基于環保目標的亞臨界機組高中壓缸聯合啟動控制

朱劍英 王 頌

1.上海電力股份有限公司吳涇熱電廠；2.上海明華電力技術工程有限公司

引言

隨著國家對環境保護越來越重視，電廠的排放要求也日趨嚴格。發電機組啟動并網后，要求立即投用脫硫/脫硝系統設備并達到排放標準。然而對于吳涇電廠#8機組，在原有高壓缸啟動方式下，受脫硝催化劑溫度要求的限制，機組并網后需較長時間才能達到脫硝催化劑活性所需溫度，期間NOX排放存在較長時間超標。經過對吳涇電廠#8號機組高中壓聯合啟動控制技術的研究，通過提高機組燃燒率，縮短機組暖機時間加快機組升負荷速度、提升機組排煙溫度，減少NOX超標時間，滿足機組啟動后的全負荷環保達標要求。

經過前期對旁路控制邏輯及DEH側邏輯的方案設計修改、保護配置、設備維護、操作規程等優化后，進行了#8機組高中壓聯合啟動方式下的機組啟動，與高壓缸啟動方式相比較，從機組并網至SCR脫硝投用的時間縮短了1小時，減少了機組并網后超標時間，達到了預期排放目標。

1 機組設備概況

吳涇熱電廠8機組為300MW亞臨界燃煤汽輪發電機組。鍋爐由上海鍋爐廠生產的亞臨界參數、控制循環、四角切圓燃燒、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態排渣、露天布置、全鋼構架的∏型汽包爐。汽輪機為上海汽輪機有限公司生產的一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、供熱式汽輪機，型號為K156-16.7/0.981/538/538，其高壓調門(GV)控制方式采用順序閥控制，閥門順序依次為GV2-GV1-GV3-GV4。

機組的控制采用艾默生公司Ovation-UNIX分散控制系統。旁路為上海CCI動力控制設備有限公司提供的30%鍋爐最大連續工況(BMCR)高、低壓二級串聯旁路系統。

2 高中壓缸聯合啟動方式簡介

2.1 高壓缸啟動方式

機組高壓缸啟動方式中，機組沖轉前利用高、低壓旁路暖管、升溫、升壓；沖轉前先關閉高旁,待再熱器壓力到零或為微負壓時關閉低旁。因為采用高壓缸啟動，掛閘后中壓主汽門(RSV)和中壓調門(IV)全部開啟，中壓調門不參與轉速調節。

在高壓缸啟動方式下，高壓缸啟動的旁路只是用來在沖轉前期暖管、盡快提高沖轉參數[4]。僅要求在沖轉前能夠在要求速率范圍內通過旁路快速提高沖轉參數，因此對旁路要求較低，手動控制即可。高壓缸啟動時，沖轉前就退出旁路系統，掛閘后高中壓缸同時進汽，中壓主汽門(RSV)、中壓調節汽門(IV)全開,開始由高壓主汽門(TV)控制轉速，當轉速達到2900rpm高壓主汽門全開，由高壓調門(GV)來控制轉速。

2.2 高中壓缸聯合啟動方式

高、中壓缸聯合啟動的過程中，高中壓缸同時進汽，由于中低壓缸直接連通，所以低壓缸也同時進汽。蒸汽在高、中、低壓三個缸內同時做功。為維持一定的轉速或負荷所需要的蒸汽流量就較小。相比于高壓缸啟動，高中壓聯合啟動對旁路系統要求較高，要求配備二級串聯旁路，進行從鍋爐點火到汽輪機沖轉前的啟動升溫和升壓，維持主汽壓力與再熱蒸汽壓力穩定，將多余的啟動蒸汽經低壓旁路排入凝汽器，這樣還可防止鍋爐再熱器干燒。此外，機組DEH的旁路控制模式有2種(BYPASS OFF和 BY-PASS ON)，表明機組啟動和運行中DEH是否允許中壓調節汽門（IV）參與機組調節控制，與高低壓旁路系統實際狀態無關。高中壓聯合啟動需要選擇“BYPASS ON”，在機組帶負荷至 IV全開后，再切換至“BYPASS OFF”模式，可確保IV全開而不參與負荷控制，利于機組穩定運行。

另外，采用高壓缸啟動時，高排溫度較高，易發生在汽輪機啟動升速、空負荷、低負荷階段[1-2]。為此啟動前需打開高排通風閥以降低因鼓風損失造成的溫升，并在啟動時打開高排逆止門。圖1為高中壓缸聯合啟動方式下旁路結構圖。

圖1 高中壓缸聯合啟動旁路結構圖

高中壓缸聯合啟動方式較高壓缸啟動方式的啟動過程更加復雜，依據上汽廠給出的高中壓缸聯合啟動的冷態啟動曲線、相關資料[3]及吳涇電廠8號機組的情況，確定機組高中壓缸聯合啟動流程如下：

（1）沖轉前，在DEH中選擇操作員自動(Operator Auto)方式，選擇旁路投入(BYPASS ON)模式(即高中壓缸聯合啟動方式)，選擇單閥方式(SINGLE VALVE)，汽機掛閘后，中壓主汽門(RSV)全開，手動將閥位限值器設定為100%從而將高壓調節汽門(GV)全開，高壓主汽門(TV)與中壓調節汽門(IV)保持全關。

（2）目標轉速設為600 r/min，升速。這一過程DEH采用IV控制，TV關閉。主蒸汽經高旁減溫減壓，經過鍋爐再熱器到達中壓缸前。在600 r/min下保持2 min，記憶此時中壓缸的穩定流量。

（3）升速到2 850 r/min（該值根據實際情況可調整）。這一過程中TV與IV同時開啟控制轉速。高壓缸進汽通過高排通風閥排入凝汽器。在此轉速下保持4 min，記憶此時中壓缸的穩定流量。

穩定過程結束后，在此轉速下，進行TV與GV的切換，切換完成后TV全開并保持此后的轉速及負荷控制由GV負責。

（4）升速到3 000 r/min及并網。這一過程由GV控制，IV的PI指令保持，但IV的開度受熱再熱汽壓影響，汽壓高時IV要關小，汽壓低IV要開大，以維持中壓缸流量不變。

（5）并網后IV參與負荷調節，DEH增加GV與IV的5%初負荷開度，使機組帶一定的初負荷，避免出現逆功率。以后的升負荷過程由操作員控制，同時高低壓旁路逐漸關閉。

（6）并網升負荷時,確認高排逆止門已開啟，關閉高排通風閥，高壓缸的進汽將經過再熱器進入中壓缸形成正常的循環。

（7）在啟動過程中要求主汽與再熱蒸汽壓力保持穩定，由高低壓旁路的配合來實現，將多余的啟動蒸汽經低壓旁路排入凝汽器，可防止鍋爐再熱器干燒。

3 高低壓旁路控制功能設計

采用高中壓聯合啟動方式對旁路系統要求較高，要求機組配置二級串聯旁路，啟動過程中重點需維持主汽壓力與再熱蒸汽壓力穩定[5]，將多余的啟動蒸汽經低壓旁路排入凝汽器。吳涇電廠8號機組雖配置有二級串聯旁路，但自投產以來一直采用高壓缸啟動方式，其旁路按高壓缸啟動方式設計。為了實現高中壓缸聯合啟動方式，需對整個旁路系統進行控制方式重新設計，實現機組旁路全程自動控制，滿足高中壓缸聯合啟動方式下對主蒸汽壓力及再熱蒸汽壓力的控制要求。

3.1 高壓旁路控制功能設計

高壓旁路控制主要依據CCI旁路系統說明并結合高中壓缸聯合啟動過程中對主蒸汽壓力的控制要求進行設計，確保旁路系統正常投入自動并順利完成機組升溫、升壓、沖轉及并網過程。高壓旁路控制功能的設計主要涉及以下幾方面：

（1）高壓旁路控制系統中增加最小壓力控制方式。當機組點火后主蒸汽壓力在低于0.2MPa條件下進入最小壓力控制方式，此方式下高壓旁路保持關閉狀態。

（2）高壓旁路控制系統中增加最小閥位控制方式。當機組點火后且主蒸汽壓力高于0.2MPa條件下進入最小閥位控制方式，此方式下主蒸汽壓力設定值維持0.3MPa，高壓旁路調節閥最小開度為10%。

（3）高壓旁路控制系統中增加升壓控制方式。當主蒸汽壓力高于0.3MPa時高壓旁路自動進入升壓控制方式，升壓方式下壓力設定值以一定的速率上升至5Mpa，速率函數如表1所示：

表1 升壓方式升速率函數

（4）高壓旁路控制系統增加定壓模式邏輯及定壓方式下壓力設定值邏輯。當升壓方式結束后機組進入定壓模式，在此方式下機組旁路壓力設定值可由運行人員通過操作面板進行設置，根據實際情況對壓力進行調節。定壓方式下機組完成沖轉并網帶初負荷過程，機組并網后，會在壓力設定值上增加基于負荷的正向偏置值，保證高壓旁路調節閥快速關閉。

（5）高壓旁路控制系統增加旁路系統跟隨模式邏輯及跟隨方式壓力設定值邏輯。當機組并網且旁路調節閥關閉后旁路系統進入跟隨模式，此方式下旁路壓力設定值為當前主汽壓力設定值上疊加2Mpa壓力偏置，維持正常運行下旁路調節閥關閉狀態。

3.2 低壓旁路控制功能設計

低壓旁路控制主要維持再熱蒸汽壓力的穩定，保證機組啟動至并網前，能滿足高中壓缸聯合啟動要求。低壓旁路控制功能設計依據CCI旁路系統說明并借鑒相關類似機組高中壓缸聯合啟動經驗[5]。實現了機組高中壓缸啟動過程中低壓旁路全程自動控制，低壓旁路控制功能的設計主要涉及以下幾方面：

（1）低壓旁路控制系統增加最小壓力方式。當機組點火后再蒸汽壓力低于0.2MPa條件下進入最小壓力控制方式，此方式下低壓旁路保持關閉狀態。

（2）低壓旁路控制系統中，再熱蒸汽壓力高于0.2MPa時，進入定壓方式，這一方式下壓力設定值由基準值0.7Mpa與壓力偏置（±0.5MPa）組成，運行人員可通過操作員畫面對壓力偏置進行操作，以便對低旁壓力進行調整。這一方式下，低旁壓力調節閥開度下限值被限制在10%開度。

（3）低壓旁路控制系統中，當機組并網后，取消低壓旁路調節閥下限限制。同時低旁壓力設定值為機組負荷的函數，以保證低壓旁路快速關閉，并在機組運行期間維持關閉狀態。

4 汽機側啟動設備控制方式設計

相比于高壓缸啟動方式，在高中壓缸聯合啟動方式下，汽機側相關設備啟停過程有較大差異，如為防止高壓排汽溫度過高，需要設置由高壓排汽管路至冷凝器的大容量高壓缸排放裝置—高排通風閥，而高壓缸啟動時則無需開啟。結合上汽廠提供的高中壓缸聯合啟動規程，對相關設備的啟動方式進行優化設計，高壓缸及高中壓缸聯合啟動方式下相關設備啟停差異如表2所示。

表2 不同啟動方式下設備啟停差異

5 聯合啟動方式運行效果及分析

相關控制及設備回路優化設計完成后，對吳涇電廠8號機組進行高中壓缸聯合啟動方式驗證。機組鍋爐點火后，高、低壓旁路即投入自動控制。在自動控制方式下，旁路控制依次經過最小壓力方式、最小閥位方式、升壓方式及定壓方式。機組啟動過程如圖2所示：

圖2 高中壓聯合啟動方式啟動曲線

圖中，高壓旁路設定值5MPa、低壓旁路設定值0.7MPa。汽機轉速設定為600rpm時進行IV—TV切換，預暖高壓缸；汽機轉速設定為2 950rpm時進行暖機，并完成TV—GV切換，啟動期間，主蒸汽壓力逐步上升至5MPa，再熱蒸汽壓力控制在0.7MPa。汽機掛閘后，汽機沖轉、閥切換至沖轉至3 000rpm過程中，低旁壓力最大偏差0.22MPa，高旁壓力最大偏差0.16MPa，主汽壓和再熱汽壓波動均小于±0.3MPa，壓力控制穩定，旁路出口溫度一直低于溫度設定值320℃。整個旁路控制方面能夠滿足高中壓聯合啟動的要求。

高中壓缸聯合啟動方式下啟動過程中汽機側及鍋爐側煙氣重要參數如表3、表4所示：

從表3和表4可以看出，機組沖轉過程中壓缸脹上升較快，自機組并網起至SCR投運的時間約兩小時，較“高壓缸啟動”方式時間縮短約1小時（高壓缸啟動時約3小時），減少了并網后環保超標時間，同時機組并網前燃燒率由高壓缸啟動時的8%，提高至高中壓缸聯合啟動時的16%，鍋爐側亦具備了提早投運SCR的條件。

表3 汽輪機啟動過程汽機側重要參數匯總表

表4 汽輪機啟動過程鍋爐側煙氣參數匯總表

6 總結

主蒸汽及再熱蒸汽壓力的穩定是保證高中壓聯合啟動方式成功的基礎，此方式下對機組的旁路控制提出更高的要求。結合高中壓缸聯合啟動方式下壓力控制特點，對吳涇電廠8號機組進行了高低壓旁路控制邏輯完善及啟動調試，實現了啟動過程中旁路系統全程自動投入，完成機組點火、升溫升壓、汽機沖轉、并網過程中的全程自動控制。保證了機組順利實現高中壓聯合啟動。

通過吳涇電廠8機組的啟動過程，高中壓缸聯合啟動方式下SCR投用時間較高壓缸啟動方式下明顯縮短，減少了并網后環保超標時間。機組較高壓缸啟動過程最初擬定的增加鍋爐熱負荷，提升機組排煙溫度，減少NOx超標時間的目標基本達到。