汽母管蒸汽系統、抽汽至廠區供熱管網蒸汽系統，以及兩臺機組間的汽機供汽聯絡管道系統等，如圖2所示。引風機汽機進汽來源于機組冷段及鍋爐一級再熱器出口的混合蒸汽，兩臺汽機的抽汽母管連接至廠區供熱管網，排汽母管連接分別連接至除氧器及機組輔助蒸汽母管。汽動引風機蒸汽系統包括回熱和供熱兩種主要運行模式。回熱模式時，引風機汽機排汽全部回到除氧器回收工質。供熱模式時，可采用汽機排汽或抽汽對外供應工業蒸汽。

引風機汽機布置在爐后，除氧器及輔助蒸汽母管在爐前主廠房中，管道長度約200 m。因此，在汽機抽汽母管分別接出兩路管道,用于啟動時對200 m長的排汽管道進行暖管。

為防止汽機進水，在汽機主汽門前設沖管/暖管電動閥，抽汽和排汽管道均設有逆止門。此外，所有管道低點設置疏水點。

圖2　汽動引風機蒸汽系統P&ID圖

③ 引風機汽輪機本體系統

引風機汽機本體系統包括引風機汽機本體、蒸汽及疏水系統、潤滑油系統、控制油系統。汽機本體、蒸汽及疏水系統包括汽機本體、主汽門、主汽調節閥、軸封系統、疏水系統，以及相應的管道及接口等。汽機潤滑油系統包括潤滑油箱、潤滑油泵、排油煙風機、蓄能器、濾油器、冷油器及相應的管道等。汽機控制油系統包括速關組合電磁閥組、數字電液轉換器等。

3汽動引風機系統控制方案

1) 汽動引風機蒸汽系統的運行模式

如前所述，汽動引風機蒸汽系統可采用回熱和供熱兩種主要運行模式。不同運行模式下，蒸汽系統的控制方式如下。

(1) 回熱模式：排汽至輔汽母管電動閥關閉，排汽至除氧器電動閥全開，引風機汽機的背壓控制為滑壓運行方式。此時，汽機背壓約等于除氧器壓力。當除氧器壓力高時，開啟排汽至輔汽氣動調節閥,調節輔助蒸汽母管壓力，間接降低除氧器壓力。如果背壓持續升高，且以上閥門動作無效，則依次開啟引風機汽機PCV閥、機械式安全閥降低背壓，防止排汽超壓。

(2) 供熱模式：根據本項目引風機汽機選型可知，引風機汽機供熱模式下，單臺汽機最大抽汽量為10 t/h，抽汽溫度400 ℃左右，壓力可達1.5 MPa以上；機組滿負荷運行時，排汽流量約80~90 t/h，排汽參數約為1.2 MPa/320 ℃。因此，供熱模式總體上可分為采用抽汽的小流量/高參數供熱模式和采用排汽的大流量/低參數供熱模式兩種工況。

① 抽汽供熱模式：通過抽汽至供熱管道進行供熱，每臺引風機汽機最大抽汽量不超過10 t/h，機組最大供汽量不超過20 t/h。抽汽至供熱氣動調節閥維持供熱母管壓力，通過調節兩臺汽動引風機的抽汽管道電動球閥開度,保持兩臺引風機汽機抽汽量基本相同。排汽至除氧器或輔汽母管的氣動調節門調節汽機背壓。

② 排汽供熱模式：排汽至輔助蒸汽管道進行供熱，開啟排汽至輔汽電動閥，關閉排汽至輔汽氣動調節閥和排汽至除氧器電動閥，采用排汽至除氧器氣動調節閥調節汽機背壓。如果汽機背壓高，部分開啟排汽至除氧器電動閥，使更多的排汽溢流至除氧器，如果汽機背壓及除氧器壓力持續升高，開啟汽機PCV閥并報警。

2) 汽動引風機系統模擬量調節控制要求

(1) 兩臺汽動引風機并列運行時，通過調節汽機調門開度調節汽機轉速，從而調節引風機轉速，控制爐膛壓力。當有電動引風機運行時，仍采用引風機靜葉開度調節爐膛壓力。

(2) 兩臺引風機并列運行時(兩臺汽動或一電一汽)，引風機轉速應協調控制。

(3) 引風機汽機進汽/排汽溫度控制：引風機汽機排汽溫度的控制主要通過合理的控制進汽溫度來實現。引風機汽機的進汽由兩部分混合組成，一部分為溫度較低的冷段蒸汽，另一部分為溫度較高的一級再熱器出口蒸汽。在冷段蒸汽管道設置氣動調節閥，調節兩部分蒸汽的混合比例，從而調節混合蒸汽溫度，進而間接調節引風機排汽溫度。

(4) 回熱模式下，調節控制系統應維持回熱平衡，保證除氧器不超壓；供熱模式下，調節控制系統應維持熱網平衡，在系統安全的前提下，維持供熱母管壓力。

3) 汽動引風機系統順控、聯鎖與保護

汽動引風機相關系統至少應實現以下順控、聯鎖及保護功能。

(1) 引風機、引風機汽輪機及相關輔助設備的保護。

① 引風機防喘振保護、引風機軸承及電機防超溫保護。

② 引風機汽機進汽過熱度低，停機保護。

③ 引風機汽機排汽溫度過高，停機保護。

④ 引風機汽機背壓高，PCV閥快開，背壓高高，安全閥動作。

⑤ 引風機汽機超速、軸位移、振動、軸承溫度、潤滑油壓力保護等。

(2) 機組啟動時，可選擇采用電動引風機啟動或采用鄰機汽源驅動汽動引風機進行啟動。

(3) 機組運行過程中，汽動引風機可選擇采用本機汽源或鄰機汽源進行驅動及兩路汽源的自動切換。

(4) 機組運行過程中，兩臺引風機運行時，第三臺引風機備用。

(5) 當引風機汽機汽源無法滿足進汽及出力要求時(如負荷降低或停機過程中)，退出汽動引風機，聯鎖啟動電動引風機。

(6) 所有疏水點通過工質的過熱度對疏水閥進行控制。

(7) 當機組出現Runback工況時，因鍋爐出力減小，蒸汽參數下降，考慮機組運行的穩妥性，如采用單臺汽動引風機運行方式時，應采用回熱模式，切斷對外供熱，并在可能的情況下，盡量采用電動引風機。

4汽動引風機系統儀表配置及控制系統設計

1) 汽動引風機系統儀表配置

(1) 鍋爐煙系統儀表配置

如圖1所示，虛線框內的儀表為本次技改工程新增儀表，包括引風機C入口及出口壓力、引風機C出口溫度、引風機C流量。

(2) 汽動引風機蒸汽系統儀表配置

如圖2所示，汽動引風機蒸汽系統儀表配置如下。

① 在引風機汽機進汽母管設置溫度儀表，用于引風機汽機進汽溫度的調節。

② 引風機汽機進汽管道設置長徑噴嘴測量流量，并在噴嘴前設置壓力儀表，噴嘴后設置溫度儀表，用于流量補償。

③ 引風機汽機排汽母管設置壓力儀表，用于指示汽機背壓。

④ 排汽母管靠近汽機房除氧器側設置溫度儀表，用于啟動暖管。

⑤ 引風機汽機抽汽管道設置長徑噴嘴測量流量，用于調節兩臺汽機抽汽量平衡。

⑥ 引風機汽機抽汽母管至供熱蒸汽管道設置壓力、溫度儀表，用于指示供熱蒸汽參數。

⑦ 疏水點控制：所有疏水點處設置溫度、壓力儀表并由DCS計算過熱度，通過過熱度對疏水閥進行控制。

(3) 引風機汽機本體儀表配置

① 汽機排汽設置三重冗余的壓力和溫度儀表，用于排汽超壓及超溫聯鎖保護。

② 汽機本體設置六重冗余的轉速儀表，3只用于轉速調節，3只用于超速停機保護。

③ 汽機本體設置冗余的軸位移、軸承振動、軸承溫度、潤滑油壓力、調節油壓力儀表，用于汽機設備保護。

2) 汽動引風機控制系統設計

如前所述，工藝系統及儀表設計方案確定后，經統計，本次技改工程鍋爐煙系統新增I/O點41點，引風機汽機蒸汽系統及汽機本體I/O點共421點。通過對機組原有DCS控制器功能及I/O點分布進行研究，決定將本次技改煙系統新增設備的控制納入原有DCS煙風系統控制器中。同時，新增2對控制器，分別用于引風機汽機A、B本體(包括引風機汽機MEH及METS)及引風機汽機蒸汽系統的控制。新增控制器仍然采用Emerson公司的Ovation系統，并與原有DCS構成一體化的控制系統。

為實現新增設備/控制器與原有工藝系統/控制器間的可靠協調與聯鎖，新增的2對控制器與原有DCS系統間設置用于跳閘和重要保護的硬接線信號26點，包括MFT、轉速指令與反饋、啟動允許、停機、復位信號等。

本次技改新增的2對控制器及其電源、卡件等共4面機柜，另有1面引風機汽機本體監視儀表(MTSI)機柜，布置在機組原有的電子設備間中。新增控制器采用集控室原有操作員站進行監控。

5結束語

本文結合某1 000 MW超超臨界機組汽動引風機改造工程，介紹了該機組原有工藝系統、儀表與控制系統配置情況，研究了燃煤機組采用汽輪機驅動引風機的優缺點，描述了本次汽動引風機改造鍋爐煙系統、引風機汽機蒸汽系統及引風機汽機本體系統主要工藝系統及設備。根據工藝配置情況，分析并提出了汽動引風機相關系統的運行模式、調節控制與聯鎖保護要求。根據系統控制功能，提出了系統儀表配置及控制系統設計方案。采用汽動引風機增加了工藝系統的復雜度、前期設備投資及安裝調試工作量，但長期運行后，節約廠用電及增加售熱收入效果顯著。目前，該系統已經順利完成安裝、調試，并已正式投入運行。本文提出的儀表與控制系統設計方案能夠滿足機組實際生產運行的需要。

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中圖分類號：TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502006

修改稿收到日期：2014-07-13。

第一作者孫漾(1984-)，男，2012年畢業于華東理工大學控制科學與工程專業，獲博士學位，工程師；主要從事過程建模與控制優化、大型火力發電機組自動化系統的研究。